数字电路--多谐振荡器

数字电路设计报告设计课题： 使用门电路产生脉冲信号自激多谐振荡器专业班级： 13电信卓越班 学生姓名： 陈军波 学号：指导教师： 许粮老师 设计时间： 2014年12月27日 自激多谐振荡器一、设计任务与要求1 掌握使用门电路构成信号脉冲信号产生电路的基本方法；2 掌握影响输出脉冲波形参数的定时原件数值的计数方法；3 学习石英晶体稳频原理和使用石英晶体构成振荡器的方法；4.掌握555集成时基电路的基本应用。二、方案设计与论证1.方案一、对称型多谐振荡器方波耦合电容C1，C2，电阻Rf1，Rf2两个反相器G1，G2 右图为由TTL门电路组成的对称多谐振荡器的电路结构和电路符号。图中G1、G2两个反相器之间经电容C1和C2耦合形成正反馈回路。合理选择反馈电阻RF1和RF2，可使G1和G2工作在电压传输特性的转折区，这时，两个反相器都工作在放大区。由于G1和G2的外部电路对称，因此，又称为对称多谐振荡器。图1对称型多谐振荡器设计方波2.方案二耦合电容C，电阻R两个反相器G1，G2、非对称多谐振荡器 右图为由COMS门电路组成的非对称多谐振荡器的电路结构和电路符号。如果仔细研究一下对称式多谐振荡器就不难发现，这是电路的近一步简化。只要在反馈环路中保留电容C2，电路就任然没有稳定状态，而只能在两个暂稳态之间往复振荡。就得到了非对称多谐振荡器。图非称型多谐振荡器设计3. 方案三、石英晶体稳频的多谐振荡器 方波两个电容，,充放电，晶振两个反相器， 右图为由门电路组成的石英晶体稳频的多谐振荡器的电路结构和电路符号。可以看出将石英晶体与对称式多谐振荡器的电容串联起来，就组成了右图的石英晶体振荡器。图石英晶体稳频多谐振荡器方波积分电路芯片.方案四使用定时器接成的多谐振荡器 右图为由定时器和外接元器件，构成的多谐振荡器，脚与脚直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路也不需要外接触发信号，利用电源通过，向电容充电，以及通过向放电端放电，使电路产生自激振荡。图构成的多谐振荡器三、单元电路设计与参数计算 多谐振荡器由门电路和阻容元件构成，它没有稳定状态，只有两个暂稳态，通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。如要求输出振荡频率很稳定的矩形脉冲时，则可采用石英晶体振荡器。由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，因此，常将矩形脉冲产生电路称作多谐振荡器。与非门作为一个开关倒相器件，可用以构成各种脉冲波形的产生电路。电路的基本工作原理是利用电容器的充放电，当输入电压达到与非门的阈值电压VT时，门的输出状态即发生变化。因此，电路输出的脉冲波形参数直接取决于电路中阻容元件的数值。、 对称型多谐振荡器如图所示，由于电路完全对称，电容器的充放电时间常数相同, 故输出为对称的方波。改变R和C的值，可以改变输出振荡频率。非门3用于输出波形整形。用与非门按图构成多谐振荡器，一般取R1K,当R1K，C.f时，fnHznMHz，脉冲宽度tw1tw20.7RC，T1.4RC。如图所示，如果忽略门电路的输出电阻，利用叠加定理可以求出输入电压为：这就是从外电路求得的Vo与Vi的关系。考虑到TTL电路输入端反相钳位二极管的影响，在Vi2产生负跳变时只能下跳至输入端的钳位电压Vik，所以C1充电的起始值为Vi2(0)=Vik.假定Vol=0,则CI上的电压（），（），转换电压即，故得到在，的条件下，振荡周期为：. 非对称型多谐振荡器如图所示，用与非门按图构成多谐振荡器，。与非门用于输出波形整形，非对称型多谐振荡器的输出波形是不对称的，当用TTL与非门组成时，输出脉冲宽度tw1RC tw21.2RC T2.2RC调节 R和C值，可改变输出信号的振荡频率，通常用改变C实现输出频率的粗调，改变电位器R实现输出频率的细调。电容充电时间的电容放电时间电路的振荡周期为：取，、石英晶体稳频的多谐振荡器如图所示。