华科模电第8章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,8,章 波形的,发,生和,信号的转换,重点：,1,.,正弦波振荡电路,2,.,电压比较器,1,8.1,正弦波振荡电路是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。,8.1.1,概述,一、产生正弦波振荡的条件,图示正弦波振荡电路的方框图，它由放大电路和正反馈网络（具有,选,频作用）组成。,正弦波振荡电路,F,+,+,A,2,1,.,起振与稳幅,由于,电,扰动（如,合,闸通电），电路产生一个幅值很小的输出量，它含有丰富的频率，若电路只对频率为,f,o,的正弦波产生正反馈过程，则,由于晶体管的非线性特性，当,X,0,的幅值增大到一定程度时，放大倍数的数值将减小。因此，,X,o,增大到一定数值时，电路达到动态平衡。,3,2,.,振荡条件,正弦波振荡的平衡条件为,幅值平衡条件,相位平衡条件,电路的起振条件为,或,(n为整数),4,二、正弦波,振荡,电路的组成及分类,1,.,组成,（1）放大电路：保证电路能够从起振到动态平衡,的过程,，满足幅值条件。,（2）选频电路：保证电路产生单一频率的正弦波振荡。,（3）正反馈网络：使,，满足相位条件。,（4）稳幅环节：即非线性环节，使输出信号幅值稳定。,实际中，常将选频网络与正反馈网络,“,合二而一,”,。,2,.,分类,按,选频网络不同分类：,（1）RC正弦波振荡电路：,f,0,低，一般在1MH,Z,以下；,（2）LC正弦波振荡电路：,f,0,高，多在1MH,Z,以上；,（3）石英晶体电路：振荡频率稳定，可等效LC振荡电路,。,注：,5,三、判断电路是否可能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；,只有在相位条件满足的情况下，,判断是否满足幅,值条件才有意义,。,注：,（2）判断放大电路是否能正常工作，既是否有合适的静态工作点及动态信号是否能够输入、输出和放大；,（3）用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相,位,条件,；,（4）判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，既是否满足起振条件。方法是求,、,，,判断,否。,6,8.1.2,RC,正弦波,振荡电路,常见的,RC正弦波振荡电路有：,（1）RC,桥,式正弦波振荡电路；,（2）RC移相式振荡电路；,（3）双T选频网络振荡电路等,。,一、,RC,串并联选频网络,RC串并联选频网络在正弦波振荡电路中既为选频网络，又为正反馈网络。,7,Z,1,Z,2,取,R,1,=,R,2,=,R,，,C,1,=,C,2,=,C,，,令,则：,8,得,RC,串并联电路的幅频特性为：,相频特性为：,可见，具有选频特性。,0,F,0,1/3,+90,-,90,9,二、RC桥式正弦波振荡电路,(,重点）,1,.,电路组成,（1）放大电路：同,相,比例运算放大电路,；,（2）选频与正反馈网络：,R、C,串并联,网路；,（3）稳幅环节：,R,F,与,R,1,组成的电压串联负反馈电路。,R,1,、,R,F,及,R,、,C,串联、并联的,R,、,C,各为一臂构成桥路，故此得名，如图。,RC,串并联网络振荡电路也称,RC,桥式正弦波振荡电路或称文氏振荡电路(,Wien,),。,10,2,.,振荡频率与起振条件,（1）振荡频率,（2）起振条件,f,=,f,0,时,，,由振荡条件知：,所以起振条件为：,同相比例运放的电压放大倍数为,11,3,.,稳幅措施,为了稳定输出电压的幅值，一般应在电路中加入非线性环节。,（,1）可选用R,1,为正温度系数的热敏电阻。,当,U,O,R,F,、,R,1,上电流,R,1,的温度TC,R,1,A,u,U,O,（,2）可选用,R,F,为,负温度系数的热敏电阻。,（3）在,R,f,回路串联两个并联的二极管，如图。,I,D,r,d,I,D,r,d,加入非线性环节，从而稳定输出电压。,12,三、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电容，作为振荡频率,f,0,的粗调；,用同轴电位器实现,f,0,的,微调。