第八章波形发生和信号的转换 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?为什么非正弦波发生电路中几乎 都有电压比较器? 5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?6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? 8.1正弦波振荡电路 正弦波振荡电路能产生正弦波输出,它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的,它 是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波振荡电路也称为正弦波发生电路或正弦波振 荡器 8.1.1概述 、正弦波产生电路的组成 为了产生正弦波,必须在放大电路里加入正反馈,因此放大电路和正反馈网络是振荡电 路的最主要部分。但是,这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波,这是由于很难控制正 反馈的量。如果正反馈量大,则增幅,输出幅度越来越大,最后由三极管的非线性限幅,这 必然产生非线性失真。反之,如果正反馈量不足,则减幅,可能停振,为此振荡电路要有 个稳幅电路。为了获得单一频率的正弦波输出,应该有选频网络,选频网络往往和正反馈网 络或放大电路合而为一。选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名 称一般由选频网络来命名。正弦波发生电路的组成 放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅电路 二、产生正弦波的条件 产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似。只不过负反馈放大电路 中是由于信号频率达到了通频带的两端,产生了足够的附加相移,从而使负反馈变成了正反 馈。在振荡电路中加的就是正反馈,振荡建立后只是一种频率的信号,无所谓附加相移
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 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 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 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？为什么非正弦波发生电路中几乎 都有电压比较器？ 5.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？6.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？ 8.1 正弦波振荡电路 正弦波振荡电路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它 是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波振荡电路也称为正弦波发生电路或正弦波振 荡器。 8.1.1 概述 一、正弦波产生电路的组成 为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电 路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正 反馈的量。如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这 必然产生非线性失真。反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一 个稳幅电路。为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网 络或放大电路合而为一。选频网络由 R、C 和 L、C 等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名 称一般由选频网络来命名。正弦波发生电路的组成 放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅电路 二、 产生正弦波的条件 产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似。只不过负反馈放大电路 中是由于信号频率达到了通频带的两端，产生了足够的附加相移，从而使负反馈变成了正反 馈。在振荡电路中加的就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的信号，无所谓附加相移