当要求多谐振荡器的工作频率稳定性很高时，上述几种多谐振荡器的精度已不能满足要求。为此常用石英晶体作为信号频率的基准。用石英晶体与门电路构成的多谐振荡器常用来为微型计算机等提供时钟信号。 石英晶体具有很好的选频特性。当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率 相同时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易通过，而其它频率的信号则被衰减掉。因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率f0，而与RC无关。另外，石英晶体不但频率特性稳定，而且品质因数Q很高，有极好的选频特性。石英晶体的频率稳定度可达，可满足大多数数字系统对频率稳定度的要求。所以，石英晶体振荡器的周期为：取，电容.由图可知，振荡周期。为电容充电时间，为电容放电时间。充电时间 放电时间 矩形波的振荡周期因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=（脉宽）/（周期T），指输出一个周期内高电平所占的时间。图（C）所示电路输出矩形波的占空比。 取，电容四、总原理图及元器件清单1原理图（）对称型多谐振荡器电容充放电的等效电路图电路中各点的波形（） 非对称型多谐振荡器电路中各点的波形电容的充放电等效电路（） 石英晶体稳频的多谐振荡器（） 构成多谐振荡器555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路,其内部结构如图（A）及管脚排列如图（B）所示。由555定时器组成的多谐振荡器如图()所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图()所示。（）（）2元件清单表1 元件清单元件型号数量主要参数备注（单价）电阻电阻电位计电容电容电容与非门晶振直流电源双踪示波器五、仿真必须有仿真平台、仿真图或波形、仿真结论各方案仿真图与仿真波形：（） 对称型多谐振荡器仿真结论：由仿真图仿真可得，对称多谐振荡器可以产生自激振荡，接通电源后不需要外加脉冲信号，便能自动的产生矩形脉冲。且输出脉冲宽度由RC充放电时间决定。如果能合理取值，将得到要求的矩形脉冲信号。用示波器实际测量的波形（） 非对称型多谐振荡器仿真结论：由仿真图仿真可得，非对称多谐振荡器可以产生自激振荡，接通电源后不需要外加脉冲信号，便能自动的产生矩形脉冲。且输出脉冲宽度由RC充放电时间决定。如果能合理取值，将得到要求的矩形脉冲信号。用示波器实际测量的波形（） 石英晶体稳频的多谐振荡器仿真结论：由仿真图仿真可得，石英晶体多谐振荡器可以产生自激振荡，接通电源后不需要外加脉冲信号，便能自动的产生矩形脉冲。且输出脉冲宽度由RC充放电时间决定。如果能合理取值，将得到要求的矩形脉冲信号。用示波器实际测量的波形（） 构成的多谐振荡器仿真结论：由仿真图仿真可得，555构成的多谐振荡器可以产生自激振荡，接通电源后不需要外加脉冲信号，便能自动的产生矩形脉冲。且输出脉冲宽度由RC充放电时间决定。如果能合理取值，将得到要求的矩形脉冲信号。用示波器实际测量的波形六、安装与调试1.电路安装按照设计的仿真图合理布局，焊接电路板。 注意：焊接的时候有条件的话要先测量一下分立元件，以免出现不必要的错误。2.电路调试 按照设计的电路图接好各电路，.打开示波器，接通电源，调节示波器至出现理想的波形。七、性能、功能测试与分析1、.功能电路测试与分析（1） 测试步骤1.将焊接好的电路板，接好示波器，芯片接好电源和地；2.检查电路板是否按照设计的电路图接好了，接地接电源，输出等状况； 3.打开示波器，接通电源，调节示波器至出现理想的波形；4.记录试验波形和相关试验数据。 （1）测试数据输出脉冲周期T，脉冲幅度Vm,脉冲宽度Tw,占空比q等（2） 数据处理误差计算1. 