,RC,串、并联网络中，如何调节频率？,问题：如何提高频率？,13,电子琴的振荡电路,_,+,+,R,F1,u,o,R,1,C,C,R,f,D,1,D,2,R,F2,R,28,R,27,R,26,R,25,R,24,R,23,R,22,R,21,R,2,1,2,3,4,5,1,7,6,功率放大器,使,R,2,R,1,AF,1,可调,A,2,14,四、其他形式的,RC,振荡电路,1,.,移相式振荡电路,集成运放产生,的相位移,A,=180,，,如果反馈网络再相移 180,，即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。,振荡频率为：,0,270,180,90,当,f,=,f,0,时，相移 180,，满足正弦波振荡的相位条件。,起振条件：,R,F,12,R,15,2,.,双,T,选频网络振荡电路,振荡频率约为：,当,f,=,f,0,时，双,T,网络的相移为,F,=180,；,反相比例运放的相移,A,=180,，,因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。,如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平衡条件，即可产生正弦波振荡。,起振条件,16,*三种,RC,振荡电路的比较,名称,RC,串并联网络振荡电路,移相式振荡电路,双,T,网络选频振荡电路,电路形式,振荡频率,起振条件,电路特点及应用场合,可方便地连续调节振荡频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波形。,电路简单，经济方便，适用于波形要求不高的轻便测试设备中。,选频特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。,17,8.1.3,LC,正弦波振荡电路,一、,LC,谐振回路的频率特性,由于振荡频率较高，放大电路多采用分立元件电路，必要时还应采用共基电路。,并联电路的导纳：,当,电路发生,并联谐振,。,18,并联谐振角频率,式中：,谐振回路的品质因数,当,Q,1,时,谐振频率：,19,20,图示不同,Q,值时，,LC,回路的幅频特性和相频特性。,Z,01,Z,02,Q,1,Q,2,Q,1,Q,2,F,+90,-,90,Q,1,Q,2,Q,1,Q,2,感性,纯阻,容性,结论：,（1）当,f=f,0,时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当,f,f,0,时，电路为容性。所以,LC,并联电路具有选频特性。,（,2,）电路的品质因数,Q,愈大，选频特性愈好。,21,若以,LC,并联网络作为共射放大电路的集电极负载,当,f=f,0,时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。因而电路称为,选频放大电路,。,若引入,正反馈,，并用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路。,LC,正弦波振荡电路,变压器反馈式,电感反馈式,电容反馈式,22,二、变压器反馈式振荡电路,1.工作原理（要求会判断）,判断电路产生正弦波振荡的可能性：,（1）振荡电路含有：放大电路，选频网络，正反馈网络及晶体管的非线性实现的稳幅环节四个部分。,（,2,）用瞬时极性法，可知满足正弦波振荡的相位条件,。,-,（,3,）图示电路中的放大电路是典型的工作点稳定电路，可设置合适的静态工作点;从交流通路可见，电路可正常放大。,23,（,4,）本电路的输入电阻是放大电路负载的一部分，相互关联。只要合理选择变压器的匝比及其它电路参数，电路容易满足幅值条件,。,2.振荡频率和起振条件,(,推导略,),图示变压器反馈式振荡电路的交流等效电路。,R,是,LC,谐振回路、负载等的总损耗，,L,1,为考虑到,N,3,回路参数折合到原边的等效电感，,L,2,为副边电感，,M,为,N,1,和,N,2,间的等效互感,;,R,i,为放大电路的输入电阻，,R,i,=,R,b1,/,R,b2,/,r,be,。,24,整理得,式中,当,Q1,时，振荡频率,在谐振频率下，,(b),图为（,a,）图从,A,、,B,向右看进去的等效电路。