1、(7-1)第八章第八章 集成运放的运用集成运放的运用（3）波形发生电波形发生电路路8.3.1正弦波发生器正弦波发生器8.3.2方波发生器方波发生器8.3.3三角波发生器三角波发生器8.3.4锯齿波发生器锯齿波发生器8.3.5压频转换压频转换(7-2)8.3.1 正弦波发生器正弦波发生器(7-3)在电子电路中，常常需要各种波形的信号，在电子电路中，常常需要各种波形的信号，如正弦波、矩形波、三角波和锯齿波等，作为测如正弦波、矩形波、三角波和锯齿波等，作为测试信号或控制信号。同时也为将所采集的信号能试信号或控制信号。同时也为将所采集的信号能够用于测量、控制、驱动负载或送入计算机等，够用于测量、控制、
2、驱动负载或送入计算机等，常会需要将信号进行转换，如：将电压转换成电常会需要将信号进行转换，如：将电压转换成电流，将电流转换成电压，将电压转换成频率与之流，将电流转换成电压，将电压转换成频率与之成正比的脉冲等成正比的脉冲等(7-4)一、一、产生自激振荡的原理产生自激振荡的原理fiiXXX改成正反馈改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。基本放大基本放大电路电路Aod反馈电路反馈电路FiX+iXoXfX(7-5)如果：如果：,ifXX则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。基本放大基本放大电路电路Aod反馈电路反馈电路FiXoXfX反馈信号代替了放大反馈信号
3、代替了放大电路的输入信号。电路的输入信号。基本放大基本放大电路电路Aod反馈电路反馈电路FiX+iXoXfX(7-6)自激振荡条件的推导自激振荡条件的推导fiiofiodoXXXXFXXAXFAAXXAododiof1基本放大基本放大电路电路Aod反馈电路反馈电路FiX+iXoXfX(7-7)自激振荡的条件自激振荡的条件基本放大基本放大电路电路Aod反馈电路反馈电路FiXoXfXoffiXFXXX,oodiodoXAFXAX1FAod(7-8)(3)要获得正弦自激振荡要获得正弦自激振荡,反馈回路中必须有反馈回路中必须有选频电路。所以将放大倍数和反馈系数写选频电路。所以将放大倍数和反馈系数写成：
4、成：FAAAododf1如果：如果：fodAFA:01则(1)正反馈足够强正反馈足够强,输入信号为输入信号为 0 时仍有信号时仍有信号输出，这就是产生了自激振荡。输出，这就是产生了自激振荡。(2)要获得非正弦自激振荡要获得非正弦自激振荡,反馈回路中必须有反馈回路中必须有RC积分电路。例如：后面将介绍的方波发积分电路。例如：后面将介绍的方波发生器、三角波发生器、锯齿波发生器等。生器、三角波发生器、锯齿波发生器等。)()(FA、(7-9)自激振荡的条件：自激振荡的条件：1)()(FA因为：因为：AAA|)(FFF|)(所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：（1）振幅条件：）振
5、幅条件：1|AF（2）相位条件：）相位条件：nFA2n是整数是整数相位条件相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。可以通过调整放大电路的放大倍数达到。(7-10)问题问题1：如何启振？如何启振？Uo 是振荡器的电压输出幅度，是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的是要求输出的幅度。起振时幅度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时，达到稳定振荡时Uo=B。放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中也包括有解为各种频率的分量，其中也包括有fo分量。分量。选频网络：选
6、频网络：把把fo分量选出，把其他频率的分量分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：衰减掉。这时，只要：|AF|1，且，且 A+B=2n，即可起振。即可起振。(7-11)问题问题2：如何稳幅？如何稳幅？起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若时若|AF|仍大于仍大于1，则输出将会饱和失真。，则输出将会饱和失真。达到需要的幅值后，将参数调整为达到需要的幅值后，将参数调整为AF=1，即可稳幅。，即可稳幅。具体方法将在后面具体电路中介绍。具体方法将在后面具体电路中介绍。起振并能稳定振荡的条件：起振并能稳定振荡的条件：111AFBUAFBUAFBUooo
