第八章 波形发生和信号转换
8.1 正弦波振荡电路
8.1.1 概述
一、产生正弦波振荡的条件
图 8.1.2
即
二、正弦波振荡电路的组成及分类
1、组成
（ 1）放大电路
（ 2）选频网络
（ 3）正反馈网络
（ 4）稳幅环节
2、分类
（ 1） RC正弦波振荡电路 (f0＜ 1MHz)
（ 2） LC正弦波振荡电路 (f0＞ 1MHz)
（ 3）石英晶体正弦波振荡电路 (f0很稳定 )
三、判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤
1、观察电路是否包含了四个基本组成部分；
2、判断放大电路能否正常工作，即是否有合适的静态
工作点且动态信号能否输入、输出和放大；
3、利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相
位条件。
瞬时极性法
断开反馈，在断开处加频率 f0
的输入电压，并给定其瞬时极
性；然后以此为依据分析输出
电压的极性，从而得到反馈电
压的极性，若它和假设输入电
压极性相同，则满足相位平衡
条件，有可能产生正弦波振荡。 图 8.1.3
4、判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，即
是否满足起振条件。即分别求解 和,然
后判断 是否大于 1。
只有在满足相位平衡的情况下，判断是否满足
幅值条件才有意义。
8.1.2 RC正弦波振荡电路
一,RC串并联选频网络
图 8.1.4
图 8.1.5
令,则
幅频特性为
相频特性为
当 f=f0时，,即, φF=0o。
二、桥式正弦波振荡电路
图 8.1.6
f=f0时，,所以
图 8.1.7
在图 8.1.7中
采用非线性环节，
例如热敏电阻以稳定
输出电压。
三、振荡频率可调的 RC桥式正弦波振荡电路
图 8.1.9
8.1.3 LC正弦波振荡电路
一,LC谐振回路的频率特性
图 8.1.11
图 8.1.10
谐振频率
选频放大器
图 8.1.12
选频放大器
引入正反馈
图 8.1.13
二、变压器反馈式振荡电路
图 8.1.14 图 8.1.15
三、电感反馈式正弦波振荡电路
图 8.1.17 图 8.1.18
四、电容反馈式正弦波振荡电路
图 8.1.20 图 8.1.21
图 8.1.22 图 8.1.23
8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路
图 8.1.27 图 8.1.28
C0,静态电容，一般为几到几十皮法；
L,等效机械振动惯性，一般为几毫亨到几十亨；
C,晶体的弹性等效，一般为 0.01到 0.1皮法；
R,晶体的摩擦损耗等效，一般为 100欧姆。
由于 C<<C0,所以 fp≈fs。
当 L,C,R支路串联谐振时，该支路呈纯
阻性，串联谐振频率为 fs,C0近似为开路，石
英晶体等效为电阻；
当 f＜ fs时,L,C,R串联支路呈容性，石
英晶体等效为电容 ;
当 f＞ fs时,L,C,R串联支路呈感性，和
电容 C0产生并联谐振，谐振频率为 fp。
当时 f＞ fp,石英晶体又呈容性。
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
电路如图 8.1.29所示，石英晶体等效为电感，和
C1,C2组成电容反馈式正弦波振荡电路。振荡频率
为 fp。
2,串联型石英晶体正弦波振荡电路
电路如图 8.1.30所示，石英晶体等效为电阻，振荡
频率为 fs。
图 8.1.30 图 8.1.29
8.2 电压比较器
8.2.1 概述
一、集成运放的非线性工作区
二、电压比较器的电压传输特性
uO=± UOM
当 uP＞ uN时,uO=＋ UOM；
当 uP ＜ uN时,uO=－ UOM 。
输出电压 uO与输入电压 uI的函数关系 uO=f(uI)
一般用曲线来描述，称为电压传输特性。
图 8.2.1
电压比较器电压传输特性的三要素为,
1、输出电压高电平和低电平值 UOH和 UOL；
2、阈值电压值 UT； 阈值是指 uO发生跃变时的 uI值。
3、当 uI变化且经过 UT时,uO跃变的方向，即
是从 UOH跃变为 UOL,还是从 UOL跃变为 UOH 。
三、电压比较器的种类
1、单限比较器
只有一个阈值电压,
当输入电压 uI逐渐增大
或减小的过程中经过 UT
时，输出电压 uO产生一
次跃变。如图 8.2.2(a)所
示。
图 8.2.2
2、滞回比较器
有两个阈值电压。输入电压从小到大经过一个阈
