波形产生和变换

1、第 6章波形产生和变换6.1 正弦波振荡电路6.2 多谐振荡电路6.3 单稳态触发器和施密特触发器主要内容1概 述（名词）波形产生电路：无需外加输入信号便能自动产生各种周期性的波形的电路（也称为振荡电路）。如正弦波、矩形波、三角波等。波形产生电路分类：正弦波产生电路、非正弦波产生电路两种。波形变换电路：将某种波形变换成另一种波形的电路，或对某种波形进行整形的电路。正弦波振荡电路：将直流电能转换成频率和幅值一定的正弦交流信号的电路。它是一种正反馈电路。振荡电路组成：由放大、反馈、选频、稳幅环节组成。波形产生和变换236.1 正弦波振荡电路主要内容6.1.1 正弦波振荡电路的基本原理6.1.2 R

2、C正弦波振荡电路6.1.3 LC正弦波振荡电路振荡电路分析的主要内容是：建立振荡的起振条件保持振荡的平衡条件振荡电路的振荡频率341.自激振荡条件：正反馈放大电路原理图放大环节6.1.1 正弦波振荡电路的基本原理可见，净输入为+正反馈环节如果逐渐增大 ，减小 ，当时变成自激振荡电路，如图所示可见，自激振荡必须做到自激振荡的平衡条件为振荡的平衡条件为：（1）相位平衡条件（2）幅频平衡条件因为所以其中放大环节正反馈环节自激振荡电路 该条件是必要条件，但不是充分条件，在电源接通时起振的幅值条件应为：注意：振荡电路要产生一种频率的正弦信号，必须有选频电路即 452.振荡的建立和稳定：6.1.1 正弦波

3、振荡电路的基本原理自激振荡电路的起振过程放大环节正反馈环节自激振荡电路接通电源噪声（扰动）放大正反馈再放大振幅不断增大进入非线性区使|AF|=1电路维持稳定的等幅振荡。选频电路的选频过程噪声（扰动）中含有丰富的频谱成分选频电路将某一频率的正弦信号挑选出来使其满足振荡条件，而其它频率成分不满足振荡条件振荡电路产生单一频率的正弦波振荡电路按选频电路的不同分为：RC振荡电路、LC振荡电路、晶体振荡电路等561.电路结构6.1.2 RC正弦波振荡电路可以证明：当 时， 且uf与uo同相 R、C构成串、并联选频电路；Z1、Z2构成正反馈；Rf、R1构成负反馈。可见：R1RfAo+-RRCCZ1Z2+-R

4、1RfAo+-Z1Z2+- Z1、Z2、Rf、R1构成文氏电桥，故称文氏电桥正弦波振荡电路。当反馈系数 时满足幅值平衡条件该电路满足相位平衡条件同相输入比例运算电压放大倍数为即,当A=3,即Rf=2R1时就能满足自激振荡条件考虑到起振条件|AF|1，一般选取Rf略大于2R1该电路振荡频率为:672.实用电路6.1.2 RC正弦波振荡电路(1)Rf采用负温度系数的热敏电阻R1RfAo+-RRCCZ1Z2+-接通电源时Rf2R1,|AF|1,负反馈较弱(A较大);随振幅不断加强，Uo增大，Rf的电流增加，温度升高Rf电阻值下降；Rf减小，负反馈加强，使A下降,最后稳定于|AF|=1,Uo不再增大。

5、t工作原理:（负温度系数:温度升高，阻值减小）782.实用电路6.1.2 RC正弦波振荡电路(2)采用二极管实现稳幅的电路R1Rf1Ao+-RRCCZ1Z2D1D2Rf2图中Rf=Rf1+Rf2略大于2R1，A3；起振时二极管呈现较大电阻，随U0的增加，二极管逐渐导通，D1、D2、Rf1并联等效电阻减小，A自动下降；直到满足维持等幅振荡的幅值条件,实现自动稳幅的目的。 D1、D2并联目的：使正弦波正负半周波形对称。RC构成的振荡电路振荡频率通常在200KHZ以下；如需高频正弦信号，常用LC正弦波振荡电路。工作原理:891.电容三点式振荡电路6.1.3 LC正弦波振荡电路振荡频率为：交流通路CE