7、时，时，时，(7-12)二二 正弦波振荡电路工作原理正弦波振荡电路工作原理 在各种波形的信号中，正弦波应用最广泛，而且它也在各种波形的信号中，正弦波应用最广泛，而且它也是低频电子电路的测试信号，所以我们首先以正弦波产是低频电子电路的测试信号，所以我们首先以正弦波产生电路为例来了解波形（信号）产生电路的组成原则，生电路为例来了解波形（信号）产生电路的组成原则，工作原理等。工作原理等。1 1、正弦波振荡电路：正弦波振荡电路：在没有外加输入信号的情况下，依在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。广泛用靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。广泛用于测量、遥控、通信、
8、自动控制、热处理和超声波电焊于测量、遥控、通信、自动控制、热处理和超声波电焊等设备中。等设备中。2 2、正弦波振荡电路的种类：正弦波振荡电路的种类：（用选频网络命名）（用选频网络命名）RC RC正弦波振荡电路；正弦波振荡电路；LC LC正弦波振荡电路；正弦波振荡电路；石英石英晶体正弦波振荡电路。晶体正弦波振荡电路。(7-13)(7-14)3 3、正弦波振荡电路的及起振条件、正弦波振荡电路的及起振条件(7-15)在框图中，在框图中，由于电扰动（如合闸通电）由于电扰动（如合闸通电），电路产，电路产生一个幅值很小的输出量，它含有有丰富的频率，而如生一个幅值很小的输出量，它含有有丰富的频率，而如果电路
9、只对频率为果电路只对频率为f f0 0的正弦波产生反馈，则输出信号的正弦波产生反馈，则输出信号X X0 0将越来越大。将越来越大。由于电路内部晶体管的非线性，当由于电路内部晶体管的非线性，当X X0 0的幅值增大到的幅值增大到一定程度后，放大倍数的数值将减小，因此一定程度后，放大倍数的数值将减小，因此X X0 0也不会无也不会无限制地增大。限制地增大。但当但当X X0 0增大到一定数值时，电路到达增大到一定数值时，电路到达动态平衡动态平衡，这，这时，输出量时，输出量X X0 0通过反馈网络通过反馈网络F F产生反馈量产生反馈量X Xf f作为放大电作为放大电路的输入量，而输入量又通过放大电路维
10、持着输出量，路的输入量，而输入量又通过放大电路维持着输出量，(7-16)即：即：则正弦振荡的平衡条件为：则正弦振荡的平衡条件为：其模为：其模为：-幅值平衡条件幅值平衡条件 相角为：相角为：（n n为整数）为整数）-相位平衡条件。相位平衡条件。00XFAX1FA1|FAnFA2(7-17)为使输出量在合闸后能够有一个从小到大直至平衡在为使输出量在合闸后能够有一个从小到大直至平衡在一定幅值的过程电路的一定幅值的过程电路的起振条件起振条件为：为：在电路满足相位平衡的条件下（在电路满足相位平衡的条件下（x xi i与与x xf f极性相同）。极性相同）。满足起振条件后，电路把除频率满足起振条件后，电路
11、把除频率f=ff=f0 0以外的输出量以外的输出量都逐渐衰减为零，因此输出量为频率都逐渐衰减为零，因此输出量为频率f=ff=f0 0的正弦波。的正弦波。1|FA*起振条件：起振条件：(7-18)4 4、正弦波振荡电路的组成部分：、正弦波振荡电路的组成部分：放大电路：放大电路：保证电路能够有从起振到动态平保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。能量的控制。选频网络：选频网络：确定电路的振荡频率，使电路产确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡保证和电路产生正弦波振荡。生单一频率的振荡保证和电路产生正弦波振荡。
12、正反馈网络：正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号。入信号等于反馈信号。稳幅环节：稳幅环节：也就是非线性环节，作用是使输也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。出信号幅值稳定。(7-19)5 5、判断电路是否产生正弦波振荡的方法、判断电路是否产生正弦波振荡的方法:（1 1）观察电路是否包含了）观察电路是否包含了（2 2）判断放大电路是否能够正常工作，）判断放大电路是否能够正常工作，（3 3）利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡）利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件，的相位条件，（4 4）判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件：）判
