第8章振荡与信号转换电路

1、机械工业出版社机械工业出版社 张志良主编张志良主编 同名教材同名教材配套电子教案配套电子教案 计算机电路基础计算机电路基础第第8 8章章 振荡与信号转换电路振荡与信号转换电路 8.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 在没有外加激励的条件下，能自动产生一定波形输出信号的装在没有外加激励的条件下，能自动产生一定波形输出信号的装置或电路，称为振荡器。置或电路，称为振荡器。 正弦波振荡器产生的信号是单一频率的正弦波，而非正弦波振正弦波振荡器产生的信号是单一频率的正弦波，而非正弦波振荡器产生的信号是有一系列不同频率的正弦波合成的。荡器产生的信号是有一系列不同频率的正弦波合成的。 自激振荡的条件自激振荡的条

2、件 :又可分解为振幅平衡条件和相位平衡条件。又可分解为振幅平衡条件和相位平衡条件。 a +f =2n（n=0，1，2，3，） =1 FA振幅平衡条件：振幅平衡条件：相位平衡条件：相位平衡条件：| |=1 FA 正弦波振荡器组成正弦波振荡器组成 8.1.1 正弦振荡基本概念正弦振荡基本概念 8.1.2 RC串并联正弦振荡电路串并联正弦振荡电路 RC串并联网络的频率特性串并联网络的频率特性 幅频特性幅频特性 相频特性相频特性图图8-2 RC串并联网络频率特性串并联网络频率特性 当当=0时，时，| |=1/3，f =0； uF 当当0时，时，| |0，f-90； uF RC串并联正弦振荡电路串并联正

3、弦振荡电路 电路组成电路组成 振荡频率：振荡频率：RCf210 起振条件起振条件: : A3。即。即Rf 2R1。 稳幅措施稳幅措施: : 通常通常Rf采用具有负温度系数的热敏电阻。采用具有负温度系数的热敏电阻。 变压器反馈式变压器反馈式LC正弦振荡电路正弦振荡电路 电路组成电路组成 谐振频率谐振频率: : f 0 = LC218.1.3 LC正弦振荡电路正弦振荡电路 特点特点: : 电路结构简单；电路结构简单； 易起振；易起振； 输出幅度大；输出幅度大； 频率调节方便；频率调节方便； 调节频率时输出幅度变化不大；调节频率时输出幅度变化不大； 频率稳定性较差。频率稳定性较差。 适用范围适用范围

4、：振荡频率不太高的场合，如中短波段。振荡频率不太高的场合，如中短波段。 电感三点式正弦振荡电路电感三点式正弦振荡电路 电路组成电路组成 振荡频率振荡频率: : CMLLLCf)2(2121210 特点特点: : 容易起振；容易起振； 频率调节方便且范围较宽；频率调节方便且范围较宽； 调节频率不影响反馈系数；调节频率不影响反馈系数； 波形较差。波形较差。 适用范围适用范围：几十几十MHZ以下，对波形要求不高的场合。以下，对波形要求不高的场合。 电电容容三点式正弦振荡电路三点式正弦振荡电路 电路组成电路组成 振荡频率振荡频率: : 特点特点: : 输出波形好；输出波形好； 振荡频率可做到振荡频率可

5、做到100MHz以上；以上； 频率调节不便。频率调节不便。 适用范围适用范围：频率固定的高频振荡器。频率固定的高频振荡器。212102121CCCCLCf8.2 多谐振荡器多谐振荡器8.2.1 由集成运放组成的多谐振荡电路由集成运放组成的多谐振荡电路 工作原理工作原理: T =2Rf C ln (1+ )122RR 矩形波发生器矩形波发生器Tton212Z+RRRU212Z+ RRRU-实际是一个滞回电压比较器，实际是一个滞回电压比较器，高低阈值电压分别为：高低阈值电压分别为： 和和 振荡周期：振荡周期：改变电容改变电容C充放电时间常数，充放电时间常数，可使方波变为矩形波。可使方波变为矩形波。