值时，输出电压产生一次跃变；输入电压从大到小
经过另一个阈值时，输出电压产生又一次跃变；两
次跃变方向相反。它相当于两个单限比较器的组合。
如图 8.2.2(b)所示。
3、窗口比较器
有两个阈值电压。输入电压从小到大或从大到小
经过两个阈值时，输出电压产生两次不同方向的跃
变。如图 8.2.2(c)所示。电压传输特性上好象开了个
窗口。
8.2.2 单限比较器
一、过零比较器
图 8.2.3 图 8.2.4
图 8.2.5 图 8.2.6
二、一般单限比较器
图 8.2.7
令 uN=uP=0,则求出阈值电压
8.2.3 滞回比较器
图 8.2.9
图 8.2.10是加了参考电压的滞回比较器。
这时，两个阈值电压不再对称。
图 8.2.10
令 uN=uP,求出的 uI就是阈值电压，为
例 8.2.2 在图 6.2.9电路
中,R1=50KΩ,
R2=100KΩ,
± UZ=± 9V,
已知 uI波形，试画出
uO的波形。 图 8.2.11
例 8.2.3 设计一个电压比较器，使其具有如图 8.2.12（ a）
所示的电压传输特性。要求电阻在 20～ 100KΩ
之间。
解,
图 8.2.12
若 R1取为 25KΩ,则 R2应取为 50 KΩ ；或各取为
50 KΩ和 100 KΩ 。
8.2.4 窗口比较器
图 8.2.13
8.2.5 集成电压比较器
一、集成电压比较器的特点和分类
1、特点
响应速度快，传输延迟时间短，一般不需要外
加限幅电路就可直接驱动 TTL,CMOS和 ECL等数
字电路；有些芯片带负载能力强，可直接驱动继电
器和指示灯。
2、分类
单、双和四电压比较器；
通用、高速、低功耗、低电压和高精度型电压
比较器；
普通输出、集电极（漏极）开路输出或互补输
出型。
此外，还有的集成电压比较器带有选通端。
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
图 8.2.14
2、集电极开路集成电压比较器 LM119
图 8.2.15 图 8.2.16
8.3 非正弦波发生电路
图 8.3.1
8.3.1 矩形波发生电路
一、电路组成和工作原理
图 8.3.2
图 8.3.3
滞回电压比较器相当
于电子开关，它的开、
关状态对应为输出电压
+UZ和 -UZ。 RC回路作为
延迟环节，又作为反馈
网络。通过 RC回路的充、
放电，实现电子开关的
状态转换。
二、波形分析及主要参数
图 8.3.4
三、占空比可调的矩形波发生电路
图 8.3.5
8.3.2 三角波发生电路
一、电路的组成
图 8.3.6
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。
图 8.3.7
二、实用三角波发生电路工作原理
在实用电路中，常以积分运算电路来代替 RC充、
放电回路，如图 8.3.7所示，用同相滞回比较器加
反相积分电路。对
于这个实用电路,
应首先分析各自的
输入、输出函数关
系，再分析两电路
之间的联系，在此
基础上得出电路的
功能。
令 uP1=uN1,则阈值电压
输出电压表达式为
若初态时 uO1正好跃变为 +UZ,则
这时，积分电路反向积分,uO随时间增长而
线性下降。据图 8.3.8所示电压传输特性，一旦 uO=
－ UT,再稍减小,uO1将从 +UZ跃变为－ UZ。 则
这时，积分电路正向积分,uO随时间增长而
线性增大。据图 8.3.8所示电压传输特性，一旦 uO=
＋ UT,再稍增大,uO1将从－ UZ跃变为＋ UZ。 回到
初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过
程，产生自激振荡。波形如图 8.3.9所示。
图 8.3.8 图 8.3.9
三、振荡频率
正向积分的起
始值为－ UT,终了
值为 +UT,积分时
间为 T／ 2,则
8.3.3 锯齿波发生电路
图 8.3.10
设电位器滑动端
移到最上端，当 uO1=
+UZ时,uO随时间线
性下降，输出电压
当 uO1=－ Uz时,
uO随时间线性上升,
输出电压
8.3.4 波形变换电路
一、三角波变锯齿波电路
图 8.3.11
当三角波上升时,
锯齿波与之相等
当三角波下降时,
锯齿波与之相反
图 8.3.12
若开关断开，则
若开关闭合，则
uO=-uI
二、三角波变正弦波电路
1、滤波法
图 8.3.14
设计低通滤波器，其通带截止频率大于三
角波的基波频率而小于三角波的三次谐波频率。
2、折线法
图 8.3.15
图 8.3.17
