波形的产生与变换

1、第6章 波形的产生与变换,第6章 波形的产生与变换,6.1 正弦波振荡器 6.2 多谐振荡器 6.3 555定时器及其应用,6.1 正弦波振荡器,波形产生:用来产生具有一定频率和幅度的交流信号的，它包括正弦波产生电路和非正弦波产生电路两大类,振荡电路: 无需外加输入信号便能自动产生各种周期性的波形.例如正弦波、方波和三角波等,波形变换: 是将某种波形变换成另一种波形，或者对某种波形进行整形等,只有正反馈电路才能产生自激振荡,6.1.1 自激振荡,自激振荡: 电路在没有外加信号的情况下，有一定频率和幅度的交流信号输出,如果,反馈信号代替了放大 电路的输入信号,自激振荡的条件,自激振荡条件的推导,

2、1) 正反馈足够强,输入信号为 0 时仍有信号输出，这就是产生了自激振荡,2) 要获得正弦自激振荡,反馈回路中必须有选频电路。所以将放大倍数和反馈系数写成,注意,2）为了起振，必须满足 |AF|1,自激振荡的条件,因为,所以，自激振荡条件也可以写成,1）幅度平衡条件,2）相位平衡条件,n是整数,相位条件意味着振荡电路必须是正反馈； 幅度条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到,用RC 电路构成选频网络的振荡电路即所谓的 RC振荡电路，可选用的 RC 选频网络有多种，这里只介绍文氏桥选频电路,一、选频电路,6.1.2 RC正弦波振荡电路,当R1=R2=R C1=C2=C时,所以,如果：R1=R2=

3、R，C1=C2=C，则,相频特性,幅频特性,二、用运放组成的RC正弦波振荡器,由以上推导得,RC正弦波振荡器,RC正弦波振荡器,所以，要满足相位条件，只有在 fo 处,问题2：如何启振,Uo 是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时Uo=B,放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中也包括有fo分量,选频网络：把fo分量选出，把其他频率的分量衰减掉,AF|1，且A + B =2n，即可起振,问题1：Ui 从何而来,问题2：如何启振,AF|1，且A + B =2n，即可起振,能自行启动的电路举例（1,起振时，RT略大于2R1，使|AF|1

4、，以便起振,起振后，uo逐渐增大则RT逐渐减小，使得输出uo为某值时，|AF|=1，从而稳幅,一、电路结构,上下门限电压,结构：滞回比较器输出经积分电路再输入到此比较器的反相输入端,6.2.1 用运放构成的多谐振荡器,二、工作原理,1. 设 uo = + UZ,此时，输出给C 充电,则：u+=UH,一旦 uc UH , 就有 u- u+,在 uc UH 时,u- u+,uo 保持 + UZ 不变,uo 立即由UZ 变成UZ,此时，C 经输出端放电,2. 当uo = -UZ 时,u+=UL,uc降到UL时，uo上翻,当uo 重新回到UZ 以后，电路又进入另一个 周期性的变化,0,输出波形,思考:

5、T1 是否等于T2 ,RC电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频率,迟滞比较器：起开关作用，实现高低电平的转换,方波发生器各部分的作用,三、周期与频率的计算,Uc 上升阶段表示式,uc下降阶段表示式,据三要素法,t0,t1,下降过程,f=1/T,6.2.2. 石英晶体多谐振荡器,压电效应: 在石英晶体的两侧加一电场，晶片就会产生机械变形，反之若在晶片的两侧施加机械力，则在晶片相应的方向上产生电场，这种物理现象称为压电效应,压电谐振: 在晶片的两侧的电极加交变电压，晶片就会产生机械振动。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率相等时，其振幅最大，这种现象称为“压电谐振”。因此石英晶体又称石英晶体谐振器

