波形的发生和信号的转换课件

第八章第八章波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换8.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.2电压比较器电压比较器8.3非正弦波发生电路非正弦波发生电路8.4利用集成运放实现的信号转换电路利用集成运放实现的信号转换电路8.5锁相环及其在电路中的运用锁相环及其在电路中的运用第第三三版版童童诗诗白白第八章波形的发生和信号的转换8.1正弦波振荡电路8.21第第三三版版童童诗诗白白本章重点和考点：本章重点和考点：1.重点掌握重点掌握RC正弦波振荡正弦波振荡 工作原理。工作原理。2.重点掌握电压比较器的传输特性。重点掌握电压比较器的传输特性。3.掌握非正弦波发生电路的原理。掌握非正弦波发生电路的原理。本章教学时数：本章教学时数：6学时学时第三版童诗白本章重点和考点：1.重点掌握RC正弦波振荡 工作2第第三三版版童童诗诗白白本章讨论的问题：本章讨论的问题：1.在模拟电子电路中需要哪些波形的信号作为测试信号和在模拟电子电路中需要哪些波形的信号作为测试信号和控制信号？控制信号？2.正弦波振荡电路所产生的自激振荡和负反馈放大电路中正弦波振荡电路所产生的自激振荡和负反馈放大电路中所产生的自激振荡有什么区别？所产生的自激振荡有什么区别？3.为什么正弦波振荡电路中必须有选频网络？选频网络由为什么正弦波振荡电路中必须有选频网络？选频网络由哪些元件组成？哪些元件组成？4.为什么说矩形波发生电路是产生非正弦波信号的基础为什么说矩形波发生电路是产生非正弦波信号的基础？为什么非正弦波发生电路中几乎都有电压比较器？为什么非正弦波发生电路中几乎都有电压比较器？第三版童诗白本章讨论的问题：1.在模拟电子电路中需要哪些波形3第第三三版版童童诗诗白白本章讨论的问题：本章讨论的问题：5.电压比较器与放大电路有什么区别？集成运放在电电压比较器与放大电路有什么区别？集成运放在电压比较器和运算放大电路中的工作状态一样吗？压比较器和运算放大电路中的工作状态一样吗？6.如何组成矩形波、三角波和锯齿波发生发生电路？如何组成矩形波、三角波和锯齿波发生发生电路？7.为什么需要将输入信号进行转换？有哪些基本转换为什么需要将输入信号进行转换？有哪些基本转换？第三版童诗白本章讨论的问题：5.电压比较器与放大电路有什么区4第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换8.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.1.1概述概述放大电路放大电路反馈网络反馈网络如如果果反反馈馈电电压压 uf 与与原原输输入入信信号号 ui 完完全全相相等等，则则即即使使无无外外输输入入信信号号，放放大大电电路路输输出出端端也也有有一一个个正正弦弦波波信信号号自激振荡自激振荡。(电路要引入正反馈电路要引入正反馈)图图 8.1.2 8.1.2正弦波振荡电路的方框图正弦波振荡电路的方框图一、产生正弦波振荡的条件一、产生正弦波振荡的条件动画动画avi11-1.avi8.1正弦波振荡电路8.1.1概述放大电路反馈网络如5第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换由此知放大电路产生自激振荡的条件是：由此知放大电路产生自激振荡的条件是：即：即：所以产生正弦波振荡的条件是：所以产生正弦波振荡的条件是：幅度平衡条件幅度平衡条件相位平衡条件相位平衡条件电路起电路起振的条件：振的条件：由此知放大电路产生自激振荡的条件是：即：所以产生正弦波振荡的6第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换二、正弦波振荡电路的组成及分类二、正弦波振荡电路的组成及分类组成组成：放大电路：放大电路：集成运放集成运放选频网络：选频网络：确定电路的振荡频率确定电路的振荡频率反馈网络：反馈网络：引入正反馈引入正反馈稳幅环节：稳幅环节：非线性环节，使输出信号幅值稳定非线性环节，使输出信号幅值稳定分类：分类：RC正弦波振荡电路，频率较低，在正弦波振荡电路，频率较低，在1MHz以下。以下。LC正弦波振荡电路，频率较高，在正弦波振荡电路，频率较高，在1MHz以上。以上。石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。二、正弦波振荡电路的组成及分类组成：放大电路：集成运放7第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换三、判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤三、判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤1.检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；2.检检查查放放大大电电路路的的静静态态工工作作点点是是否否能能保保证证放放大大电电路路正正常工作；常工作；3.分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件判断相位平衡条件的方法是：判断相位平衡条件的方法是：瞬时极性法瞬时极性法。5.估算振荡频率和起振条件估算振荡频率和起振条件4.判断是否满足振幅平衡条件。判断是否满足振幅平衡条件。三、判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤1.