1
第八章 波形的发生和信号的转
换
?教学时数,10学时
?重点与难点：正弦波振荡发生的两个条件 。
?2、文氏桥（ RC串并联）正弦波发生电路
?3,LC正弦波发生电路及石英晶体正弦波发生电路
?4、电压比较器的电路组成与工作原理。
第八章 波形的发生和信号的转换
8.1 正弦波振荡电路
8.2 电压比较器
8.3 非正弦波发生电路
8.4 利用集成运放实现的信号转换电路
8.5 锁相环及其在电路中的运用
3
8.1 正弦波振荡电路
8.1.1概述
~ iU?
放大电路
A?
io UAU ??? ?
反馈网络
F?
tUU ?s in2 ii ??
Of UFU ??? ?
如果反馈电压 uf 与原输入信号 ui 完全相等, 则即使
无外输入信号, 放大电路输出端也有一个正弦波信号 —
— 自激振荡 。 (电路要引入正反馈 )
图 8.1.2 正弦波振荡电路的方框图
一、产生正弦波振荡的条件
4
由此知放大电路产生自激振荡的条件是,
if UU ?? ?
即,
iiof UUAFUFU ??????? ???
所以产生正弦波振荡的条件是,1?FA ??
1?FA ??
—— 幅度平衡条件
π2a r g FA nFA ???? ????
—— 相位平衡条件
?,2,1,0?n
电路起 振的条件,1?FA ??
5
二、正弦波振荡电路的组成及分类
组成, 放大电路,集成运放
选频网络,确定电路的振荡频率
反馈网络,引入正反馈
稳幅环节,非线性环节，使输出信号幅值稳定
分类,RC正弦波振荡电路，频率较低，在 1MHz以下。
LC正弦波振荡电路，频率较高，在 1MHz以上。
石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。
6
三、判断电路能否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；
2,检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正
常工作；
3,分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件
判断相位平衡条件的方法是,
瞬时极性法 。
5.估算振荡频率和起振条件
4.判断是否满足振幅平衡条件。
7
8.1.2 RC 正弦波振荡电路
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)
电路组成,
放大电路
—— 集成运放 A ；
选频与正反馈网络 —— R,C 串并联电路；
稳幅环节 —— RF 与 R? 组成的负反馈电路。
8
图 8.1.4
一,RC 串并联选频网络
Z1
Z2
)
1
)1(
1
11
1
12
21
1
2
2
1
221
1
22
2
21
2
CR
CR
C
C
R
R
CRC
R
CR
R
U
U
F
?
?
??
?
??
?
????
?
?
??
?
?
?
??
j(
j1j
j
f
?
?
?
取 R1 = R2 = R, C1 = C2 = C,令
RC
1
0 ??
则,
)j(3
1
0
0 ?
?
?
?
??
?F?
9
得 RC 串并联电路的幅
频特性为,
20
0
2 )(3
1
?
?
?
?
??
?F?
3
ar c t g
0
0
F
?
?
?
?
?
?
??
相频特性为,
时，当 RC10 ?? ??
3
1?F? 最大,?F = 0。
?0?
0
?F 0?
F?
?
0
1/3
+90o
-90o
图 8..1.5
10
二、振荡频率与起振条件
1,振荡频率
RCf ?? 2
1
0
2,起振条件
1?FA ??f = f0 时,31?F? 由振荡条件知,
所以起振条件为,3?A?
同相比例运放的电压放大倍数为
即要求,
R
RA
u ??? Ff 1
RR ?? 2F
11
三、振荡电路中的负反馈 (稳幅环节 )
引入电压串联负反馈, 可以提高放大倍数的稳定性,
改善振荡电路的输出波形, 提高带负载能力 。
反馈系数
改变 RF,可改变反馈深度 。
增加负反馈深度, 并且满足
3?A? 则电路可以起振, 并产生比较稳定而失真较小的正
弦波信号 。
图 8.1.7
RR
RF
??
??
F
反馈电阻 RF采用负温度系数 的热敏电阻,
R? 采用正温度系数 的热敏电阻，均可实现 自动稳幅。
12
稳幅的其它措施
电流增大时，二极管动态电
阻减小。电流减小时，动态
电阻增大，加大非线性环节，
从而使输出电压稳定。
在 RF回路中串联二个并联的二极管
R
rRA
?
??? dF
u 1
13
四、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 f0的 粗调 ；
用同轴电位器实现 f0的 微调 。
RC串、并联网络中，
如何调节频率？
问题：如何提高频率？
RCf ?? 2
1
0
14
* 其他形式的 RC 振荡电路
一、移相式振荡电路
集成运放产生的相位移 ?A
= 180o,如果反馈网络再相移
180o,即可满足产生正弦波振
荡的相位平衡条件 。
振荡频率为,
RC
f
?
?
32
1
0
0f f
0
?
270o
180o
90o
当 f = f0 时, 相移 180o，
满足正弦波振荡的相位条件 。
起振条件,RF > 12 R
15
*二、双 T 选频网络振荡电路
振荡频率约为,
RCf 5
1
0 ?
当 f = f0 时, 双 T 网络的相移为 ?F = 180o； 反相比
例运放的相移 ?A = 180o,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
1 23 ?? FARR ??,
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。
RCf ?? 2 10
3?A?
RCf ?? 32 10 RCf 5 10 ?
1 23 ?? FARR ??,RR 12
F ?
17
8.1.3 LC 正弦波振荡电路
一,LC 谐振回路的频率特性
当频率变化时，并联电路阻抗
的大小和性质都发生变化。
并联电路的导纳,
当 电路发生 并联谐振 。
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
??
2222
)(
j
)(
j
1
j
LR
L
C
LR
R
LR
CY
?
?
?
?
?
?
0)( 2
0
2
0
0 ??? LR
LC
?
??
图 8.1.10
18
并联谐振角频率
LC
L
R
1
1)(
1
2
0
0 ?