6、。晶片的固有频率与晶片的切割方式、几何形状和尺寸有关,与外接电阻、电容无关,石英晶体的固有谐振频率十分稳定，当频率为谐振频率f0时，石英晶体的等效阻抗最小，信号最容易通过，而其它频率信号均被衰减掉， 因此振荡电路的工作频率仅决定于石英晶体的谐振频率f0， 而与电路中的R、C数值无关,石英晶体多谐振荡器,555定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。它使用方便,带负载能力较强, 目前得到了非常广泛的应用,6.3.1 555定时器的工作原理,555定时器的内部电路包括以下几部分 : 一个由三个相等电阻组成的分压器; 两个电压比较器: A1、A2 ;一个 RS 触发器; 一个反相器和一个晶

7、体管T等。具体的 结构见后图,6.3 555定时器及其应用,TH,CO,TR,D,555电路结构图,2VCC/3,VCC/3,管脚图,1脚：接地端,2脚：低电平触发端,3脚：输出端Q,4脚：复位端,5脚：电压控制端,6脚：高电平端触发端,8脚：电源端VCC,7脚：放电端,0,1,0,1,1,1,阈值端,触发端,讨论图中部分的电路的工作原理,0,1,0,1,1,U62VCC/3、U2VCC/3时， R=0 S=1 Q=0，uo=0，T饱和导通,U62VCC/3、U2VCC/3时，R=S=1 Q保持不变，uo不变，T状态不变,U62VCC/3、U2VCC/3时，R=1、S=0，Q=1，uo=1，T

8、截止,基本RS 触发器功能表,附录,综合以上的分析结果,便可得到555的功能表,单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形波）、整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等,1）电路有一个稳态和一个暂稳态。 （2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。 （3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数,1. 单稳态触发器,特点,6.3.2 555定时器的应用,单稳态触发器 (1)工作原理,设Q=0, uc=0; ui = 1 时,稳定状态,滤波

9、电容,设Q=1, uc=0; ui = 1 时,暂稳态,设稳态时,输入端加负脉冲,uo = 0 , 555内的管T导通 , 电容 C 被短路,u2 VCC /3,已有 u6 2VCC /3 , 故 uo = 1 。此时555 内的晶体管 T 截止 , C 将充电。只要 uC 未充至 2VCC /3 , uo=1 的状态不会改变,如果 uC= u62VCC /3 , 且 u2 VCC /3 , 则uo = 0 ; 555内的晶体管T也由截止变成导通 , 电容C 迅速放电而变成 0V,由以上过程可以看出 : ui 每输入一个触发脉冲, uo 便输出一个正脉冲,其宽度 tW 由 R C决定,2) 主

10、要参数,输出脉冲宽度tW =,根据三要素法,恢复时间,首先说明如何用555 定时器构成多谐振荡器,2. 由555构成的多谐振荡器,u2 = u6 VCC /3 , 此时 uo = 1 , 555内的晶体管 T 截止 , 电源通过 R1 和 R2 对电容 C 充电,在 uC 没有充电到 2VCC /3 之前, uo 保持 1 不变,uC一旦充至2VCC /3，则 u2= u6 =2VCC /3 、uo由1翻转为 0 。同时555内的晶体管 T 导通,电容 C 经 R2 、T放电, 一直至VCC /3 ，使得uo 回到 1 , 进入循环,t1,t2,t3,在 uC 没有充电到 2VCC /3 之前

11、, uo 保持 1 不变,T1,T2,输出方波的周期 T的计算,根据三要素法,输出方波的周期 T的计算,T1,T2,充电过程,同理,放电过程,T = T1 + T2 = 0.7 ( R1 + 2R2 ) C,如何改变方波的占空比,可见:改变充放电回路的时间常数即可。 充电时间常数：（R1+R2）C 放电时间常数：R2C,占空比,3. 555定时器构成的施密特触发器,1) 施密特触发器的符号和电压传输特性,滞回电压(或回差,2) 施密特触发器的构成与工作原理,a) 电路图； (b) 波形图,2和6端直接连在一起作为触发电平输入端。若在输入端Ui加三角波，则可在输出端得到矩形脉冲,其工作原理如下,0t1期间,t1t2期间,t2t3期间,t3t4期间,t4t5期间,波形变换：可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换