检查电8第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换8.1.2RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路RCRC串并联网络振荡电路也称串并联网络振荡电路也称RCRC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路或称文氏振荡电路或称文氏振荡电路(Wien)(Wien)电路组成：电路组成：放大电路放大电路 集成运放集成运放 A；选频与正反馈网络选频与正反馈网络 R、C 串并联电路；串并联电路；稳幅环节稳幅环节 RF 与与 R 组成的负反馈电路。组成的负反馈电路。8.1.2RC 正弦波振荡电路RC串并联网络振荡电路也称R9第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换图图 8.1.4一、一、RC 串并联选频网络串并联选频网络Z1Z2取取 R1=R2=R，C1=C2=C，令，令 则：则：图 8.1.4一、RC 串并联选频网络Z1Z2取 R1=10第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换得得 RC 串并联电路的幅串并联电路的幅频特性为：频特性为：相频特性为：相频特性为：最大，最大，F=0。0 F01/3+90-90图图 8.1.5得 RC 串并联电路的幅频特性为：相频特性为：最大，F11第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换二、振荡频率与起振条件二、振荡频率与起振条件1.振荡频率振荡频率2.起振条件起振条件f=f0 时，时，由振荡条件知：由振荡条件知：所以起振条件为：所以起振条件为：同相比例运放的电压放大倍数为同相比例运放的电压放大倍数为即要求：即要求：二、振荡频率与起振条件1.振荡频率2.起振条件f=f12第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换三、振荡电路中的负反馈三、振荡电路中的负反馈(稳幅环节稳幅环节)引引入入电电压压串串联联负负反反馈馈，可可以以提提高高放放大大倍倍数数的的稳稳定定性性，改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。反馈系数反馈系数改改变变 RF，可可改改变变反反馈馈深深度度。增加负反馈深度，并且满足增加负反馈深度，并且满足则则电电路路可可以以起起振振，并并产产生生比比较较稳稳定定而而失失真真较较小小的的正正弦波信号。弦波信号。图图 8.1.7反馈电阻反馈电阻 RF采用负温度系数采用负温度系数的热敏电阻，的热敏电阻，采用正温度系数采用正温度系数的热敏电阻，均可实现的热敏电阻，均可实现自动稳幅。自动稳幅。三、振荡电路中的负反馈(稳幅环节)引入电压串联负反馈，可13第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换稳幅的其它措施稳幅的其它措施电流增大时，二极管动态电电流增大时，二极管动态电阻减小。电流减小时，动态阻减小。电流减小时，动态电阻增大，加大非线性环节，电阻增大，加大非线性环节，从而使输出电压稳定。从而使输出电压稳定。在在RF回路中串联二个并联的二极管回路中串联二个并联的二极管稳幅的其它措施电流增大时，二极管动态电阻减小。电流减小时，动14第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换四、振荡频率可调的四、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路用双层波段开关接不同电容，用双层波段开关接不同电容，作为振荡频率作为振荡频率f0的的粗调粗调；用同轴电位器实现用同轴电位器实现f0的的微调微调。RC串、并联网络中，串、并联网络中，如何调节频率？如何调节频率？问题：如何提高频率问题：如何提高频率？动画动画avi11-2.avi四、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路用双层波段开关接不同15第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换*其他形式的其他形式的 RC 振荡电路振荡电路一、移相式振荡电路一、移相式振荡电路集集成成运运放放产产生生的的相相位位移移 A=180，如如果果反反馈馈网网络络再再相相移移 180，即即可可满满足足产产生生正正弦弦波波振振荡的相位平衡条件。荡的相位平衡条件。振荡频率为：振荡频率为：0 27018090当当 f=f0 时时，相相移移 180，满足正弦波振荡的相位条件。满足正弦波振荡的相位条件。起振条件：起振条件：RF 12 R*其他形式的 RC 振荡电路一、移相式振荡电路集成运放16第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换*二、双二、双 T 选频网络振荡电路选频网络振荡电路振荡频率约为：振荡频率约为：当当 f=f0 时时，双双 T 网网络络的的相相移移为为 F=180；反反相相比比例例运运放放的的相相移移 A=180，因因此此满满足足产产生生正正弦弦波波振振荡荡的的相相位位平衡条件。平衡条件。如如果果放放大大电电路路的的放放大大倍倍数数足足够够大大，同同时时满满足足振振幅幅平平衡条件，即可产生正弦波振荡。衡条件，即可产生正弦波振荡。