可见，带负载后，电感量减小，损耗变大，,因而,Q,，选频特性变差。其品质因数,25,电路的起振条件,即,可见，,Q,值愈大，要求,的值愈低。,3,.,优缺点,代入上式得,起振条件为,变压器反馈式振荡电路 易于产生振荡，输出波形失真不大，应用范围广泛。但是耦合不紧密，损耗大,;,且振荡频率的稳定性不高。,26,三、电感反馈式振荡电路,1.电路组成,为了克服变压器反馈振荡电路中变压器原、副边耦合不紧的缺点，,N,1,和,N,2,合并为一个线圈。,为了加强谐振效果，将电容,C,跨接在整个线圈两端，如图所示。,-,-,-,27,2.,工作原理,判断电路能否产生正弦波振荡：,(1),电路中包含放大电路、选频回路、反馈网络和非线性元件（晶体管）四个部分,;,(2),放大电路能够正常工作,;,(3),由瞬时极性法判断满足正弦波振荡的相位条件,;,(4),只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件。,由图可见，原边线圈的三个端分别接在晶体管的三个电极，故称电感反馈振荡电路为,电感三点式电路,。,28,3.,振荡频率和起振条件,(,推导略,),断开反馈且空载情况下的交流等效电路如图示。,设,Q1,则振荡频率。,反馈系数的数值,A,、,B,两端向右看的等效电阻为,29,从,A,、,B,两端向右看进去的等效电阻为,30,可见，,易起振,不易起振,故,4,.,优缺点,优点：由于,N,2,与,N,1,耦合紧密，幅值大,;,当,C,可调，可获得大范围的振荡频率。,缺点：由于,U,f,取自电感，对高次谐波有较大的电抗，输出电压含有高次谐波，波形较差。适用于对波形要求不高的设备中。,，,31,四、电容反馈式振荡电路,1.电路组成,将电感反馈式振荡电路中的电容换成电感，电感换成电容，且增加,R,C,，就是电容反馈式振荡电路，如图示。,-,-,-,-,因为两个电容的三个端分别接晶体管的三个极，故又称为,电容三点式电路,。,R,L,32,3.,振荡频率和起振条件,振荡频率,2,.,工作原理,判断：（,1,）电路包含放大电路，选频网络，反馈网络和,非线性元件（晶体管）四个部分,;,（,2,）放大电路能够正常工作,;,（,3,）用瞬时极性法可知满足相位条件,;,（,4,）只要电路参数选择得当，电路就可满足幅,值条件，而产生正弦波振荡。,R,L,33,反馈系数,电压放大倍数,式中集电极等效负载,34,根据,由式,可得,起振条件为,注,：,（,1,）,不利电路起振,利于电路起振,要适当，,（,2,）输出波形好，但用改变电容调节,f,o,。则会影响电路的起振条件,;,而用改变电感调节,f,o,比较困难。所以常用在固定振荡频率的场合。在振荡频率可调范围不大时，可采用图示选频网络。,根据实验确定。,35,4,.,稳定振荡频率的措施,若要提高电容反馈式振荡电路的频率，势必要减小,C,1,、,C,2,和,L,。在,C,1,和,C,2,较小时，晶体管的极间电容和电路的杂散电容将影响振荡频率。,为了稳定振荡频率，在设计电路时，必须使,C,i,和,C,O,对选频特性的影响忽略不计。若,C,1,和,C,2,远大于极间电容和杂散电容,振荡频率几乎不受,C,i,和,C,O,影响，振荡频率稳定。,具体办法是在电感支路串联一个小电容,C,，且,CC,1,，,CC,2,，,则,36,振荡频率,可见，,f,o,几乎与,C,1,和,C,2,无关，也与极间电容和杂散电容无关。,注：,若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达,100MHz,以上，则应采用共基极放大电路，如图示。,37,例,1,电路如图所示，图中,C,b,为旁路电容，,C,1,为耦合电容，对交流信号均可视为短路。为使电路可能产生正弦波振荡，试说明变压器原边线圈和副带边线圈的同名端,。,由瞬时极性法得，变压器原边线圈下端,和副边线圈的上端为同名端。,解：,38,L,接在晶体管的基极和集电极，,L,使两个电极近似短路，放大电路的静态工作点不合适，故应在选频网络与放大电路输入端之间加耦合电容。,改正图所示电路中的错误，使之有可能产生正弦波振荡。要求不能改变放大电路的基本接法,。,例,2,C,e,容量远大于,C,1,和,C,2,，故为旁路电容，对交流可视为短路。