波形的产生与变换电路

数字电路综合设计1模拟电子部分2数字逻辑部分

课程的基本描述课程名称：数字电路综合设计Comprehensivedesignofdigitalcircuit课程编号：040115HI06课程性质：学科、专业基础适用专业：计算机科学与技术参考教材：理论叶挺秀.电工电子学.第四版.北京：高等教育出版社，2014年毛法尧.数字逻辑（第二版）北京：高等教育出版社，2008年实验总

学

时：32学时理论学时：12学时实验学时：无上机学时：无翻转、案例实践、创新实践：20学时学

分：2学分开课学期：第三学期前导课程：数字电路及逻辑后续课程：计算机组成原理、数据结构、微机接口技术、数字系统设计

正弦波和非正弦波常常作为信号源，被广泛地应用于无线电通信、自动测量及自动控制等系统中。电子技术实验中使用的低频信号发生器就是一种正弦波振荡电路，大功率的正弦波振荡电路还可以直接为工业生产提供能源。

6.1正弦波振荡电路

6.2多谐振荡器

6.3单稳态触发器和施密特触发器第6章波形的产生与变换电路6.1.1正弦波振荡器的基本原理一、自激振荡的条件1SA2F开关合在“1”：开关合在“2”：正弦波振荡电路是用来产生一定频率和幅度的正弦波信号的电路，电路中只有直流源而没有外接信号源。其频率范围很广，可以从零点几Hz到几百MHz以上，其输出功率可以从几mW到几十mW。6.1正弦波振荡电路由此知放大电路产生自激振荡的条件是：即：——幅度平衡条件——相位平衡条件二、正弦波振荡器的起振过程起振条件：合闸后：信号小大平衡三、正弦波振荡电路的组成与分类①放大电路②选频网络③正反馈网络④稳幅环节确定

f0合二为一使输出幅值稳定使1、正弦波振荡电路的组成根据选频网络所用元件分类：RC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路f0<1MHzf0>1MHzf0很稳定2、正弦波振荡电路的分类三、正弦波振荡电路的组成与分类四、正弦波振荡电路的分析步骤1.检查电路的结构和组成：（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；（1）检查电路是否包含四个组成部分，即放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节；（3）检查电路中的反馈信号取自什么地方，加在什么位置以及反馈信号的极性。四、正弦波振荡电路的分析步骤2.判断电路是否满足自激振荡的条件：（2）幅值条件（1）相位条件瞬时极性法：断开反馈，加频率为f0的信号，判断与的极性，若相同，则满足相位条件。

⊕四、正弦波振荡电路的分析步骤3.振荡频率的估算计算时的频率，即为振荡频率f0。振荡频率由相位平衡条件决定。写出AF

表达式；..1、文氏电桥（RC串并联）振荡器1）RC串并联网络的选频特性6.1.2RC正弦波振荡电路幅频特性：相频特性：当ω=ωo时，电路达到谐振，电路呈“电阻性”，此时幅值最大2、文氏电桥振荡器的分析1）组成同相比例放大电路RC选频网络，兼正反馈网络Z1、Z2、R3

与R4形成四个桥臂2）起振条件及振荡频率

RC网络谐振时满足自激振荡的相位平衡条件。振荡频率：由同相放大电路：由幅度起振条件：由选频网络可知，谐振时：或结论：RC正弦波振荡器只能用作低频振荡器。振荡频率的范围：1Hz~1MHz例如，桥式振荡器。选R=1kΩ，C=200pF，则fo=796HzRC正弦波振荡器的振荡频率取决于R、C的数值。若提高振荡频率fo

，必须选择较小的R和C值。fo

R

基本放大电路的负载加重；C

受到管子结电容和分布电容的限制。当振荡频率高于1MHz时，采用LC正弦波振荡器。

(1)起振过程(2)稳定振荡振荡频率的调整++∞RFR

CC–uO

–+SSR1R2R3R3R2R1改变开关S的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调；改变电容C的大小可实现频率的细调。振荡频率带稳幅环节的电路(1)热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅。在起振时，由于uO