13、断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件：(7-20)(7-21)三、三、RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 实用的实用的RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路多种多样，最典型的是多种多样，最典型的是RCRC桥桥式振荡电路式振荡电路，又称为，又称为文式桥文式桥振荡电路振荡电路。RC RC串并选频网络：因为在串并选频网络：因为在振荡电路中既为振荡电路中既为选频网络，选频网络，又为正反馈网络又为正反馈网络，所以输入，所以输入电压为电路的电压为电路的u u0 0，输出电压，输出电压为反馈电压为反馈电压u uf f。(7-22)(7-23)(7-24)1(j)1(112211221CRCRCCRRUUio1
14、221212CRfCRfoo当当 时，相移为时，相移为0 0。R1C1R2C2iUoU(7-25)212121CCRRfo如果：如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：，则：RCfo21)(j31ffffUUooio)(31arctgffffoo22)(31ffffUUooio传递函数：传递函数：相频特性：相频特性：幅频特性：幅频特性：fofioUU31+90 90 f0(7-26)当当f=ff=f0 0时，时，这表明：只要这表明：只要RCRC串并选频网络匹配一个电压放串并选频网络匹配一个电压放大倍数等于大倍数等于3 3，而且输入输出同相的放大电路，而且输入输出同相的放大电路就可以构成正弦波
15、振荡电路。就可以构成正弦波振荡电路。考虑到起振条件，考虑到起振条件，放大电路的放大电路的A AV V应略大于应略大于3 3，同时还应使放大电路有尽可能大的同时还应使放大电路有尽可能大的R Ri i和尽可能和尽可能小的小的R R0 0。来减小放大电路对选频特性的影响，。来减小放大电路对选频特性的影响，使振荡频率几乎仅仅决定于选频网络，使振荡频率几乎仅仅决定于选频网络，31FAAu 31F(7-27)(7-28)(7-29)2、用运放组成的、用运放组成的RC振荡器振荡器0A所以，若要满足相所以，若要满足相位条件，只有在位条件，只有在 f fo 处：处：0F因为：因为：1AF122RR uo_+R2
16、RCRCR1121RRA31112FRRA(7-30)能自行启动的电路（能自行启动的电路（1）uotRtA半导体半导体热敏电阻热敏电阻起振时，起振时，RT略大于略大于2R1，使使|AF|1，以便起振；，以便起振；_+RTRCRCR1t uo起振后，起振后，uo逐渐增大逐渐增大则则RT逐渐减小，使得输出逐渐减小，使得输出uo为某值时，为某值时，|AF|=1，从而稳幅。从而稳幅。(7-31)能自行启动的电路（能自行启动的电路（2）R22为一小电阻，为一小电阻，使使(R21+R22)略大略大于于2R1，|AF|1，以便起振；以便起振；_+R21RCCR1R22D1D2随着随着uo的增加，的增加，R2
17、2逐渐被短接，逐渐被短接，A自动自动下降到使下降到使|AF|=1，使得输出使得输出uo稳定在稳定在某值。某值。(7-32)输出频率的调整：输出频率的调整：RCfo21通过调整通过调整R或或/和和C来调整频率。来调整频率。_+RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R3C：双联可调电：双联可调电容，改变容，改变C，用于细调振用于细调振荡频率。荡频率。K：双联波段开：双联波段开关，切换关，切换R，用于粗调振用于粗调振荡频率。荡频率。(7-33)电子琴的振荡电路电路：电子琴的振荡电路电路：2121RRCfo_+RF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21(7-3
18、4)3、用分立元件组成的、用分立元件组成的RC振荡器振荡器RCRC+UCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1CET2RC1RF+ube RC网络正反馈，网络正反馈，RF、RE1组成负反馈，调整到组成负反馈，调整到合适的参数则可产生振荡。合适的参数则可产生振荡。(7-35)非正弦波发生器非正弦波发生器(7-36)我们的信号除我们的信号除正弦波正弦波外外，还有还有矩形波、三角波、矩形波、三角波、锯齿波锯齿波等非正弦波形等非正弦波形。这些信号发生电路的基础是矩形波发生电路，现我们这些信号发生电路的基础是矩形波发生电路，现我们简要介绍一下矩形波发生电路的组成要求：简要介绍一下矩形波发生电路
