正弦波振荡电路 电压比较器 非正弦波产生电路 波形变换电路 第九章 波形产生和变换 石英晶体波振荡电路 RC正弦波振荡电路 第九章 波形产生和变换 正弦波振荡电路 RC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路 石英晶体波振荡电路 电压比较器 非正弦波产生电路 方波发生器 方波三角波发生器 波形变换电路

§9.1 正弦波振荡电路 振荡基础知识 RC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路 石英晶体波振荡电路

9.1.1 振荡基础知识 振荡条件 起振和稳幅 振荡电路的基本组成部分 振荡电路的分析方法

振荡平衡条件: 反馈电路的方框图： 考虑耦合电容、极间电容等的影响 负反馈 自激条件: Xi Xd Xo Xf 基本放大电路A 反馈网络F 1. 振荡条件 反馈电路的方框图： 考虑耦合电容、极间电容等的影响 负反馈 自激条件: Xi Xd Xo Xf 基本放大电路A 反馈网络F 受正反馈网络影响 不考虑极间电容等的影响 正反馈 自激条件: + 相位平衡条件 幅度平衡条件 振荡平衡条件:

2. 起振和稳幅 起振的幅度条件是： 满足上述条件后，一旦电源接通，随着时间增加输出幅度增大。增大到一定程度后，放大电路中晶体管将进入饱和或截至状态，输出正弦波将失真。——应采取稳幅措施。

（1）放大电路—— 没有放大，不可能产生振荡。 要保证电路具有放大功能 3. 振荡电路的基本组成部分 振荡电路的基本组成部分: （1）放大电路—— 没有放大，不可能产生振荡。 要保证电路具有放大功能 （2）反馈网络—— 形成正反馈，以满足相位平衡条件 （3）选频网络—— 以产生单一频率的正弦波(RC、LC) （4）稳幅电路—— 以保证输出端得到不失真的正弦波

振荡电路的分析方法: 判断能否产生振荡的一般方法和步骤： a. 检查电路的组成部分 b. 检查放大电路是否正常工作 4. 振荡电路的分析方法 振荡电路的分析方法: 判断能否产生振荡的一般方法和步骤： a. 检查电路的组成部分 b. 检查放大电路是否正常工作 c. 将电路在放大器输入端断开，利用瞬时极性法 判断电路是否满足相位平衡条件 d. 分析是否满足振荡产生的幅度条件。 一般AF应略大于1

移相式选频网络和移相式式振荡电路 RC桥式振荡电路 移相式RC振荡电路 双T选频网络 RC串并联网络的频率特性 稳幅措施 场效应管稳幅音频信号发生器 移相式选频网络和移相式式振荡电路 移相式选频网络 移相式RC振荡电路 双T选频网络

1. RC桥式振荡电路 桥式RC振荡电路结构: 选频和反馈网络 Vo Rf R1 C R Vf 放大电路

Vo Vo Vf Vf Vo 高频 C 低频 C R R R C Vf RC串并联网络的频率特性 -20 -40 45 90 H f 10f -20 -40 45 90 -20dB/十倍频 -3 0.1f H f 10f -20 -40 -45 -90 -20dB/十倍频 -3

RC串并联网络的频率特性 Vo C R Vf

谐振频率为: )] j 1 /( [ + ) C / ( R Z w = ) j 1 ]( C / ( [ R w + = R / j + RC串并联网络的频率特性 )] j 1 /( [ + ) C / ( 2 R Z w = ) j 1 ]( C / ( [ 2 R w + = R / j + ) C 1 ( 2 w = 谐振频率为: 1 ) 2 C w R j( ( - + =

RC串并联网络的频率特性 当R1 = R2，C1 = C2时，谐振角频率 谐振频率 幅频特性: 相频特性:

当 f=f0 时的反馈系数为1/3 ,且与频率f0的大小无关。此时的相角 RC串并联网络的频率特性 当 f=f0 时的反馈系数为1/3 ,且与频率f0的大小无关。此时的相角 F = 0。

RC桥式振荡电路 Vo Rf R1 C R Vf 已知RC串并连选频电路谐振时反馈系数为1/3，Vf与Vo相位差为0。所以要使电路能产生正弦振荡，放大器必须是同相放大器，且放大倍数要大于3。 Rf > 2R1 振荡频率:

稳幅措施1 : Rf 采用负温度系数的热敏电阻 R1采用正温度系数的热敏电阻 稳幅措施2 :利用非线性器件稳幅 Vo Rf R1 C R D1 D2 Vo Rf R1 C R Vf