?
?
?
?
令,
R
LQ 0?? —— 谐振回路的品质因数
当 Q >> 1 时
LC
1
0 ??
LC
f
?
?
2
1
0
谐振频率,
19
)
1
1(j1
)
1
j(
j)
1
j(
j
1
j
)j(
1
j
2
LCR
L
CR
L
C
LR
L
C
LR
C
LR
C
Z
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
??
??
?
???
??
?
回路 等效阻抗,
RC
L
YZ ?? 00
1
LC 并联回路的阻抗,发生并联谐振时,
LC
1
0 ?? ??
在谐振频率附近,
)1(j1 2
2
0
0
?
?
??
?
Q
Z
Z
可见,Q 值不同，回路的阻抗不同。
20
Z
?0?
不同 Q 值时,LC 并联
电路的幅频特性,
Z01
Z02
Q1 > Q2 Q
1
Q
2
相频特性,
?0?
?F
+90o
-90o
Q
1
Q
2
Q1 > Q2
感性 纯阻 容性
结论,
1,当 f = f0 时, 电路为纯电阻
性, 等效阻抗最大；当 f < f0 时,
电路为感性；当 f > f0 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 。 图 8.1.11
21
谐振时 LC 回路中的电流
U
LR
LUCI ???
2
0
2
0
0C )( ?
??
?
??
电容支路的电流,
并联回路的输入电流,
U
LR
RI ??
2
0
2 )(???
所以,
IQI ?? ?C
当 Q >> 1 时,
II ?? ??C II ?? ??L LC II ?? ?
结论,谐振时, 电容支路的电流与电感支路的电流大
小近似相等, 而谐振回路的输入电流极小 。
22
若以 LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载
be
u r
ZA ????
当 f = f0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
若增加 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
23
二、变压器反馈式振荡电路
1.工作原理
用瞬时极性判断为 正反
馈, 所以满足自激振荡的相
位平衡条件 。
?
-
? ?
? 2.振荡频率和起振条件
LCf ?? 2
1
0
振荡频率
起振条件
M
CRr ?? be?
图 8.1.14 变压器反馈式
振荡电路
24
三、电感反馈式振荡电路
1.电路组成
用瞬时极性判断
为 正反馈, 所以满足
自激振荡的相位平衡
条件 。
-
?
? ?
-
-
2.振荡频率和起振条件
CMLLLCf )2(2
1
2
1
21
0 ??????振荡频率
起振条件 RrML ML ????? be
2
1?
图 8.1.17
25
四、电容反馈式振荡电路
1.电路组成
用瞬时极性判断
为 正反馈, 所以满足
自激振荡的相位平衡
条件 。
2.振荡频率和起振条件
21
21
0
2
1
2
1
CC
CCLLC
f
??
?
?
?振荡频率
起振条件 RrCC ??? be
1
2?
?
?
图 8.1.20
?
- -
?
-
?
?
-
26
电容反馈式改进型振荡电路
21
0
111
1
2
1
CCC
L
f
??
??
?
振荡频率
选择 C << C1,C << C2,
则,
LCf ?? 2
1
0
减小了三极管极间电容对振荡频率的影响, 适用于
产生高频振荡 。
图 8.1.22
27
若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达
100MHz，怎么办？
采用共基放大电路
如何分析？
28
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 同左
频率调节方
法及范围
频率可调, 范围
较宽 。 同左
频率可调, 范
围较小 。 同左
振荡波形 一般 较差 好 好
频率稳定度 可达 10-4 同左 可达 10-4 ~10-5 可达 10-5
适用频率 几千赫 ~ 几十兆赫 同左 几兆赫 ~ 一百兆赫 同左
各种 LC 振荡电路的比较
LCf ?? 2
1
0 CMLL
f )2(2 1
21
0 ????
21
21
0
2
1
CC
CCLf
??
?
21
0
111
12
1
CCC
L
f
??
??
?
M
CRr ?? be?
R
r
ML
ML
???
?? ?eb
2
1? RrCC ??? ?eb
1
2?
29
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。
一,石英晶体的特点
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
30
2.等效电路和振荡频率 符号,
串联谐振频率
LCf ?? 2
1
s
并联谐振频率
0
s
0
0
p 1
2
1
C
C
f
CC
CC
L
f ??
?
?
?
电抗频率特性
O f
X
fs fp
容性 容性
感
性
图 8.1.27
图 8.1.28
31
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
CCC
CCCLf
???
????
0
0
0 )(
2
1
21
21
CC
CCC
??
?
由于
CCC ???? 0 s0 2
1 f
LCf ???
图 8.1.29
32
2.串联型石英晶体振荡电路
图 8.1.30 串联型石英晶
体振荡电路
当振荡频率等于 fS 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
s0 ff ?
调节 R 可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。
33
8.2 电压比较器
1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考
电 压 进 行 比 较, 输 出 只 有 两 种 可 能 的 状 态, 高
电平或低电平 。
2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于
开环状态或引入正反馈 。
3.分类：单限比较器, 滞回比较器及窗口比较器 。
8.2.1 概述
4.比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在
测量、控制,D/A和 A/D转换电路中应用广泛。
34
一,电压比较器的传输特性
1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系
)(O Iufu ?