很小，流过RF的电流也很小，于是发热少，阻值高，使RF>2R1；即

AuF

>1。随着振荡幅度的不断加强，uO增大，流过RF

的电流也增大，RF受热而降低其阻值，使得Au下降，直到RF=2R1时，稳定于

AuF

=1，

振荡稳定。半导体热敏电阻

R++∞RFR1

C

RC–uO

–+带稳幅环节的电路(1)热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅。半导体热敏电阻

R++∞RFR1

C

RC–uO

–+稳幅过程：思考：若热敏电阻具有正温度系数，应接在何处？uotRFAu带稳幅环节的电路(2)IDUD振荡幅度较小时正向电阻大振荡幅度较大时正向电阻小利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。

R++∞RF2R1

C

RC–uO

–+D1D2RF1稳幅环节带稳幅环节的电路（2）

R++∞RF2R1

C

RC–uO

–+D1D2RF1

图示电路中，RF分为两部分。在RF1上正反并联两个二极管，它们在输出电压uO的正负半周内分别导通。在起振之初，由于uo

幅值很小，尚不足以使二极管导通，正向二极管近于开路此时，RF>2R1。而后，随着振荡幅度的增大，正向二极管导通，其正向电阻逐渐减小，直到RF=2R1，振荡稳定。总结：（1）RC振荡电路结构简单，调节方便，经济可靠。（2）RC振荡电路的振荡频率较低，最高不会超过200kHz。（3）RC振荡电路的RC选频网络，选频特性较差，因而应尽量使放大器件工作在线性区，故多采用负反馈的方法稳幅和改善输出波形。6.1.3LC正弦波振荡电路

LC振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡(几百千赫以上)。由于高频运放价格较高，所以一般用分离元件组成放大电路。常见三点式和变压器反馈式两类。这里介绍三点式LC振荡电路。1.电容三点式振荡电路

正反馈放大电路反馈网络－－

振荡频率

通常再与线圈串联一个较小的可变电容来调节振荡频率。反馈电压取自C2+UCCC1RB1RB2RECEC1LC2RC反相振荡频率可达100MHz以上。选频电路LECRb1Rb2ReCeCbC2C1LcC1C2L+uce-+ube

-(1)直流等效电路(2)交流等效电路五、改进的电容三点式振荡电路振荡频率选择C<<C1，C<<C2，则：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，且频率稳定度高。2.电感三点式振荡电路

正反馈放大电路选频电路反馈网络+UCCC1RB1RB2RECEL1CL2RC－－

振荡频率

通常改变电容C来调节振荡频率。反馈电压取自L2振荡频率一般在几十MHz以下。例：图示电路能否产生正弦波振荡,如果不能振荡，加以改正。L+UCCC1RB1RB2RECEC2解：直流电路合理。

旁路电容CE将反馈信号旁路，即电路中不存在反馈，所以电路不能振荡。将CE开路，则电路可能产生振荡。反馈电压取自C1

－

－－正反馈例：金属探测电路（半导体接近开关）开关电路金属探测器是一种专门用来探测金属的仪器，也可以作为半导体接近开关，具有反映速度快、定位准确、寿命长等优点。它在行程控制、定位控制、自动计数以及金属探测报警电路中得到了广泛应用。在这个电路中三极管VT1与外围的电感器和电容器构成了一个电容三点式振荡器。它的交流等效电路（不考虑RP和R2的作用如图所示，当图中三极管基极有一正信号时，由于三极管的反向作用使它的集电极信号为负。两个电容器两端的信号极性如图所示，通过电容器的反馈，三极管基极上的信号与原来同相，由于这是正反馈，所以电路可以产生振荡，RP和R1的存在，消弱了电路中的正反馈信号，使电路处于刚刚起振的状态下。例：金属探测电路（半导体接近开关）金属探测器的振荡频率约为40KHz，主要由电感L、电容器C1、C2决定。调节电位器RP减小反馈信号，使电路处在刚刚起振的状态。电阻器R2是三极管VT1的基极偏置电阻。微弱的振荡信号通过电容器C4、电阻器送到由三极管VT2、电阻器R4、R5及电容器C5等组成的电压放大器进行放大。然后由二极管VD1和VD2进行整流，电容器C6进行滤波。整流滤波后的直流电压使三极管VT3导通，它的集电极为低电平，发光二极管VD3亮。在金属探测器的电感探头L接近金属物体时，振荡电路停振，没有信号通过电容器C4，三极管VT3的基极得不到正电压，所以三极管VT3截止，发光二极管熄灭。电路工作原理多谐振荡器电路是一种矩形波产生电路.这种电路不需要外加触发信号,便能连续地,周期性地自行产生矩形脉冲.该脉冲是由基波和多次谐波构成,因此称为多谐振荡器电路.本节介绍用集成电路构成的多谐振荡器。