,C,1,、,C,2,和,L,构成,LC,并联谐振网络，,C,2,上电压为输出电压，,C,1,上电压为反馈电压，因而为电容反馈式振荡电路。,解：,晶体管的集电极直接接电源，交流输出电压等于零，所以必须在集电极加电阻,R,C,。,39,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,路,形,式,振荡频率,起振条件,频率调节方法及范围,振荡波形,频率稳定度,适用频率,各种,LC,振荡电路的比较,频率可调，范围较宽。,一般,可达,10,-4,几千赫,几十兆赫,同左,较差,同左,同左,频率可调，范围较小。,好,可达,10,-4,10,-5,几兆赫,一百兆赫,同左,同左,好,可达,10,-,5,同左,40,8.1.4,石英晶体振荡器,石英晶体谐振器，简称,石英晶体,，具有非常稳定的固有频率。,将二氧化硅（,S,i,O,2,）结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片，再将晶片两个对应的表面抛光和涂敷银层，并作为两个极引出管脚，加以封装，就构成石英晶体振荡器，其结构示意图和符号如图示,。,一、石英晶体的特点,结构示意图,符号,41,压电效应,：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。,压电谐振,：晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅突然增加。,1.压电效应和压电振荡,这一特定的频率就是石英晶体的固有频率，也称,谐振频率,。,42,2.,石英晶体的等效电路和谐振频率,符号,串联谐振频率,并联谐振频率,电抗频率特性,O,f,X,f,s,f,p,容性,容性,感性,由于,CC,0,所以,f,p,f,s,。其,Q,值高，,稳定度,f,/,f,0,。,等效电路,43,二、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,交流等效电路,振荡频率,由于,44,2.串联型石英晶体振荡电路,当振荡频率等于,f,S,时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。,振荡频率,调节,的阻值，可使电路满足振荡的幅值平衡条件。,45,电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。,电压比较器,一、电压比较器的电压传输特性,1.的关系曲线，称为电压传输特性。,u,o,可能两种状态，即,U,OH,或,U,OL,。,2.阈值电压,U,T,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。,3.电压传输特性的三要素,(1)输出电压的高电平,U,OH,和低电平,U,OL,的数值。,(2),当,u,I,变化且经过,U,T,时，,u,O,跃变的方向。,(,3),阈值电压的数值,U,T。,8.2.1,概述,8.2,46,二、集成运放的非线工作区,+,U,OM,u,O,u,P,-,u,N,O,-,U,OM,在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是引入了正反馈。,A,od,=,，,u,o,与,u,I,不是线性关系，如图示传输特性。,u,o,=,U,OM,，,i,p,=,i,N,=,0,47,三、电压比较器的种类,1,.,单限比较器,电路只有一个阈值电压，图示单限比较器的电压传输特性,。,2,.,滞回比较器,电路有两个阈值电压，当输入电压单方向变化时，,u,O,只跃变一次，但,u,I,从小到大方向和从大到小的方向的阈值电压不同。图示滞回比较器的电压传输特性。,3,.,窗口比较器,电路有两个阈值电压，输入电压单一方向变化过程中，输出电压跃变两次。图示电压传输特性，中间如开了窗口，称窗口比较器。,48,8.2.2,单限比较器,一、过零比较器,1.,过零比较器及其电压传输特性图示过零比较器及其电压传输特性。可见，,当,u,I,0,时，,u,O,=,-,U,OM,。,u,I,u,O,+,U,OM,-,U,OM,O,注：,要获得与（,b,）图相反的电压传输特性，将（,a,）图输入与地对调。