2.阈值电压, UT
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 UOH和低电平 UOL的数值。
(2)阈值电压的数值 UT。
(3)当 uI变化且经过 UT时,uO跃变的方向。
35
二、理想运放的非线性工作区
+UOM
uO
uP?uN O
?UOM
集成运放的电压传输特性
在电压比较器中，集成运放不是工作在开环
状态，就是工作在正反馈。
36
8.2.2 单限比较器
一、过零比较器
由于理想运放的开环差模
增益为无穷大, 所以
当 uI < 0 时,uO= + UOM；
当 uI > 0 时,uO = - UOM ；
过零比较器的 传输特性 为,uI
uO
+UOM
-UOM
O
UOM 为集成运放的最大输出电压 。
阈值电压,
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 。 图 8.2.3
37
利用稳压管限幅的过零比较器
设任何一个稳压管被反向
击穿时, 两个稳压管两端总的
的稳定电压为 UZ < UOM
uI
uO
+UOM
-UOM
O
+UZ
-UZ
当 uI < 0 时, 不接稳压管时,
uO= + UOM, 接入稳压管后, 左
边的稳压管被反向击穿, 集成
运放的反向输入端, 虚地,,
uO = + UZ ；
当 uI > 0 时, 右边的稳压管
被反向击穿, uO = - UZ ；
图 8.2.6
38
利用稳压管限幅的过零比较器 (二 )
电路图 传输特性
uI
uO
+UOpp
-UOpp
O
+UZ
-UZ
问题：如将输入信号加在,+”端，传输特性如何？
39
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？
v
I
O
T
? 2 ? 3 ? 4 ?
? t
t
v
O
V
O H
O
V
OL
传输特性
uI
uO
+UOpp
-UOpp
O
+UZ
-UZ
将正弦波变为矩形波
40
二、单限比较器
单限比较器有一个门限
电平, 当输入电压等于此门
限电平时, 输出端的状态立
即发生跳变 。
R E F
2
1
T UR
RuU
I ???
当输入电压 uI 变化, 使反相
输入端的电位为零时, 输出端的
状态将发生跳变, 门限电平为,
uI
uO
+UOM
-UOM
O
+UZ
-UZ REF12 URR? 过零比较器是门限电平为零
的单限比较器 。
图 8.2.7
R1
R2
41
存在干扰时单限比较器的 uI,uO 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 。
42
复习,
1.RC正弦波串、并联振荡电路
电路图
振荡频率
RCf ?? 2
1
0
起振条件 1?FA ?? 3?A? RR ?? 2
F
如何稳幅
如何调频
2.电压比较器
过零比较器
u
I
uO
+UOpp
-UOpp
O
+UZ
-UZ
单限比较器
R1
R2
43
电压比较器分析方法小结
（ 1）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平 UOH
和输出低电平 UOL 。
（ 2）写出 up和 uN的电位表达式，令 up=uN,解得输
入电压就是阈值电压 UT。
（ 3） u0在 uI 过 UT时的跃变方向决定于作用于集
成运放的哪个输入端。 当 uI从反向输入端输入时,
uI<UT,u0=U0H ; uI>UT,u0=U0L 。 反之，结论相反。
44
[例 8.2.1] 在图 8.2.6所示电路中,UZ=± 6V, 在图 8.2.7中
所示电路中,R1= R2 =5kΩ,基准电压 UREF=2V,稳压
管的稳定电压 UZ=± 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 u01和
图 8.2.7所示电路的输出电压 u02
解
图 8.2.6为过零比较器
图 8.2.7为一般单限比较器。
VURRU 2R E F
2
1
T ???? 图 8.2.8 例 8.2.1波形图
R1
R2
45
8.2.3 滞回比较器
一、从反相输入端输入的滞回比较器电路
计算阈值电压 UT
Z
21
1
T URR
RU ??
＋＝
电压传输特性
uo从 +UZ跃变到 -UZ的
阈值电压为 +UT
uo从 -UZ跃变到 +UZ的
阈值电压为 -UT
uI在 -UT与 +UT之间增加或减小,
uO不发生变化
46
UREF 为参考电压； ；
uI 为输入电压；输出电
压 uO 为 +UZ 或 -UZ。
当 uP = uN 时, 输出电压
的状态发生跳变 。
Z
F2
2
R E F
F2
F u
RR
RU
RR
Ru
P ????
比较器有两个不同的门限电平,
故传输特性呈滞回形状 。
+UZ
uI
uO
-UZ
O UT-
UT+
图 8.2.10 滞回比较器
二、加了参考电压的 滞回比较器
47
若 uO= ? UZ, 当 uI 逐渐减小 时, 使 uO 由 ?UZ 跳
变为 ?UZ 所需的门限电平 UT?
Z
F2
2
R E F
F2
F
T URR
RU
RR
RU
?????
回差 (门限宽度 )?UT,
Z
F2
2
TTT
2 U
RR
RUUU
????? ??
若 uO = ?UZ, 当 uI 逐渐增大 时, 使 uO 由 +UZ 跳变
为 -UZ 所需的门限电平 UT+
Z
F2
2
R E F
F2
F
T URR
RU
RR
RU
?????
48
[例 8.2.2]已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。
图 8.2.11 例 8.2.2波形图
± UZ ＝ ± 9V
V3
U
RR
R
U
Z
21
1
T
?
??
＝
＋
＝
图 8.2.9滞回比较器电路 uO /V
t 0
+9
-9
49
8.2.4 窗口比较器
参考电压 UREF1 > UREF2
若 uI 低于 UREF2, 运放 A1
输出低电平, A2 输出高电平, 二
极管 VD1 截止, VD2导通, 输出
电压 uO 为高电平；
若 uI 高于 UREF1, 运放 A1 输出高电平, A2 输出低电
平, 二极管 VD2 截止, VD1 导通, 输出电压 uO 为高电平；
图 8.2.13双限比较器 (a)
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。
50
当 uI 高于 UREF2 而低于
UREF1 时, 运放 A1,A2 均输出
低电平, 二极管 VD1, VD2 均
截止, 输出电压 uO 为低电平；
上门限电平 UTH = UREF1 ；
下门限电平 UTL = UREF2 。
uI
uO
O U
TH UTL
综上所述, 双限比较器在输入信号 uI < UREF2 或 uI >
UREF1 时, 输出为高电平；而当 UREF2< uI < UREF1 时, 输
出为低电平 。
图 8.2.13(b)
51
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,具有较高的开环差模增益；
2,具有较快的响应速度；
3,具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；
4,具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。
分类,单、双和四电压比较
通用型、高速型、低电压型和高精度型
普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型
52
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 +12V单
电源供
电，逻
辑电源
为 5V。
± 5V双电
源供电，
逻辑电源
为 5V。
± 15V双
电源供电，
逻辑电源
为 5V。
53
2,集电极开路集成电压比较器 LM119
金属封装的管脚图
反相输入 2
同相输入 2
电路为双限比较器，
能实现线与功能
图 8.2.16由 LM119构成的双限比较器及
其电压传输特性
54
8.3 非正弦波发生电路
非正弦波, 矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等
图 8.3.1 几种常见的非正弦波
55
8.3.1 矩形波发生电路
一、电路组成
RC 充放电
回路
滞回
比较器
图 8.3.2 滞回比较器：集成运放,R
1,R2；
充放电回路,R,C； （延迟环节、反馈网络）
钳位电路,VDZ,R3。 （稳幅环节）
56
二、工作原理
设 t = 0 时,uC = 0,uO = + UZ
则
Z
21
1 U
RR
Ru
???