RC桥式振荡电路仿真

仿真电路结果

场效应管稳幅音频信号发生器 场效应管稳幅音频信号发生器 RC选频网络 输出经D整流和R4C3滤波后，经R5和RP4加在场效应管栅极。输出幅度增大，VGS负向增大，RDS增大使放大倍数减小。 场效应管稳幅音频信号发生器

Vf 移相式选频网络: f/f0 f/f0 270 超前移相式选频网络 180 C Vo R 1 1 滞后移相式选频网络 -180 -270 2. 移相式选频网络和移相式式振荡电路 移相式选频网络: f/f0 1 270 180 超前移相式选频网络 Vo C R Vf f/f0 1 -270 -180 滞后移相式选频网络

超前移相仿真

滞后移相仿真

移相式RC振荡电路 超前移相式RC振荡器 C R Vo Rf R1 Vo Rf R1 C R 滞后移相式RC振荡器

R 注：有源滤波器 中R‘=R/2 C R' 2C 90 -180 f/f0 f/f0 R’<R/2 R’≥R/2 -360 -90 双T式选频网络 C R 2C R' 注：有源滤波器 中R‘=R/2 -180 R’<R/2 f/f0 -360 f/f0 90 -90 R’≥R/2

双T式选频网络 仿真(R’<R/2)

双T式选频网络 仿真(R’ ≥R/2)

C T1 T2 Re1 Re2 Rc2 Rc1 Rb1 VCC C R T1 T2 Re1 Re2 Rc2 Rc1 Rb1 VCC 例1: 判断电路能否产生振荡 C T1 T2 Re1 Re2 Rc2 Rc1 Rb1 VCC C R T1 T2 Re1 Re2 Rc2 Rc1 Rb1 VCC

判断电路能否产生振荡 C T1 T2 Re1 Re2 Rc1 Rb1 VCC R Re R1 R2 R4 R3 R C VCC -VEE

9.1.3 LC 正弦波振荡电路 变压器反馈式 电感三点式 电容三点式 分类 LC正弦波振荡电路可产生1000MHz以上的正弦波信号，而一般运放频带较窄，高速运放价格昂贵，所以LC振荡电路中的放大器一般采用分离元件组成。

1. LC 并联回路的基本特性 LC 并联回路 R: 回路的等效耗损电阻 等效阻抗:

LC 并联回路的基本特性 a. 谐振频率 b. 谐振时的等效阻抗 Q: 回路品质因数,用来评价回路损耗的大小, 一般为几十到几百

LC 并联回路的基本特性 LC 并联回路 c. 谐振电流 谐振时,回路呈纯电阻性,这时 V 与 I 同相 输入电流: 谐振电流: 即

谐振回路的选频性能主要取决于Q, Q越大,选频性能越好 LC 并联回路的基本特性 d. 回路的频率特性: 在 f = f0 时,回路为纯阻性,且阻抗最大 谐振回路的选频性能主要取决于Q, Q越大,选频性能越好

当输入信号频率等于LC回路谐振频率时输出信号最大 2. 选频放大器 C L RL vi Rb1 Rb2 Tr1 Tr2 Cb Re Ce T VCC + vo - 当输入信号频率等于LC回路谐振频率时输出信号最大

号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。 3.变压器反馈式正弦波振荡器 LC并联谐振电 路作为三极管的负载 ，反馈线圈L2与电感 线圈Ｌ相耦合,将反 馈信号送入三极管的 输入回路。交换反馈 线圈的两个同名端， 可使反馈极性发生变 化。调整反馈线圈的 匝数可以改变反馈信 号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。

+ _ + 同名端的判断:先找出交流公共端,如果输出端与反馈端如果互为同名端则同相,否则反相 变压器反馈式正弦振荡器分析方法 判断能否产生振荡的一般方法和步骤： a. 检查电路的组成部分 c. 将电路在放大器输入端断开，利用瞬时 极性法判断电路是否满足相位平衡条件 b. 检查放大电路是否正常工作 d. 分析是否满足振荡产生的幅度条件。 一般AF应略大于1