,（,a,）,(b),49,2.,电压比较器输入级的保护电路,为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，可加二极管限幅电路。,3.,电压比较器的输出限幅电路,常根据需要，在集成运放的输出端加稳压管限幅电路。,图中,R,为限流电阻，稳压管的稳压值应小于,U,OM,。,(a),图中，,50,（,1,）若要求,U,Z1,=,U,Z2,可采用两只特性相同而又制作在一起的稳压管如图（,b,）。稳定电压为,(2),限幅电路的稳压管跨接在集成运放的输出端和反相输入端之间，如图示。,D,Z,构成负反馈通路，集成运放工作在线性区，。,注：,51,电路的优点：,（,1,）集成,运放的净输入电压与净输入电流均为近似零，从而保护了输入级,;,（,2,）集成,运放没有工作在非线性区，因而在输入电压过零时，其内部的晶体管不需从截止区逐渐进入饱和区，或从饱和区逐渐进入截止区，所以提高了输出电压的变化速度。,52,传输特性,u,I,u,O,+,U,Opp,-,U,Opp,O,+,U,Z,-,U,Z,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，输出波形是怎样的？,53,R,1,R,2,二、一般单限比较器,u,I,u,O,+,U,OM,-,U,OM,O,+,U,Z,-,U,Z,图示单限比较器，,为外加参数电压。,（,1,）可见，改变,U,REF,的大小和极性，以及,R,1,和,R,2,的大小，就可改变,U,T,的大小和极性。,（,2,）若要改变,u,I,过,U,T,时,u,O,的跃变方向，应将集成运放的同相输入端与反相输入端 外接电路互换。,（,3,）过零比较器是,U,T,=0,的单限比较器。,54,存在干扰时单限比较器的,u,I,、,u,O,波形,单限比较器的,作用,：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。,缺点,：抗干扰能力差。,解决办法,：,采用具有,滞回,传输特性的比较器。,55,结论,：,分析电压传输特性三要素法,（,1,）通过集成运放输出端所接的限幅电路来确定电压比较器的,U,OH,和,U,OL,。,（,2,）写出集成运放,u,P,和,u,N,的表达式，令,u,P,=,u,N,，解得输入电压就是阈值电压,U,T,。,（,3,）,u,O,在,u,I,过,U,T,时的跃变方向决定于,u,I,作用于集成运放的哪个输入端。当,u,I,从反相输入端输入（或通过电阻接反相输入端）时，,当,u,I,从同相输入端（或通过电阻接同相输入端）时，,56,解,:,图,8.2.6,为过零比较器,图,8.2.7,为一般单限比较器,R,1,R,2,在图8.2.6所示电路中，,U,Z,=6V，,在图8.2.7所示电路中，,R,1,=,R,2,=5k，,基准电压,U,REF,=2V，,稳压管的稳定电压,U,Z,=5V；,它们的输入电压均为图8.2.8（,a）,所示的三角波。试画出图8.2.6所示电路的输出电压,u,01,和图8.2.7所示电路的输出电压,u,02,。,例,1,57,8.2.3,滞回比较器,电压传输特性如图（b）,。,u,I,u,O,O,U,T,-,-,U,Z,U,T,+,+,U,Z,（,b,）,单限比较器虽然灵敏，但是抗干扰能力差。滞回比较器,具有滞回特性，因而具有一定的抗干扰能力。,58,u,o,从+,U,Z,跃变到-,U,Z,的,阈值电压为+,U,T,u,o,从-,U,Z,跃变到+,U,Z,的,阈值电压为-,U,T,u,I,在,-,U,T,与+,U,T,之间增加或减小,u,O,不发生变化,可见，曲线具有方向性,。,引入正反馈是为了加快,u,O,的转换速度，得到理想的电压传输特性。,注：,u,I,u,O,O,-,U,T,-,U,Z,+,U,T,+,U,Z,59,二、加了参考电压的滞回比较器,令,u,N,=,u,P,，得与阈值电压,当,U,REF,0时，电压传输特性如图示。,（1）改变参考电压,U,REF,的大小和极性，可改变曲线水平移动的方向；（2）改变稳压,管的,U,Z,，可使曲线产生垂直方向移动。,注：,R,1,R,2,60,已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形,。