t O
uC
Z21 1 URR
R
??
Z21 1 URR
R
??
O
uO
ZU?
ZU?
t
u+
u?
当 u? = uC = u+ 时,
t1 t2
Z
21
1 U
RR
Ru
????
则
当 u? = uC = u+ 时，输出
又一次跳变,uO = + UZ
输出跳变,uO = ? UZ
图 8.3.4
2T 2T
57
三、振荡周期
电容的充放电规律,? ?
)(e)()0()( ????? ? CtCCC uuutu ?
对于放电,
Z
21
1)0( U
RR
Ru
C ??? Z
)( Uu C ???
RC??
解得,
)21l n (2
2
1
R
RRCT ??
结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电
阻, 即可改变振荡周期 。
t1 t2
2T 2T
t O
uC
Z21 1 URR
R
??
Z21 1 URR
R
??
O
uO
ZU?
ZU?
t
t3
图 8.3.4 振荡频率 f=1/T
Z
21
1)
2( URR
RTu
C ???
58
四、占空比可调的矩形波发生电路
图 8.3.5a
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。
t O
uC
uO
t O
T1 T2
T
充电时间 T1
放电时间 T2
)21l n ()(2
2
1
W1 R
RCRRT ?????
)21l n ()(2
2
1
W2 R
RCRRT ????
占空比 D
W
W1
2 RR
RR
T
TD
?
?????图 8.3.5b
59
8.5.2 三角波发生电路
一、电路组成
图 8.3.6采用波形变换的方法得到三角波
uO1为方波
电路分析
uO2为三角波
)()(
)(d
1
OO01
I
OOIO
tutt
RC
U
tutu
RC
u
????
??? ?
60
二、工作原理
当 u+ = u? = 0 时, 滞回比较
器的输出发生跳变 。
图 8.3.8
o
21
2
1o
21
1 u
RR
Ru
RR
Ru
?????
实用电路
Z
2
1
T UR
RU ??＝阈值电压
左边是同相输入滞回比较器
右边为反向积分运算电路
图 8.3.7
R3 R4
传输特性
+UT
-UT
+UZ
-UZ
uO
uI
61
二、工作原理
O
uO1
ZU?
ZU?
t
O
uO
omU?
omU?
t
当 u+ = u? = 0 时, 滞回比较
器的输出发生跳变 。
图 8.3.9
o
21
2
1o
21
1 u
RR
Ru
RR
Ru
?????
Z
2
1
T UR
RU ??＝阈值电压
图 8.3.7
R3 R4
设 t=0时,uO1 = +UZ u0= 0
)()(
)(d
1
OO01
3
I
OOI
3
O
tutt
CR
U
tutu
CR
u
????
??? ?
62
三、输出幅度和振荡周期
Z
2
1
om UR
RU ?
解得三角波的 输出幅度
当 u+ = u? = 0 时,uO1 跳变为 -UZ,uO 达到最大值 Uom 。
振荡周期
2
31
Z
om3 44
R
CRR
U
CURT ??
调节电路中的 R1, R2,R3阻值和 C的容量，可改变振荡频率,
调节 R1, R2的阻值，可改变三角波的幅值。
o
21
2
1o
21
1 u
RR
Ru
RR
Ru
?????
)()( OO01
3
I
O tuttCR
Uu ????
63
图 8.3.10a
8.5.3锯齿波发生电路
一、电路组成
O
uO1
ZU?
ZU?
t
O
uO
omU?
omU?
t
T1 T2
T
二、输出幅度和振荡周期
Z
2
1
om UR
RU ?
2
W1
1
2
R
CRRT ??
2
W1
2
2
R
CRRT ???
2
W1
21
2
R
CRRTTT ???
正向积分时间常数远大于反
向积分时间常数或者相反。
T
TD 1?
64
8.3.4 波形变换电路 （自阅）
一、三角波变锯齿波电路
二、三角波变正弦波电路
1.滤波法
2.折线法
65
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）
③
②
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
66
当 Q = 0,S 断开,
C 充电 (IS1) 至 2/3VCC
Q = 1
当 Q = 1,S 闭合,
C 放电 (IS2 ?IS1) 至
1/3VCC Q = 0
当 IS2 = 2IS1，引脚 9 输出方波，引脚 3 输出三角波；
当 IS2 < 2IS1,引脚 9 输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。
二、工作原理
Qn+1=S+RQn
③
②
67
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 RA
接电阻 RB 接电容 C
+VCC
?VEE (或地 )
8.3.20 ICL8038的引脚图
ICL8038可单电源供电，也可双电源供电。
68
四、常用接法
69
调占空比和
正弦波失真
调
频
率 调占空比和正弦波失真
RW1
RP4
R
W2
+VCC
?VEE
R R
A
ICL8038
4 5
1
3
10 11 12
8
RB
RP3
C
C1
6 9
2
图 8.3.23失真度减小和频率可调电路
第八章 波形的发生和信号的转
换
?教学时数,10学时
?重点与难点：正弦波振荡发生的两个条件 。
?2、文氏桥（ RC串并联）正弦波发生电路
?3,LC正弦波发生电路及石英晶体正弦波发生电路
?4、电压比较器的电路组成与工作原理。
第八章 波形的发生和信号的转换
8.1 正弦波振荡电路
8.2 电压比较器
8.3 非正弦波发生电路
8.4 利用集成运放实现的信号转换电路
8.5 锁相环及其在电路中的运用
3
8.1 正弦波振荡电路
8.1.1概述
~ iU?