6、1uoRB2原理:电容C1、C2、电感L组成谐振回路，三个端点1、2、3分别接三极管C、E、B极，故称为三点式振荡电路；C2两端电压经CB引入基极构成正反馈；L、C1、C2构成并联谐振电路,总电流很小；uo与ui反相、uf与uo反相、uf与ui同相,满足自振的平衡条件；适当选择A、F,使起振时|AF|1,起振后|AF|=1。 该电路用电容C1、C2调节谐振频率时不方便，所以，此电路常用于固定谐振频率的振荡电路；该电路振荡频率可达100MHZRB1RERCC1C2CC+UCC23123RB1/RB2RCLL+-uiufuoC1C2CB特点：910改进型电容三点式振荡电路6.1.3 LC正弦波振荡

7、电路改进型C31uoRB2原理:在电感支路串一容量较小的电容C3,电容C1、C2起分压和正反馈作用，振荡频率由L和C3决定，即调节C3可以改变输出信号频率；原电路是共发射极接法,改进电路是共基极接法；由于晶体管共基极接法时的截止频率是共射极的(+1)倍,所以,改进型电容三点式振荡电路的振荡频率很高,可达1000MHZ。RB1RERCC1C2CC+UCC23LCBCE1uoRB2RB1RERCC1C2CC+UCC23LCB-+-特点：10112.电感三点式振荡电路6.1.3 LC正弦波振荡电路振荡频率为：交流通路CE1uoRB2电路结构:若两线圈的自感分别为L1和L2,两个线圈的互感为M，则两线

8、圈的总电感为:RECCC+UCC23123RB1/RB2L1C+-uiuoCB调节C可以改变振荡频率；由于反馈电压取自电感L2上,它对高次谐波阻抗大,反馈电压中高次谐波成分大,易产生高次谐波自激振荡,使毛剌叠加在波形上,易使输出波形失真。L2L2L1uf特点：TT因此,电感三点式振荡电路工作频率不宜太高,常在几十兆赫以下。1112三点式LC正弦振荡电路总结6.1.3 LC正弦波振荡电路 幅值平衡条件是通过提供合适的直流通路和选取恰当的电抗参数来加以满足。（1）发射极两侧支路的电抗应为同一性质（均为电感或均为电容）（2）基极与集电极之间支路的电抗与发射极两侧电抗性质不同。相位平衡条件的满足必须遵

9、循以下原则： 另外,振荡频率不仅与C和L有关,也与晶体管参数有关。由于晶体管参数受温度的影响而变化,所发LC三点式振荡电路频率不稳定。如果要求频率稳定,常用石英晶体振荡电路。123RB1/RB2C+-uiuoL2L1ufT123RB1/RB2RCL+-uiufuoC1C212136.2 多谐振荡器主要内容6.2.1 用集成运放构成的多谐振荡器6.2.2 用石英晶体构成的多谐振荡器6.2.3 用555集成定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器：一种能直接产生方波或矩形波的自激振荡器13146.2.1 用集成运放构成的多谐振荡器 在滞回比较器上引入了具有延迟特性的RC负反馈支路构成。电路及波形如图A0+

10、-+uCuoCR0UZ+-u-DZR1R2Ru+设：电源接通瞬间uC=0,运放处于正饱和 此时C充电,uC=u-,按指数曲线上升,当u-升到略大于u+H时,运放输出变为负饱和,则 此时C放电,uC=u-,按指数曲线降低,当u-降到略小于u+L时,运放输出变为正饱和。以后重复形成振荡,输出矩形波。图中，T1是uC从u+L上升到u+H的时间，T2是uC从u+H下降到u+L的时间。tuo0u+Hu+LT1T2T工作原理uC则同向输入端电压为：t0t1t2 矩形波周期为：UZ-UZ14156.2.1 用集成运放构成的多谐振荡器A0+-+uCuoCR0UZ+-u-DZR1R2Ru+在t0tt1时电容电压

