第8章振蕩與信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

1、機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 張志良主編張志良主編 同名教材同名教材配套電子教案配套電子教案 計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)第第8 8章章 振蕩與信號(hào)轉(zhuǎn)換電路振蕩與信號(hào)轉(zhuǎn)換電路 8.1 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 在沒(méi)有外加激勵(lì)的條件下，能自動(dòng)產(chǎn)生一定波形輸出信號(hào)的裝在沒(méi)有外加激勵(lì)的條件下，能自動(dòng)產(chǎn)生一定波形輸出信號(hào)的裝置或電路，稱為振蕩器。置或電路，稱為振蕩器。 正弦波振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)是單一頻率的正弦波，而非正弦波振正弦波振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)是單一頻率的正弦波，而非正弦波振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)是有一系列不同頻率的正弦波合成的。蕩器產(chǎn)生的信號(hào)是有一系列不同頻率的正弦波合成的。 自激振蕩的條件自激振蕩的條

2、件 :又可分解為振幅平衡條件和相位平衡條件。又可分解為振幅平衡條件和相位平衡條件。 a +f =2n（n=0，1，2，3，） =1 FA振幅平衡條件：振幅平衡條件：相位平衡條件：相位平衡條件：| |=1 FA 正弦波振蕩器組成正弦波振蕩器組成 8.1.1 正弦振蕩基本概念正弦振蕩基本概念 8.1.2 RC串并聯(lián)正弦振蕩電路串并聯(lián)正弦振蕩電路 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性 幅頻特性幅頻特性 相頻特性相頻特性圖圖8-2 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)頻率特性串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)頻率特性 當(dāng)當(dāng)=0時(shí)，時(shí)，| |=1/3，f =0； uF 當(dāng)當(dāng)0時(shí)，時(shí)，| |0，f-90； uF RC串并聯(lián)正弦振蕩電路串并聯(lián)正

3、弦振蕩電路 電路組成電路組成 振蕩頻率：振蕩頻率：RCf210 起振條件起振條件: : A3。即。即Rf 2R1。 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施: : 通常通常Rf采用具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。采用具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。 變壓器反饋式變壓器反饋式LC正弦振蕩電路正弦振蕩電路 電路組成電路組成 諧振頻率諧振頻率: : f 0 = LC218.1.3 LC正弦振蕩電路正弦振蕩電路 特點(diǎn)特點(diǎn): : 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； 易起振；易起振； 輸出幅度大；輸出幅度大； 頻率調(diào)節(jié)方便；頻率調(diào)節(jié)方便； 調(diào)節(jié)頻率時(shí)輸出幅度變化不大；調(diào)節(jié)頻率時(shí)輸出幅度變化不大； 頻率穩(wěn)定性較差。頻率穩(wěn)定性較差。 適用范圍適用范圍

4、：振蕩頻率不太高的場(chǎng)合，如中短波段。振蕩頻率不太高的場(chǎng)合，如中短波段。 電感三點(diǎn)式正弦振蕩電路電感三點(diǎn)式正弦振蕩電路 電路組成電路組成 振蕩頻率振蕩頻率: : CMLLLCf)2(2121210 特點(diǎn)特點(diǎn): : 容易起振；容易起振； 頻率調(diào)節(jié)方便且范圍較寬；頻率調(diào)節(jié)方便且范圍較寬； 調(diào)節(jié)頻率不影響反饋系數(shù)；調(diào)節(jié)頻率不影響反饋系數(shù)； 波形較差。波形較差。 適用范圍適用范圍：幾十幾十MHZ以下，對(duì)波形要求不高的場(chǎng)合。以下，對(duì)波形要求不高的場(chǎng)合。 電電容容三點(diǎn)式正弦振蕩電路三點(diǎn)式正弦振蕩電路 電路組成電路組成 振蕩頻率振蕩頻率: : 特點(diǎn)特點(diǎn): : 輸出波形好；輸出波形好； 振蕩頻率可做到振蕩頻率可

