波形产生与变换电路

8.1正弦波振荡器

8.2555定时器及应用

8.3

基础实验8.4

技能训练8.5本章小结第8章波形产生与变换电路8.1正弦波振荡器

一、正弦波振荡电路的基本知识

1.自激振荡2.自激振荡形成的条件图8-1是自激振荡框图。自激振荡形成的条件是反馈信号与输入信号大小相等、相位相同，即=，而=，可得振荡平衡条件：

=1一、正弦波振荡电路的基本知识振幅平衡条件

||=1相位平衡条件

（n=0，1，2，……）8.1正弦波振荡器图8-1

自激振荡框图Ui12~UoSUf反馈网络F放大电路A一、正弦波振荡电路的基本知识3．振荡的建立与稳定4．正弦波振荡电路的组成放大电路完成信号的放大，是维持振荡器工作的主要环节。反馈网络实现正反馈，以满足相位平衡条件，维持自给输入信号。选频网络只对某一信号频率满足相位平衡条件，其它频率均不满足。稳幅环节使振荡信号幅值稳定，以达到振荡器所要求的幅值。8.1正弦波振荡器8.1正弦波振荡器二、RC正弦波振荡器1.RC串并联网络的选频特性

RC串并联网络由R2和C2并联后与R1和C串联组成，如图8-2所示。设R1=R2=R，C1=C2=C，则有式中二、RC正弦波振荡器8.1

正弦波振荡器图8-2RC串并联网络8.1正弦波振荡器二、RC正弦波振荡器RC串并联网络只在，即时，传输系数最大（相移为0°，它具有选频特性。），8.1正弦波振荡器二、RC正弦波振荡器2．RC桥式振荡器将RC串并联网络和放大器结合起来即可构成RC桥式振荡器，放大器件可采用集成运算放大器。电路如图8-4所示。RC串并联网络接在集成运放的输出端和输入之间，组成一个同相比例放大器，即，而RC串并联网络在时，相位移为0°，即0°，电路的总相移是零，满足相位平衡条件，而对其它频率的信号，RC串并联网络的相位移不为零，不满足相位平衡条件。8.1正弦波振荡器二、RC正弦波振荡器该电路的振荡频率为由于RC串并联网络在时的传输系数F=1/3，因此，要求放大器的总电压放大倍数Au≥3。由R1、Rf构成的负反馈支路，与集成运放形成了同相输入比例运算电路，其放大倍数即要求Rf≥2R1。为使振荡电路能正常工作，可在该电路中增加稳幅环节。电路如图8-5所示。8.1正弦波振荡器8.1正弦波振荡器三、LC正弦波振荡器1．变压器反馈式LC振荡器（1）电路组成

变压器反馈式LC振荡器电路如图8-6所示。（2）振荡条件相位平衡条件：为满足相位平衡条件，变压器一、二次级之间的同名端必须正确连接。8.1正弦波振荡器8.1正弦波振荡器设某瞬间基极对地信号为，由于共射电路的倒相作用，集电极应为Θ，即180。由图中的同名端可知，反馈信号与输出信号极性相反，即180。于是360，保证了电路的正反馈，满足振荡的相位平衡条件。幅度条件：由于LC并联回路的选频作用，并联谐振时，阻抗最大且是电阻性，所以电路只对该频率的信号有足够大的放大作用，易满足振荡的幅度条件。8.1正弦波振荡器（3）振荡频率振荡频率由LC并联回路的谐振频率来决定，即（4）电路优缺点利用变压器作为正反馈耦合元件，便于实现阻抗匹配，电路易起振，输出电压较大；调频方便，将谐振电容换成可变电容就可实现对f0的调节要求，调频范围较宽；输出波形不理想。由于反馈电压取自电感两端，它对高次谐波的阻抗大，反馈也强，因此在输出波形含有较多高次谐波成分。8.1正弦波振荡器三、LC正弦波振荡器2．三点式振荡器（1）电感三点式振荡器电感三点式振荡器就是采用电感绕组自耦式，直接反馈实现振荡的电路。电路如图8-8所示。晶体管构成共发射极放大电路，电感L1、L2和电容C构成正反馈选频网络，电感的三个端子分别与晶体管的三个电极相连。故名电感三点式振荡器，也称电感反馈式振荡器。8.1正弦波振荡器8.1正弦波振荡器三、LC正弦波振荡器用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件。同时改变线圈抽头的位置，即改变L2的大小，就可调节反馈电压的大小。当满足