6.2多谐振荡器比较器的输出电压经一定延时，馈送作为比较器的输入电压，使比较器自行翻转，产生矩形波输出。1、电路组成RC积分电路延时兼反馈迟滞比较器开关电路限流电阻6.2.1用集成电路构成的多谐振荡器2、工作原理电路的正反馈系数比较电压设t=0时，uC=0，uo=+Uz则输出电压uo通过R向C充电，uC呈指数规律增加。当t=t1，uC≥u'+时，uo跳变为

Uz。此时uo=

Uz此时C通过R放电，uC呈指数规律减小。如此周而复始，产生振荡，输出矩形波。当t=t2，uC≤u

+时，uo跳变为+Uz。电容又被充电。3、振荡周期t1~t2，电容放电。放电时间常数：

1=RC当t=T1=T/2时，，代入上式，得振荡频率：4、占空比可调的矩形波产生电路占空比：矩形波中高电平的持续时间与振荡周期的比值。方波的占空比为50%。为改变输出方波的占空比，可改变电容C的充、放电时间常数。占空比：其中rd是二极管D的导通电阻。改变Rw

的中点位置，占空比就可改变。石英晶体振荡器最突出的特点就是振荡频率稳定性好。一、石英晶体的特性1、基本特征压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；反之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：固有频率与晶片的切割方式、几何形状及尺寸有关。6.2.2用石英晶体构成的多谐振荡器2、石英晶体的等效电路符号：（1）晶体不振动时，等效为平板电容器C0

，称为静电电容，一般为几到几十皮法。（2）晶体振动时，机械振动的惯性用电感L(10-3～102H)等效，晶片的弹性用电容C(10-2～10-1PF)等效，晶片振动时的损耗用电阻R(102Ω)等效。3、石英晶体的谐振频率串联谐振频率并联谐振频率此时串联支路呈现为很小的纯电阻R，C0容抗远大于R，视为开路。当工作频率大于fs

时，串联支路呈感性，与C0并联形成LC回路。电抗频率特性OfXfsfp容性容性感性纯阻性

二、石英晶体振荡电路1、串联型石英晶体多谐振荡电路

二、石英晶体振荡电路2、并联型石英晶体多谐振荡电路并联型石英晶体振荡电路，常用于电子钟表，计算机的时钟电路。常用的晶振有32768Hz8Mhz16Mhz6.2.3用555集成电路构成的多谐振荡器１、555集成定时器

555定时器（时基电路）是一种用途广泛的模拟数字混合集成电路。设计新颖、构思奇巧，备受电子专业设计人员和电子爱好者青睐；它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器和压控振荡器等多种应用电路。GND图4-2555定时器符号图地低触发端高触发端放电端电源端清零端输出端电压控制端典型封装双列直插型贴片型

555定时器主要由比较器、触发器、输出级、放电开关和由三个5k

电阻组成的分压器等部分构成，电路如图所示。电阻分压器比较器触发器输出级555定时器电路结构图放电开关真值表的第一行00110导通清零0保持保持0010110真值表的第二行从第二行到第三行导通0真值表的第四行10010101截止从第四行返回第三行00保持保持1截止回差现象THTLRdOUTDISCC32V>CC31V>CC31V>CC32V<CC32V<CC31V<LL通HHH断

555定时器功能表通LH保持保持

从555定时器的功能表可以看出：555定时器有两个阈yu值（Threshold）电平，分别是1/3VCC和2/3VCC；2.输出端为低电平时三极管TD导通，7脚输出低电平；输出端为高电平时三极管TD截止，如果7脚接一个上拉电阻，7脚输出为高电平。所以当7脚接一个上拉电阻时，输出状态与3脚相同。