5、做到100MHz以上；以上； 頻率調(diào)節(jié)不便。頻率調(diào)節(jié)不便。 適用范圍適用范圍：頻率固定的高頻振蕩器。頻率固定的高頻振蕩器。212102121CCCCLCf8.2 多諧振蕩器多諧振蕩器8.2.1 由集成運(yùn)放組成的多諧振蕩電路由集成運(yùn)放組成的多諧振蕩電路 工作原理工作原理: T =2Rf C ln (1+ )122RR 矩形波發(fā)生器矩形波發(fā)生器Tton212Z+RRRU212Z+ RRRU-實(shí)際是一個(gè)滯回電壓比較器，實(shí)際是一個(gè)滯回電壓比較器，高低閾值電壓分別為：高低閾值電壓分別為： 和和 振蕩周期：振蕩周期：改變電容改變電容C充放電時(shí)間常數(shù)，充放電時(shí)間常數(shù)，可使方波變?yōu)榫匦尾ā？墒狗讲ㄗ優(yōu)榫匦尾ā?/p>

6、 高電平時(shí)間高電平時(shí)間ton與周期與周期T的比值的比值稱為占空比，用稱為占空比，用q表示：表示：q= 8.2.2 由門(mén)電路組成的多諧振蕩器由門(mén)電路組成的多諧振蕩器 電路組成和工作原理電路組成和工作原理 振蕩周期振蕩周期：T2RC ln32.2RC 可控型多諧振蕩器可控型多諧振蕩器 占空比和振蕩頻率可調(diào)的多諧振蕩器占空比和振蕩頻率可調(diào)的多諧振蕩器 施密特觸發(fā)器組成的多諧振蕩器施密特觸發(fā)器組成的多諧振蕩器振蕩周期振蕩周期由由TTL74LS系列施密特觸發(fā)器組成的多諧振蕩器：系列施密特觸發(fā)器組成的多諧振蕩器：T1.1RC 由由CMOS施密特觸發(fā)器組成的多諧振蕩器：施密特觸發(fā)器組成的多諧振蕩器：T0.8

7、1RC 8.3 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路 石英晶體基本特性石英晶體基本特性 電抗特性 石英晶體物理化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定， 外界因素對(duì)其影響很小； 石英晶體Q值極高； 石英晶體的工作頻率被限制在f sf p范圍內(nèi)， 該范圍內(nèi)的電抗特性極其陡峭， 石英晶體對(duì)頻率變化自動(dòng)調(diào)整的靈敏度極高； 石英晶體接入系數(shù)極小， 外電路與諧振回路的耦合很弱，影響很小。 石英晶體多諧振蕩電路 等效電路 石英晶體穩(wěn)頻原因 集成單穩(wěn)態(tài)電路集成單穩(wěn)態(tài)電路 74LS121 CC 40988.4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在外來(lái)觸發(fā)信號(hào)作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻

8、轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在外來(lái)觸發(fā)信號(hào)作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，無(wú)需外界觸發(fā)，能自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，恢復(fù)原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，無(wú)需外界觸發(fā)，能自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，恢復(fù)原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用用途很廣，主要可用于脈沖整形、展寬、延時(shí)、定時(shí)等場(chǎng)合。用途很廣，主要可用于脈沖整形、展寬、延時(shí)、定時(shí)等場(chǎng)合。【例例6-3】 試?yán)迷嚴(yán)肅C 4098將寬度為將寬度為500s的正脈沖延時(shí)的正脈沖延時(shí)1000s（原正脈沖寬度不變）。（原正脈沖寬度不變）。解：解：tW1 =0.693R1 C1 =1000s，若取，若取C1 =100nF，則，則R1 =14.4ktW2 =0.693R2