11、为（用三要素法）当取R21.16R1时,矩形波频率近似为tuo0u+Hu+LT1T2T振荡频率分析uC当t=t1时，有：t0t1t2解得：在t1tt2时当t=t2时：解得：UZ-UZ矩形波频率：故15166.2.1 用集成运放构成的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器A0+-+RuoCR0UZu-DZR1R2D1u+占空比：矩形波高电平的时间T1与周期T之比的百分数，称为矩形波的占空比。即 图示电路中,通过调节RP,利用二极管的单向导电性,使充放电时间常数不相等,实现输出波形占空比可调。调节RP矩形波周期不变。 集成运放构成的多谐振荡器,常用于10KHZ以下的低频率振荡电路中。D2RP1RP2Rp

12、tuo0u+Hu+LT1T2T工作原理uC充电时放电时16176.2.2 用石英晶体构成的多谐振荡器石英晶体：是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件。压电效应：若在石英晶体的两个电极上加一电压,晶体就会产生机械变形；若在晶体的两侧加机械压力或拉力,则晶体会在相应的方向上产生电场。可见：若在石英晶体的两极加交变电压,晶体就会产生机械振动；而机械振动又会产生交变电压。压电谐振：外加交变电压的频率为某一特定值时,晶体振幅达最大,这时称为压电谐振。这时的频率称为石英晶体的固有谐振频率。晶体的固有谐振频率：取决于晶体的切割方式、尺寸结构：将二氧化硅（SiO2）结晶体按一定方向切割成很薄的晶片,表面抛

13、光后涂敷银层,封装后引出管脚即成。如图晶片管脚敷银层17186.2.2 用石英晶体构成的多谐振荡器石英晶体符号和等效电路及电抗频率特性曲线：CO为晶体不振时的静态电容（几至几十皮法）；L是晶体振动时的动态电感（几十至几百毫亨）；C是晶体振动时的等效动态电容（10-410-1pF）；R是晶体振动时的内部摩擦损耗电阻（100左右）。JT0CLRfCofsfpX感性容性容性符号等效电路电抗频率特性晶体的品质因数Q很大,可达104106，为石英晶体有两个谐振频率,一是LCR支路的串联谐振频率fs,一个是LCR支路与电容Co的并联谐振频率fp，实际fs和fp很接近。当ffp时呈容性；当f=fs时，X=0

14、,呈电阻性；当fsffp时，呈感性。因为所以18196.2.2 用石英晶体构成的多谐振荡器1.串联型石英晶体多谐振荡电路R1、R2是偏置电阻；C1、C2为耦合电容R1R2C1C2JTuo2uo1ui2uoG2G1G3111工作原理：正反馈起振过程：晶体的选频过程： 反馈支路中的石英晶体,对反馈信号中频率等于串联谐振频率fs的信号阻抗最小,且呈电阻性,而对其它频率的信号呈现高阻抗被衰减。因此电路产生频率为fs的脉冲波。ui1uo1ui2uo2非门G3的作用是：整形、缓冲隔离作用。ui1G1与R1、G2与R2构成两个反相放大器C2与JT构成正反馈(选频)支路19206.2.2 用石英晶体构成的多谐

15、振荡器2.并联型石英晶体多谐振荡电路RFC1C2JTuoG2G111RF是偏置电阻；石英晶体工作频率位于串联谐振频率fs和并联谐振频率fp之间,它等效成一电感;JT与C1、C2及反相放大器G1构成电容三点式振荡器。非门G1输出为一失真的矩形脉冲波；经非门G2整形后,得到比较理想的矩形脉冲。0ffsfpX感性容性容性电抗频率特性2021有源晶振及应用电路1.有源晶振RC 有源晶振有4只引脚,内部除了石英晶体外,还有晶体管和阻容元件,因此体积较大。是一个完整的振荡器。1脚悬空，2脚接地，3脚输出，4脚接电源UCC（+5V）；0.01F200UCCOUT+5V2.实用电路1234振荡频率有：10kH

