第七章 波形的发生和信号的转换.

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1 第七章 波形的发生和信号的转换

2 §7.1 电压比较器

3 一、概述 1. 电压比较器的功能：比较电压的大小。 2. 电压比较器的描述方法 :电压传输特性 uO＝f(uI)
1. 电压比较器的功能：比较电压的大小。 输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。 广泛用于各种报警电路。 2. 电压比较器的描述方法 :电压传输特性 uO＝f(uI) 电压传输特性的三个要素： （1）输出高电平UOH和输出低电平UOL （2）阈值电压UT （3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向

4 3. 几种常用的电压比较器 （1）单限比较器：只有一个阈值电压 （2）滞回比较器：具有滞回特性
输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。 回差电压： （3）窗口比较器： 有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。

5 4、集成运放的非线性工作区 5、教学基本要求 电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈 无源网络 理想运放工作在非线性区的特点：
1) 净输入电流为0 2) uP> uN时， uO＝＋UOM uP< uN时， uO＝－UOM 5、教学基本要求 1)电路的识别及选用；2)电压传输特性的分析。

6 二极管限幅电路使净输入电压最大值为±UD
二、单限比较器 1. 过零比较器 （1）UT＝0 （2）UOH＝＋ UOM， UOL＝－ UOM （3）uI > 0 时 uO ＝－UOM; uI < 0 时 uO ＝＋ UOM 集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的输入级，需加输入端限幅电路。 二极管限幅电路使净输入电压最大值为±UD 必要吗？

7 输出限幅电路 为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。
输出限幅电路 为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。 UOH＝＋ UZ1＋ UD2 UOL＝－( UZ2 ＋ UD1) 不可缺少！ UOH＝ UZ UOL＝－ UD 为使UOL接近0，怎么办？ UOH＝ － UOL＝ UZ 锗管

8 输出限幅电路 电压比较器的分析方法： uO＝± UZ （1）保护输入端 （2）加速集成运放状态的转换
（1）写出 uP、uN的表达式，令uP＝ uN，求解出的 uI即为UT； （2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平； （3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。

9 2. 一般单限比较器 （1）若要UT< 0，则应如何修改电路？ （2）若要改变曲线跃变方向，则应如 何修改电路？
作用于反相输入端 （1）若要UT< 0，则应如何修改电路？ （2）若要改变曲线跃变方向，则应如 何修改电路？ （3）若要改变UOL、UOH呢？

10 三、滞回比较器 1. 阈值电压

11 2. 工作原理及电压传输特性 设uI＜－UT，则 uN＜ uP， uO＝+UZ。此时uP＝ +UT，增大 uI，直至+UT，再增大， uO才从+UZ跃变为－ UZ。 设 uI＞+UT，则 uN＞ uP， uO＝－UZ。此时uP＝ －UT，减小 uI，直至－UT，再减小， uO才从－UZ跃变为+UZ。

12 讨论一：如何改变滞回比较器的电压传输特性
向左右移多少？ 1. 若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？ 2. 若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？ 3. 若要改变输入电压过 阈值电压时输出电压的 跃变方向，则应如何修 改电路？ 改变输出限幅电路

13 §7.2 正弦波振荡电路 一、正弦波振荡的条件和电路的组成 二、RC正弦波振荡电路 三、LC正弦波振荡电路 四、石英晶体正弦波振荡电路

14 一、正弦波振荡的条件和电路的组成 1. 正弦波振荡的条件 无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。
1. 正弦波振荡的条件 无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。 与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。 在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈： 由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。。

15 1. 正弦波振荡的条件 一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即 幅值平衡条件 相位平衡条件 起振条件：
1. 正弦波振荡的条件 一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即 幅值平衡条件 相位平衡条件 起振条件： 要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0，且在合闸通电时对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。

16 2. 起振与稳幅：输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。
很多种频率

17 频率逐渐变为单一

18 振幅越来越大

19 趋于稳幅

20 2. 起振与稳幅 电路如何从起振到稳幅？ 稳定的振幅 非线性环节的必要性！

21 3. 基本组成部分 4、分析方法 1) 放大电路：放大作用 2) 正反馈网络：满足相位条件 3) 选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波振荡
4) 非线性环节（稳幅环节）：稳幅 常合二为一 4、分析方法 1) 是否存在主要组成部分； 2) 放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是否可能正常传递，没有被短路或断路； 3) 是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡 ； 4) 是否满足幅值条件，即是否一定振荡。