||>1时，电路便可起振。通常反馈线圈L2的匝数为线圈L1和L2总匝数的1/8~1/4。电路的振荡频率为上式中，L1+L2+2M为LC回路的总电感，M为L1与L2间的互感耦合系数。8.1正弦波振荡器三、LC正弦波振荡器（2）电容三点式振荡器电容三点式振荡器与电感三点式振荡器比较，只是把LC回路中的电感和电容的位置互换。电路如图8-9所示。同样，用瞬时极性法判断可知，该电路也满足相位平衡条件。由于反馈电压取自电容C2两端，所以适当地选择C1、C2的数值，并使放大电路有足够的放大量，电路便可起振。电路的振荡频率为

8.1正弦波振荡器8.1正弦波振荡器三、LC正弦波振荡器3．石英晶体正弦波振荡器石英晶体谐振器的电路符号如图8-11a所示，其中间部分为石英晶片，两边为金属极板和引出电极。石英晶体谐振器就是利用石英晶体的压电效应制成的。压电谐振与LC电路的谐振现象非常相似，因此可等效为LC谐振电路，如图8-11b所示。8.1正弦波振荡器8.1正弦波振荡器三、LC正弦波振荡器图8-12为石英晶体的电抗-频率特性。由图中可知，它有两个谐振频率，一个是L、C、R支路发生串联谐振时的串联谐振频率fs，另一个是L、C、R支路与C0支路发生并联谐振时的并联谐振频率fp。石英晶体振荡器的基本形式有两种：一种是串联型，电路如图8-13所示；另一种是并联型，电路如图8-14所示。8.1正弦波振荡器8.2555定时器及应用

一、555定时器介绍

1.电路结构

5G555定时器内部电路如图8-15a所示，图b为引脚排列图。

555定时器一般由分压器、比较器、触发器和驱动器及放电开关等组成。8.2555定时器及应用8.2555定时器及应用一、555定时器介绍（1）分压器分压器由三个5kΩ电阻组成，串接在电源电压UCC与地之间，它的作用是为两个比较器提供基准电压。（2）比较器比较器A1、A2由两个结构相同的集成运放构成，A1的反相输入端TH为高电平触发端，A2的同相端为低电平触发端。8.2555定时器及应用一、555定时器介绍（3）基本RS触发器它由两个与非门组成，其输出状态Q取决于两个比较器的输出。（4）驱动器和放电开关驱动器即反相器，用来提高定时器的负载能力，并隔离负载对定时器的影响。放电开关晶体管VT，其基极受G1控制。当Q=0，=1时，VT导通，放电端D通过导通的晶体管为外电路提供放电的通路；当Q=1，=0时，VT截止，放电通路阻断。8.2555定时器及应用一、555定时器介绍2.功能

555定时器的功能如表8-1所示，其中“×”表示任意状态。8.2555定时器及应用＞＜＞＜＜TH(6)(2)

(4)OUT(3)放电管VT××00导通10导通1不变不变11截止＞8.2555定时器及应用二、

多谐振荡器1．电路组成电路如图8-16a所示，555定时器的⑥脚和②脚直接相连，放电端D接在两个电阻之间，无外加信号，R1、R2、C为定时元件。8.2555定时器及应用8.2555定时器及应用二、

多谐振荡器2．工作原理假设接通电源瞬间，电容C没有电压，UTH==uC=0V，则OUT=“1”，VT管截止。电源UCC经R1、R2对电容C充电，τ充=（R1+R2）C，电容电压逐渐上升，当uC达到2UCC/3时，输出由“1”跳变为“0”，同时VT管导通。充电电流从放电端入地，使电容C通过R2及VT管放电，τ放=R2C，当uC下降至UCC/3时，输出由“0”跳变为“1”，同时VT管截止，C又重新充电。以后重复上述过程，获得图8-16b所示的波形。8.2555定时器及应用二、