例2: 试用相位平衡条件判断电路能否产生振荡 C1 C R2 R1 VCC R3 C1 C R2 R1 VCC 不能，直流偏置不对 不满足相位平衡条件 能

试用相位平衡条件判断电路能否产生振荡 Ce C R2 R1 VCC R3 C1 C2 C R2 R1 VCC R3 C1 能 能

1 2 3 (1) 三点式振荡器的一般结构 A：放大电路： 1,3：输入端 2,3：输出端 A Z2：电路负载 Z1，Z3起反馈作用 Z3 4. 三点式正弦振荡器 (1) 三点式振荡器的一般结构 Z3 Z1 Z2 Vo 1 3 2 A A：放大电路： 1,3：输入端 2,3：输出端 Z2：电路负载 Z1，Z3起反馈作用

三点式正弦振荡器 Z3 Z1 Z2 Vo 1 3 2 A Z3 Z1 Z2 ro Vo A ZL 反馈系数: 开环增益:

环路增益: 如果Z1,Z2 ,Z3都是纯电抗元件,则有: Z1= jX1 Z2= jX2 Z3= jX3 所以: 三点式正弦振荡器 环路增益: 如果Z1,Z2 ,Z3都是纯电抗元件,则有: Z1= jX1 Z2= jX2 Z3= jX3 所以: 要使电路能产生振荡,必须满足:

三点式正弦振荡器 a. b. 所以对于反相放大器： X1 ，X2 必须是同类电抗元件， X3 与X1 或X2 是不同类电抗元件

1 2 3 结论: 对于反相放大电路，X1 、X2 必须是同类电抗元 件，X3 与X1 或X2 是不同类电抗元件； 三点式正弦振荡器 Z3 Z1 Z2 Vo 1 3 2 结论: 对于反相放大电路，X1 、X2 必须是同类电抗元 件，X3 与X1 或X2 是不同类电抗元件； 对于同相放大电路，X1 、X2 必须是不同类电抗 元件，X3 与X1 或X2 是同类电抗元件。

+ - 矢量图 L C1 C2 Vbe Vce Vf I LC1支路呈感性,电流滞后电压90度；C1上电压滞后电流90度 VCC Cb2 电容三点式 VCC L Cb1 Cb2 C1 C2 L C1 C2 Vbe Vce Vf + - I LC1支路呈感性,电流滞后电压90度；C1上电压滞后电流90度 矢量图

+ - VCC L2 Cb1 Cb2 C L1 Ce L2 C L1 Vce Vf I 电感三点式 VCC L2 Cb1 Cb2 C L1 Ce L2 C L1 Vce Vf + - I L1C支路呈容性,电流超前电压90度; L1上电压超前电流90度 Vbe Vbe Vce Vf I O

常见的电感三点式电路

常见的电容三点式电路

两种改进型电容三点式振荡电路 克拉泼电路 (Clapp) 西勒电路 (Seiler )

例3: 试用相位平衡条件判断三点式电路能否产生振荡 VCC L Cb1 Cb2 C1 C2 VCC L Cb1 Cb2 C1 C2 能 不能

判断三点式电路能否产生振荡 VCC L2 Cb1 C L1 VCC L Cb1 C1 C2 能 能

+ - 不能，直流偏置错误。 在发射极与电感线圈间加隔直电容 能 VCC VCC C2 L2 L Vo C1 L1 C1 Cb1 Cb1 判断三点式电路能否产生振荡 VCC L2 Cb1 C1 L1 VCC L Cb1 Cb2 C1 C2 Vo + - 不能，直流偏置错误。 在发射极与电感线圈间加隔直电容 能

9.1.4 石英晶体正弦波振荡电路 1. 基本知识 (1) 压电效应 压电谐振 (2) 符号和等效电路 优 点 : Q值很大 频率稳定度高

问题 谐振与振荡是相同的吗？

L、C组成串联谐振电路 L、C、C0组成并联谐振电路 因此晶体有两个谐振频率： 串联谐振频率: 并联谐振频率: L 2.5H C0 C 2P 石英晶体谐振分析 L、C组成串联谐振电路 L、C、C0组成并联谐振电路 因此晶体有两个谐振频率： C0 2P C 0.01P L 2.5H R 640 串联谐振频率: 并联谐振频率:

一般C<<C0 ，fs与fp接近 石英晶体谐振分析 串联谐振时有最小阻抗，且相移为0。 并联谐振时有最大阻抗，相移不为0。 一般C<<C0 ，fs与fp接近

石英晶体振荡电路 串联 并联

石英晶体振荡电路 串联型 f0 =fs 并联型 fs <f0<fp

9.2 电压比较器 简单电压比较器 滞回比较器 窗口比较器 三态比较器

电压比较器功能 功 能 : 比较两个电压的大小 比较结果以输出高或低电平来表示 用集成运和电阻、二极管等放构成 集成电压比较器

1. 工作在开环或正反馈状态 2. 大多数情况下工作在非线性区域, 输出与输入 不成线性关系,只有在临界情况下才能使用虚 短,虚断概念 电压比较器中运放的工作特点 1. 工作在开环或正反馈状态 2. 大多数情况下工作在非线性区域, 输出与输入 不成线性关系,只有在临界情况下才能使用虚 短,虚断概念 3. 输出高电平或者低电平,呈现为开关状态 V+ > V– 时, V o 为高 V+ < V– 时, V o 为低

1.求出阈值: 输出从一个电平跳变到另一个电平 时（这时运放的两个输入端之间可视为虚短虚 断）所对应的输入电压值。 比较器的分析方法 1.求出阈值: 输出从一个电平跳变到另一个电平 时（这时运放的两个输入端之间可视为虚短虚 断）所对应的输入电压值。 2. 分析输入与输出的关系,画出传输特性

9.2.1 简单电压比较器 过零比较器： 过零电压比较器是典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图所示。

简单电压比较器 电压幅度比较器： 将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值VREF 上 , 就得到电压幅度比较器，它的电路图和传输特性曲线如图所示。

过零比较器应用 反相比较器 同相比较器 反相比较器波形图 同相比较器波形图? 传输特性?

+ _ + _ 同相端与反相端间的电压? 输出幅度? 同相端与反相端间的电压? 输出幅度? R2 vo vi R1 R1 R2 vi vo 限幅比较器 + _ R1 R2 vi vo VD=0.7V 同相端与反相端间的电压? 输出幅度? + _ R1 R2 vi vo VD=0.7V VD =.2V VZ 同相端与反相端间的电压? 输出幅度?

9.2.2 滞回比较器 vI - + A R2 vO R1 R3 ±VZ VR vN vP a. 反相输入滞回比较器 临界状态下有:

- 当vI <VT-时，vo=+Vz vP=VT+ + vO vP A 当vI从VT-逐渐增大，增大到vI ≥VT+时， vo=-Vz 滞回比较器 vI - + A R2 vO R1 R3 ±VZ VR vN vP 当vI <VT-时，vo=+Vz vP=VT+ 当vI从VT-逐渐增大，增大到vI ≥VT+时， vo=-Vz vP=VT- 当vI从VT+逐渐减小，减小到vI ≤VT-时， vo=+Vz vP=VT+ (VR=0V)

滞回比较器 VT+ VT- (VREF=0V) 输入输出波形

滞回比较器 vI - + A R2 vO R1 R3 ±VZ VR vP vN b. 同相滞回比较器 临界状态下有:

同相滞回比较器电压传输特性 VT+ VT- (VREF=0V)

滞回比较器应用 vR VT+ VT- vI vO VOH VOL 为了提高简单电压比较器的抗干扰能力

正弦波变换为矩形波 有干扰正弦波变换为方波 滞回比较器应用 正弦波变换为矩形波 有干扰正弦波变换为方波

设R1 =R2，则有： 当vI＞VH时，vO1为高电平，D3导通；vO2为低电平, D4截止，vO= vO1 = VOH。 9.2.3 窗口比较器 设R1 =R2，则有： 当vI＞VH时，vO1为高电平，D3导通；vO2为低电平, D4截止，vO= vO1 = VOH。

当vI＜ VL时，vO2为高电平，D4导通；vO1为低电平，D3截止，vO= vO2 = VOH 。 窗口比较器 当vI＜ VL时，vO2为高电平，D4导通；vO1为低电平，D3截止，vO= vO2 = VOH 。 当VH ＞vI＞ VL时，vO1为低电平，vO2为低电平，D3、D4截止，vO为0V； 传输特性

- vO vo1 vo2 vI + A2 R3 R4 ±VZ VRL A1 R1 R2 VRH D1 D2 R5 vO vI VRL VRH 9.2.4 三态比较器 vI - + A2 vO R3 R4 ±VZ VRL A1 R1 R2 VRH D1 D2 vo1 vo2 R5 vO vI VRL VRH VOH VOL