起振条件起振条件*二、双 T 选频网络振荡电路振荡频率约为：当 f=17第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换*三种三种 RC 振荡电路的比较振荡电路的比较名称名称RC 串并联网络振荡电路串并联网络振荡电路移相式振荡电路移相式振荡电路双双 T 网络选频振荡电路网络选频振荡电路电路电路形式形式振荡振荡频率频率起振起振条件条件电路特电路特点及应点及应用场合用场合可方便地连续调节振荡可方便地连续调节振荡频率，便于加负反馈稳幅电频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波路，容易得到良好的振荡波形。形。电路简单，经济电路简单，经济方便，适用于波形要方便，适用于波形要求不高的轻便测试设求不高的轻便测试设备中。备中。选频特性好，适用于选频特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。产生单一频率的振荡波形。*三种 RC 振荡电路的比较名称RC 串并联网络振荡电路移18第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换8.1.3LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 一、一、LC 谐振回路的频率特性谐振回路的频率特性当频率变化时，并联电路阻抗当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。的大小和性质都发生变化。并联电路的导纳：并联电路的导纳：当当电路发生电路发生并联谐振并联谐振。图图 8.1.108.1.3LC 正弦波振荡电路 一、LC 谐振回路的频19第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换并联谐振角频率并联谐振角频率令：令：谐振回路的品质因数谐振回路的品质因数当当 Q 1 时时谐振频率：谐振频率：并联谐振角频率令：谐振回路的品质因数当 Q 1 时20第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换回路回路等效阻抗等效阻抗：LC 并联回路的阻抗：并联回路的阻抗：发生并联谐振时，发生并联谐振时，在谐振频率附近，在谐振频率附近，可见，可见，Q 值不同，回路的阻抗不同。值不同，回路的阻抗不同。回路等效阻抗：LC 并联回路的阻抗：发生并联谐振时，在谐振频21第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换不同不同 Q 值时，值时，LC 并联并联电路的幅频特性：电路的幅频特性：Z01Z02Q1 Q2Q1Q2相频特性：相频特性：F+90-90Q1Q2Q1 Q2感性感性纯阻纯阻容性容性结论：结论：1.当当 f=f0 时时，电电路路为为纯纯电电阻阻性性，等等效效阻阻抗抗最最大大；当当 f f0 时时，电电路路为为容容性性。所所以以 LC 并并联联电电路路具具有有选选频频特性。特性。2.电电路路的的品品质质因因数数 Q 愈愈大大，选频特性愈好。选频特性愈好。图图 8.1.11不同 Q 值时，LC 并联电路的幅频特性：Z01Z022第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换谐振时谐振时 LC 回路中的电流回路中的电流电容支路的电流：电容支路的电流：并联回路的输入电流：并联回路的输入电流：所以：所以：当当 Q 1 时，时，结结论论：谐谐振振时时，电电容容支支路路的的电电流流与与电电感感支支路路的的电电流流大大小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。谐振时 LC 回路中的电流电容支路的电流：并联回路的输入电流23第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换若以若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载并联网络作为共射放大电路的集电极负载当当f=f0时，电压放大倍时，电压放大倍数的数值最大，且无附数的数值最大，且无附加相移。因而电路称为加相移。因而电路称为选频放大电路选频放大电路若增加若增加正反馈正反馈，并用反馈，并用反馈电压取代输入电压，则电电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路路就成为正弦波振荡电路LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路变压器反馈式变压器反馈式电感反馈式电感反馈式电容反馈式电容反馈式若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载当f=f0时24第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换二、变压器反馈式振荡电路二、变压器反馈式振荡电路1.工作原理工作原理用用瞬瞬时时极极性性判判断断为为正正反反馈馈，所所以以满满足足自自激激振振荡荡的的相相位位平平衡衡条件。条件。-2.振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件振荡频率振荡频率起振条件起振条件图图 8.1.14变压器反馈式变压器反馈式振荡电路振荡电路二、变压器反馈式振荡电路1.工作原理用瞬时极性判断为正反25第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换三、电感反馈式振荡电路三、电感反馈式振荡电路1.电路组成电路组成用用瞬瞬时时极极性性判判断断为为正正反反馈馈，所所以以满满足足自自激激振振荡荡的的相相位位平平衡衡条件。