16、Z250MHZJTNC21226.2.3 用555定时器构成的多谐振荡器1.555集成定时器 将模拟功能与数字功能结合在一起的多用途集成器件。很容易构成多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器。 广泛用于定时、检测、控制和报警电路中。分为：双极型 特点：带负载能力强，如5G1555、NE555；CMOS型 特点：功耗低、输入阻抗大、电源范围宽，如CB7555。 它们结构、工作原理、逻辑功能、引脚相同。（1）基本特点22236.2.3 用555定时器构成的多谐振荡器+-+-+（2）内部结构111111RRRC1C2G1G2G3G4G5G6UDDTHCODGNDOUT12345678TNUR1UR2

17、C1、C2：比较器；G1、G2、G3：RS触发器；TN：放电管；三个R构成分压器。比较器C1的基准电压为：比较器C2的基准电压为：当电压控制端CO外接固定电压UCO时，则：D：放电端；TH：阈值端；CO：控制端；TR：触发端(低电平)；RD：复位端(低电平)；OUT：输出端;UDD：电源正极；GND：电源负极。5k5k5kG1、G2、G3为或非门G4、G5、G6为非门23246.2.3 用555定时器构成的多谐振荡器+-+-+（3）工作原理111111RRRC1C2G1G2G3G4G5G6UDDTHCODOUT12345678TNUR1UR25k5k5kG1、G2、G3为或非门G4、G5、G6

18、为非门当放电管TN导通放电处于复位状态，即555电路处于不工作状态时001124256.2.3 用555定时器构成的多谐振荡器+-+-+（3）工作原理111111RRRC1C2G1G2G3G4G5G6UDDTHCODOUT12345678TNUR1UR25k5k5kG1、G2、G3为或非门G4、G5、G6为非门TH 、TR引脚悬空TN截止电源接通1001101025266.2.3 用555定时器构成的多谐振荡器+-+-+（3）工作原理111111RRRC1C2G1G2G3G4G5G6UDDTHCODOUT12345678TNUR1UR25k5k5kG1、G2、G3为或非门G4、G5、G6为非门

19、当TN导通放电时1001010026276.2.3 用555定时器构成的多谐振荡器+-+-+（3）工作原理111111RRRC1C2G1G2G3G4G5G6UDDTHCODOUT12345678TNUR1UR25k5k5kG1、G2、G3为或非门G4、G5、G6为非门当RS触发器输出Q保持不变；TN、OUT保持不变（原状态）。时00027286.2.3 用555定时器构成的多谐振荡器+-+-+（3）工作原理111111RRRC1C2G1G2G3G4G5G6UDDTHCODOUT12345678TNUR1UR25k5k5kG1、G2、G3为或非门G4、G5、G6为非门当TN截止时10011010

20、28296.2.3 用555定时器构成的多谐振荡器+-+-+（3）工作原理111111RRRC1C2G1G2G3G4G5G6UDDTHCODOUT12345678TNUR1UR25k5k5kG1、G2、G3为或非门G4、G5、G6为非门当RS触发器输出不定是不允许出现的时011不定不定不定不定禁止状态29306.2.3 用555定时器构成的多谐振荡器（3）工作原理555时基电路功能表 当电压控制端CO施加一个电压时,比较器的参考电压发生变化,电路的阈值和触发电平的大小相应变化,从而可改变电路的定时参数。输入输出(复位)(阈值)(触发)TN状态(D放电端)低电平低电平导通(7端放电)高电平低电平

21、导通(7端放电)高电平原状态原状态高电平高电平截止(7端截止)高电平输出、TN状态不定(禁用)(复位)30316.2.3 用555定时器构成的多谐振荡器（4）引脚功能87651234CB7555电压控制端阈值端放电端电源端复位端输出端电源地端触发端时基电路31326.2.3 用555定时器构成的多谐振荡器（5）注意事项当控制端CO不用时，应通过0.01F电容接地，以防外部干扰；不应出现TH端电压大于UDD的2/3，TR端电压小于UDD的1/3的情况，否则两个比较器输出均为高电平，当它们同时从高电平变为低电平时，使基本RS触发器输出不确定；UDD范围在318V之间，双极型输出电流可达200mA,

