第6章波形产生和变换第4版(姜)

1、6.1 6.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路6.2 6.2 多谐振荡器多谐振荡器6.3 6.3 单稳态触发器和施密特触发器单稳态触发器和施密特触发器第第6 6章章 波形产生和变换波形产生和变换6. 6.4 4 单片集成函数信号发生器单片集成函数信号发生器6.1.1 6.1.1 正弦波振荡电路的基本原理正弦波振荡电路的基本原理6.1.2 RC6.1.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路* *6.1.3 LC6.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路6.1 6.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路提示：提示：o 波形产生电路分类波形产生电路分类 正弦和非正弦正弦和非正弦( (如矩形波、三角波如矩形波

2、、三角波) )波形波形产生电路。产生电路。o 波形产生电路的公同特点波形产生电路的公同特点 自激（不需要任何输入信号）；自激（不需要任何输入信号）； 必须在电路中引入足够强的正反馈。必须在电路中引入足够强的正反馈。6.1.1 正弦波振荡电路的基本原理正弦波振荡电路的基本原理1.1.自激振荡的条件自激振荡的条件iU oU fU 其输出为其输出为 oU 放大器输入端输入信号放大器输入端输入信号 sU sU +经反馈网络反馈的电压为经反馈网络反馈的电压为 fU 由于是正反馈，故有由于是正反馈，故有 isfUUUoiAUU foFUU ， ， fU sfi0,UUUsU oFU fiUU oUA 要维

3、持自激振荡，须要维持自激振荡，须 所以维持振荡的平衡条件为所以维持振荡的平衡条件为 1AF 可得两个平衡条件：可得两个平衡条件：幅度平衡条件幅度平衡条件 | | AF | | = 1 = 1反馈信号与输入信号的大小相等反馈信号与输入信号的大小相等,并有足够强度。并有足够强度。相位平衡条件相位平衡条件 A+ F = 2n （n=0,1,2 反馈信号与输入信号同相，即引入正反馈反馈信号与输入信号同相，即引入正反馈这是必要条件，但不充分这是必要条件，但不充分AAA|FFF由由起振条件：起振条件： |AF|1 |AF|1 相位条件不变相位条件不变 2、 振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定接通电源瞬间，由

4、于瞬时的扰动、电路的噪声含有接通电源瞬间，由于瞬时的扰动、电路的噪声含有丰富的频谱成分。由丰富的频谱成分。由选频电路选频电路选择某一频率的正弦选择某一频率的正弦信号，满足起振条件，此时为增幅振荡。信号，满足起振条件，此时为增幅振荡。在增幅振荡过程中，若减小在增幅振荡过程中，若减小A，当，当|AF|1 |AF|=1时，电路呈稳定的等幅振荡。时，电路呈稳定的等幅振荡。若要使振荡从小到大建立起来还应满足：若要使振荡从小到大建立起来还应满足：自激振荡的建立过程自激振荡的建立过程Uf=UiOUo反馈特性反馈特性Uf=f(Uo)振幅特性振幅特性Uo=f(Ui)Ui1Uo1Uf1=Ui2Uo2A通过不断地放

5、大通过不断地放大正反馈正反馈再再放大放大再反馈，使再反馈，使Uo不不断增大，一直到达断增大，一直到达A点时，才稳定下点时，才稳定下来。来。由上述分析可知：由上述分析可知：正弦波振荡电路应包含以下四个环节正弦波振荡电路应包含以下四个环节 放大放大 反馈反馈 选频选频 稳幅稳幅ui uoRR1CRfRC+uf Z1Z2 电路组成电路组成放大环节放大环节 : Ao, R1, Rf构成同相输入比例运算构成同相输入比例运算反馈环节反馈环节 ：Z1，Z2选频且控制正反馈量选频且控制正反馈量6.1.2 6.1.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性习题习题2.3.1

6、2212113()foUZZZUjRCRC 当信号频率当信号频率1oRC 即即12ofRC 时时13foUU fU 与与oU 同相同相放大特性放大特性11fRAR 13foUFU 自激振荡条件自激振荡条件起振起振:1|AF12RRf平衡：平衡：1|AF12RRf稳幅稳幅该电路采用负温度系数热敏电阻该电路采用负温度系数热敏电阻UOTRfU-|A| |AF|=1 等幅振荡等幅振荡用二极管稳幅的振荡电路用二极管稳幅的振荡电路u o11f2CCf1D2D11.1.电容三点式振荡电路（电容三点式振荡电路（Colpitts) )REC2C1RCRB1RB2CBCELT132+UCC谐振回路谐振回路Ccuo