图 8.3.16
8.1 正弦波振荡电路
8.1.1 概述
一、产生正弦波振荡的条件
图 8.1.2
即
二、正弦波振荡电路的组成及分类
1、组成
（ 1）放大电路
（ 2）选频网络
（ 3）正反馈网络
（ 4）稳幅环节
2、分类
（ 1） RC正弦波振荡电路 (f0＜ 1MHz)
（ 2） LC正弦波振荡电路 (f0＞ 1MHz)
（ 3）石英晶体正弦波振荡电路 (f0很稳定 )
三、判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤
1、观察电路是否包含了四个基本组成部分；
2、判断放大电路能否正常工作，即是否有合适的静态
工作点且动态信号能否输入、输出和放大；
3、利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相
位条件。
瞬时极性法
断开反馈，在断开处加频率 f0
的输入电压，并给定其瞬时极
性；然后以此为依据分析输出
电压的极性，从而得到反馈电
压的极性，若它和假设输入电
压极性相同，则满足相位平衡
条件，有可能产生正弦波振荡。 图 8.1.3
4、判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，即
是否满足起振条件。即分别求解 和,然
后判断 是否大于 1。
只有在满足相位平衡的情况下，判断是否满足
幅值条件才有意义。
8.1.2 RC正弦波振荡电路
一,RC串并联选频网络
图 8.1.4
图 8.1.5
令,则
幅频特性为
相频特性为
当 f=f0时，,即, φF=0o。
二、桥式正弦波振荡电路
图 8.1.6
f=f0时，,所以
图 8.1.7
在图 8.1.7中
采用非线性环节，
例如热敏电阻以稳定
输出电压。
三、振荡频率可调的 RC桥式正弦波振荡电路
图 8.1.9
8.1.3 LC正弦波振荡电路
一,LC谐振回路的频率特性
图 8.1.11
图 8.1.10
谐振频率
选频放大器
图 8.1.12
选频放大器
引入正反馈
图 8.1.13
二、变压器反馈式振荡电路
图 8.1.14 图 8.1.15
三、电感反馈式正弦波振荡电路
图 8.1.17 图 8.1.18
四、电容反馈式正弦波振荡电路
图 8.1.20 图 8.1.21
图 8.1.22 图 8.1.23
8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路
图 8.1.27 图 8.1.28
C0,静态电容，一般为几到几十皮法；
L,等效机械振动惯性，一般为几毫亨到几十亨；
C,晶体的弹性等效，一般为 0.01到 0.1皮法；
R,晶体的摩擦损耗等效，一般为 100欧姆。
由于 C<<C0,所以 fp≈fs。
当 L,C,R支路串联谐振时，该支路呈纯
阻性，串联谐振频率为 fs,C0近似为开路，石
英晶体等效为电阻；
当 f＜ fs时,L,C,R串联支路呈容性，石
英晶体等效为电容 ;
当 f＞ fs时,L,C,R串联支路呈感性，和
电容 C0产生并联谐振，谐振频率为 fp。
当时 f＞ fp,石英晶体又呈容性。
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
电路如图 8.1.29所示，石英晶体等效为电感，和
C1,C2组成电容反馈式正弦波振荡电路。振荡频率
为 fp。
2,串联型石英晶体正弦波振荡电路
电路如图 8.1.30所示，石英晶体等效为电阻，振荡
频率为 fs。
图 8.1.30 图 8.1.29
8.2 电压比较器
8.2.1 概述
一、集成运放的非线性工作区
二、电压比较器的电压传输特性
uO=± UOM
当 uP＞ uN时,uO=＋ UOM；
当 uP ＜ uN时,uO=－ UOM 。
输出电压 uO与输入电压 uI的函数关系 uO=f(uI)
一般用曲线来描述，称为电压传输特性。
图 8.2.1
电压比较器电压传输特性的三要素为,
1、输出电压高电平和低电平值 UOH和 UOL；
2、阈值电压值 UT； 阈值是指 uO发生跃变时的 uI值。
3、当 uI变化且经过 UT时,uO跃变的方向，即
是从 UOH跃变为 UOL,还是从 UOL跃变为 UOH 。
三、电压比较器的种类
1、单限比较器
只有一个阈值电压,
当输入电压 uI逐渐增大
或减小的过程中经过 UT
时，输出电压 uO产生一
次跃变。如图 8.2.2(a)所
示。
图 8.2.2
2、滞回比较器
有两个阈值电压。输入电压从小到大经过一个阈