多谐振荡器电容充电时间tWH≈0.7（R1+R2）C

电容放电时间tWL≈0.7R2C)振荡周期T=tWH+tWL=0.7（R1+2R2）C)振荡频率f=占空比q=

8.2555定时器及应用三、单稳态触发器

1．电路组成电路如图8-18a所示，555定时器的⑥脚和⑦脚相连并与定时元件R、C相连，②脚接输入触发信号。8.2555定时器及应用8.2555定时器及应用三、单稳态触发器2．工作原理（1）稳态阶段输入端未加负向触发脉冲时，ui为高电平UCC，即>UCC/3。接通电源瞬间，电路有一个稳定过程，即电源通过电阻R对电容C充电，当uC上升至2UCC/3时，输出为“0”，VT管导通，C又通过其快速放电，即UTH=uC=0<2UCC/3，使电路保持原态“0”不变。所以接通电源后，电路经过一段过渡时间后，输出稳定在“0”态。8.2555定时器及应用三、单稳态触发器（2）触发翻转阶段当输入端加入负脉冲ui时，=ui<UCC/3，且UTH=0<2UCC/3，则输出由“0”翻转为“1”，VT管截止，定时开始。（3）暂稳态维持阶段电路翻转为“1”后，此时触发脉冲已消失，ui恢复为高电平。因VT管截止，电源经R对C充电，τ充=RC，UTH=uC按指数规律上升，UTH=uC<2UCC/3，维持“1”态不变。8.2555定时器及应用三、单稳态触发器（4）自动返回阶段当UTH=uC上升到2UCC/3时，电路由暂稳态“1”自动返回稳态“0”，VT管由截止变为导通，电容C经放电晶体管VT对地快速放电，定时结束，电路由暂稳态重新转入稳态。电路暂稳态持续时间又称输出脉冲宽度，也就是电容C充电的时间，由电路中的过渡公式可得tW≈1.1RC

8.2555定时器及应用四、施密特触发器

1．电压传输特性施密特触发器具有类似于磁滞回线的电压传输特性，如图8-21a所示，图b为逻辑符号。它有两种电压传输特性，具有下述特点:（1）施密特触发器属于电平触发，具有两个稳定的输出状态，但又不同于一般的双稳态触发器，对于缓慢变化的信号仍适用，当输入信号达到某一电压时，输出电压会发生突变。8.2555定时器及应用四、施密特触发器（2）当输入信号由小到大或由大到小时，电路有不同的阈值电压，UTH+叫正向阈值电压，UTH-叫负向阈值电压，它们的差值为回差电压ΔUTH，即ΔUTH=UTH+-UTH-

8.2555定时器及应用8.2555定时器及应用四、施密特触发器2．电路组成电路如图8-22a所示，555定时器的⑥脚和②脚相连作为信号的输入端。3．工作原理设输入为一初相为0的正弦波，其幅度大于2UCC/3，工作波形如图8-22b所示。8.2555定时器及应用8.2555定时器及应用四、施密特触发器输入信号ui从0V开始增大，但小于UCC/3时，由表8-1可知，输出为“1”，继续增大，但仍小于2UCC/3时，输出保持“1”不变，当ui增大到2UCC/3时，电路状态发生翻转，输出由“1”变为“0”，此时对应的ui为正向阈值电压UTH+。此后ui继续增大，输出维持“0”不变。当输入ui由最大下降到UCC/3之前，电路仍维持原状态“0”不变。8.2555定时器及应用四、施密特触发器当ui从大开始下降到UCC/3时，电路再次发生翻转，输出由“0”变为“1”，此时对应的ui为负向阈值电压UTH-。此后ui继续下降，输出维持原来状态“1”不变。由上述分析可知，施密特触发器的回差电压为如果在CO端加入控制电压UCO，则可通过调节其大小来调节UTH+、UTH-和ΔUTH。

8.3

基础实验一、计算机仿真部分1.RC串并联网络幅频特性的观察8.3

基础实验一、计算机仿真部分2.RC桥式正弦波振荡电路的调试8.3

基础实验

二、实验室操作部分1.555定时器的功能测试8.3

基础实验序号复位阈值电压触发电压输出放电开关10任意任意21>2/3UDD>1/3UDD31<2/3UDD>1/3UDD41任意<1/3UDD51<2/3UDD>1/3UDD555定时器功能测试表8.3

基础实验二、实验室操作部分2.555定时器组成的单稳态触发器输入信号ui为2kHz、VP-P=5V、tWL=20µs的矩形波。用示波器观察ui、uc、uo波形，并测试单稳态触发器输出脉冲宽度tW。8.3

基础实验二、实验室操作部分3.555定时器组成的施密特触发器8.4

技能训练双态笛音电路的组装和调试电路如图8-32所示。由555定时器构成两级多谐振荡器，第一级的工作频