放大电路 反馈网络 (a)负反馈放大电路 (b)正反馈振荡电路 图8.1.1振荡器的方框图 比较图图81.!(a)和(b)就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区 别了。由于振荡电路的输入信号x1=0,所以X}=X。由于正、负号的改变,有反馈的放 大倍数为: -AF 振荡条件是 AF=l 幅度平衡条件 JAFF 相位平衡条件 AF=qA+w=±2n 动画11-1) 、起振条件和稳幅原理 振荡器在刚刚起振时,为了克服电路中的损耗,需要正反馈强一些,即要求 AF|>1 这称为起振条件。既然AF|>1,起振后就要产生增幅振荡,需要靠三极管大信号运用时 的非线性特性去限制幅度的增加,这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络的作用,选出 失真波形的基波分量作为输出信号,以获得正弦波输出。 也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节,用以调节放大电路的增益,从而达到稳幅的 目的。这在下面具体的振荡电路中加以介绍。 8.1.2RG正弦波振荡电路 、RC网络的频率响应 RC串并联网络的电路如图81.1所示。RC串联臂的阻抗用Z1表示,RC并联臂的
(a)负反馈放大电路 (b)正反馈振荡电路 图 8.1.1 振荡器的方框图 比较图 图 8.1.1 (a) 和 (b)就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区 别了。由于振荡电路的输入信号 Xi =0，所以 X i = X f 。由于正、负号的改变，有反馈的放 大倍数为： AF A A 1− f 振荡条件是 . . AF =1 幅度平衡条件 . . AF =1 相位平衡条件 AF = A+F = 2n （动画 11-1） 三、 起振条件和稳幅原理 振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求 . . AF ＞ 1 这称为起振条件。既然 . . AF ＞ 1，起振后就要产生增幅振荡，需要靠三极管大信号运用时 的非线性特性去限制幅度的增加，这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络的作用，选出 失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。 也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的 目的。这在下面具体的振荡电路中加以介绍。 8.1.2 RC 正弦波振荡电路 一、RC 网络的频率响应 RC 串并联网络的电路如图 8.1.1 所示。RC 串联臂的阻抗用 Z1 表示，RC 并联臂的
RI 图8.1.2RC串并联网络 阻抗用Z2表示。其频率响应如下 Z1=R1+(1/joC) 22=R2∥(1/joC2)=-R +jOR, C2 R2/(+jOR, C2) 21+Z2R+(1joC1)+[R2(1+joR2C2) R, [R1+(1/joC1)1+joR2C2)+R2 R,+(1/joC,+joR, R, C,+R, C,/C+R (1 R I C )+J(ORC2 谐振频率为 2T√RRCC2 当R1=R2,C1=C2时,谐振角频率和谐振频率分别为 f 幅频特性 F R C R 2 OR,CI 相频特性 OR, C PF=-arctg DR, R C =-arctg 3 R2 当/时的反馈系数F=,且与频率后的大小无关,此时的相角a=0°。即调节 谐振频率不会影响反馈系数和相角,在调节频率的过程中,不会停振,也不会使输出幅度改
图 8.1.2 RC 串并联网络 阻抗用 Z2 表示。其频率响应如下 2 2 2 1 1 1 2 2 2 1 j (1/ j ) //(1/ j ) R C R Z R C Z R C + = + = = ) 1 (1 ) j( 1 (1/ j C ) + j / [ (1/ j C )](1 j ) (1/ j C ) + [ /(1 j )] /(1 j ) 2 1 1 2 1 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 1 2 2 1 1 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 . o . f . R C R C C C R R R R R C R C C R R R R C R R R R R C R R C Z Z Z V V F + + + − = + + + = + + + = + + + = + = = 谐振频率为 f0= 2π 1 2 1 2 1 R R C C 当 R1 = R2，C1 = C2 时，谐振角频率和谐振频率分别为： RC 1 0 = ， RC f 2 1 0 = 幅频特性 = . F 0 2 0 2 2 2 1 1 2 2 1 2 2 1 3 ( ) 1 ) 1 (1 ) ( 1 − = + + + − + R C R C C C R R 相频特性 3 arctg 1 1 arctg 0 0 1 2 2 1 2 1 1 2 F − = − + + − = − C C R R R C R C 当 f=f0 时的反馈系数 = . F 1 3 ，且与频率 f0 的大小无关，此时的相角 F=0。即调节 谐振频率不会影响反馈系数和相角，在调节频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改