对称多谐振荡器由示波器可得试验数据：f=64.23khz 幅值Vm=5*1=5VT1=1.6*50=80us T2=1*50=50us Tw=50usT=T1+T2=130us 38.46%误差计算：脉冲宽度 tw2=0.7RC=70us绝对误差=28.57%2.非对称多谐振荡器数据处理由示波器可得试验数据：f=64.23khz 幅值Vm=3.6*1=3.6T1=2*5=10us T2=1*9=uf Tw=9us T=T1+T2=19us q= =47.36% 此时的变位器u电阻为R=730误差计算： 脉冲宽度tw2=1.2RC=8.67us绝对误差=3.8%3. 石英晶体多谐振荡器数据处理由示波器可得试验数据：f=32768hz 4.555构成的多谐振荡器T1=370.5 T2=249.0 T=T1+T2=619.5 f= 1.605U0=2.44V Uc=2V R1= 1.25 =0.1V =1V R2=2.36 由上原理中的周期公式计算理论周期和频率：已知：C=0.15UF R1=1.25 R2=2.36=379.1=247.8=626.9=1.595KHZ得出实验频率的绝对误差：100%=0.6 %实验得出的波形如右图(F)：输出矩形波的占空比 =0.6 （5） 结论分析（包含误差分析）结论分析：由数据计算和示波器波形可知，在误差允许的范围内，对称多谐振荡器，非对称多谐振荡器，石英晶体振荡器，555构成的多谐振荡器可以实现脉冲波形的产生和整形，并且可以自激振荡，设计的电路成功输出要求波形，实验整体成功。简单故障排除： (1)排除方法介绍自激多谐振荡器的检修中，可采用静态测试和动态测试。 所谓静态测试即在电路中A点设置一断点，此时可用万用表直流电压挡测量两管集电极、基极对地电压，若测得电压很小，这表示两管都工作在饱和区，符合相关电路的设计条件。 然后将断点恢复接通，则电路产生自激振荡，用万用表直流电压挡测量两管的集电极电压，对于方波，若 Tk5=Tk6，则： Uc5=Uc6=Ec/2 如果测量两管的集电极电压都很小（约0.3V），则表明两管均处于饱和状态，电路不起振，可检查元件参数是否选对，装配是否有误。 若电路振荡频率较低，则可用万用表直接检测Uc5、Uc6大小的变化误差分析：（1）电路板焊接的原件非精确的原件，致使实验产生误差；（2） 焊接电路板不规范，使测量误差较大；（3） 使用示波器读取数据时，人为因素的影响，使读取数据误差较大；（4） 由于测量仪器本身存在系统误差，使实验并不十分精确；（5） 处理数据时，取舍不当，而造成的实验误差等。八、结论（1）多谐振荡器巧妙地运用了电容的冲放电及与非门的通断条件把直流电转换成脉冲信号，此脉冲信号经放大，再经变压器变压可实现直流电转换成交流电。（2）多谐振荡器由门电路和阻容元件构成，它没有稳定状态，只有两个暂稳态，通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。如要求输出振荡频率很稳定的矩形脉冲时，则可采用石英晶体振荡器。由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，因此，常将矩形脉冲产生电路称作多谐振荡器。（3）根据555定时器的功能特性，利用电容的充电需要一定的时间，经元件组合，可成为一个定时智能电路，以及其它智能开关报警器等。（4）石英晶体具有很好的选频特性。当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率 相同时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易通过，而其它频率的信号则被衰减掉。因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率f0，而与RC无关。（5）对称多谐振荡器由于电路完全对称，电容器的充放电时间常数相同, 故输出为对称的方波。改变R和C的值，可以改变输出振荡频率。（6） 仔细研究一下非对称式多谐振荡器就不难发