9、C2 =500s，若取，若取C2 =100nF，則，則R2 =7.22k 暫穩(wěn)脈沖寬：暫穩(wěn)脈沖寬：tW RC ln20.693RC 8.5 555定時(shí)器定時(shí)器8.5.1 555定時(shí)器概述定時(shí)器概述 電路組成電路組成 TH：高觸發(fā)端 ：低觸發(fā)端Ctr：控制電壓端DIS：放電端Out：輸出端 ：清零端（復(fù)位）VCC、Gnd：電源和接地端TRR 工作原理工作原理8.5.2 555定時(shí)器應(yīng)用定時(shí)器應(yīng)用 構(gòu)成施密特觸發(fā)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器 兩個(gè)閾值電壓：兩個(gè)閾值電壓：UTH+=2VCC/3；UTH-=VCC/3施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器 構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路 暫穩(wěn)脈寬：暫穩(wěn)脈寬：tW =RC ln3

10、輸入負(fù)脈沖，脈寬應(yīng)小于輸出暫穩(wěn)脈寬輸入負(fù)脈沖，脈寬應(yīng)小于輸出暫穩(wěn)脈寬單穩(wěn)態(tài)電路單穩(wěn)態(tài)電路 構(gòu)成多諧振蕩器構(gòu)成多諧振蕩器 多諧振蕩器多諧振蕩器tW1 =(R1+R2)C ln2 tW2 =R2C ln2 定義定義 數(shù)模轉(zhuǎn)換：數(shù)模轉(zhuǎn)換：將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換 模數(shù)轉(zhuǎn)換：模數(shù)轉(zhuǎn)換：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換 數(shù)字信號(hào)與相應(yīng)模擬信號(hào)之間的量化關(guān)系數(shù)字信號(hào)與相應(yīng)模擬信號(hào)之間的量化關(guān)系8.6 數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 8.6.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換基本概念數(shù)模轉(zhuǎn)換和模

11、數(shù)轉(zhuǎn)換基本概念【例例8-10】已知已知UREF=10V，8位數(shù)字量位數(shù)字量D=10100000B， 試求其相應(yīng)模擬電壓試求其相應(yīng)模擬電壓UA。D=10100000B=160，28=100000000B=256解：解：【例例8-11】已知已知UREF=5V，模擬電壓，模擬電壓UA=3V， 試求其相應(yīng)的試求其相應(yīng)的10位數(shù)字電壓位數(shù)字電壓D。解：解：8.6.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo) 分辨率分辨率定義定義： D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。 計(jì)算公式計(jì)算公式：1/(2n-1)例如例如，對(duì)于一個(gè)，對(duì)于一個(gè)8位位D/A轉(zhuǎn)

12、換器，其分辨率為：轉(zhuǎn)換器，其分辨率為：1/(28-1)=1/2550.00392=0.392% 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度定義定義：D/A轉(zhuǎn)換器的輸出實(shí)際值與理論值之差。轉(zhuǎn)換器的輸出實(shí)際值與理論值之差。是一種綜合誤差，與是一種綜合誤差，與D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率、非線性轉(zhuǎn)換誤差、轉(zhuǎn)換器的分辨率、非線性轉(zhuǎn)換誤差、比例系數(shù)誤差和溫度系數(shù)等參數(shù)有關(guān)。比例系數(shù)誤差和溫度系數(shù)等參數(shù)有關(guān)。 溫度系數(shù)溫度系數(shù)定義定義：滿刻度輸出條件下，溫度每變化一度，輸出變化的百分比。：滿刻度輸出條件下，溫度每變化一度，輸出變化的百分比。 建立時(shí)間建立時(shí)間定義定義：完成一次：完成一次D/A轉(zhuǎn)換所需時(shí)間。一般小于轉(zhuǎn)換所需時(shí)間。一般小于1s