,U,Z,9V,例,2,61,设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图（,a,）所示。除稳压管的限流电阻外，要求所有电阻阻值在20100k,之间。,根据电压传输特性可知，输入电压作用于同相输入端，,而且,电路没有外加基准电压，故电路如同（b）所示。求解阈值电压的表达式：,(a),例,3,(,b,),解：,62,解得,R,2,=2,R,1,。,若取,R,1,为25,k,，则,R,2,应取为50,k,，,若取,R,1,为,50,k,，则,R,2,应取为100,k,。选取稳压管的稳定电压,U,Z,为6V，限流电阻为800,。,63,8.2.4,窗口比较器,当,u,I,U,RH,，,必大于,U,RL,A,1,的,输出,u,o1,=+,U,OM,，,A,2,的输出,u,o2,=-,U,OM,。使,D,1,导通、,D,2,截止，,D,Z,工作在稳压状态，,u,O,=+,U,Z,；,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。,(a),图这一种双限比较器，外加参考电压,U,RH,U,RL,R,1,、,R,2,、,D,Z,构成限幅电路。,当,u,I,U,RL,，,必小于,U,RH,A,1,的,输出,u,o1,=-,U,OM,，,A,2,的输出,u,o2,=+,U,OM,。因此,D,2,导通、,D,1,截止，,D,Z,工作在稳压状态，,u,O,=+,U,Z,。,64,当,U,RL,u,I,U,RH,时，,u,O1,=,u,O2,=-,U,OM,所以,D,1,、D,2,均截止，稳压管截止，,u,O,=0,。,U,RH,和,U,RL,分别为比较器的两个阈值电压，设,U,RL,、,U,RH,均大于零，则（a）图的电压传输特性曲线如（b）图所示,。,（1）在电压比较器中，集成运放多工作在非线性区，输出电压只有高电平和低电平两种可能的情况。,（2）通常用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。,（3）电压传输特性的三个要素是输出电压的高、低电平，阈值电压和输出电压的跃变方向。输出电压的高、低电平决定于限幅电路；令,u,P,=,u,N,所求出的,u,I,就是阈值电压；,u,I,等于阈值电压时输出电压的跃变方向决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端,。,结论：,65,8.2.5,集成电压比较器,一、集成电压比较器的主要特点和分类,1,.,特点,（1）集成电压比较器比集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小；,（2）集成电压比较器响应速度快，传输延迟时间短；,（3）一般不需要外加限幅电路就可直接驱动TTL、,CMOS,和ECL 等集成数字电路,;,（4）有些芯片带负载能力强，可直接驱动继电器和指示灯。,66,2,.,分类,（1）按一个器件上所含有电压比较器的个数分：单、双和四电压比较器,;,（2）按功能分：通用性、高速型、低功耗型、低电压型和高 精度型电压比较器,;,（3）按输出方式分普通、集电极（漏极）开路输出或互补输出三种,。,有的集成电压比较器带有选通端，用来控制电路是处于工作状态，还是禁止状态（高阻状态）。,注：,67,二、集成电压比较器的基本接法,1.通用型集成电压比较器,AD790,引脚图,+12,V,单电源供电，逻辑电源为5,V,。,5,V,双电源供电，逻辑电源为5,V。,15,V,双电源供电，逻辑电源为5,V。,68,2.集电极开路集成电压比较器,LM119,金属封装的管脚图,电路为双限比较器，,能实现线与功能。,由,LM119,构成的双限比较器及其电压传输特性,注意,：一般输出方式的集成电压比较器或集成运放，两个电路的输出端不得并联使用。,69,8.3,非正弦波,：矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等,几种常见的非正弦波,非正弦波发生电路,70,8.3.1,矩形波发生电路,矩形波发生电路是其它非正弦波发生电路的基础。,一、电路组成及工作原理,1,.,电路的组成,（1）电压比较器：因矩形波电压只有高、低电平两个状态（反相输入滞回比较器）。,（2）反馈电路：因产生振荡，就要求输出的两种状态自动的相互转换（,R,、C充放电电路）。