放大电路
A?
io UAU ??? ?
反馈网络
F?
tUU ?s in2 ii ??
Of UFU ??? ?
如果反馈电压 uf 与原输入信号 ui 完全相等, 则即使
无外输入信号, 放大电路输出端也有一个正弦波信号 —
— 自激振荡 。 (电路要引入正反馈 )
图 8.1.2 正弦波振荡电路的方框图
一、产生正弦波振荡的条件
4
由此知放大电路产生自激振荡的条件是,
if UU ?? ?
即,
iiof UUAFUFU ??????? ???
所以产生正弦波振荡的条件是,1?FA ??
1?FA ??
—— 幅度平衡条件
π2a r g FA nFA ???? ????
—— 相位平衡条件
?,2,1,0?n
电路起 振的条件,1?FA ??
5
二、正弦波振荡电路的组成及分类
组成, 放大电路,集成运放
选频网络,确定电路的振荡频率
反馈网络,引入正反馈
稳幅环节,非线性环节，使输出信号幅值稳定
分类,RC正弦波振荡电路，频率较低，在 1MHz以下。
LC正弦波振荡电路，频率较高，在 1MHz以上。
石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。
6
三、判断电路能否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；
2,检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正
常工作；
3,分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件
判断相位平衡条件的方法是,
瞬时极性法 。
5.估算振荡频率和起振条件
4.判断是否满足振幅平衡条件。
7
8.1.2 RC 正弦波振荡电路
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)
电路组成,
放大电路
—— 集成运放 A ；
选频与正反馈网络 —— R,C 串并联电路；
稳幅环节 —— RF 与 R? 组成的负反馈电路。
8
图 8.1.4
一,RC 串并联选频网络
Z1
Z2
)
1
)1(
1
11
1
12
21
1
2
2
1
221
1
22
2
21
2
CR
CR
C
C
R
R
CRC
R
CR
R
U
U
F
?
?
??
?
??
?
????
?
?
??
?
?
?
??
j(
j1j
j
f
?
?
?
取 R1 = R2 = R, C1 = C2 = C,令
RC
1
0 ??
则,
)j(3
1
0
0 ?
?
?
?
??
?F?
9
得 RC 串并联电路的幅
频特性为,
20
0
2 )(3
1
?
?
?
?
??
?F?
3
ar c t g
0
0
F
?
?
?
?
?
?
??
相频特性为,
时，当 RC10 ?? ??
3
1?F? 最大,?F = 0。
?0?
0
?F 0?
F?
?
0
1/3
+90o
-90o
图 8..1.5
10
二、振荡频率与起振条件
1,振荡频率
RCf ?? 2
1
0
2,起振条件
1?FA ??f = f0 时,31?F? 由振荡条件知,
所以起振条件为,3?A?
同相比例运放的电压放大倍数为
即要求,
R
RA
u ??? Ff 1
RR ?? 2F
11
三、振荡电路中的负反馈 (稳幅环节 )
引入电压串联负反馈, 可以提高放大倍数的稳定性,
改善振荡电路的输出波形, 提高带负载能力 。
反馈系数
改变 RF,可改变反馈深度 。
增加负反馈深度, 并且满足
3?A? 则电路可以起振, 并产生比较稳定而失真较小的正
弦波信号 。
图 8.1.7
RR
RF
??
??
F
反馈电阻 RF采用负温度系数 的热敏电阻,
R? 采用正温度系数 的热敏电阻，均可实现 自动稳幅。
12
稳幅的其它措施
电流增大时，二极管动态电
阻减小。电流减小时，动态
电阻增大，加大非线性环节，
从而使输出电压稳定。
在 RF回路中串联二个并联的二极管
R
rRA
?
??? dF
u 1
13
四、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 f0的 粗调 ；
用同轴电位器实现 f0的 微调 。
RC串、并联网络中，
如何调节频率？
问题：如何提高频率？
RCf ?? 2
1
0
14
* 其他形式的 RC 振荡电路
一、移相式振荡电路
集成运放产生的相位移 ?A
= 180o,如果反馈网络再相移
180o,即可满足产生正弦波振
荡的相位平衡条件 。
振荡频率为,
RC
f
?
?
32
1
0
0f f
0
?
270o
180o
90o
当 f = f0 时, 相移 180o，
满足正弦波振荡的相位条件 。
起振条件,RF > 12 R
15
*二、双 T 选频网络振荡电路
振荡频率约为,
RCf 5
1
0 ?
当 f = f0 时, 双 T 网络的相移为 ?F = 180o； 反相比
例运放的相移 ?A = 180o,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
1 23 ?? FARR ??,
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。
RCf ?? 2 10
3?A?
RCf ?? 32 10 RCf 5 10 ?
1 23 ?? FARR ??,RR 12
F ?
17
8.1.3 LC 正弦波振荡电路
一,LC 谐振回路的频率特性
当频率变化时，并联电路阻抗
的大小和性质都发生变化。
并联电路的导纳,
当 电路发生 并联谐振 。
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
??
2222
)(
j
)(
j
1
j
LR
L
C
LR
R
LR
CY
?
?
?
?
?
?
0)( 2
0
2
0
0 ??? LR
LC
?
??
图 8.1.10
18
并联谐振角频率
LC
L
R
1
1)(
1
2
0
0 ?
