第6章波形产生和变换第4版(姜)

1、6.1 6.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 6.2 6.2 多谐振荡器多谐振荡器 6.3 6.3 单稳态触发器和施密特触发器单稳态触发器和施密特触发器 第第6 6章章 波形产生和变换波形产生和变换 6. 6.4 4 单片集成函数信号发生器单片集成函数信号发生器 6.1.1 6.1.1 正弦波振荡电路的基本原理正弦波振荡电路的基本原理 6.1.2 RC6.1.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 * *6.1.3 LC6.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 6.1 6.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 提示：提示： o 波形产生电路分类波形产生电路分类 正弦和非正弦正弦和非正弦( (如矩

2、形波、三角波如矩形波、三角波) )波形波形 产生电路。产生电路。 o 波形产生电路的公同特点波形产生电路的公同特点 自激（不需要任何输入信号）；自激（不需要任何输入信号）； 必须在电路中引入足够强的正反馈。必须在电路中引入足够强的正反馈。 6.1.1 正弦波振荡电路的基本原理正弦波振荡电路的基本原理 1.1.自激振荡的条件自激振荡的条件 i U o U f U 其输出为其输出为 o U 放大器输入端输入信号放大器输入端输入信号 s U s U + + 经反馈网络反馈的电压为经反馈网络反馈的电压为 f U 由于是正反馈，故有由于是正反馈，故有 isf UUU o i A U U f o F U

3、U ， ， f U sfi 0,UUU s U o FU fi UU o U A 要维持自激振荡，须要维持自激振荡，须 所以维持振荡的平衡条件为所以维持振荡的平衡条件为 1AF 可得两个平衡条件：可得两个平衡条件： 幅度平衡条件幅度平衡条件 | | AF | | = 1 = 1 反馈信号与输入信号的大小相等反馈信号与输入信号的大小相等,并有足够强度。并有足够强度。 相位平衡条件相位平衡条件 A+ F = 2n （n=0,1,2 反馈信号与输入信号同相，即引入正反馈反馈信号与输入信号同相，即引入正反馈 这是必要条件，但不充分这是必要条件，但不充分 A AA| F FF由由 起振条件：起振条件：

4、|AF|1 |AF|1 相位条件不变相位条件不变 2、 振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定 接通电源瞬间，由于瞬时的扰动、电路的噪声含有接通电源瞬间，由于瞬时的扰动、电路的噪声含有 丰富的频谱成分。由丰富的频谱成分。由选频电路选频电路选择某一频率的正弦选择某一频率的正弦 信号，满足起振条件，此时为增幅振荡。信号，满足起振条件，此时为增幅振荡。 在增幅振荡过程中，若减小在增幅振荡过程中，若减小A，当，当|AF|1 |AF|=1时，电路呈稳定的等幅振荡。时，电路呈稳定的等幅振荡。 若要使振荡从小到大建立起来还应满足：若要使振荡从小到大建立起来还应满足： 自激振荡的建立过程自激振荡的建立过程 Uf=U

5、i O Uo 反馈特性反馈特性 Uf=f(Uo) 振幅特性振幅特性Uo=f(Ui) Ui1 Uo1 Uf1=Ui2 Uo2 A 通过不断地放大通过不断地放大 正反馈正反馈再再放大放大 再反馈，使再反馈，使Uo不不 断增大，一直到达断增大，一直到达 A点时，才稳定下点时，才稳定下 来。来。 由上述分析可知：由上述分析可知： 正弦波振荡电路应包含以下四个环节正弦波振荡电路应包含以下四个环节 放大放大 反馈反馈 选频选频 稳幅稳幅 ui uo R R1 C Rf R C + uf Z1 Z2 电路组成电路组成 放大环节放大环节 : Ao, R1, Rf 构成同相输入比例运算构成同相输入比例运算 反馈