7、LC1C2RCRB1 RB2T+uiuo+32-uf* *6.1.3 6.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路电路及工作原理介绍电路及工作原理介绍 电感电感L和电容和电容C1、 C2构成的谐振回路成为放大电构成的谐振回路成为放大电路的负载，电容路的负载，电容C2两端的电压作为反馈信号，瞬两端的电压作为反馈信号，瞬时极性法判断相位平衡条件。谐振时，时极性法判断相位平衡条件。谐振时，uo与与ui反反相，相，uf与与uo反相，反相，uf与与ui同相。同相。 选取适当的静态值和元件参数，使得谐振回路谐选取适当的静态值和元件参数，使得谐振回路谐振时，振时，|AF|1。电路自激振荡。电路自激振荡|AF

8、|=1时，振荡稳定。时，振荡稳定。振荡频率近似等于振荡频率近似等于LC谐振回路的振荡频率：谐振回路的振荡频率：C1 C2C1 + C2L21fo o = = 改进型电容三点式振荡电路改进型电容三点式振荡电路(Clapp)REC2C1RCRB1RB2CBLT+UCCC3uo在电感支路中串联在电感支路中串联一个电容一个电容C3 ，且取，且取C3远小于远小于C1和和C2。故谐振回路的振荡故谐振回路的振荡频率主要由频率主要由L和和C3来来决定：决定：改变改变C3，即可改变，即可改变fo 共基接法，频率远高于共射共基接法，频率远高于共射CC 2.2.电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路RECRCRB1R

9、B2CBCEL2T132L1+UCCuoCCCRB1 RB2T+uiuo+32L1L21uf 电感电感L1 、L2 和电容和电容C构成了谐振回路，构成了谐振回路，+UCC通过通过L1 到集电极形成集电极电流的直流通路，到集电极形成集电极电流的直流通路，故可省略故可省略R C 。电感。电感L2两端的电压作为反馈信号，两端的电压作为反馈信号，在放大器的输入端引入了正反馈。在放大器的输入端引入了正反馈。 若若L1 、L2线圈之间的互感为线圈之间的互感为M ，则线圈的总则线圈的总电感为：电感为：L = L1 +L2 + 2M 。电路的振荡频率近。电路的振荡频率近似等于似等于LC谐振回路的振荡频率：谐振

10、回路的振荡频率： 012122fLLM C 三点式三点式LC正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件幅值条件：通过提供合适的直流通路和选取恰当幅值条件：通过提供合适的直流通路和选取恰当的电抗参数而得到。的电抗参数而得到。相位条件：电路构成必须遵守以下原则相位条件：电路构成必须遵守以下原则（1）发射极两侧支路的电抗应为同一性质（同）发射极两侧支路的电抗应为同一性质（同为容抗或感抗）。为容抗或感抗）。（2）基极与集电极支路的电抗应与发射极两）基极与集电极支路的电抗应与发射极两侧支路的电抗异性。侧支路的电抗异性。* * 6.2.1 6.2.1 用集成运放构成的多谐振荡器用集成运放构成的多谐振

11、荡器6.2.2 6.2.2 用石英晶体构成的多谐振荡器用石英晶体构成的多谐振荡器6.2.3 6.2.3 用用555555集成定时器构成的多谐振荡器集成定时器构成的多谐振荡器6.2 6.2 多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器也称矩形波（含方波）发生器。多谐振荡器也称矩形波（含方波）发生器。1.1.电路的组成电路的组成Ro DZR2uCuou+u-UZAoR1RC RC引入了具有延迟引入了具有延迟特性的负反馈电路。特性的负反馈电路。 u+ 为为 uo 经经R1和和R2 ，在，在R1上的分压，并作为上的分压，并作为比较器的参考电压，比较器的参考电压，u-即即uC作为比较器的作为比较器的输入电压。输入电压

12、。 * 6.2.1 用集成运放构成的多谐振荡器u+ H =R1R1+ R2UZUZR1R1+ R2u+ L=uOuCt to o t t t t1 1 时时: :uC=UZ(R1R1+ R2UZ + UZ ）et- toRC t = t1 时时: uC= u+ H =R1R1+ R2UZ可得：可得：T1= t1 t0=RC ln( 1+2R1R2)2R1 且且 T2= t2 t1=RC ln( 1+R2)T= T2 + T1=2RC ln( 1+2R1R2)该电路是方波发生电路该电路是方波发生电路3.3.占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器Ro DZR2CuCuou+u-UZR1D1D