便于记忆：2脚--（低电平置位）；6脚—R（高电平复位）；◆555定时器构成多谐振荡器

555定时器构成多谐振荡器构成的多谐振荡器如图4-9所示。它是将两个触发端2脚和6脚合并在一起，放电端7脚接于两电阻之间。多谐振荡器的波形

多谐振荡器电路图

tuctuoOO

多谐振荡器参数的计算tuctuoOOtw1tw2输出波形的振荡周期可用过渡过程公式计算：

tw1：uC(0)=VCC/3V、

uC(∞)=VCC、

1=(RA+RB)C、

当t=tw1时，uC(tw1)=2VCC/3代入三要素方程。于是可解出

tw2：uC(0)=2VCC/3V、uC(∞)=0V、

1=RBC、当t=tw2时，uC(tw2)=VCC/3代入公式。于是可解出占空比（DurationRatio）

对于图5-2-9所示的多谐振荡器，因tw1

＞tw2

，它的占空比大于50%，占空比不可调节。图4-12是一种占空比可调的电路，该电路因加入了二极管，使电容器的充电和放电回路不同，可以调节电位器使充、放电时间常数相同。如果RA=RB，调节电位器可以获得50%的占空比。

占空比可调的多谐振荡器C=充RtA振荡周期:6.3

555定时器的典型应用电路6.3.1单稳态触发器（MonostableTrigger）

图4-4单稳态触发器电路图

图4-5单稳态触发器的波形图

这里要注意R的取值不能太小。（为什么？）若R太小，当放电管导通时，灌入放电管的电流太大，会损坏放电管。为此需要确定三要素：

uC(0)=0V、

uC(∞)=VCC、

=RC，当t=tw时，uC(tw)=2VCC/3代入公式。于是可解出单稳态触发器暂稳态时间的计算

根据uC的波形，由过渡过程公式即可计算出暂稳态时间tw

，tw电容C从0V充电到2VCC/3的时间，根据三要素方程：

暂稳态的持续时间由RC确定！！！

单稳态触发器的应用★可重复触发的单稳态触发器：VCCCC123567555R485该电路有何作用？失落脉冲报警！！PNP管★脉冲的定时

ABuuio单稳态电路&只有在tw时间内,与门才开门,信号A才能通过与门

★脉冲的延时uo的下降沿比输入触发信号ui的下降沿延迟了tw。因此，利用uo下降沿去触发其它电路(例如JK触发器),比用ui下降沿触发时延迟了tw时间,这就是单稳态电路的延时作用★简易曝光定时器思考：当按一下开关AN以后，电路是如何工作的？电容放电555置位J吸合电灯HL亮电容充电到2/3VDD555复位J释放电灯HL熄6.3.2

555定时器构成施密特触发器

由于施密特触发器无须放电端，所以利用放电端与输出端状态相一致的特点，从放电端加一上拉电阻后，可以获得与3脚相同的输出。但上拉电阻可以单独接另外一组电源，以获得与3脚输出不同的逻辑电平。555定时器构成施密特触发器的电路图如图4-13所示,施密特触发器属于波形变换电路，该电路可以将正弦波、三角波、锯齿波变为脉冲信号。施密特触发器电路图施密特触发器的工作原理和多谐振荡器基本一致，无原则不同。只不过多谐振荡器是靠电容器的充放电去控制电路状态的翻转，而施密特触发器是靠外加电压信号去控制电路状态的翻转。所以，在施密特触发器中，外加信号的高电平必须大于，低电平必须小于，否则电路不能翻转。5号脚接控制电压Vco时，正向阈值电压和负向阈值电压分别为Vco和1/2Vco。

施密特触发器的输出波形如下：ui00uOtt2VCC/31VCC/3施密特触发器的波形图

施密特触发器的主要用于对输入波形的整形。图4-14表示的是将三角波整形为方波,其它形状的输入波形也可以整形为方波。施密特触发器电路图

下图是施密特触发器（电源电压5V）的示波器波形图，对应输出波形翻转的555定时器的二个阈值，一个是对应输出下降沿的3.375V，另一个是对应输出上升沿的1.688V，施密特触发器的回差电压是3.375-1.688=1.688V。。在放电端7脚加一个上拉电阻，接10V电源，可以获得一个高、低电平与3脚输出不同，但波形的高、低电平宽度完全一样的第二个输出波形，这个波形可以用于不同逻辑电平的转换。施密特触发器的示波器波形图

施密特触发器的应用★波形的整形不规则的或者在信号传送过程中受到干扰