条件。-2.振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件振荡频率振荡频率起振条件起振条件图图 8.1.17三、电感反馈式振荡电路1.电路组成用瞬时极性判断为正反馈26第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换四、电容反馈式振荡电路四、电容反馈式振荡电路1.电路组成电路组成用用瞬瞬时时极极性性判判断断为为正正反反馈馈，所所以以满满足足自自激激振振荡荡的的相相位位平平衡衡条件。条件。2.振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件振荡频率振荡频率起振条件起振条件 图图 8.1.20-四、电容反馈式振荡电路1.电路组成用瞬时极性判断为正反馈27第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换电容反馈式改进型振荡电路电容反馈式改进型振荡电路振荡频率振荡频率选择选择 C C1，C C2，则：则：减减小小了了三三极极管管极极间间电电容容对对振振荡荡频频率率的的影影响响，适适用用于于产生高频振荡。产生高频振荡。图图 8.1.22电容反馈式改进型振荡电路振荡频率选择 C C1，C 28第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达100MHz，怎么办？，怎么办？采用共基放大电路采用共基放大电路如何分析？如何分析？若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达100MHz，怎么办？29第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换名称名称变压器反馈式变压器反馈式电感反馈式电感反馈式电容反馈式电容反馈式电容反馈式改进型电容反馈式改进型电电路路形形式式振荡频率振荡频率起振条件起振条件同左同左频率调节方频率调节方法及范围法及范围频频率率可可调调，范范围围较宽。较宽。同左同左频频率率可可调调，范范围较小。围较小。同左同左振荡波形振荡波形一般一般较差较差好好好好频率稳定度频率稳定度可达可达 10-4同左同左可达可达 10-4 10-5可达可达 10-5适用频率适用频率几千赫几千赫 几十兆几十兆赫赫同左同左几兆赫几兆赫 一百一百兆赫兆赫同左同左各种各种 LC 振荡电路的比较振荡电路的比较名称变压器反馈式电感反馈式电容反馈式电容反馈式改进型电振荡频30第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换8.1.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常稳石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常稳定的固有频率。定的固有频率。一、一、石英晶体的特点石英晶体的特点压压电电效效应应：在在石石英英晶晶片片的的两两极极加加一一电电场场，晶晶片片将将产产生生机机械械变变形形；若若在在晶晶片片上上施施加加机机械械压压力力，在在晶晶片片相相应应的的方向上会产生一定的电场。方向上会产生一定的电场。压压电电谐谐振振：晶晶片片上上外外加加交交变变电电压压的的频频率率为为某某一一特特定定频率时，振幅突然增加。频率时，振幅突然增加。1.压电效应和压电振荡压电效应和压电振荡8.1.4石英晶体振荡器 石英晶体谐振器，简称石英晶体，31第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换2.等效电路和振荡频率等效电路和振荡频率符号：符号：串联谐振频率串联谐振频率并联谐振频率并联谐振频率电抗频率特性电抗频率特性OfXfsfp容性容性容性容性感性感性图图 8.1.27图图 8.1.282.等效电路和振荡频率符号：串联谐振频率并联谐振频率电抗频率32第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换二、石英晶体正弦波振荡电路二、石英晶体正弦波振荡电路1.并联型石英晶体正弦波振荡电路并联型石英晶体正弦波振荡电路交流等效电路交流等效电路振荡频率振荡频率由于由于图图 8.1.29二、石英晶体正弦波振荡电路1.并联型石英晶体正弦波振荡电路交33第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换2.串联型石英晶体振荡电路串联型石英晶体振荡电路图图 8.1.30串联型石英晶串联型石英晶体振荡电路体振荡电路当当振振荡荡频频率率等等于于 fS 时时，晶晶体体阻阻抗抗最最小小，且且为为纯纯电电阻阻，此此时时正正反反馈馈最最强强，相相移移为为零零，电电路路满满足足自自激激振振荡条件。荡条件。振荡频率振荡频率调节调节 R 可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。2.串联型石英晶体振荡电路图 8.1.30串联型石英晶体振34第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换8.2电压比较器电压比较器1.电电压压比比较较器器将将一一个个模模拟拟量量输输入入电电压压与与一一个个参参考考 电电压压进进行行比比较较，输输出出只只有有两两种种可可能能的的状状态态：高高电平或低电平。电平或低电平。2.比比较较器器中中的的集集成成运运放放一一般般工工作作在在非非线线性性区区；处处于于 开环状态或引入正反馈。开环状态或引入正反馈。3.