第8章波形的發生和信號的轉換8.1正弦波振蕩電路8.2電壓比較器8.3非正弦波發生電路8.4利用集成運放實現的信號轉換電路8.1正弦波振蕩電路知識要點：1、掌握正弦波振蕩的平衡條件；2、掌握正弦波振蕩電路的組成、各部分作用及其分類；3、掌握文氏橋振蕩電路（RC正弦波振蕩電路）的電路構成及其特點。

正弦波振蕩電路用來產生一定頻率和幅值的正弦交流信號。

電路的頻率范圍很廣，可以從一赫以下到幾百兆以上；輸出功率可以從幾毫瓦到幾十千瓦。

應用：無線電通訊、廣播電視，工業上的高頻感應爐、超聲波發生器、正弦波信號發生器、半導體接近開關等。概述：8.1.1正弦波振蕩電路工作原理從電路結構組成上講，正弦波振蕩電路屬于正反饋放大電路。電路要進行正常的工作，必須產生“自激振蕩”，電路才可以輸出一定頻率與一定幅值的正弦波信號。“自激振蕩”現象的特征：當放大電路輸入信號為0時，電路輸出端仍有一定頻率和一定幅值的信號輸出。正弦波振蕩電路方框圖：[正反饋放大電路結構框圖]電擾動信號經電路放大uouf起振過程動態平衡-穩定振蕩uf與uo波形以及自激振蕩發生時，輸入信號為0的條件，可知：而當自激振蕩達到最終的動態平衡狀態時：次輸出量原輸出量此為正弦波振蕩電路中自激振蕩動態平衡條件可分為幅值平衡條件和相位平衡條件兩部分：由正反饋結構放大電路所對應的：8.1.2正弦波振蕩電路“自激振蕩”建立與維持動態平衡的條件

幅值平衡條件：相位平衡條件：起振的幅值條件：穩幅環節

一個反饋放大電路如果滿足自激振蕩的幅值和相位條件，是不是就能夠輸出正弦波？振蕩電路輸出波形的幅值會不會無限增大下去？選頻網絡8.1.3正弦波振蕩電路的組成、各部分作用至少應具備四部分：放大電路，選頻網絡，正反饋網絡，穩幅環節。

1、放大電路：作用是完成起振過程，實現內部振蕩信號幅值由小到大的增長過程。2、選頻網絡：由它來決定電路中振蕩信號頻率，確保電路產生單一頻率的正弦波信號的輸出。選頻特性體現為：僅對——由電路參數所確定的頻率的信號——實現幅值由小到大的振蕩過程，而對其他頻率的信號，電路會令它們逐漸的衰減，直至消失。3、正反饋網絡：滿足自激振蕩的相位條件。4、穩幅環節：非線性電路，是為了促使振蕩信號幅值盡快穩定，達到最終的動態平衡狀態。一般分立電路中不需要單獨的配置穩幅環節，而對集成電路而言，則需要再配置一定的非線性電路。注意：通常正弦波振蕩電路中的選頻網絡與正反饋網絡是合二為一的。8.1.4判斷一電路是否可能產生正弦波振蕩的方法和步驟1、觀察電路構成是否包含放大電路，選頻網絡，正反饋網絡，穩幅環節；2、判斷其放大電路能否正常工作，即其Q點設置是否合適、動態信號能否被順利的輸入、放大、輸出。3、利用瞬時極性法判斷電路是否滿足正弦波振蕩的相位條件：4、判斷電路是否滿足正弦波振蕩起振的幅值條件。fo8.1.5正弦波振蕩電路的分類分類依據：根據選頻網絡中所用器件的不同來劃分：

1、RC正弦波振蕩電路：振蕩頻率fo較低，一般小于1MHZ；2、LC正弦波振蕩電路：fo較高，一般大于1MHZ；3、石英晶體正弦波振蕩電路：fo較高，大于1MHZ，且非常穩定。8.1.6RC正弦波振蕩電路（橋式、移相式和雙T型）

文氏橋振蕩電路是RC正弦波振蕩電路（低頻正弦波振蕩電路）中的典型電路結構，又稱為RC橋式正弦波振蕩電路。1、結構特點：（1）由單一的集成運放構成；（2）R1與Rf構成負反饋網絡，作用是確保集成運放工作在線性放大區，使電路具有放大電路；（3）R與C相串、并聯的電路構成正反饋網絡，它與電路的選頻網絡是合二為一的；（4）此結構暫沒考慮配置穩幅電路。（5）因正反饋網絡與負反饋網絡兩部分電路構成一電橋，故命名為文氏橋振蕩電路。