?
?
?
?
令,
R
LQ 0?? —— 谐振回路的品质因数
当 Q >> 1 时
LC
1
0 ??
LC
f
?
?
2
1
0
谐振频率,
19
)
1
1(j1
)
1
j(
j)
1
j(
j
1
j
)j(
1
j
2
LCR
L
CR
L
C
LR
L
C
LR
C
LR
C
Z
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
??
??
?
???
??
?
回路 等效阻抗,
RC
L
YZ ?? 00
1
LC 并联回路的阻抗,发生并联谐振时,
LC
1
0 ?? ??
在谐振频率附近,
)1(j1 2
2
0
0
?
?
??
?
Q
Z
Z
可见,Q 值不同，回路的阻抗不同。
20
Z
?0?
不同 Q 值时,LC 并联
电路的幅频特性,
Z01
Z02
Q1 > Q2 Q
1
Q
2
相频特性,
?0?
?F
+90o
-90o
Q
1
Q
2
Q1 > Q2
感性 纯阻 容性
结论,
1,当 f = f0 时, 电路为纯电阻
性, 等效阻抗最大；当 f < f0 时,
电路为感性；当 f > f0 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 。 图 8.1.11
21
谐振时 LC 回路中的电流
U
LR
LUCI ???
2
0
2
0
0C )( ?
??
?
??
电容支路的电流,
并联回路的输入电流,
U
LR
RI ??
2
0
2 )(???
所以,
IQI ?? ?C
当 Q >> 1 时,
II ?? ??C II ?? ??L LC II ?? ?
结论,谐振时, 电容支路的电流与电感支路的电流大
小近似相等, 而谐振回路的输入电流极小 。
22
若以 LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载
be
u r
ZA ????
当 f = f0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
若增加 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
23
二、变压器反馈式振荡电路
1.工作原理
用瞬时极性判断为 正反
馈, 所以满足自激振荡的相
位平衡条件 。
?
-
? ?
? 2.振荡频率和起振条件
LCf ?? 2
1
0
振荡频率
起振条件
M
CRr ?? be?
图 8.1.14 变压器反馈式
振荡电路
24
三、电感反馈式振荡电路
1.电路组成
用瞬时极性判断
为 正反馈, 所以满足
自激振荡的相位平衡
条件 。
-
?
? ?
-
-
2.振荡频率和起振条件
CMLLLCf )2(2
1
2
1
21
0 ??????振荡频率
起振条件 RrML ML ????? be
2
1?
图 8.1.17
25
四、电容反馈式振荡电路
1.电路组成
用瞬时极性判断
为 正反馈, 所以满足
自激振荡的相位平衡
条件 。
2.振荡频率和起振条件
21
21
0
2
1
2
1
CC
CCLLC
f
??
?
?
?振荡频率
起振条件 RrCC ??? be
1
2?
?
?
图 8.1.20
?
- -
?
-
?
?
-
26
电容反馈式改进型振荡电路
21
0
111
1
2
1
CCC
L
f
??
??
?
振荡频率
选择 C << C1,C << C2,
则,
LCf ?? 2
1
0
减小了三极管极间电容对振荡频率的影响, 适用于
产生高频振荡 。
图 8.1.22
27
若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达
100MHz，怎么办？
采用共基放大电路
如何分析？
28
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 同左
频率调节方
法及范围
频率可调, 范围
较宽 。 同左
频率可调, 范
围较小 。 同左
振荡波形 一般 较差 好 好
频率稳定度 可达 10-4 同左 可达 10-4 ~10-5 可达 10-5
适用频率 几千赫 ~ 几十兆赫 同左 几兆赫 ~ 一百兆赫 同左
各种 LC 振荡电路的比较
LCf ?? 2
1
0 CMLL
f )2(2 1
21
0 ????
21
21
0
2
1
CC
CCLf
??
?
21
0
111
12
1
CCC
L
f
??
??
?
M
CRr ?? be?
R
r
ML
ML
???
?? ?eb
2
1? RrCC ??? ?eb
1
2?
29
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。
一,石英晶体的特点
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
30
2.等效电路和振荡频率 符号,
串联谐振频率
LCf ?? 2
1
s
并联谐振频率
0
s
0
0
p 1
2
1
C
C
f
CC
CC
L
f ??
?
?
?
电抗频率特性
O f
X
fs fp
容性 容性
感
性
图 8.1.27
图 8.1.28
31
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
CCC
CCCLf
???
????
0
0
0 )(
2
1
21
21
CC
CCC
??
?
由于
CCC ???? 0 s0 2
1 f
LCf ???
图 8.1.29
32
2.串联型石英晶体振荡电路
图 8.1.30 串联型石英晶
体振荡电路
当振荡频率等于 fS 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
s0 ff ?
调节 R 可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。
33
8.2 电压比较器
1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考
电 压 进 行 比 较, 输 出 只 有 两 种 可 能 的 状 态, 高
电平或低电平 。
2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于
开环状态或引入正反馈 。
3.分类：单限比较器, 滞回比较器及窗口比较器 。
8.2.1 概述
4.比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在
测量、控制,D/A和 A/D转换电路中应用广泛。
34
一,电压比较器的传输特性
1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系
)(O Iufu ?