分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。8.2.1概述概述4.比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在 测量、控制、测量、控制、D/A和和A/D转换电路中应用广泛。转换电路中应用广泛。8.2电压比较器1.电压比较器将一个模拟量输入电压与35第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换一、一、电压比较器的传输特性电压比较器的传输特性1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系2.阈值电压阈值电压：UT当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。对应的输入电压。3.电压传输特性的三要素电压传输特性的三要素(1)输出电压的高电平输出电压的高电平UOH和低电平和低电平UOL的数值。的数值。(2)阈值电压的数值阈值电压的数值UT。(3)当当uI变化且经过变化且经过UT时，时，uO跃变的方向。跃变的方向。一、电压比较器的传输特性1.电压比较器的输出电压与输入端的36第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换二、理想运放的非线性工作区二、理想运放的非线性工作区+UOMuOuP uN NO-UOM集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性在电压比较器中，集成运放不是工作在开环在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反馈。状态，就是工作在正反馈。二、理想运放的非线性工作区+UOMuOuP-uNO-UOM集37第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换8.2.2单限比较器单限比较器一、过零比较器一、过零比较器由由于于理理想想运运放放的的开开环环差差模模增益为无穷大，所以增益为无穷大，所以当当 uI 0 时，时，uO=-UOM；过零比较器的过零比较器的传输特性传输特性为：为：uIuO+UOM-UOMOUOM 为集成运放的最大输出电压。为集成运放的最大输出电压。阈值电压阈值电压：当当比比较较器器的的输输出出电电压压由由一一种种状状态态跳跳变变为为另一种状态所对应的输入电压。另一种状态所对应的输入电压。图图8.2.38.2.2单限比较器一、过零比较器由于理想运放的开环差38第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换利用稳压管限幅的过零比较器利用稳压管限幅的过零比较器设设任任何何一一个个稳稳压压管管被被反反向向击击穿穿时时，两两个个稳稳压压管管两两端端总总的的的稳定电压为的稳定电压为 UZ UOMuIuO+UOM -UOMO+UZ-UZ当当 uI 0 时时，右右边边的的稳稳压压管管被反向击穿，被反向击穿，uO=-UZ；图图 8.2.6利用稳压管限幅的过零比较器设任何一个稳压管被反向击穿时，39第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换利用稳压管限幅的过零比较器利用稳压管限幅的过零比较器(二二)电路图电路图传输特性传输特性uIuO+UOpp -UOppO+UZ-UZ问题：如将输入信号加在问题：如将输入信号加在“+”端，传输特性如何端，传输特性如何？利用稳压管限幅的过零比较器(二)电路图传输特性uIuO+UO40第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换问问题题：过过零零比比较较器器如如图图所所示示，输输入入为为正正负负对对称称的的正正弦弦波波时时，输出波形是怎样的？输出波形是怎样的？传输特性传输特性uIuO+UOpp -UOppO+UZ-UZ将正弦波变为矩形波将正弦波变为矩形波问题：过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输出波形41第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换二、单限比较器二、单限比较器单单限限比比较较器器有有一一个个门门限限电电平平，当当输输入入电电压压等等于于此此门门限限电电平平时时，输输出出端端的的状状态态立立即发生跳变。即发生跳变。当当输输入入电电压压 uI 变变化化，使使反反相相输输入入端端的的电电位位为为零零时时，输输出出端端的的状态将发生跳变，门限电平为：状态将发生跳变，门限电平为：uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ过过零零比比较较器器是是门门限限电电平平为为零零的单限比较器。的单限比较器。图图 8.2.7R1R2二、单限比较器单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于此42第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换存在干扰时单限比较器的存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形波形单单限限比比较较器器的的作作用用：检检测测输输入入的的模模拟拟信信号号是是否否达达到到某一给定电平。某一给定电平。缺点缺点：抗干扰能力差。：抗干扰能力差。解决办法解决办法：采用具有采用具有滞回滞回 传输特性的比较器。传输特性的比较器。