。。RCRC。+–+–。式中

：

分析上式可知：僅當=o時，達最大值，且uf與uo同相，即網絡具有選頻特性，fo決定于RC。2、R與C串、并聯網絡選頻特性

相頻特性（F）fo幅頻特性ffo133、負反饋網絡中R1，Rf阻值的選配

起振的幅值條件：+Uf_在電路中再加入非線性環節——穩幅環節，常用的措施有兩種：措施一：將負反饋網絡中的R1或Rf用熱敏電阻來取代。熱敏電阻的特性：隨溫度的變化，其本身阻值隨之發生變化，當溫度升高時，阻值變大，稱為具有正溫度系數的熱敏電阻，而反之稱為具有負溫度系數的熱敏電阻。4、穩幅環節（額外配置）負溫度系數熱敏電阻正溫度系數熱敏電阻熱敏電阻即熱敏電阻的作用穩幅穩幅原理起振時：措施二：在Rf支路上串接兩個并聯反接的二極管二極管在動態信號的作用下可等效成為一個動態電阻rd，而rd阻值會隨著流經電流的增大而變小，從而達到了穩定幅值的目的。振蕩建立：

當電路一接上直流電源，由于電沖擊或噪聲或干擾等信號的存在，它們都含有豐富的諧波，總有與振蕩頻率f0相同的諧波，這個信號雖然很微弱，但經過放大電路和反饋網絡的作用，使輸出信號的幅值越來越大，正弦波振蕩由小到大地建立起來。穩定：

輸入諧波經過放大反饋再放大的循環，使輸出幅度不斷增加，但由于幅度增大到一定程度時，運算放大器工作在非線性區，或三極管工作在非放大區，所以輸出幅度趨于穩定。5、振蕩頻率fo的可調措施雙層波段開關同軸電位器電子琴的振蕩電路：_+RF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21例1：判斷電路是否滿足振蕩的相位條件++++輸入端輸出端正反饋例2：判斷電路是否滿足振蕩的相位條件++–輸入端輸出端–RCRC+UCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1CET2RC1RF+++––RC網絡正反饋，RF、RE1組成負反饋，參數合適則可產生振蕩。例3：判斷電路是否滿足振蕩的相位條件。8.1.7LC正弦波振蕩電路LC選頻網絡：并聯損耗等效電阻理想狀態一、LC并聯諧振回路的選頻特性CLRuiLici諧振時LC并聯諧振電路相當一個電阻二、選頻放大電路：LC正弦波振蕩電路構建思路：在選頻放大電路的基礎上再引入正反饋，若能以反饋電壓取代輸入電壓，則就構成了LC正弦波振蕩電路。變壓器反饋式、電感反饋式、電容反饋式三、LC正弦波振蕩電路分類：所用放大電路視振蕩頻率而定，可為共射極放大電路，也可以為共基極放大電路。互感線圈的同名端判別1234磁棒初級線圈次級線圈同名端1234+–+–CLRuiLici反饋信號通過互感線圈引出變壓器線圈同名端和異名端的相位關系若變壓器原副邊線圈通過兩端相連，另外兩端若為同名端則同相位，若為異名端則反相位。若b和d相連，a和c為異名端則a和c反相位。若b和d相連，a和c為同名端則a和c同相位。電感線圈各點的相位關系

若電感線圈的一端點接地（a或c），中間點(b)和另一端點(c或a)同相位；若中間點(b)接地，則兩端點（a和c）反相位。四、變壓器反饋式LC振蕩電路

uf+–放大電路選頻電路正反饋網絡變壓器反饋式振蕩電路特性總結：易于產生振蕩，波形較好，應用范圍廣泛，但由于其輸出電壓和反饋電壓靠磁路耦合，耦合不緊密，損耗較大，并且振蕩頻率穩定性不高。五、電感反饋式振蕩電路（電感三點式振蕩電路）放大電路選頻電路正反饋網絡uf反饋電壓取自L2電感反饋式振蕩電路特性總結：兩N1、N2線圈耦合緊密，振幅大，振蕩頻率高，且具有較寬的調節范圍，但其輸出電壓波形中常含有高次諧波，因此常用在對波形要求不高的設備之中。例：電路如圖所示，Cb為旁路電容，C1為耦合電容，對交流信號均視為短路。為使電路可能產生正弦波振蕩，試說明變壓器原邊線圈和副邊線圈的同名端。解：變壓器原邊線圈的下端和副邊線圈的上端為同名端；或者說原邊線圈的上端和副邊線圈的下端為同名端。輸入端輸出端反饋端+++六、電容反饋式LC振蕩電路1、電容網絡各點的相位關系