19、的组成要求：（1 1）由于矩形波电压只有两个电平，不是高电平，就是）由于矩形波电压只有两个电平，不是高电平，就是低电平，则电压比较器可以是它的重要组成部分。低电平，则电压比较器可以是它的重要组成部分。（2 2）要产生振荡，就是要求输出的两种状态能自动地相）要产生振荡，就是要求输出的两种状态能自动地相互转换，则电路中必须引入反馈。互转换，则电路中必须引入反馈。（3 3）又因为输出状态要按一定的时间间隔交替变化，即）又因为输出状态要按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中还要有产生周期性变化，所以电路中还要有延迟环节延迟环节来确定每种来确定每种状态持续的时间。显然要由状态持续的时间。
20、显然要由RCRC电路来电路来定时定时。(7-37)矩形波发生电路由矩形波发生电路由反相迟滞电压比较器反相迟滞电压比较器和和RCRC电路电路组成。组成。其中其中RCRC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，电路通，电路通过过RCRC的充、放电过程实现输出环节的自动转换。的充、放电过程实现输出环节的自动转换。(7-38)一、电路结构一、电路结构omHURRRU211omLURRRU211上下门限电压：上下门限电压：反相迟滞比较器，反相迟滞比较器，输出经积分电路再输出经积分电路再输入到此比较器的输入到此比较器的反相输入端。反相输入端。+RR1R2C+ucuo8.3.2
21、 方波发生器方波发生器(7-39)二、工作原理二、工作原理1.设设 uo=+UOM此时，输出给电容此时，输出给电容C 充电充电!则：则：u+=UH0tuoUOM-UOMU+Huc0t一旦一旦 uc UH,就有就有 u-u+,在在 uc UH 时，时，u-u+,uo 保持保持+UOM 不变；不变；uo 立即由立即由UOM 变成变成UOM +RR1R2C+ucuo(7-40)此时，电容此时，电容C 经输出端放电。经输出端放电。2.当当uo =-UOM 时，时，u+=ULuc降到降到UL时，时，uo上翻上翻。UHuctUL当当uo 重新回到重新回到UOM 以后，电路又进入另一以后，电路又进入另一个个
22、周期性的变化。周期性的变化。+RR1R2C+ucuo(7-41)0UHuctULUOMuo0t-UOMT输出波形：输出波形：+RR1R2C+ucuo(7-42)RC电路：电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频率。起反馈和延迟作用，获得一定的频率。反相迟滞比较器：反相迟滞比较器：起开关作用，实现高低电平的起开关作用，实现高低电平的转换。转换。+RR1R2C+ucuo方波发生器各部分的作用：方波发生器各部分的作用：(7-43)三、周期与频率的计算三、周期与频率的计算RCtOMLOMceUUUtu)()(f=1/T)21ln(221RRRCTRCtOMHOMceUUUtu)()(uc上升阶段表示式上升
23、阶段表示式:uc下降阶段表示式下降阶段表示式:uc0UHtULT1T2RCTOMLOMHeUUUU2)(RCTOMHOMLeUUUU1)()21ln(2121RRRCTTOMLHURRRUU211(7-44)方波发生器电路的改进：方波发生器电路的改进：+RR1R2C+ucuo+RR1R2C+ucuo UZ(7-45)(7-46)思考题：思考题：点点 b 是电位器是电位器 RW 的中点，点的中点，点 a 和点和点 c 是是 b 的上方和下方的某点的上方和下方的某点 。试定性。试定性画出点电位器可动端分别处于画出点电位器可动端分别处于 a、b、c 三点三点时的时的 uo-uc 相对应的波形图。相对
24、应的波形图。-+RWR1R2CucuoD1D2abc(7-47)反向积分电路反向积分电路方波发生器方波发生器电路一：电路一：方波发生器方波发生器 矩形波矩形波积分电路积分电路三角波三角波+RR1R2C+uc-+RR2Cuo此电路要求前后电路的时间常数配此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。合好，不能让积分器饱和。8.3.3 三角波发生器三角波发生器(7-48)tuRCuood11+RR1R2C+uc-+RR2Cuouo1uo三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由周期周期T和参数和参数R、C决定。决定。0uo1tUom-Uom(7-49)