,（3）RC延时电路：因输出状态要按一定时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延时环节来确定每一种状态维持的时间（,R,、C充放电电路）。,71,2,.,工作原理,u,O,=,U,Z,，,阈值电压,电压传输特性如（b）图所示,(b),u,+,u,-,t,t,t,1,t,2,O,u,C,u,O,t,3,O,设某一时刻，输出电压,u,O,=+,U,Z,，则,u,P,=+,U,T,。,u,O,通过,R,3,对,C,正向充电。,u,N,随时间,t,增长而逐渐升高,当 ，,u,N,趋于,+,U,Z,；,72,一旦 ，再稍减小，,u,O,从-,U,Z,跃变为+,U,Z,，同时，,u,P,从-,U,T,跃变为+,U,T,，C又充电。重复上述过程，电路产生自激振荡。,一旦,，,再稍增大，,u,O,就从+,U,Z,跃变为-,U,Z,，同时，,u,P,从,U,T,跃变为-,U,T,。,u,O,又通过,R,3,对C反向充电（即放电）。,u,N,随时间,t,增长而逐渐降低,t,t,t,1,t,2,O,u,C,u,O,t,3,O,73,二、波形分析及主要参数,电容的充放电规律：,对于放电，,解得：,振荡频率,f,=1/T,可见，改变,R,1,、,R,2,和,U,Z,可改变产,u,C,的幅值，调整,R,1,、,R,2,、,R,3,和C的数值可改变电路的振荡频率。,74,三、占空比可调电路,矩形波的宽度与周期之比称为,占空比,。,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占空比可调。,当,u,O,=+,U,Z,时，,u,O,通过,R,W1,、D,1,和,R,3,对C正向充电，,当,u,O,=-,U,Z,时，,u,O,通过,R,W2,、D,2,和,R,3,对C反向充电，,75,可见，改变,R,w,的滑动端可改变占空比，但不改变周期,。,由一阶电路的三要素法得,76,8.3.2,三角波发生电路,一、电路的组成,在方波发生电路中，当滞回比较器的阀值电压数值较小时，可将电容两端的电压看成近似的三角波。但是，三角波线性度较差，带负载后将使电路的性能产生变化。,将方波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算电路的输出就得到三角波电压。如图所示。,77,当,u,O1,=+,U,Z,时，,u,O,将线性下降；而当,u,O1,=-,U,Z,时，,u,O,将线性上升，如图所示。,实用电路中，一般不用上述波形变换获得三角波，而将方波发生器电路中,RC,充放电回路用积分电路取代，滞回比较器和积分电路的输出互为另一个电路的输入。如图示。,R,3,R,4,78,二、工作原理,R,3,R,4,左边是同相输入滞回比较器，右边为反向积分运算电路。,滞回比较器的电压输出特性，如图所示。,+,U,T,-,U,T,+,U,Z,-,U,Z,u,O,u,I,79,设初态时，,u,O1,正好从-,U,Z,跃变为+,U,Z,，则上式可变为,u,O,随,t,的增长线性下降，当,u,O,=-,U,T,，再稍减小，,u,O,将从,+,U,Z,跃变为-,U,Z,。,+,U,T,-,U,T,+,U,Z,-,U,Z,u,O,u,I,u,O,随,t,的增大，线性增大，当,u,O,=+,U,T,，再稍增大，,u,O,将从-,U,Z,跃变为+,U,Z,，回到初态。重复上述过程，产生自激振荡。,80,可见，,u,O,为三角波，幅值为,U,T,;,u,O1,为方波，幅值为,U,Z,。因此称为,三角波方波发生电路,。由于引入深度电压负反馈，负载变化，三角波电压几乎不变。,t,t,O,u,O,O,u,O1,三、振荡频率,由波形可知，正向积分的起始值为-,U,T,，终了值为+,U,T,，积分时间为1/2周期，将它们代入,可见，调节,电路中的,R,1,、,R,2、,R,3,阻值和,C,的容量，可改变振荡频率,f,；调节,R,1,、,R,2,的阻值,，可改变三角波的幅值。,81,一、电路组成,若将前述三角波发生电路的正向积分常数与反向积分常数相差较大时，则,u,O,上升和下降的斜率相差很多，就可获得锯齿波。如图所示，,R,3,R,w,。,二、输出幅度和振荡周期,设,R,W,的滑动端移到最上端。