13、2调节调节RP，使电容充电和放使电容充电和放电的时间常数不相等电的时间常数不相等RPRP”即输出矩形波占空比可调，而周期不变。即输出矩形波占空比可调，而周期不变。1122ln(1)PRTR CR 1222ln(1)PRTR CR 122ln(1)PRTR CR 石英晶体具有压电效应，石英晶体具有压电效应，压电谐振特点压电谐振特点, 并呈现固有并呈现固有谐振频率。谐振频率。 谐振频率有两个，谐振频率有两个，LCR支路的串联谐振频率支路的串联谐振频率 f s 和和LCR支路与电容支路与电容CO的并联谐的并联谐振频率振频率 f P ，f P f s，且很接，且很接近近6.2.2 用石英晶体构成的多谐

14、振荡器f sf p容性容性容性容性感性感性f （c c）电抗频率特性曲线）电抗频率特性曲线f = f s 时：（时：（X = 0） 石英晶体呈石英晶体呈阻性阻性f f s 或或 f f p 时：时： 石英晶体呈石英晶体呈容性容性f s f f p 时：时： 石英晶体呈石英晶体呈感性感性2. 2. 串联型石英晶体多谐振荡器串联型石英晶体多谐振荡器ui1uo2uo1ui2放大放大C1耦合耦合放大放大C2耦合耦合正反馈正反馈C2JTuouo1uo21R1R2G3注意此时注意此时G1、G2工作工作在放大状态！在放大状态！ui1ui2JT相当于短相当于短路工作频率路工作频率f s3. 3. 并联型多谐振

15、荡器并联型多谐振荡器C1C2JTuoG1G2RF，G1 构成反相放大器构成反相放大器JT 等效为电感等效为电感, 与与C1，C2，反相放大器构成电，反相放大器构成电容三点式振荡电路。容三点式振荡电路。G2 起缓冲、隔离、整形作用。起缓冲、隔离、整形作用。 555 555集成定时器是一种模拟电路和数字电路集成定时器是一种模拟电路和数字电路结合的中规模集成电路。结合的中规模集成电路。 常用的常用的555定时器有：定时器有： 双极型定时器双极型定时器5G1555 CMOS定时器定时器CB75551 1、555555集成定时器集成定时器6.2.3 用用555555集成定时器构成的多谐振荡器集成定时器构

16、成的多谐振荡器CB7555CB7555集成定时器的电路结构图集成定时器的电路结构图1TH6CO5TR2D7GND13OUT4RD8+UDDTNC2C2+C1+RRR11111QQCB7555CB7555定时器功能表定时器功能表输入输入输出输出低电平低电平低电平低电平低电平低电平高电平高电平高电平高电平高电平高电平原状态原状态高电平高电平导通导通原状态原状态导通导通截止截止RDTHTROUTTNDDU32DDU31DDU31DDU32DDU32DDU31若若CO端外加电压端外加电压UCO，UTH与与UCO比较，比较，CB755514352678D+UDDGNDTHCOOUTTRRDUDDCR1R

17、2uCuo0.01Fuo0tTT1T2tuC0UDD2313UDD11212()ln20.693()TRR CRR C222ln20.693TR CR C12120.693(2)TTTRR C01211.44(2)fTRR CUOHUOL2 2、用、用555555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器例题例题6.2.1 如图为一模拟公安警车音响的电路，试说如图为一模拟公安警车音响的电路，试说明其工作原理明其工作原理。100F0.01F18k4.7kR1R2RRR5R6C1C2C3C4T4.7k10k100k2.7k0.01F100F+CB7555CB7555IC1IC2+UDD（515V

18、3 3、 555定时器应用举例定时器应用举例51k30k 555定时器应用举例定时器应用举例 如图为一防盗报警电路，试说明其工作原理。如图为一防盗报警电路，试说明其工作原理。 由由555构成何种电路？构成何种电路？ 铜丝不断时，输出为何种状态？铜丝不断时，输出为何种状态？ 铜丝被碰断后，输出为何种波形？铜丝被碰断后，输出为何种波形？64755558132S6V100F0.01F0.01F100k5.1k50k8ab+细铜丝细铜丝例例6.2.2 如图为一门铃电路，试说明其工作原理如图为一门铃电路，试说明其工作原理。8 473621 5555SB+5V100F0.01F0.01F100k5.1k例