若一端點接地（a或c），中間點(b)和另一端點(c或a)同相位；若中間點(b)接地，則兩端點（a和c）反相位。2、電路組成及工作原理放大電路正反饋網絡反饋電壓取自C2選頻電路六、電容反饋式振蕩電路（電容三點式振蕩電路）uf電容反饋式振蕩電路特性總結：輸出電壓波形好，但實現對其振蕩頻率的調節較難，所以常用于固定振蕩頻率的場合。七、石英晶體正弦波振蕩電路石英晶體諧振器簡稱石英晶體，具有非常穩定的振蕩頻率。1、石英晶體諧振器的結構示意圖及符號SiO2結晶體壓電效應：交變電場機械振動交變電場機械振動的固有頻率與晶片尺寸有關，穩定性高當交變電場頻率=固有頻率時，振幅最大

→壓電振蕩2、基本特性3、石英晶體的等效電路等效電路靜態電容機械振動慣性等效晶片彈性等效晶片的摩擦損耗等效（1）R、L、C支路發生串聯諧振石英晶體等效阻抗近似為純阻性4、石英晶體的頻率特性等效電路（2）并聯諧振（R、L、C支路與C0）通常所以（1）并聯型石英晶體振蕩電路5、石英晶體正弦波振蕩電路uf2、串聯型石英晶體振蕩電路共基放大電路共集放大電路uf8.2電壓比較器知識要點：1、掌握電壓比較器的分類及其各類型的基本特征；2、掌握電壓比較器電壓傳輸特性圖的分析求解及其一般應用。8.2.1概述：1、電壓比較器簡稱比較器，是一種用于比較輸入的模擬信號與參考電壓大小的電子電路。2、延伸功能：實現波形的整形、模數轉換（A/D）、越限報警等等。3、基本特性是：輸入為模擬信號，輸出數字信號：輸出端只有兩種可能結果：高電壓或低電壓（在數字電路中被分別稱之為高電平“1”、低電平“0”——數字信號）。4、電壓比較器主要為集成運放的非線性應用電路，即在此電路中，集成運放大多數工作在非線性區（令集成運放處于開環狀態或引入正反饋）。5、集成運放視為理想化。6、對電壓比較器進行特性分析的理論基礎是：理想集成運放在非線性區對應的特性。7、理想運放在非線性區的特點：（2）虛斷：

0==NPiiNPuu<OMOUu+=NPuu>（1）+UOM-UOM當集成運放的時，集成運放輸出端的狀態將發生“跳變”或“躍變”。NPuu=8、電壓比較器的電壓傳輸特性：定義：電壓比較器的輸出電壓與輸入電壓之間對應的函數關系。對應的坐標圖形稱為：電壓傳輸特性曲線圖。9、分類（根據所對應的電壓傳輸特性圖特征的不同）：單限比較器、滯回比較器、雙限比較器（窗口比較器）。10、轉折電壓：當電路輸出狀態發生跳變時，所對應的輸入電壓取值，被稱為：“閾值電壓”或“門坎電壓”或“轉折電壓”，記為“UT”。電壓比較器輸出端狀態：高電平用“UOH”表示；低電平用“UOL”表示。（電壓比較器電路的輸出端不一定就是電路中集成運放的輸出端）。11、繪制電壓傳輸特性圖的三要素：（1）輸出電壓高、低電平對應取值；（2）轉折電壓取值；（3）輸出電壓高、低電平跳變方向。8.2.2單限比較器一、基本特征：只有一個UT（只在Ui=UT時，電路的UO狀態跳變）。二、分類（根據UT=0？）：過零比較器、一般單限比較器三、過零比較器1、特征：當Ui=UT=0時，電路的UO狀態跳變。2、結構舉例與電壓傳輸特性分析：（1）明確UT取值：由結構知：uN=ui；uP=0;當uN=uP時所對應的ui取值即為UT，UT=0。特性分析：（2）當ui<0[uN<uP]，uo=UOH=+UOM;當ui=0