值时，输出电压产生一次跃变；输入电压从大到小
经过另一个阈值时，输出电压产生又一次跃变；两
次跃变方向相反。它相当于两个单限比较器的组合。
如图 8.2.2(b)所示。
3、窗口比较器
有两个阈值电压。输入电压从小到大或从大到小
经过两个阈值时，输出电压产生两次不同方向的跃
变。如图 8.2.2(c)所示。电压传输特性上好象开了个
窗口。
8.2.2 单限比较器
一、过零比较器
图 8.2.3 图 8.2.4
图 8.2.5 图 8.2.6
二、一般单限比较器
图 8.2.7
令 uN=uP=0,则求出阈值电压
8.2.3 滞回比较器
图 8.2.9
图 8.2.10是加了参考电压的滞回比较器。
这时，两个阈值电压不再对称。
图 8.2.10
令 uN=uP,求出的 uI就是阈值电压，为
例 8.2.2 在图 6.2.9电路
中,R1=50KΩ,
R2=100KΩ,
± UZ=± 9V,
已知 uI波形，试画出
uO的波形。 图 8.2.11
例 8.2.3 设计一个电压比较器，使其具有如图 8.2.12（ a）
所示的电压传输特性。要求电阻在 20～ 100KΩ
之间。
解,
图 8.2.12
若 R1取为 25KΩ,则 R2应取为 50 KΩ ；或各取为
50 KΩ和 100 KΩ 。
8.2.4 窗口比较器
图 8.2.13
8.2.5 集成电压比较器
一、集成电压比较器的特点和分类
1、特点
响应速度快，传输延迟时间短，一般不需要外
加限幅电路就可直接驱动 TTL,CMOS和 ECL等数
字电路；有些芯片带负载能力强，可直接驱动继电
器和指示灯。
2、分类
单、双和四电压比较器；
通用、高速、低功耗、低电压和高精度型电压
比较器；
普通输出、集电极（漏极）开路输出或互补输
出型。
此外，还有的集成电压比较器带有选通端。
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
图 8.2.14
2、集电极开路集成电压比较器 LM119
图 8.2.15 图 8.2.16
8.3 非正弦波发生电路
图 8.3.1
8.3.1 矩形波发生电路
一、电路组成和工作原理
图 8.3.2
图 8.3.3
滞回电压比较器相当
于电子开关，它的开、
关状态对应为输出电压
+UZ和 -UZ。 RC回路作为
延迟环节，又作为反馈
网络。通过 RC回路的充、
放电，实现电子开关的
状态转换。
二、波形分析及主要参数
图 8.3.4
三、占空比可调的矩形波发生电路
图 8.3.5
8.3.2 三角波发生电路
一、电路的组成
图 8.3.6
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。
图 8.3.7
二、实用三角波发生电路工作原理
在实用电路中，常以积分运算电路来代替 RC充、
放电回路，如图 8.3.7所示，用同相滞回比较器加
反相积分电路。对
于这个实用电路,
应首先分析各自的
输入、输出函数关
系，再分析两电路
之间的联系，在此
基础上得出电路的
功能。
令 uP1=uN1,则阈值电压
输出电压表达式为
若初态时 uO1正好跃变为 +UZ,则
这时，积分电路反向积分,uO随时间增长而
线性下降。据图 8.3.8所示电压传输特性，一旦 uO=
－ UT,再稍减小,uO1将从 +UZ跃变为－ UZ。 则
这时，积分电路正向积分,uO随时间增长而
线性增大。据图 8.3.8所示电压传输特性，一旦 uO=
＋ UT,再稍增大,uO1将从－ UZ跃变为＋ UZ。 回到
初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过
程，产生自激振荡。波形如图 8.3.9所示。
图 8.3.8 图 8.3.9
三、振荡频率
正向积分的起
始值为－ UT,终了
值为 +UT,积分时
间为 T／ 2,则
8.3.3 锯齿波发生电路
图 8.3.10
设电位器滑动端
移到最上端，当 uO1=
+UZ时,uO随时间线
性下降，输出电压
当 uO1=－ Uz时,
uO随时间线性上升,
输出电压
8.3.4 波形变换电路
一、三角波变锯齿波电路
图 8.3.11
当三角波上升时,
锯齿波与之相等
当三角波下降时,
锯齿波与之相反
图 8.3.12
若开关断开，则
若开关闭合，则
uO=-uI
二、三角波变正弦波电路
1、滤波法
图 8.3.14
设计低通滤波器，其通带截止频率大于三
角波的基波频率而小于三角波的三次谐波频率。
2、折线法
图 8.3.15
图 8.3.17
图 8.3.16