22、而CMOS型输出电流在4mA以下。实际有双555时基电路(556)。87651234CB75550.01FC32336.2.3 用555定时器构成的多谐振荡器2.用555集成定时器构成的多谐振荡器（2）工作原理UDDRDUDDR1R2CDTHTRGNDCOOUT123456780.01Fuo电源接通瞬间,uC=0,TH和TR相接,输出uo为1,放电管TN截止,电源通过R1、R2向C充电,uC上升。00ttuouCTT1T2当uC上升到略大于UCC的2/3时,uo 从1变为0(翻转),同时放电管TN导通,使电容C通过R2和TN放电,uC下降。当uC下降到略小于UCC的1/3时,uo 从0变为1(

23、翻转),同时放电管TN截止,电容再次充电。如此重复形成矩形波输出。（1）电路结构uC+-充电放电55533346.2.3 用555定时器构成的多谐振荡器2.用555集成定时器构成的多谐振荡器振荡频率分析振荡频率为UDDRDUDDR1R2CDTHTRGNDCOOUT123456780.01Fuo00ttuouCTT1T2uC+-充电放电矩形波的占空比为t1t2t3充电时间放电时间当 时, ,代入解方程,得(1)充电时间T1(2)放电时间T25553435用555定时器构成的压控多谐振荡器（习题6.2.6）如图，分极振荡周期，画出uC、uO的波形图电容C的充电时间T1分析：（三要素法）当t=t2时

24、,uc=UCO即UDDRDUDDR1R2CDTHTRGNDCOOUT12345678UCOuo00ttuouCTT1T2uC+-充电放电+-t1t2t3电容C的放电时间T2分析：当t=t3时,uc=0.5UCO即uC、uO波形图5553536用555定时器构成的压控多谐振荡器（习题6.2.6）如图，分极振荡周期，画出uC、uO的波形图电容C的充电时间T1分析：（三要素法）UDDRDUDDR1R2CDTHTRGNDCOOUT12345678UCOuo00ttuouCTT1T2uC+-充电放电+-t1t2t3电容C的放电时间T2分析：uC、uO波形图若UDD、R1、R2、C不变,改变UCO的大小,

25、即可改变输出矩形波的频率(即压控振荡器)。 UCO增大输出矩形波的频率降低；UCO减小,频率升高。电路中UCO必须小于UDD。结论55536376.2.3 用555定时器构成的多谐振荡器例题6.2.1图是模拟公安警车音响电路，试说明工作原理。解：RDUDDR1R2C1DTHTRIC112345678电路组成：IC1及外围元件构成低频多谐振荡器，周期约为6秒；IC2构成电压控制高频振荡器，频率在800HZ50HZ范围；R3、T构成射极输出器。RDUDDR4R5C3DTHTRTCOOUT12345678C2R3R6C4IC2工作原理：C1两端电压按指数规律上升、下降，近似三角波；该电压经射极输出器

26、加到IC2的电压控制端，对高频振荡器的信号进行调制，当三角波电压最低时，高频信号频率最高约为800HZ，当三角波电压由低向高变化时，IC2输出频率由高向低变化，输出频率在3秒内由低变高，另3秒由高变低，喇叭发出警车音响鸣叫声。3s3suCuOuCuO+UDD（5-15V）55555537386.3 单稳态触发器和施密特触发器主要内容6.3.2 用555集成定时器构成的施密特触发器6.3.1 用555集成定时器构成的单稳态触发器3839触发器的基本概念触发器：是一个具有记忆功能的基本逻辑单元；它的输出有两个逻辑状态0和1,当输入一个触发信号时，输出状态会发生翻转。触发器双稳态触发器：输出有两个稳