存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形单限比较器的作43第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换复习：复习：1.RC正弦波串、并联振荡电路正弦波串、并联振荡电路电路图电路图振荡频率振荡频率起振条件起振条件如何稳幅如何稳幅如何调频如何调频2.电压比较器电压比较器过零比较器过零比较器uIuO+UOpp -UOppO+UZ-UZ单限比较器单限比较器 R1R2uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ复习：1.RC正弦波串、并联振荡电路电路图振荡频率起振条件如44第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换电压比较器分析方法小结电压比较器分析方法小结（1）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL。（2）写出）写出up和和uN的电位表达式，令的电位表达式，令up=uN，解得输，解得输入电压就是阈值电压入电压就是阈值电压UT。（3）u0在在uI 过过UT时的跃变方向决定于作用于集成时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪个输入端。运放的哪个输入端。当当uI从反向输入端输入时，从反向输入端输入时，uIUT,u0=U0L。反之，结论相反。反之，结论相反。电压比较器分析方法小结（1）由限幅电路确定电压比较器的输出高45第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换例例8.2.1在图在图8.2.6所示电路中，所示电路中，UZ=6V，在图在图8.2.7中中所示电路中，所示电路中，R1=R2=5k，基准电压，基准电压UREF=2V，稳压，稳压管的稳定电压管的稳定电压UZ=5V；它们的输入电压均为图；它们的输入电压均为图8.2.8（a）所示的三角波。试画出图）所示的三角波。试画出图8.2.6所示电路的输出所示电路的输出电压电压u01和图和图8.2.7所示电路的输出电压所示电路的输出电压u02 解解图图8.2.6为过零比较器为过零比较器图图8.2.7为一般单限比较器。为一般单限比较器。图图8.2.8例例8.2.1波形图波形图R1R2例8.2.1在图8.2.6所示电路中，UZ=6V，46第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换8.2.3滞回比较器滞回比较器一、从反相输入端输入的滞回比较器电路一、从反相输入端输入的滞回比较器电路计算阈值电压计算阈值电压UT电压传输特性电压传输特性uo从从+UZ跃变到跃变到-UZ的的 阈值电压为阈值电压为+UTuo从从-UZ跃变到跃变到+UZ的的 阈值电压为阈值电压为-UTuI在在-UT与与+UT之间增加或减小之间增加或减小,uO不发生变化不发生变化8.2.3滞回比较器一、从反相输入端输入的滞回比较器电路计47第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换UREF 为为参参考考电电压压；uI 为为输输入入电电压压；输输出出电电压压 uO 为为+UZ 或或-UZ。当当 uP=uN N 时时，输输出出电电压压的状态发生跳变。的状态发生跳变。比比较较器器有有两两个个不不同同的的门门限限电电平平，故传输特性呈滞回形状。故传输特性呈滞回形状。+UZuIuO-UZOUT-UT+图图 8.2.10滞回比较器滞回比较器二、加了参考电压的二、加了参考电压的滞回比较器滞回比较器UREF 为参考电压；uI 为输入电压；输出电压 uO 48第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换若若 uO=UZ，当当 uI 逐逐渐渐减减小小时时，使使 uO 由由 UZ 跳跳变变为为 UZ 所需的门限电平所需的门限电平 UT 回差回差(门限宽度门限宽度)UT：若若 uO=UZ，当当 uI 逐逐渐渐增增大大时时，使使 uO 由由+UZ 跳跳变变为为-UZ 所需的门限电平所需的门限电平 UT+若 uO=UZ，当 uI 逐渐减小时，使 uO 49第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换例例8.2.2已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。图图8.2.11例例8.2.2波形图波形图 UZ 9V图图8.2.9滞回比较器电路滞回比较器电路uO/Vt0+9-9例8.2.2已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波50第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换8.2.4 窗口比较器窗口比较器参考电压参考电压 UREF1 UREF2若若 uI 低低于于 UREF2，运运放放 A1 输输出出低低电电平平，A2 输输出出高高电电平平，二二极极管管 VD1 截截止止，VD2导导通通，输输出出电压电压 uO 为高电平；为高电平；若若 uI 高高于于 UREF1，运运放放 A1 输输出出高高电电平平，A2 输输出出低低电电平，二极管平，二极管 VD2 截止，截止，VD1 导通，输出电压导通，输出电压 uO 为高电平；为高电平；图图 8.2.13双限比较器双限比较器(a)前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。