二、阳桥式正弦波振荡电路 1.RC文氏桥振荡电路的构成 RC文氏桥振荡器的电路如图图813所示,RC串并联网络是正反馈网络,另外还增加 了R3和R4负反馈网络。 C1 Z2 t° 图8.1.3RC文氏桥振荡器 C1、R1和C2、R2正反馈支路与R3、R4负反馈支路正好构成一个桥路,称为文氏桥。当C1 =C2、R1=R2时 F 1 RC 为满足振荡的幅度条件|AFF=1,所以Ar≥3。加入R3R4支路,构成串联电压负反馈 R3 R A 2.RC文氏桥振荡电路的稳幅过程 RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R4实现的。R4是正温度系数热敏电阻 当输出电压升高,R4上所加的电压升高,即温度升高,R4的阻值增加,负反馈增强,输出 幅度下降。若热敏电阻是负温度系数,应放置在R3的位置,如图8.14 采用反并联二极管的稳幅电路如图所示。电路的电压增益为 R"+R R+R 式中R”p是电位器上半部的电阻值,Rp是电位器下半部的电阻值。R'y=R3∥RD,RD 是并联二极管的等效平均电阻值。当V。大时,二极管支路的交流电流较大,RD较小,Ar
变。 二、 RC 桥式正弦波振荡电路 1. RC 文氏桥振荡电路的构成 RC 文氏桥振荡器的电路如图 图 8.1.3 所示，RC 串并联网络是正反馈网络，另外还增加 了 R3 和 R4 负反馈网络。 图 8.1.3 RC 文氏桥振荡器 C1、R1 和 C2、R2 正反馈支路与 R3、R4 负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏桥。当 C1 =C2、R1 =R2 时 3 1 . o . f . = = V V F F=0 f0= 2π RC 1 为满足振荡的幅度条件 A F . . =1，所以 Af≥3。加入 R3R4 支路，构成串联电压负反馈 1 3 4 3 f = + R R A 2. RC 文氏桥振荡电路的稳幅过程 RC 文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻 R4 实现的。R4 是正温度系数热敏电阻， 当输出电压升高，R4 上所加的电压升高，即温度升高，R4 的阻值增加，负反馈增强，输出 幅度下降。若热敏电阻是负温度系数，应放置在 R3 的位置，如图 8.1.4。 采用反并联二极管的稳幅电路如图所示。电路的电压增益为 p 4 p 3 f ' " = 1+ R R R R Av + + 式中 R”p 是电位器上半部的电阻值，R’p 是电位器下半部的电阻值。R’3= R3 // RD，RD 是并联二极管的等效平均电阻值。当 Vo 大时，二极管支路的交流电流较大，RD 较小，Avf
较小,于是V。下降。由图(b)可看出,二极管工作在C、D点所对应的等效电阻,小于工作 在A、B点所对应的等效电阻,所以输出幅度小。二极管工作在A、B点,电路的增益较大 引起增幅过程。当输出幅度大到一定程度,增益下降,最后达到稳定幅度的目的。 (a)稳幅电 (b)稳幅原理图 图8.14反并联二极管的稳幅电路(动画11-2) 8.1.3LC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相似,包括有放大电路、正反馈网络、 选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由LC并联谐振电路构成,正反馈网络因不同类型 的LC正弦波振荡电路而有所不同。 、LC谐振电路的频率特性 LC并联谐振电路如图85(a)所示。显然输出电压是频率的函数 V。(o)=fV(O) 输入信号频率过高,电容的旁路作用加强,输出减小:反之频率太低,电感将短路输出。 并联谐振曲线如图(b)所示 凸 er (aLC并联谐振电路 并联谐振曲线 图81.5并联谐振电路及其谐振曲线 谐振时 L 0 R 谐振频率 f o 考虑电感支路的损耗,用R表示,如图8.56 所示。谐振时,电感支路电流或电容支路
较小，于是 Vo 下降。由图(b)可看出，二极管工作在 C、D 点所对应的等效电阻，小于工作 在 A、B 点所对应的等效电阻，所以输出幅度小。二极管工作在 A、B 点，电路的增益较大， 引起增幅过程。当输出幅度大到一定程度，增益下降，最后达到稳定幅度的目的。 (a) 稳幅电路 (b) 稳幅原理图 图 8.1.4 反并联二极管的稳幅电路（动画 11-2） 8.1.3 LC 正弦波振荡电路 LC 正弦波振荡电路的构成与 RC 正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、 选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由 LC 并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型 的 LC 正弦波振荡电路而有所不同。 一、 LC 谐振电路的频率特性 LC 并联谐振电路如 图 8.1.5 (a)所示。显然输出电压是频率的函数 ( ) = i( ) . o . V f V 输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。 并联谐振曲线如图（b）所示。 (a)LC 并联谐振电路 (b) 并联谐振曲线 图 8.1.5 并联谐振电路及其谐振曲线 谐振时 0 1 0 0 − = C L 谐振频率 LC f 2π 1 0 = 考虑电感支路的损耗，用 R 表示，如 图 8.1.6 所示。谐振时，电感支路电流或电容支路