6、环节反馈环节 ：Z1，Z2 选频且控制正反馈量选频且控制正反馈量 6.1.2 6.1.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性 习题习题2.3.12 2 12 1 1 3() f o U Z ZZ UjRC RC 当信号频率当信号频率 1 o RC 即即 1 2 o f RC 时时 1 3 fo UU f U 与与 o U 同相同相 放大特性放大特性 1 1 f R A R 1 3 f o U F U 自激振荡条件自激振荡条件 起振起振:1|AF 1 2RR f 平衡：平衡：1|AF 1 2RRf 稳幅稳幅 该电路采用负温度系数热敏电阻该电路采用负温度

7、系数热敏电阻 UOTRfU-|A| |AF|=1 等幅振荡等幅振荡 用二极管稳幅的振荡电路用二极管稳幅的振荡电路 u o 1 1f2 C C f1 D2 D1 1.1.电容三点式振荡电路（电容三点式振荡电路（Colpitts) ) RE C2 C1 RCRB1 RB2 CB CE L T 1 3 2 +UCC 谐振回路谐振回路 Cc uo L C1 C2 RC RB1 RB2 T + ui uo + 3 2 - uf * *6.1.3 6.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 电路及工作原理介绍电路及工作原理介绍 电感电感L和电容和电容C1、 、 C2构成的谐振回路成为放大电 构成的谐振回

8、路成为放大电 路的负载，电容路的负载，电容C2两端的电压作为反馈信号，瞬两端的电压作为反馈信号，瞬 时极性法判断相位平衡条件。谐振时，时极性法判断相位平衡条件。谐振时，uo与与ui反反 相，相，uf与与uo反相，反相，uf与与ui同相。同相。 选取适当的静态值和元件参数，使得谐振回路谐选取适当的静态值和元件参数，使得谐振回路谐 振时，振时，|AF|1。电路自激振荡。电路自激振荡|AF|=1时，振荡稳定。时，振荡稳定。 振荡频率近似等于振荡频率近似等于LC谐振回路的振荡频率：谐振回路的振荡频率： C1 C2 C1 + C2 L 2 1 fo o = = 改进型电容三点式振荡电路改进型电容三点式振

9、荡电路(Clapp) RE C2 C1 RCRB1 RB2 CB L T +UCC C3 uo 在电感支路中串联在电感支路中串联 一个电容一个电容C3 ，且取，且取 C3远小于远小于C1和和C2。 故谐振回路的振荡故谐振回路的振荡 频率主要由频率主要由L和和C3来来 决定：决定： 改变改变C3，即可改变，即可改变fo 共基接法，频率远高于共射共基接法，频率远高于共射 CC 2.2.电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 RE C RCRB1 RB2 CB CE L2 T 1 3 2 L1 +UCC uo CC C RB1 RB2 T + ui uo +3 2 L1 L2 1 uf 电感电感L1

10、、L2 和电容和电容C构成了谐振回路，构成了谐振回路，+UCC 通过通过L1 到集电极形成集电极电流的直流通路，到集电极形成集电极电流的直流通路， 故可省略故可省略R C 。电感。电感L2两端的电压作为反馈信号，两端的电压作为反馈信号， 在放大器的输入端引入了正反馈。在放大器的输入端引入了正反馈。 若若L1 、L2线圈之间的互感为线圈之间的互感为M ，则线圈的总则线圈的总 电感为：电感为：L = L1 +L2 + 2M 。电路的振荡频率近。电路的振荡频率近 似等于似等于LC谐振回路的振荡频率：谐振回路的振荡频率： 0 12 1 22 f LLM C 三点式三点式LC正弦波振荡电路的振荡条件正弦