6、 高电平时间高电平时间ton与周期与周期T的比值的比值称为占空比，用称为占空比，用q表示：表示：q= 8.2.2 由门电路组成的多谐振荡器由门电路组成的多谐振荡器 电路组成和工作原理电路组成和工作原理 振荡周期振荡周期：T2RC ln32.2RC 可控型多谐振荡器可控型多谐振荡器 占空比和振荡频率可调的多谐振荡器占空比和振荡频率可调的多谐振荡器 施密特触发器组成的多谐振荡器施密特触发器组成的多谐振荡器振荡周期振荡周期由由TTL74LS系列施密特触发器组成的多谐振荡器：系列施密特触发器组成的多谐振荡器：T1.1RC 由由CMOS施密特触发器组成的多谐振荡器：施密特触发器组成的多谐振荡器：T0.8

7、1RC 8.3 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 石英晶体基本特性石英晶体基本特性 电抗特性 石英晶体物理化学性质十分稳定， 外界因素对其影响很小； 石英晶体Q值极高； 石英晶体的工作频率被限制在f sf p范围内， 该范围内的电抗特性极其陡峭， 石英晶体对频率变化自动调整的灵敏度极高； 石英晶体接入系数极小， 外电路与谐振回路的耦合很弱，影响很小。 石英晶体多谐振荡电路 等效电路 石英晶体稳频原因 集成单稳态电路集成单稳态电路 74LS121 CC 40988.4 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态。单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态。在外来触发信号作用下，能从稳态翻

8、转到暂稳态，在外来触发信号作用下，能从稳态翻转到暂稳态，经过一段时间，无需外界触发，能自动翻转，恢复原来的稳定状态。经过一段时间，无需外界触发，能自动翻转，恢复原来的稳定状态。 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用用途很广，主要可用于脉冲整形、展宽、延时、定时等场合。用途很广，主要可用于脉冲整形、展宽、延时、定时等场合。【例例6-3】 试利用试利用CC 4098将宽度为将宽度为500s的正脉冲延时的正脉冲延时1000s（原正脉冲宽度不变）。（原正脉冲宽度不变）。解：解：tW1 =0.693R1 C1 =1000s，若取，若取C1 =100nF，则，则R1 =14.4ktW2 =0.693R2

9、C2 =500s，若取，若取C2 =100nF，则，则R2 =7.22k 暂稳脉冲宽：暂稳脉冲宽：tW RC ln20.693RC 8.5 555定时器定时器8.5.1 555定时器概述定时器概述 电路组成电路组成 TH：高触发端 ：低触发端Ctr：控制电压端DIS：放电端Out：输出端 ：清零端（复位）VCC、Gnd：电源和接地端TRR 工作原理工作原理8.5.2 555定时器应用定时器应用 构成施密特触发器构成施密特触发器 两个阈值电压：两个阈值电压：UTH+=2VCC/3；UTH-=VCC/3施密特触发器施密特触发器 构成单稳态电路构成单稳态电路 暂稳脉宽：暂稳脉宽：tW =RC ln3

10、输入负脉冲，脉宽应小于输出暂稳脉宽输入负脉冲，脉宽应小于输出暂稳脉宽单稳态电路单稳态电路 构成多谐振荡器构成多谐振荡器 多谐振荡器多谐振荡器tW1 =(R1+R2)C ln2 tW2 =R2C ln2 定义定义 数模转换：数模转换：将数字信号转换为相应的模拟信号称为数模转换将数字信号转换为相应的模拟信号称为数模转换 模数转换：模数转换：将模拟信号转换为相应的数字信号称为模数转换将模拟信号转换为相应的数字信号称为模数转换 数字信号与相应模拟信号之间的量化关系数字信号与相应模拟信号之间的量化关系8.6 数模转换和模数转换电路数模转换和模数转换电路 8.6.1 数模转换和模数转换基本概念数模转换和模

11、数转换基本概念【例例8-10】已知已知UREF=10V，8位数字量位数字量D=10100000B， 试求其相应模拟电压试求其相应模拟电压UA。D=10100000B=160，28=100000000B=256解：解：【例例8-11】已知已知UREF=5V，模拟电压，模拟电压UA=3V， 试求其相应的试求其相应的10位数字电压位数字电压D。解：解：8.6.2 数模转换电路数模转换电路 主要技术指标主要技术指标 分辨率分辨率定义定义： D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。 计算公式计算公式：1/(2n-1)例如例如，对于一个，对于一个8位位D/A转