22 相位条件的判断方法：瞬时极性法 在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。 极性？
断开反馈，在断开处给放大电路加 f＝f0的信号Ui，且规定其极性，然后根据 Ui的极性→ Uo的极性→ Uf的极性 若Uf与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。

23 5. 分类 常用选频网络所用元件分类。 1) RC正弦波振荡电路：1兆赫以下 2) LC正弦波振荡电路：几百千赫～几百兆赫
3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定

24 二、RC 正弦波振荡电路 1. RC串并联选频网络 低频段 高频段 在频率从0～∞中必有一个频率f0，φF＝0º。

25 RC串并联选频网络的频率响应 当 f=f0时，不但φ=0，且 最大，为1/3。

26 2. 电路组成 1)是否可用共射放大电路？ 2)是否可用共集放大电路？ 3)是否可用共基放大电路？ 4)是否可用两级共射放大电路？
不符合相位条件 不符合幅值条件 1)是否可用共射放大电路？ 2)是否可用共集放大电路？ 3)是否可用共基放大电路？ 4)是否可用两级共射放大电路？ 输入电阻小、输出电阻大，影响f0 可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于3，且Ri大、Ro小，对f0影响小 应为RC 串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。

27 3. RC 桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器） 用同相比例运算电路作放大电路。
因同相比例运算电路有非常好的线性度，故 R 或 Rf 用热敏电阻，或加二极管作为非线性环节。 文氏桥振荡器的特点？

28 频率可调的文氏桥振荡器 改变电容以粗调，改变电位器滑动端以微调。 加稳压管可以限制输出电压的峰-峰值。 同轴 电位器

29 讨论一：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路

30 讨论二：判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？
RC 双T选频网络 RC 移项式电路 正反馈网络 选频网络 1) RC 移相电路有几级才可能产生正弦波振荡？ 2) 若R 和C 互换呢？ 选频网络和正反馈网络是两个网络。

31 3 LC正弦波振荡电路 LC并联谐振回路 C L R

32 感性 容性

33 回路品质因数Q越大，选频特性越好 定义:

34 C L R 谐振时LC并联谐振电路相当一个电阻。谐振时回路电流比总电流大的多，外界对谐振回路的影响可以忽略！ 并联谐振时

35 3.2 电感反馈式电路 电路特点？ 电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电感三点式电路。 必要吗？ 反馈电压取自哪个线圈？
3.2 电感反馈式电路 电路特点？ 电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电感三点式电路。 必要吗？ 反馈电压取自哪个线圈？ 反馈电压的极性？

36 特点：耦合紧密，易振，振幅大，C 用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。波形较差，常含有高次谐波。
由于电感对高频信号呈现较大的电抗，故波形中含高次谐波，为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。

37 3.4电容反馈式（电容三点式）电路 作用？ 与放大电路参数无关 若要振荡频率高，则L、C1、C2的取值就要小。当电容减小到一定程度时，晶体管的极间电容将并联在C1和C2上，影响振荡频率。 特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。

38 4、石英晶体正弦波振荡电路 1. 石英晶体的特点 SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。 压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系
1. 石英晶体的特点 SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。 压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系 固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。 感性 阻性 容性 一般LC选频网络的Q为几百，石英晶体的Q可达104～106；前者Δf/f为10－5，后者可达10－10～10－11。

39 2. 电路 （1）并联型电路 （2）串联型电路 ① 石英晶体工作在哪个区？ ② 两级放大电路分别为哪种基本接法？ ③ C1的作用？
2. 电路 （1）并联型电路 （2）串联型电路 ① 石英晶体工作在哪个区？ ② 两级放大电路分别为哪种基本接法？ ③ C1的作用？ ① 石英晶体工作在哪个区？ ② 是哪种典型的正弦波振荡电路？