11、波振荡电路的振荡条件 幅值条件：通过提供合适的直流通路和选取恰当幅值条件：通过提供合适的直流通路和选取恰当 的电抗参数而得到。的电抗参数而得到。 相位条件：电路构成必须遵守以下原则相位条件：电路构成必须遵守以下原则 （1）发射极两侧支路的电抗应为同一性质（同）发射极两侧支路的电抗应为同一性质（同 为容抗或感抗）。为容抗或感抗）。 （2）基极与集电极支路的电抗应与发射极两）基极与集电极支路的电抗应与发射极两 侧支路的电抗异性。侧支路的电抗异性。 * * 6.2.1 6.2.1 用集成运放构成的多谐振荡器用集成运放构成的多谐振荡器 6.2.2 6.2.2 用石英晶体构成的多谐振荡器用石英晶体构成的

12、多谐振荡器 6.2.3 6.2.3 用用555555集成定时器构成的多谐振荡器集成定时器构成的多谐振荡器 6.2 6.2 多谐振荡器多谐振荡器 多谐振荡器也称矩形波（含方波）发生器。多谐振荡器也称矩形波（含方波）发生器。 1.1.电路的组成电路的组成 Ro DZ R2 uC uo u+ u- UZ Ao R1 R C RC引入了具有延迟引入了具有延迟 特性的负反馈电路。特性的负反馈电路。 u+ 为为 uo 经经R1和和R2 ，在，在 R1上的分压，并作为上的分压，并作为 比较器的参考电压，比较器的参考电压， u-即即uC作为比较器的作为比较器的 输入电压。输入电压。 * 6.2.1 用集成运放

13、构成的多谐振荡器 u+ H = R1 R1+ R2 UZ UZ R1 R1+ R2 u+ L= uO uC t to o t t t t1 1 时 时: : uC=UZ( R1 R1+ R2 UZ + UZ ）e t- to RC t = t1 时时: uC= u+ H = R1 R1+ R2 UZ 可得：可得：T1= t1 t0=RC ln( 1+ 2R1 R2 ) 2R1 且且 T2= t2 t1=RC ln( 1+ R2 ) T= T2 + T1=2RC ln( 1+ 2R1 R2 ) 该电路是方波发生电路该电路是方波发生电路 3.3.占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器 Ro

14、DZ R2 C uC uo u+ u- UZ R1 D1 D2 调节调节RP，使电容充电和放使电容充电和放 电的时间常数不相等电的时间常数不相等 RP RP” 即输出矩形波占空比可调，而周期不变。即输出矩形波占空比可调，而周期不变。 1 1 2 2 ln(1) P R TR C R 1 2 2 2 ln(1) P R TR C R 1 2 2 ln(1) P R TR C R 石英晶体具有压电效应，石英晶体具有压电效应， 压电谐振特点压电谐振特点, 并呈现固有并呈现固有 谐振频率。谐振频率。 谐振频率有两个，谐振频率有两个，LCR 支路的串联谐振频率支路的串联谐振频率 f s 和和 LCR支路

15、与电容支路与电容CO的并联谐的并联谐 振频率振频率 f P ，f P f s，且很接，且很接 近近 6.2.2 用石英晶体构成的多谐振荡器 f sf p 容性容性容性容性 感性感性 f （c c）电抗频率特性曲线）电抗频率特性曲线 f = f s 时：（时：（X = 0） 石英晶体呈石英晶体呈阻性阻性 f f s 或或 f f p 时：时： 石英晶体呈石英晶体呈容性容性 f s f f p 时：时： 石英晶体呈石英晶体呈感性感性 2. 2. 串联型石英晶体多谐振荡器串联型石英晶体多谐振荡器 ui1uo2uo1ui2 放大放大C1耦合耦合放大放大 C2耦合耦合 正反馈正反馈 C2JT uo uo

16、1 uo2 1 R1 R2 G3 注意此时注意此时G1、G2工作工作 在放大状态！在放大状态！ ui1ui2 JT相当于短相当于短 路工作频率路工作频率f s 3. 3. 并联型多谐振荡器并联型多谐振荡器 C1C2JT uoG1G2 RF，G1 构成反相放大器构成反相放大器 JT 等效为电感等效为电感, 与与C1， C2，反相放大器构成电，反相放大器构成电 容三点式振荡电路。容三点式振荡电路。 G2 起缓冲、隔离、整形作用。起缓冲、隔离、整形作用。 555 555集成定时器是一种模拟电路和数字电路集成定时器是一种模拟电路和数字电路 结合的中规模集成电路。结合的中规模集成电路。 常用的常用的55