25、电路二：电路二：电路一的改型电路一的改型+A1A2uouo1R02R01RCR2R1反向积分电路反向积分电路同相迟同相迟滞比较滞比较器器特点：特点：由由同相迟滞比较器同相迟滞比较器和和反相积分器反相积分器级联构成，级联构成，迟滞比较器的输出作为反相积分器的输入，迟滞比较器的输出作为反相积分器的输入，反相积分器的输出又作为迟滞比较器的输入。反相积分器的输出又作为迟滞比较器的输入。(7-50)+uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL同相迟滞比较器同相迟滞比较器回顾回顾:omHURRU21omLURRU21上下门限电压：上下门限电压：(7-51)回顾回顾:反相积分器反相积分器tuRCui
26、od1ui-+RR2Cuoui=-Uui=+Utuo0+Uom-Uom(7-52)omHURRU21omLURRU21+A1A2uouo1R02R01RCR2R100uo1tUOMUOMuotUHULtuRCuood11(7-53)周期和频率的计算：周期和频率的计算：tuoUHULT+A1A2uouo1R02R01RCR2R1RCRRf124214RRCRT T1T2LHTOMUUtURC10d1HLTOMUUtURC20d1TTT5.021omTOMURRtURC215.002d1(7-54)电路三：电路三：是电路二的改型电路是电路二的改型电路调整电位器调整电位器 RW 可以使三角波上下移可
27、以使三角波上下移动。即给纯交流的三角波叠加了一个动。即给纯交流的三角波叠加了一个直流分量。直流分量。+E-ERW+A1A2uouo1R02R01RCR2R1(7-55)tuoT1T2-+R2R1+R R2CuoR+T1 时间段，电容时间段，电容 C 通过通过 R 放电放电T2 时间段，电容时间段，电容 C 通过通过 R 充电充电充放电的充放电的 时间时间T1、T2可可通过通过 R、R调整。调整。当当R=0时，则为锯齿波发生器。时，则为锯齿波发生器。电路四：电路四：是电路二的改进电路是电路二的改进电路uo1被嵌位被嵌位于于Uz(7-56)(7-57)(7-58)uot-+R2R1+R4CuoR+
28、R3改变三角波发生器中改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常积分电路的充放电时间常数，使放电的时间常数为数，使放电的时间常数为0，即把三角波发生器转，即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器。换成了锯齿波发生器。couuuct8.3.4 锯齿波发生器锯齿波发生器(7-59)-+R2R1+R4CuoR+R3ZTZURRtURC2102d1212RRCRT(7-60)(7-61)ZHURRU21ZLURRU21|ui|UZ+R2R1ui-+R3CuoRA1A2uo1D1D2couu把锯齿波发生器积分电路的充电电压由把锯齿波发生器积分电路的充电电压由uo1变为变为ui，则锯齿波发生器转变为压频转换电路
29、。即输出则锯齿波发生器转变为压频转换电路。即输出uo的频率由输入电压的频率由输入电压ui的大小决定。的大小决定。8.3.5 压频转换压频转换(7-62)设设 uo1=+UZ，则，则D2截止，截止，D1导导通，通，ui 给电容给电容C充电，充电，uo下降，下降，当当uo下降下降到到U+L时时uo1翻转到翻转到-UZ，这时，这时，D1截止，截止，D2导通，电容导通，电容C快速放电，快速放电，uo上升，当上升，当uo上升上升到到U+H时时uo1翻转到翻转到+UZ。如此周。如此周期变化。期变化。uo为锯齿波。为锯齿波。工作原理：工作原理：+R2R1ui-+R3CuoRA1A2uo1D1D2uccouutucUHULuotULUH(7-63)+R2R1ui-+R3CuoRA1A2uo1D1D2由电路的工作情况可知：由电路的工作情况可知：改变电压改变电压uiuo的频率变化的频率变化充电电压变化充电电压变化因此，称该电路为因此，称该电路为压频转换电路压频转换电路。tucUHUL充电时间变化充电时间变化(7-64)由工作原理可知，由工作原理可知，uo在在U+L、U+H之间变化：之间变化：TuRCURRiZ1221iZuURCRRT212ZiUuRRRCf1221+R2R1ui-+R3CuoRA1A2uo1D1D2ZURR21ZURR21