2.阈值电压, UT
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 UOH和低电平 UOL的数值。
(2)阈值电压的数值 UT。
(3)当 uI变化且经过 UT时,uO跃变的方向。
35
二、理想运放的非线性工作区
+UOM
uO
uP?uN O
?UOM
集成运放的电压传输特性
在电压比较器中，集成运放不是工作在开环
状态，就是工作在正反馈。
36
8.2.2 单限比较器
一、过零比较器
由于理想运放的开环差模
增益为无穷大, 所以
当 uI < 0 时,uO= + UOM；
当 uI > 0 时,uO = - UOM ；
过零比较器的 传输特性 为,uI
uO
+UOM
-UOM
O
UOM 为集成运放的最大输出电压 。
阈值电压,
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 。 图 8.2.3
37
利用稳压管限幅的过零比较器
设任何一个稳压管被反向
击穿时, 两个稳压管两端总的
的稳定电压为 UZ < UOM
uI
uO
+UOM
-UOM
O
+UZ
-UZ
当 uI < 0 时, 不接稳压管时,
uO= + UOM, 接入稳压管后, 左
边的稳压管被反向击穿, 集成
运放的反向输入端, 虚地,,
uO = + UZ ；
当 uI > 0 时, 右边的稳压管
被反向击穿, uO = - UZ ；
图 8.2.6
38
利用稳压管限幅的过零比较器 (二 )
电路图 传输特性
uI
uO
+UOpp
-UOpp
O
+UZ
-UZ
问题：如将输入信号加在,+”端，传输特性如何？
39
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？
v
I
O
T
? 2 ? 3 ? 4 ?
? t
t
v
O
V
O H
O
V
OL
传输特性
uI
uO
+UOpp
-UOpp
O
+UZ
-UZ
将正弦波变为矩形波
40
二、单限比较器
单限比较器有一个门限
电平, 当输入电压等于此门
限电平时, 输出端的状态立
即发生跳变 。
R E F
2
1
T UR
RuU
I ???
当输入电压 uI 变化, 使反相
输入端的电位为零时, 输出端的
状态将发生跳变, 门限电平为,
uI
uO
+UOM
-UOM
O
+UZ
-UZ REF12 URR? 过零比较器是门限电平为零
的单限比较器 。
图 8.2.7
R1
R2
41
存在干扰时单限比较器的 uI,uO 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 。
42
复习,
1.RC正弦波串、并联振荡电路
电路图
振荡频率
RCf ?? 2
1
0
起振条件 1?FA ?? 3?A? RR ?? 2
F
如何稳幅
如何调频
2.电压比较器
过零比较器
u
I
uO
+UOpp
-UOpp
O
+UZ
-UZ
单限比较器
R1
R2
43
电压比较器分析方法小结
（ 1）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平 UOH
和输出低电平 UOL 。
（ 2）写出 up和 uN的电位表达式，令 up=uN,解得输
入电压就是阈值电压 UT。
（ 3） u0在 uI 过 UT时的跃变方向决定于作用于集
成运放的哪个输入端。 当 uI从反向输入端输入时,
uI<UT,u0=U0H ; uI>UT,u0=U0L 。 反之，结论相反。
44
[例 8.2.1] 在图 8.2.6所示电路中,UZ=± 6V, 在图 8.2.7中
所示电路中,R1= R2 =5kΩ,基准电压 UREF=2V,稳压
管的稳定电压 UZ=± 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 u01和
图 8.2.7所示电路的输出电压 u02
解
图 8.2.6为过零比较器
图 8.2.7为一般单限比较器。
VURRU 2R E F
2
1
T ???? 图 8.2.8 例 8.2.1波形图
R1
R2
45
8.2.3 滞回比较器
一、从反相输入端输入的滞回比较器电路
计算阈值电压 UT
Z
21
1
T URR
RU ??
＋＝
电压传输特性
uo从 +UZ跃变到 -UZ的
阈值电压为 +UT
uo从 -UZ跃变到 +UZ的
阈值电压为 -UT
uI在 -UT与 +UT之间增加或减小,
uO不发生变化
46
UREF 为参考电压； ；
uI 为输入电压；输出电
压 uO 为 +UZ 或 -UZ。
当 uP = uN 时, 输出电压
的状态发生跳变 。
Z
F2
2
R E F
F2
F u
RR
RU
RR
Ru
P ????
比较器有两个不同的门限电平,
故传输特性呈滞回形状 。
+UZ
uI
uO
-UZ
O UT-
UT+
图 8.2.10 滞回比较器
二、加了参考电压的 滞回比较器
47
若 uO= ? UZ, 当 uI 逐渐减小 时, 使 uO 由 ?UZ 跳
变为 ?UZ 所需的门限电平 UT?
Z
F2
2
R E F
F2
F
T URR
RU
RR
RU
?????
回差 (门限宽度 )?UT,
Z
F2
2
TTT
2 U
RR
RUUU
????? ??
若 uO = ?UZ, 当 uI 逐渐增大 时, 使 uO 由 +UZ 跳变
为 -UZ 所需的门限电平 UT+
Z
F2
2
R E F
F2
F
T URR
RU
RR
RU
?????
48
[例 8.2.2]已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。
图 8.2.11 例 8.2.2波形图
± UZ ＝ ± 9V
V3
U
RR
R
U
Z
21
1
T
?
??
＝
＋
＝
图 8.2.9滞回比较器电路 uO /V
t 0
+9
-9
49
8.2.4 窗口比较器
参考电压 UREF1 > UREF2
若 uI 低于 UREF2, 运放 A1
输出低电平, A2 输出高电平, 二
极管 VD1 截止, VD2导通, 输出
电压 uO 为高电平；
若 uI 高于 UREF1, 运放 A1 输出高电平, A2 输出低电
平, 二极管 VD2 截止, VD1 导通, 输出电压 uO 为高电平；
图 8.2.13双限比较器 (a)
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。
50
当 uI 高于 UREF2 而低于
UREF1 时, 运放 A1,A2 均输出
低电平, 二极管 VD1, VD2 均
截止, 输出电压 uO 为低电平；
上门限电平 UTH = UREF1 ；
下门限电平 UTL = UREF2 。
uI
uO
O U
TH UTL
综上所述, 双限比较器在输入信号 uI < UREF2 或 uI >
UREF1 时, 输出为高电平；而当 UREF2< uI < UREF1 时, 输
出为低电平 。
图 8.2.13(b)
51
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,具有较高的开环差模增益；
2,具有较快的响应速度；
3,具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；
4,具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。
分类,单、双和四电压比较
通用型、高速型、低电压型和高精度型
普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型
52
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 +12V单
电源供
电，逻
辑电源
为 5V。
± 5V双电
源供电，
逻辑电源
为 5V。
± 15V双
电源供电，
逻辑电源
为 5V。
53
2,集电极开路集成电压比较器 LM119
金属封装的管脚图
反相输入 2
同相输入 2
电路为双限比较器，
能实现线与功能
图 8.2.16由 LM119构成的双限比较器及
其电压传输特性
54
8.3 非正弦波发生电路
非正弦波, 矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等
图 8.3.1 几种常见的非正弦波
55
8.3.1 矩形波发生电路
一、电路组成
RC 充放电
回路
滞回
比较器
图 8.3.2 滞回比较器：集成运放,R
1,R2；
充放电回路,R,C； （延迟环节、反馈网络）
钳位电路,VDZ,R3。 （稳幅环节）
56
二、工作原理
设 t = 0 时,uC = 0,uO = + UZ
则
Z
21
1 U
RR
Ru
???