13、。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作原理數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作原理 集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC 0832只要只要T和和U足夠小，足夠小，從宏觀上看，從宏觀上看，模擬量曲線仍可看作是連續(xù)光滑的。模擬量曲線仍可看作是連續(xù)光滑的。分辨率：分辨率：8位位電流建立時(shí)間：電流建立時(shí)間：1s工作方式：雙緩沖、單緩沖和直通方工作方式：雙緩沖、單緩沖和直通方式式輸入寄存器輸入寄存器選通端：選通端：ILE、 、CS1WRDAC寄存器選通寄存器選通端：端： 、2WRXFER 典型應(yīng)用電路典型應(yīng)用電路 單緩沖方式：5個(gè)選通端一次性選通， 被選通后才能進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 雙緩沖方式：5個(gè)選通端分二次選通， 先選通輸入寄存器，

14、后選通DAC寄存器。 主要用于多路D/A轉(zhuǎn)換信號(hào)同時(shí)輸出，例如智能示波器。 直通方式： 5個(gè)選通端全部接成有效狀態(tài)， 輸入數(shù)字信號(hào)能直接進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 8.6.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的組成模數(shù)轉(zhuǎn)換器的組成 采樣采樣:根據(jù)采樣定理，根據(jù)采樣定理，需滿足需滿足fS2fImax。一般取一般取fS=（35）fImax。 保持保持 量化量化把采樣信號(hào)表示為把采樣信號(hào)表示為最小基準(zhǔn)單位量最小基準(zhǔn)單位量整數(shù)倍的過(guò)程，稱為整數(shù)倍的過(guò)程，稱為量化量化。 編碼編碼量化后的信號(hào)數(shù)值量化后的信號(hào)數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示，用二進(jìn)制代碼表示，稱為稱為編碼編碼。 A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要

15、參數(shù) 分辨率分辨率使輸出數(shù)字量變化使輸出數(shù)字量變化1LSB所需要輸入模擬量的變化量，稱為所需要輸入模擬量的變化量，稱為分辨率分辨率。通常仍用位數(shù)表示，位數(shù)越多，分辨率越高。通常仍用位數(shù)表示，位數(shù)越多，分辨率越高。 量化誤差量化誤差 量化誤差因量化誤差因A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)有限而引起，轉(zhuǎn)換器位數(shù)有限而引起，若位數(shù)無(wú)限多，則量化誤差若位數(shù)無(wú)限多，則量化誤差0。 量化誤差與分辨率有相應(yīng)關(guān)系，量化誤差與分辨率有相應(yīng)關(guān)系，分辨率高的分辨率高的A/D轉(zhuǎn)換器具有較小的量化誤差。轉(zhuǎn)換器具有較小的量化誤差。 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是一種綜合性誤差，與是一種綜合性誤差，與A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率、量化誤差、非線性誤差轉(zhuǎn)換器的分

16、辨率、量化誤差、非線性誤差等有關(guān)。主要因素是分辨率，因此位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換精度越高。等有關(guān)。主要因素是分辨率，因此位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換精度越高。 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間完成一次完成一次A/D所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。取決于取決于A/D轉(zhuǎn)換的類(lèi)型和轉(zhuǎn)換位數(shù)。轉(zhuǎn)換的類(lèi)型和轉(zhuǎn)換位數(shù)。直接直接A/D型快，間接型快，間接A/D型慢。型慢。并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D最快，約幾十最快，約幾十ns；逐次漸近式逐次漸近式A/D其次，約幾十其次，約幾十s；雙積分型雙積分型A/D最慢，約幾十最慢，約幾十ms幾百幾百ms。 逐次漸近比較型逐次漸近比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 電路組成電路組成比較過(guò)程相當(dāng)于用天平去稱量一個(gè)未知量，比較過(guò)程相當(dāng)于用天平去稱量一個(gè)未知量，每次使用的法碼一個(gè)比一個(gè)重量少一半。每次使用的法碼一個(gè)比一個(gè)重量少一半。多了，最輕的法碼換一個(gè)重量少一半的法碼；多了，最輕的法碼換一個(gè)重量少一半的法碼；