27、定状态0和1的触发器；每输入一个触发信号，输出状态就翻转一次。单稳态触发器：输出只有一个稳定状态（0或1）的触发器；当无触发信号时，保持这一稳态；当外加触发信号后，输出状态就翻转到另一个暂时的状态，持续一段时间后自动返回到原来的稳态。uIuOuIuOuIuO触发器示意图双稳态触发器功能图单稳态触发器功能图触发翻转触发翻转触发翻转自动翻转稳态暂态稳态稳态39406.3.1 用555构成的单稳态触发器1.电路结构电源接通,未加触发脉冲(负脉冲)时+UDDRDUDDRCDTHTRGNDCOOUT123456780.01FuouIuC-+2.工作原理当uO=0时,TN导通当uO=1时,TN截止,UDD

28、经R向C充电,当uC升到uO保持低电平,即uO=0uO跳变为低电平,即uO=0总之,电源接通,输出一定是低电平的稳态。当t=t1时uI加负触发脉冲时uO翻转为高电平,TN截止,这时,UDD经R向C充电。uIuCuOtttt1t2tW000当uC升到略大于三分之二UDD时,输出翻转回到低电平的稳态。t340416.3.1 用555构成的单稳态触发器3.结论及特点+UDDRDUDDRCDTHTRGNDCOOUT123456780.01FuouIuC-+当无触信号时,输出保持稳态(低电平)。当加一负触发信号后,输出翻转为暂态,经过一段时间后，输出返回到原稳态。uIuCuOtttt1t2tW000脉冲

29、宽度（暂态持续时间）为输入脉冲宽度要小于tW,当uI宽度大于tW时,可在输入端加微分电路,使输入成尖脉冲。若输入是周期性脉冲时,该周期必须大于tW+t。 t称为恢复时间。单稳态电路常用整形、定时、延时等电路中tt341426.3.1 用555构成的单稳态触发器例题6.3.1分析图示定时加热器的工作原理。+UDD（+5）RDUDDR1C1DTHTRGNDCOOUT123456780.01FS+uC-+构成：555构成单稳态触发器；暂态(即加热)时间由RP、C1决定，为td=1.1RPC1;SP1110为交流固态继电器，当输入端有直流信号时，输出两端接通，无直流输入信号时，输出端断开，实现交流开关

30、的功能；R2、C3的 作用是吸收主电路中的脉冲干扰，保护固态继电器；S为加热起动按钮。加热器-R2RPDSP1110220VC2C3CB7555工作原理：按下S，单稳态触发器的TR端获得负脉冲，输出翻转为高电平，固态继电器交流输出端接通，加热器接通220V电源开始加热；经一段延时后，触发器翻转为低电平，D截止，固态继电器输出端断开，加热器停止加热。解：42436.3.2 用555构成的施密特触发器施密特触发器：它有两种输出状态，具有滞回的电压传输特性图形符号特点：输出电压发生跳变的输入电压(阈值)大小与输入电压的变化方向有关，即uIuIuOuOUOLUOHUT-UT+0电压传输特性uI上升时u

31、I下降时UT+为正向阈值电压；UT-为负向阈值电压。为称滞后电压(回差)用途：用于波形变换、整形、幅度鉴别等电路中。43446.3.2 用555构成的施密特触发器用555构成的施密特触发器：+UDDRDUDDTHTRGNDCOOUT12345680.01FuouI工作原理电路结构：阈值端TH和触发端TR相接，作为输入端，即当输入信号uI为三角波时，输出如图uIuOttUOHUOL00正阈值电压负阈值电压回差44456.3.2 用555构成的施密特触发器用555构成的施密特触发器：(回差可调)+UDDRDUDDTHTRGNDCOOUT12345680.01FuouI电路结构：电压控制端CO外接控制电压UCO可见,改变控制电压UCO的大小,就可改变回差的大小.正阈值电压负阈值电压回差+UDDRDUDDTHTRGNDCOOUT1234568uouIUCO+-uOttUOHUOL00uI回差可调的施密特触发器45466.3.2 用555构成的施密特触发器用555构成的施密特触发器：(输出高电平可调)+UDDRDUDDTHTRGNDCOOUT12345680.01FuouI电路结构：在