17、5定时器有：定时器有： 双极型定时器双极型定时器5G1555 CMOS定时器定时器CB7555 1 1、555555集成定时器集成定时器 6.2.3 用用555555集成定时器构成的多谐振荡器集成定时器构成的多谐振荡器 CB7555CB7555集成定时器的电路结构图集成定时器的电路结构图 1 TH 6 CO 5 TR 2 D 7 GND 1 3 OUT 4 RD 8 +UDD TN C2C2 + + + + C1 + + R R R 1 1 1 11 Q Q CB7555CB7555定时器功能表定时器功能表 输入输入输出输出 低电平低电平低电平低电平 低电平低电平 高电平高电平 高电平高电平

18、高电平高电平 原状态原状态 高电平高电平 导通导通 原状态原状态 导通导通 截止截止 RDTHTROUTTN DD U 3 2 DD U 3 1 DD U 3 1 DD U 3 2 DD U 3 2 DD U 3 1 若若CO端外加电压端外加电压UCO，UTH与与UCO比较，比较， CB7555 1 4 3 52 6 7 8 D +UDD GND TH CO OUT TR RDUDD C R1 R2 uC uo 0.01F uo 0t T T1T2 t uC 0 UDD 2 3 1 3 UDD 11212 ()ln20.693()TRR CRR C 222 ln20.693TR CR C 12

19、12 0.693(2)TTTRR C 0 12 11.44 (2) f TRR C UOH UOL 2 2、用、用555555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器 例题例题6.2.1 如图为一模拟公安警车音响的电路，试说如图为一模拟公安警车音响的电路，试说 明其工作原理明其工作原理。 100F 0.01F 18k 4.7k R1 R2 R R R5 R6 C1 C2C3 C4 T 4.7k 10k 100k 2.7k 0.01F100F + CB7555 CB7555 IC1 IC2 +UDD（515V 3 3、 555定时器应用举例定时器应用举例 51k 30k 555定时器应用举例

20、定时器应用举例 如图为一防盗报警电路，试说明其工作原理。如图为一防盗报警电路，试说明其工作原理。 由由555构成何种电路？构成何种电路？ 铜丝不断时，输出为何种状态？铜丝不断时，输出为何种状态？ 铜丝被碰断后，输出为何种波形？铜丝被碰断后，输出为何种波形？ 6 47 5 555 8 1 3 2 S 6V100F 0.01F0.01F 100k 5.1k 50k 8 a b + 细铜丝细铜丝 例例6.2.2 如图为一门铃电路，试说明其工作原理如图为一门铃电路，试说明其工作原理。 8 4 7 3 6 2 1 5 555 SB +5V 100F 0.01F0.01F 100k 5.1k 例例6.2.

21、3 6.3.1 6.3.1 用用555555集成定时器构成的单稳态触发器集成定时器构成的单稳态触发器 6.3.2 6.3.2 用用555555集成定时器构成的施密特触发器集成定时器构成的施密特触发器 6.3 6.3 单稳态触发器和施密特触发器单稳态触发器和施密特触发器 6.3.1 用555集成定时器构成的单稳态触发器 多谐振荡器没有稳定状态，属无稳触发器多谐振荡器没有稳定状态，属无稳触发器 双稳态触发器，有两个稳定状态，从一个稳双稳态触发器，有两个稳定状态，从一个稳 态翻态翻 转为另一个稳态必须靠脉冲信号触发，转为另一个稳态必须靠脉冲信号触发， 脉冲消失后，稳态一直保持。脉冲消失后，稳态一直保