8.2.4 窗口比较器参考电压 UREF1 UREF251第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换当当 uI 高高于于 UREF2 而而低低于于 UREF1 时时，运运放放 A1、A2 均均输输出出低低电电平平，二二极极管管 VD1、VD2 均均截止，输出电压截止，输出电压 uO 为低电平；为低电平；上门限电平上门限电平 UTH=UREF1；下门限电平下门限电平 UTL=UREF2。uIuOOUTHUTL综综上上所所述述，双双限限比比较较器器在在输输入入信信号号 uI UREF1 时时，输输出出为为高高电电平平；而而当当 UREF2 uI UREF1 时时，输输出为低电平。出为低电平。图图 8.2.13(b)当 uI 高于 UREF2 而低于 UREF1 时，52第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换8.2.5集成电压比较器集成电压比较器一、集成电压比较器的主要特点和分类：一、集成电压比较器的主要特点和分类：1.具有较高的开环差模增益；具有较高的开环差模增益；2.具有较快的响应速度；具有较快的响应速度；3.具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；4.具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。分类：分类：单、双和四电压比较单、双和四电压比较通用型、高速型、低电压型和高精度型通用型、高速型、低电压型和高精度型普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型8.2.5集成电压比较器一、集成电压比较器的主要特点和分类53第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换二、集成电压比较器的基本接法二、集成电压比较器的基本接法1.通用型集成电压比较器通用型集成电压比较器AD790引脚图引脚图+12V单单电源供电源供电，逻电，逻辑电源辑电源为为5V。5V双电双电源供电，源供电，逻辑电源逻辑电源为为5V。115V双电双电源供电，源供电，逻辑电源逻辑电源为为5V。二、集成电压比较器的基本接法1.通用型集成电压比较器AD7954第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换2.集电极开路集成电压比较器集电极开路集成电压比较器LM119金属封装的管脚图金属封装的管脚图反相输入反相输入2同相输入同相输入2电路为双限比较器，电路为双限比较器，能实现线与功能能实现线与功能图图8.2.16由由LM119构成的双限比较器及其构成的双限比较器及其电压传输特性电压传输特性2.集电极开路集成电压比较器LM119金属封装的管脚图反相55第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换8.3非正弦波发生电路非正弦波发生电路非正弦波非正弦波：矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等图图8.3.1几种常见的非正弦波几种常见的非正弦波8.3非正弦波发生电路非正弦波：矩形波、三角波、尖顶波和阶56第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换8.3.1矩形波发生电路矩形波发生电路一、电路组成一、电路组成RC 充放电充放电回路回路滞回滞回比较器比较器图图 8.3.2滞回比较器：集成运放、滞回比较器：集成运放、R1、R2；充放电回路：充放电回路：R、C；（延迟环节、反馈网络）（延迟环节、反馈网络）钳位电路：钳位电路：VDZ、R3。（稳幅环节）（稳幅环节）动画动画avi14-1.avi8.3.1矩形波发生电路一、电路组成RC 充放电回路滞回图57第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换二、工作原理二、工作原理设设 t=0 时，时，uC=0，uO=+UZ则则tOuCOuOtu+u 当当 u =uC=u+时，时，t1t2则则当当 u =uC=u+时，输出又时，输出又一次跳变，一次跳变，uO=+UZ输出跳变，输出跳变，uO=UZ图图 8.3.4二、工作原理设 t=0 时，uC=0，uO=+58第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换三、振荡周期三、振荡周期电容的充放电规律：电容的充放电规律：对于放电，对于放电，解得：解得：结结论论：改改变变充充放放电电回回路路的的时时间间常常数数及及滞滞回回比比较较器器的的电电阻，即可改变振荡周期。阻，即可改变振荡周期。t1t2tOuCOuOtt3图图 8.3.4振荡频率振荡频率f=1/T三、振荡周期电容的充放电规律：对于放电，解得：结论：59第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换四、占空比可调的矩形波发生电路四、占空比可调的矩形波发生电路图图 8.3.5a使电容的充、放电时间常数不使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。占空比可调。