9.3 非正弦波产生电路 矩形波 方波 TTL波 占空比 = T1 T

矩形波发生电路的基本工作原理 方波经积分变为三角波, 矩形波积分变为锯齿波

方波发生电路是由滞回比较电路和RC定时电路构成的，电路如图所示。 9.3.1 方波发生电路 方波发生电路是由滞回比较电路和RC定时电路构成的，电路如图所示。

(2)当vc=VN≥VP时，vo=-VZ， 所以： 电容C放电， vc 开始下降。 (3)当vc=VN≤Vp时，vo=+VZ ，返回初态。 方波发生电路工作原理 (1)电源刚接通时, 设： 电容C充电， vc 开始升高； (2)当vc=VN≥VP时，vo=-VZ， 所以： 电容C放电， vc 开始下降。 (3)当vc=VN≤Vp时，vo=+VZ ，返回初态。

方波发生电路输出波形 t1 t2 方波周期Ｔ用过渡过程公式可以方便地求出： ∞ 其中： 过渡过程公式： ∞

方波发生电路波形周期计算 t1 t2

方波发生电路改进—占空比可调的矩形波电路 为了改变输出方波的占空比，应改变电容器C的充电和放电时间常数。 占空比可调的矩形 波电路如图。 C充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管D1、Rf； C放电时，放电电流经Rf、二极管D2、电位器的下半部。

占空比为： 其中， 是电位器中点到上端电阻， 是二极管D1的导通电阻。 其中， 是二极管D2的导通电阻。即改变 的中点位置，占空比就可改变。 矩形波电路的占空比可调 其中， 是电位器中点到上端电阻， 是二极管D1的导通电阻。 占空比为： 其中， 是二极管D2的导通电阻。即改变 的中点位置，占空比就可改变。

正弦振荡与非正弦振荡的原理有什么不同之处？ 思考题： 思考题： 正弦振荡与非正弦振荡的原理有什么不同之处？

三角波发生器的电路如图所示。它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的输入电压VI。 9.3.2 三角波方波发生电路 三角波发生器的电路如图所示。它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的输入电压VI。

1. 三角波方波发生电路工作原理 (1)当vO1=+VZ时,则电容C充电, 同时vO按线性逐渐下降，当使A1的VP 略低于VN (0)时，vO1 从 +VZ跳变为-VZ。 (2) 在vO1=-VZ后，电容C开始放电，vO按线性上升，当使A1的VP略大于零时，vO1从-VZ跳变为+ VZ ，如此周而复始，产生振荡。vO的上升时间和下降时间相等，斜率绝对值也相等，故vO为三角波。

方波跳变时：VP=VN=0，VO1= ± VZ Vo1m=VZ 2. 三角波方波发生电路输出波形峰值 输出峰值: 方波跳变时：VP=VN=0，VO1= ± VZ Vo1m=VZ

3. 三角波方波发生电路输出波形周期 振荡周期：

4. 三角波方波发生电路改进—锯齿波发生电路 为了获得锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。锯齿波发生器的电路如图所示。图中的二极管D和R'将使充电时间常数减为(R∥R')C，而放电时间常数仍为RC。

锯齿波电路的输出波形 锯齿波周期可以根据时间常数和锯齿波的幅值求得。锯齿波的幅值为： vo1m= Vz vom= Vz R1/R2 于是有：

利用VP控制矩形波的占空比，VP<VZ Vo1=+VZ时电容充电电流：(VZ-VP)/R 5. 压控锯齿波脉冲波发生器 VP 利用VP控制矩形波的占空比，VP<VZ Vo1=+VZ时电容充电电流：(VZ-VP)/R Vo1=-VZ时电容充电电流： -(VZ+VP)/R 锯齿波输出峰值：

9. 4 波形变换电路 周期性变化的信号 方波 比较器 三角波 积分器 微分器 锯齿波 正弦波 精密整流

三角波上升的半个周期中,方波为负,使T夹断,这时 vo=vi 三角波→锯齿波 A Rf=R R2=1/2R R1=R 1/2R 100K R 20P D T 三角波上升的半个周期中,方波为负,使T夹断,这时 vo=vi 三角波下降的半个周期中,方波为正,使T工作在可变电阻区,与其他电阻相比其阻值可忽略。这时 vo=-vi

三角波→正弦波 +15V -15V Rf R1

正弦波整流电路

vi>0时, vo ‘=-2 vi vi<0时, vo ‘ =0 vo =- (-2 vi - vi)= = vi 正弦波整流电路波形 vi>0时, vo ‘=-2 vi vo =- (-2 vi - vi)= = vi vi<0时, vo ‘ =0 vo =- vi