22、持。 单稳态触发器在脉冲信号未加之前，处于稳单稳态触发器在脉冲信号未加之前，处于稳 定状态，经信号触发后，触发器翻转到新的定状态，经信号触发后，触发器翻转到新的 状态，经过一定延时后触发器又自动翻转到状态，经过一定延时后触发器又自动翻转到 原来的稳定状态。所以只有一种稳定状态。原来的稳定状态。所以只有一种稳定状态。 单稳态触发器功能及电路单稳态触发器功能及电路 uI uo 稳态稳态 暂态暂态 uo ui t t t uC UDD 1 3 UDD 2 3 tw tr ln31.1 w tRCRC 触发翻转触发翻转 自动自动翻转翻转 +UDD R uI uo CO GND 0.01FC TH D

23、TR RD uC + CB555 uIuo 单稳态单稳态 触发器触发器 稳态稳态 例例6.3.16.3.1下图是一个定时加热器控制电路，试说下图是一个定时加热器控制电路，试说 明工作原理。明工作原理。 51K 4.7M 100F 84 7 6 2 1 3 CB7555 IC TH D TR 5 C2 0.01F SB SP1110 + - 68 0.1F 220V D 如图为一简单的具有自动关断功能的照明如图为一简单的具有自动关断功能的照明 灯电路，试说明其工作原理灯电路，试说明其工作原理。 4.7M 4.7M 1k 1M 200F 8 4 7 6 2 1 3 CB7555 IC TH D T

24、R RD 施密特触发器有两个稳定状态，是一种双稳态施密特触发器有两个稳定状态，是一种双稳态 触发器，但它与第触发器，但它与第4 4章介绍的触发器不同。有如下章介绍的触发器不同。有如下 特点：特点： （1 1）不具有记忆保持功能，其稳定状态依赖输入信）不具有记忆保持功能，其稳定状态依赖输入信 号来维持；号来维持； （2 2）它属于电平触发，而不是脉冲触发；）它属于电平触发，而不是脉冲触发； （3 3）两种状态翻转时的输入电压（称阈值电压）不同。）两种状态翻转时的输入电压（称阈值电压）不同。 6.3.2 6.3.2 用用555555集成定时器构成的施密特触发器集成定时器构成的施密特触发器 施密特触

25、发器图形符号和电压传输特性曲施密特触发器图形符号和电压传输特性曲 线线 u0 ui UOH U0L 0 UT-UT+ ui u0 回差电压回差电压UT = U T+ U T- 用用555555集成定时器构成的施密特触发器电路集成定时器构成的施密特触发器电路 t t UOH UOL 0 uo ui UDD UDD 2 3 1 3 u0 2 6 84 3 5 1 7 CB7555 0.01F ui TH TR +UDD +UDD u0 R 如图为一个根据环境亮度变化能自动开启、如图为一个根据环境亮度变化能自动开启、 关断功能的照明灯控制电路，试说明其工作原理关断功能的照明灯控制电路，试说明其工作原

26、理。 例例6.3.4 R1 C 10k 0.01F 84 5 6 2 1 3 CB7555 IC +UDD D 2 6 84 3 5 1 7 CB7555 0.01F ui TH TR +UDD u0 ui 施密特触发器施密特触发器 u0 R1 C1 8 4 7 6 2 1 3 CB7555 IC +UDD Ui 单稳态触发器单稳态触发器 ui u0 u0 R C 8 6 7 2 1 3 CB7555 IC +UDD 4 R2 无稳态触发器无稳态触发器 单片集成函数信号发生器是一种集波形产生单片集成函数信号发生器是一种集波形产生 与变换于一体的集成芯片。在外接少量元件的与变换于一体的集成芯片。在外接少量元件的 情况下，可实现矩形波、正弦波、三角波和锯情况下，可实现矩形波、正弦波、三角波和锯 齿波输出。齿波输出。 芯片种类：芯片种类：ICL8038ICL8038、MAX038MAX038、