t O
uC
Z21 1 URR
R
??
Z21 1 URR
R
??
O
uO
ZU?
ZU?
t
u+
u?
当 u? = uC = u+ 时,
t1 t2
Z
21
1 U
RR
Ru
????
则
当 u? = uC = u+ 时，输出
又一次跳变,uO = + UZ
输出跳变,uO = ? UZ
图 8.3.4
2T 2T
57
三、振荡周期
电容的充放电规律,? ?
)(e)()0()( ????? ? CtCCC uuutu ?
对于放电,
Z
21
1)0( U
RR
Ru
C ??? Z
)( Uu C ???
RC??
解得,
)21l n (2
2
1
R
RRCT ??
结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电
阻, 即可改变振荡周期 。
t1 t2
2T 2T
t O
uC
Z21 1 URR
R
??
Z21 1 URR
R
??
O
uO
ZU?
ZU?
t
t3
图 8.3.4 振荡频率 f=1/T
Z
21
1)
2( URR
RTu
C ???
58
四、占空比可调的矩形波发生电路
图 8.3.5a
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。
t O
uC
uO
t O
T1 T2
T
充电时间 T1
放电时间 T2
)21l n ()(2
2
1
W1 R
RCRRT ?????
)21l n ()(2
2
1
W2 R
RCRRT ????
占空比 D
W
W1
2 RR
RR
T
TD
?
?????图 8.3.5b
59
8.5.2 三角波发生电路
一、电路组成
图 8.3.6采用波形变换的方法得到三角波
uO1为方波
电路分析
uO2为三角波
)()(
)(d
1
OO01
I
OOIO
tutt
RC
U
tutu
RC
u
????
??? ?
60
二、工作原理
当 u+ = u? = 0 时, 滞回比较
器的输出发生跳变 。
图 8.3.8
o
21
2
1o
21
1 u
RR
Ru
RR
Ru
?????
实用电路
Z
2
1
T UR
RU ??＝阈值电压
左边是同相输入滞回比较器
右边为反向积分运算电路
图 8.3.7
R3 R4
传输特性
+UT
-UT
+UZ
-UZ
uO
uI
61
二、工作原理
O
uO1
ZU?
ZU?
t
O
uO
omU?
omU?
t
当 u+ = u? = 0 时, 滞回比较
器的输出发生跳变 。
图 8.3.9
o
21
2
1o
21
1 u
RR
Ru
RR
Ru
?????
Z
2
1
T UR
RU ??＝阈值电压
图 8.3.7
R3 R4
设 t=0时,uO1 = +UZ u0= 0
)()(
)(d
1
OO01
3
I
OOI
3
O
tutt
CR
U
tutu
CR
u
????
??? ?
62
三、输出幅度和振荡周期
Z
2
1
om UR
RU ?
解得三角波的 输出幅度
当 u+ = u? = 0 时,uO1 跳变为 -UZ,uO 达到最大值 Uom 。
振荡周期
2
31
Z
om3 44
R
CRR
U
CURT ??
调节电路中的 R1, R2,R3阻值和 C的容量，可改变振荡频率,
调节 R1, R2的阻值，可改变三角波的幅值。
o
21
2
1o
21
1 u
RR
Ru
RR
Ru
?????
)()( OO01
3
I
O tuttCR
Uu ????
63
图 8.3.10a
8.5.3锯齿波发生电路
一、电路组成
O
uO1
ZU?
ZU?
t
O
uO
omU?
omU?
t
T1 T2
T
二、输出幅度和振荡周期
Z
2
1
om UR
RU ?
2
W1
1
2
R
CRRT ??
2
W1
2
2
R
CRRT ???
2
W1
21
2
R
CRRTTT ???
正向积分时间常数远大于反
向积分时间常数或者相反。
T
TD 1?
64
8.3.4 波形变换电路 （自阅）
一、三角波变锯齿波电路
二、三角波变正弦波电路
1.滤波法
2.折线法
65
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）
③
②
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
66
当 Q = 0,S 断开,
C 充电 (IS1) 至 2/3VCC
Q = 1
当 Q = 1,S 闭合,
C 放电 (IS2 ?IS1) 至
1/3VCC Q = 0
当 IS2 = 2IS1，引脚 9 输出方波，引脚 3 输出三角波；
当 IS2 < 2IS1,引脚 9 输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。
二、工作原理
Qn+1=S+RQn
③
②
67
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 RA
接电阻 RB 接电容 C
+VCC
?VEE (或地 )
8.3.20 ICL8038的引脚图
ICL8038可单电源供电，也可双电源供电。
68
四、常用接法
69
调占空比和
正弦波失真
调
频
率 调占空比和正弦波失真
RW1
RP4
R
W2
+VCC
?VEE
R R
A
ICL8038
4 5
1
3
10 11 12
8
RB
RP3
C
C1
6 9
2
图 8.3.23失真度减小和频率可调电路