[uN=uP]，uo由UOHUOL;當ui>0

[uN>uP]，uo=UOL=-UOM

。思考：將ui引至同相輸入端，所對應電壓傳輸特性圖？uNuP3、輸入端限壓保護：[避免ui>UIdmax]4、輸出端限幅穩壓處理：四、一般單限比較器1、特征：UT≠0（UT由參考電壓UREF和電路中的電阻共同確定。）uN1uN22、電壓傳輸特性分析：（1）求UT（2）分析電壓傳輸特性：當ui<UT[uN<uP]，uo`=+UOM，uo=UOH=+UZ;當ui>UT[uN>uP],uo`=-UOM，uo=UOL=-UZ。當ui=UT[uN=uP],uo由UOH跳變為UOL;（3）畫電壓傳輸特性圖[假設UREF<0]：令uN=uP=0，則求取的ui即為UT：3、單限比較器的應用：（1）能夠檢測ui是否達到某一給定電壓值，例如可實現越限報警；（2）具有波形轉換功能：例可將三角波轉換為方波（矩形波）。–UZ+UZuiuo1OUTOt+UZ–UZuo2uitOUTOuo1t+UZ–UZt1t2

–UZ

+UZuiuo2OUT應用舉例4、一般單限比較器的特點：電路構成簡單，靈敏度高，但抗干擾能力差。五、電壓比較器電路特性分析思路總結（P427）：1、根據電路輸出端限幅電路的有無，確定UOH和UOL的取值為±UOM還是±UZ；2、確定uP與uN分別對應的表達式，并令uN=uP，此時ui對應的取值，即為UT；3、確定uO在uN=uP時的跳變方向，這取決于ui從集成運放的哪個輸入端引入：如果ui從反相輸入端輸入，當ui<UT時，uO=UOH，當ui>UT時，uO=UOL；如果ui從同相輸入端輸入，當ui<UT時，uO=UOL，當ui>UT時，uO=UOH。8.2.3滯回比較器（施密特觸發器）（遲滯比較器）1、特征：有兩個轉折電壓，Uo由UOH跳變為UOL，與由UOL跳變為UOH，分別對應于不同的轉折電壓值，從而令電路的電壓傳輸特性表現出“滯回特性”，通俗的講為“慣性”。允許ui可在UT取值附近波動，而電路輸出狀態會保持原狀態不變，這在一定程度上提高了電路的抗干擾能力。2、電路結構舉例與電壓傳輸特性分析：(1)電路引入正反饋，輸出端加限幅電路：uo=±UZ。uNuP反相滯回比較器(2)閾值電壓當時：當時：uNuPuNuPuNuP(3)傳輸特性曲線+UZ-UZUT+UT-正向過程：（uI從小到大的過程）設uI足夠小，跳變點為：UT+uNuPuNuPuNuPuNuP(3)傳輸特性曲線+UZ-UZUT+UT-反向過程：（uI從大到小的過程）設uI足夠大，跳變點為：UT-uNuPuNuP3、兩種滯回比較器的比較+UZ-UZUT-UT++UZ-UZUT+UT-反相輸入滯回比較器同相輸入滯回比較器加參考電壓的滯回比較器：uNuP例1電路如圖所示，已知R1=50kΩ，R2=100kΩ，穩壓管的穩定電壓±UZ=±9V,輸入電壓uI的波形如圖所示,試畫出uO波形。解：輸出高電平和低電平分別為±UZ=±9V,閾值電壓OuIt+UT-UTOuOtUOHUOLOuIt+UT-UTOuOtUOHUOL滯回電壓比較器整形、波形變換應用舉例：8.2.4窗口比較器（雙限比較器）功能：檢測某一模擬電壓信號是否處于兩個給定的電壓值之間。1、特征：具有兩個轉折電壓URL、URH（URL<URH），當ui處于兩轉折電壓之間時，uo狀態與大于URH和小于URL時對應狀態不同。2、電路結構舉例與電壓傳輸特性分析：（1）當ui>URH時，必有ui>URL，則uo1=+UOM，uo2=-UOM，D1導通，D2截止，uo=+UZ;（2）當ui<URL時，必有ui<URH，則uo1=-UOM，uo2=+UOM，D2導通，D1截止，uo=+UZ;（3）當URL<ui<URH時，則uo1=-UO