当,u,O1,=+U,Z,时，,VD,1,导通，VD,2,截止，则,u,O,随时间下降。当,u,O1,=-,U,Z,时，,VD,2,导通，,VD,1,截止，则,O,u,O1,t,O,u,O,t,T,1,T,2,T,8.3.3,锯齿波发生电路,R,3,R,4,R,5,82,u,O,随时间线性上升。波形如图所示。,因为,R,3,R,W,，所以,T,T,2,。,可见，调整,R,1,和,R,2,的阻值可改变锯齿波的幅值；调整,R,1,、,R,2,和,R,W,的阻值及,C,的容量，可改变振荡周期；改变,R,W,的滑动端的位置，可改变,u,O1,的占空比，以及锯齿波上升和下降的斜率,。,83,8.3.4,波形变换电路,一、三角波变锯齿波电路,（,a,）图三角波经波形变换电路可获得二倍频锯齿波电压如（,b,）图。,当三角波上升时，锯齿波与之比相等，即,u,O,:,u,I,=,1:1,当三角波下降时，锯齿波与之比相反，即,u,O,:,u,I,=,-,1:1,可见，波形变换电路为比例运算电路，当三角波上升时，比例系数为,1;,当三角波下降时，比例系数为,-1,；利用可控的电子开关，可实现比例系数的变化。,84,图示三角波变锯齿波电路，其中电子开关为示意图，,u,C,是电子开关的控制电压，它与输入三角波电压的对应关系如图所示。,电子开关电路,三角波变锯齿波电路,85,二、三角波变正弦波电路（略）,1,.,滤波法,三角波展开式,低通滤波器的通带截止频率应大于三角波的基波频率且小于三角波的三次谐波频率。,也可用带通滤波器来实现上述变换。,在三角波电压的固定频率或频率变化范围较小时，可采用低通滤波法，如图（,a,）所示。,86,2,.,折线法,根据正弦波与三角波的差别，将三角波分成若干段，按不同的比例衰减，就可得到近似正弦波的折线化波形，如图示,。,根据上述思路，采用比例系数可以自动调节的运算电路，二极管和电阻构成的反馈通路，可随输入电压的数值不同而改变电路的比例系数，如图示。,87,8.3.5,函数发生器,函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路；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。,一、电路结构（,ICL8038）,1.二个电流源,2.二个同相输入,单限比较器,3.,RS,触发器,4.二个缓冲电路,5.三角波变正弦波电路,88,当,Q,=0，S,断开，,C,充电,(,I,S1,),至 2/3,V,CC,Q,=1,当,Q,=1，S,闭合，,C,放电,(,I,S2,-,I,S1,),至 1/3,V,CC,Q,=0,当,I,S2,=,2,I,S1,，,引脚 9 输出方波，引脚 3 输出三角波；,当,I,S2,2,I,S1,，,引脚 9 输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。,二、工作原理,Q,n+1,=,S,+,RQ,n,89,三、性能特点,1,2,3,4,5,6,7,8,ICL,8038,14,13,12,11,10,9,正弦波,失真度调整,正弦波失,真度调整,正弦波输出,三角波输出,矩形波输出,调频偏置,电压输入,调频偏置,电压输出,接电阻,R,A,接电阻,R,B,接电容,C,+,V,CC,-,V,EE,(,或地),ICL8038,的引脚图,ICL8038,可单电源供电，也可双电源供电。,90,四、常用接法,ICL8038,的两种基本接法,91,调占空比和正弦波失真,调,频,率,调占空比和正弦波失真,R,W1,R,P4,R,W2,+,V,CC,-,V,EE,R,L,R,A,ICL8038,4,5,1,3,10,11,12,8,R,B,R,P3,C,C,1,6,9,2,失真度减小和频率可调电路,92,本章基本要求,1.,掌握电路产生正弦波振荡的幅值平衡条件和相位平衡条件，以及,RC,桥式正弦波振荡电路的组成和工作原理。了解变压器反馈式、电感反馈式、电容反馈式和石英晶体正弦波振荡电路的工作原理。理解它们的振荡频率与电路参数的关系。并能够根据相位平衡条件正确判断电路是否可能产生正弦波振荡,。,2.,理解典型电压比较器的电路组成、工作原理和性能特点。,3.,理解由集成运放构成的矩形波、三角波和锯齿波发生电路的工作原理、波形分析和有关参数。,93,