tOuCuOtOT1T2T充电时间充电时间 T1放电时间放电时间 T2占空比占空比 D图图 8.3.5b四、占空比可调的矩形波发生电路图 8.3.5a使电容的充60第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换8.5.2三角波发生电路三角波发生电路一、电路组成一、电路组成图图8.3.6采用波形变换的方法得到三角波采用波形变换的方法得到三角波uO1为方波为方波电路分析电路分析uO2为三角波为三角波8.5.2三角波发生电路一、电路组成图8.3.6采用波形变61第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换二、工作原理二、工作原理当当 u+=u =0 时时，滞滞回回比比较较器的输出发生跳变。器的输出发生跳变。图图 8.3.8实用电路实用电路左边是同相输入滞回比较器左边是同相输入滞回比较器右边为反向积分运算电路右边为反向积分运算电路图图 8.3.7R3R4传输特性传输特性+UT-UT+UZ-UZuOuI二、工作原理当 u+=u-=0 时，滞回比较器的输出62第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换二、工作原理二、工作原理OuO1tOuOt当当 u+=u =0 时时，滞滞回回比比较较器的输出发生跳变。器的输出发生跳变。图图 8.3.9图图 8.3.7R3R4设设t=0时，时，uO1=+UZ u0=0 二、工作原理OuO1tOuOt当 u+=u-=0 时63第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换三、输出幅度和振荡周期三、输出幅度和振荡周期解得三角波的解得三角波的输出幅度输出幅度当当 u+=u =0 时，时，uO1 跳变为跳变为-UZ，uO 达到最大值达到最大值 Uom。振荡周期振荡周期调节电路中的调节电路中的R1、R2、R3阻值和阻值和C的容量，可改变振荡频率，的容量，可改变振荡频率，调节调节R1、R2的阻值，可改变三角波的幅值。的阻值，可改变三角波的幅值。三、输出幅度和振荡周期解得三角波的输出幅度当 u+=u-64第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换图图 8.3.10a8.5.3锯齿波发生电路锯齿波发生电路一、电路组成一、电路组成OuO1tOuOtT1T2T二、输出幅度和振荡周期二、输出幅度和振荡周期图图 8.3.10b正向积分时间常数远大于反正向积分时间常数远大于反向积分时间常数或者相反。向积分时间常数或者相反。动画动画avi14-4.avi图 8.3.10a8.5.3锯齿波发生电路一、电路组成OuO65第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换8.3.4波形变换电路波形变换电路（自阅）（自阅）一、三角波变锯齿波电路一、三角波变锯齿波电路二、三角波变正弦波电路二、三角波变正弦波电路1.滤波法滤波法2.折线法折线法8.3.4波形变换电路（自阅）一、三角波变锯齿波电路二、三66第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换8.3.5 函数发生器函数发生器函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路；波的专用集成电路；当调节外部电路参数时，还可获当调节外部电路参数时，还可获得占空比可调的矩形波和锯齿波。得占空比可调的矩形波和锯齿波。一、电路结构一、电路结构（ICL8038）1.二个电流源二个电流源2.二个同相输入二个同相输入单限比较器单限比较器3.RS触发器触发器4.二个缓冲电路二个缓冲电路5.三角波变正弦波电路三角波变正弦波电路8.3.5 函数发生器函数发生器是一种可以同时产生方波、三67第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换当当 Q=0，S 断开，断开，C 充电充电(IS1)至至 2/3VCCQ=1当当 Q=1，S 闭合，闭合，C 放电放电(IS2 IS1)至至 1/3VCCQ=0当当 IS2=2IS1，引脚，引脚 9 输出方波，引脚输出方波，引脚 3 输出三角波；输出三角波；当当 IS2 2IS1，引脚引脚 9 输出矩形波，引脚输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。输出锯齿波。二、工作原理二、工作原理Q Qn+1n+1=S+RQ=S+RQn n当 Q=0，S 断开，C 充电(IS1)至 2/3V68第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换三、性能特点三、性能特点12345678ICL803814131211109正弦波正弦波失真度调整失真度调整正弦波失正弦波失真度调整真度调整正弦波输出正弦波输出三角波输出三角波输出矩形波输出矩形波输出调频偏置调频偏置电压输入电压输入调频偏置调频偏置电压输出电压输出接电阻接电阻 RA接电阻接电阻 RB接电容接电容 C+VCC VEE(或地或地)8.3.20ICL8038的引脚图的引脚图ICL8038可单电源供电，也可双电源供电。可单电源供电，也可双电源供电。三、性能特点12345678ICL14131211109正弦69第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换四、常用接法四、常用接法四、常用接法70第八章波形的发生和信号的转换第八章波形的发生和信号的转换调占空比和正弦波失真调频率调占空比和正弦波失真RW1RP4 RW2+VCC VEERRAICL8038451310 11128RBRP3CC1692图图8.3.23失真度减小和频率可调电路失真度减小和频率可调电路调占空比和正弦波失真调调占空比和正弦波失真RW1RP4 RW71