12、换器，其分辨率为：转换器，其分辨率为：1/(28-1)=1/2550.00392=0.392% 转换精度转换精度定义定义：D/A转换器的输出实际值与理论值之差。转换器的输出实际值与理论值之差。是一种综合误差，与是一种综合误差，与D/A转换器的分辨率、非线性转换误差、转换器的分辨率、非线性转换误差、比例系数误差和温度系数等参数有关。比例系数误差和温度系数等参数有关。 温度系数温度系数定义定义：满刻度输出条件下，温度每变化一度，输出变化的百分比。：满刻度输出条件下，温度每变化一度，输出变化的百分比。 建立时间建立时间定义定义：完成一次：完成一次D/A转换所需时间。一般小于转换所需时间。一般小于1s

13、。 数模转换器的工作原理数模转换器的工作原理 集成数模转换器集成数模转换器DAC 0832只要只要T和和U足够小，足够小，从宏观上看，从宏观上看，模拟量曲线仍可看作是连续光滑的。模拟量曲线仍可看作是连续光滑的。分辨率：分辨率：8位位电流建立时间：电流建立时间：1s工作方式：双缓冲、单缓冲和直通方工作方式：双缓冲、单缓冲和直通方式式输入寄存器输入寄存器选通端：选通端：ILE、 、CS1WRDAC寄存器选通寄存器选通端：端： 、2WRXFER 典型应用电路典型应用电路 单缓冲方式：5个选通端一次性选通， 被选通后才能进入D/A转换器进行转换。 双缓冲方式：5个选通端分二次选通， 先选通输入寄存器，

14、后选通DAC寄存器。 主要用于多路D/A转换信号同时输出，例如智能示波器。 直通方式： 5个选通端全部接成有效状态， 输入数字信号能直接进入D/A转换器进行转换。 8.6.3 模数转换电路模数转换电路 模数转换器的组成模数转换器的组成 采样采样:根据采样定理，根据采样定理，需满足需满足fS2fImax。一般取一般取fS=（35）fImax。 保持保持 量化量化把采样信号表示为把采样信号表示为最小基准单位量最小基准单位量整数倍的过程，称为整数倍的过程，称为量化量化。 编码编码量化后的信号数值量化后的信号数值用二进制代码表示，用二进制代码表示，称为称为编码编码。 A/D转换器的主要参数转换器的主要

15、参数 分辨率分辨率使输出数字量变化使输出数字量变化1LSB所需要输入模拟量的变化量，称为所需要输入模拟量的变化量，称为分辨率分辨率。通常仍用位数表示，位数越多，分辨率越高。通常仍用位数表示，位数越多，分辨率越高。 量化误差量化误差 量化误差因量化误差因A/D转换器位数有限而引起，转换器位数有限而引起，若位数无限多，则量化误差若位数无限多，则量化误差0。 量化误差与分辨率有相应关系，量化误差与分辨率有相应关系，分辨率高的分辨率高的A/D转换器具有较小的量化误差。转换器具有较小的量化误差。 转换精度转换精度是一种综合性误差，与是一种综合性误差，与A/D转换器的分辨率、量化误差、非线性误差转换器的分

16、辨率、量化误差、非线性误差等有关。主要因素是分辨率，因此位数越多，转换精度越高。等有关。主要因素是分辨率，因此位数越多，转换精度越高。 转换时间转换时间完成一次完成一次A/D所需的时间称为转换时间。所需的时间称为转换时间。取决于取决于A/D转换的类型和转换位数。转换的类型和转换位数。直接直接A/D型快，间接型快，间接A/D型慢。型慢。并联比较型并联比较型A/D最快，约几十最快，约几十ns；逐次渐近式逐次渐近式A/D其次，约几十其次，约几十s；双积分型双积分型A/D最慢，约几十最慢，约几十ms几百几百ms。 逐次渐近比较型逐次渐近比较型A/D转换器转换器 电路组成电路组成比较过程相当于用天平去称量一个未知量，比较过程相当于用天平去称量一个未知量，每次使用的法码一个比一个重量少一半。每次使用的法码一个比一个重量少一半。多了，最轻的法码换一个重量少一半的法码；多了，最轻的法码换一个重量少一半的法码；