40 讨论三：改错，使电路有可能产生正弦波振荡
同名端对吗？ 放大电路能放大吗？各电容的作用？

41 讨论四 三个电路有什么相同之处？这样的电路形式有什么好处？ “判振”时的注意事项： 1. 放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法；
同铭端？ 能产生正弦波振荡吗？ “判振”时的注意事项： 1. 放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法； 2. 断开反馈，在断开处加 f=f0的输入电压； 3. 找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。

42 §7.3 非正弦波发生电路 一、常见的非正弦波 二、矩形波发生电路 三、三角波发生电路 四、锯齿波发生电路 五、波形变换电路

43 一、常见的非正弦波 矩形波 三角波 锯齿波 尖顶波 阶梯波 矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。
通过什么电路可将矩形波变为其它几种波形？

44 二、矩形波发生电路 1. 基本组成部分 （1）开关电路：因为输出只有高电平和低电平两种情况，即两个暂态；故采用电压比较器。
输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。 1. 基本组成部分 （1）开关电路：因为输出只有高电平和低电平两种情况，即两个暂态；故采用电压比较器。 （2）反馈网络：因需自控，在输出为某一暂态时孕育翻转成另一暂态的条件，故应引入反馈。 （3）延迟环节：要使两个暂态均维持一定的时间，故采用RC环节实现，从而决定振荡频率 。

45 2. 电路组成 滞回比较器 正向充电： uO（+UZ）→R→C→地 RC 回路 反向充电： 地→C→ R → uO（－UZ）

46 3. 工作原理：分析方法 方法一： 设电路已振荡，且在某一暂态，看是否能自动翻转为另一暂态，并能再回到原暂态。
方法二： 电路合闸通电，分析电路是否有两个暂态，而无稳态。 设合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程： uO↑→ uP↑→ uO↑↑ ，直至 uO＝UZ， uP＝+UT，为第一暂态。

47 3. 工作原理： 第一暂态：uO＝UZ， uP＝+UT。
电容正向充电，t↑→ uN↑，t→∞ ， uN → UZ；但当uN ＝+UT时，再增大， uO从+ UZ跃变为－UZ， uP＝－UT，电路进入第二暂态。 电容反向充电，t↑→ uN↓，t→∞ ， uN →－ UZ；但当uN ＝－UT时，再减小， uO从－ UZ跃变为+UZ， uP＝+UT，电路返回第一暂态。

48 4. 波形分析 脉冲宽度

49 5. 占空比可调电路 正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。 为了占空比调节范围大，R3应如何取值？

50 三、三角波发生电路 1. 电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。 实际电路将两个RC 环节合二为一 uO要取代uC，必须改变输入端。
1. 电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。 实际电路将两个RC 环节合二为一 两个RC环节 为什么采用同相输入的滞回比较器？ uO要取代uC，必须改变输入端。 集成运放应用电路的分析方法： 化整为零（分块），分析功能（每块），统观整体，性能估算

51 2. 工作原理 滞回比较器 积分运算电路 求滞回比较器的电压传输特性：三要素
UOH =－UOL =UZ ，uI作用于集成运放的同相输入端，求 UT：

52 三角波发生电路的振荡原理 电路状态翻转时，uP1=? 合闸通电，通常C 上电压为0。设uO1↑→ uP1↑→ uO1↑↑，直至uO1 ＝ UZ（第一暂态）；积分电路反向积分，t↑→ uO↓，一旦uO过－ UT ，uO1从＋ UZ跃变为－ UZ （第二暂态） 。 积分电路正向积分，t↑→ uO↑， 一旦uO过＋ UT ， uO1从 － UZ跃变为＋ UZ ，返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。

53 3. 波形分析 如何调整三角波的幅值和频率？ “理性地调试”：哪些参数与幅值有关？哪些参数与频率有关？先调哪个参数？ 怎样修改可获得锯齿波？
T/2 如何调整三角波的幅值和频率？ “理性地调试”：哪些参数与幅值有关？哪些参数与频率有关？先调哪个参数？

54 四、锯齿波发生电路 1. R3应大些？小些？ 2. RW的滑动端在最上端和最下端时的波形？ ≈T 3. R3短路时的波形？
若由输入电压确定，则将电压转换为频率