19、例6.2.36.3.1 6.3.1 用用555555集成定时器构成的单稳态触发器集成定时器构成的单稳态触发器6.3.2 6.3.2 用用555555集成定时器构成的施密特触发器集成定时器构成的施密特触发器6.3 6.3 单稳态触发器和施密特触发器单稳态触发器和施密特触发器6.3.1 用555集成定时器构成的单稳态触发器 多谐振荡器没有稳定状态，属无稳触发器多谐振荡器没有稳定状态，属无稳触发器 双稳态触发器，有两个稳定状态，从一个稳双稳态触发器，有两个稳定状态，从一个稳态翻态翻 转为另一个稳态必须靠脉冲信号触发，转为另一个稳态必须靠脉冲信号触发，脉冲消失后，稳态一直保持。脉冲消失后，稳态一直保持

20、。 单稳态触发器在脉冲信号未加之前，处于稳单稳态触发器在脉冲信号未加之前，处于稳定状态，经信号触发后，触发器翻转到新的定状态，经信号触发后，触发器翻转到新的状态，经过一定延时后触发器又自动翻转到状态，经过一定延时后触发器又自动翻转到原来的稳定状态。所以只有一种稳定状态。原来的稳定状态。所以只有一种稳定状态。单稳态触发器功能及电路单稳态触发器功能及电路uIuo稳态稳态暂态暂态uouitttuCUDD13UDD23twtrln31.1wtRCRC 触发翻转触发翻转自动自动翻转翻转+UDDRuIuoCOGND0.01FCTHDTRRDuC+CB555uIuo单稳态单稳态触发器触发器稳态稳态 例例6.

21、3.16.3.1下图是一个定时加热器控制电路，试说下图是一个定时加热器控制电路，试说明工作原理。明工作原理。51K4.7M100F8476213CB7555ICTHDTR5C20.01FSBSP1110+-680.1F220VD 如图为一简单的具有自动关断功能的照明如图为一简单的具有自动关断功能的照明灯电路，试说明其工作原理灯电路，试说明其工作原理。4.7M4.7M1k1M200F8476213CB7555ICTHDTRRD 施密特触发器有两个稳定状态，是一种双稳态施密特触发器有两个稳定状态，是一种双稳态触发器，但它与第触发器，但它与第4 4章介绍的触发器不同。有如下章介绍的触发器不同。有如下

22、特点：特点：（1 1）不具有记忆保持功能，其稳定状态依赖输入信）不具有记忆保持功能，其稳定状态依赖输入信 号来维持；号来维持；（2 2）它属于电平触发，而不是脉冲触发；）它属于电平触发，而不是脉冲触发；（3 3）两种状态翻转时的输入电压（称阈值电压）不同。）两种状态翻转时的输入电压（称阈值电压）不同。6.3.2 6.3.2 用用555555集成定时器构成的施密特触发器集成定时器构成的施密特触发器施密特触发器图形符号和电压传输特性曲施密特触发器图形符号和电压传输特性曲线线u0uiUOHU0L0UT-UT+uiu0回差电压回差电压UT= UT+UT-用用555555集成定时器构成的施密特触发器电路

23、集成定时器构成的施密特触发器电路ttUOHUOL0uouiUDDUDD2313u026843517CB75550.01FuiTHTR+UDD+UDDu0R 如图为一个根据环境亮度变化能自动开启、如图为一个根据环境亮度变化能自动开启、关断功能的照明灯控制电路，试说明其工作原理关断功能的照明灯控制电路，试说明其工作原理。例例6.3.4R1C10k0.01F8456213CB7555IC+UDDD26843517CB75550.01FuiTHTR+UDDu0ui施密特触发器施密特触发器u0R1C18476213CB7555IC+UDDUi单稳态触发器单稳态触发器uiu0u0RC867213CB7555IC+UDD4R2无稳态触发器无稳态触发器 单片集成函数信号发生器是一种集波形产生单片集成函数信号发生器是一种集波形产生与变换于一体的集成芯片。在外接少量元件的与变换于一体的集成芯片。在外接少量元件的情况下，可实现矩形波、正弦波、三角波和锯情况下，可实现矩形波、正弦波、三角波和锯齿波输出。齿波输出。 芯片种