第29講信號發(fā)生器與變換電路

1、電工電子技術(shù)電工電子技術(shù) 張立宏、譚甜源張立宏、譚甜源 辦公地點：辦公地點：3 3教教33013301 手手 機：機：1592725685415927256854 E-Mail: E-Mail: QQ: QQ: 8238323582383235 QQ QQ群：群： 213738876213738876第第7 7章章 信號發(fā)生器與變換電路信號發(fā)生器與變換電路 振蕩電路（又稱信號發(fā)生器）和放大電路一樣，都是把振蕩電路（又稱信號發(fā)生器）和放大電路一樣，都是把直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能的電路，統(tǒng)稱直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能的電路，統(tǒng)稱能量轉(zhuǎn)換器能量轉(zhuǎn)換器。所不同。所不同的是放大電路的輸出規(guī)律（波形、頻率）是取

2、決于外加信號的是放大電路的輸出規(guī)律（波形、頻率）是取決于外加信號（輸入）的變化規(guī)律，而振蕩電路的輸出規(guī)律由電路的參數(shù)（輸入）的變化規(guī)律，而振蕩電路的輸出規(guī)律由電路的參數(shù)所決定，且不需要外界輸入。所決定，且不需要外界輸入。 實際電路中廣泛應(yīng)用的信號波形，通常可由兩種途徑獲實際電路中廣泛應(yīng)用的信號波形，通常可由兩種途徑獲得，其一是由振蕩器直接產(chǎn)生，而這種電路稱信號發(fā)生器；得，其一是由振蕩器直接產(chǎn)生，而這種電路稱信號發(fā)生器；其二是通過對周期信號整形而得到，而這種電路稱波形變其二是通過對周期信號整形而得到，而這種電路稱波形變換器。換器。 信號發(fā)生器可分為正弦波和非正弦波兩大類。正弦波信號發(fā)生器可分為正

3、弦波和非正弦波兩大類。正弦波發(fā)生電路廣泛應(yīng)用于通信、廣播、電視等系統(tǒng)。而非正弦發(fā)生電路廣泛應(yīng)用于通信、廣播、電視等系統(tǒng)。而非正弦波（矩形波、三角波、鋸齒波等）發(fā)生電路則廣泛應(yīng)用于波（矩形波、三角波、鋸齒波等）發(fā)生電路則廣泛應(yīng)用于測量儀器、數(shù)字系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)中。本章將討論信號測量儀器、數(shù)字系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)中。本章將討論信號的發(fā)生及變換電路的原理及其典型電路。的發(fā)生及變換電路的原理及其典型電路。u0tuitu0uiR1+R+U0-U0過零比較器及工作波形過零比較器及工作波形7.1 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路7.1.7.1.0 0 反饋的基本概念反饋的基本概念 凡是通過一定方式將放大電路（或

4、系統(tǒng)）的輸出信號凡是通過一定方式將放大電路（或系統(tǒng)）的輸出信號部分或全部送回輸入回路，這種部分或全部送回輸入回路，這種信號反送的過程信號反送的過程，叫反饋。，叫反饋。用框圖表示則為：用框圖表示則為：AFiXdX0XFX+-凈輸入凈輸入輸出量輸出量輸入輸入反饋量反饋量合成環(huán)節(jié)合成環(huán)節(jié)正向網(wǎng)絡(luò)正向網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)1.1.反饋系統(tǒng)的組成反饋系統(tǒng)的組成2 2反饋種類反饋種類 反饋使凈輸入增加的，則為正反饋，反饋使凈輸入反饋使凈輸入增加的，則為正反饋，反饋使凈輸入減小的，則為負反饋。減小的，則為負反饋。 判別方法：判別方法：瞬時極性法瞬時極性法。即在電路中，從輸入端開始，。即在電路中，從輸入端開始，

5、沿著信號流向，標(biāo)出某一時刻有關(guān)節(jié)點電壓變化的斜率沿著信號流向，標(biāo)出某一時刻有關(guān)節(jié)點電壓變化的斜率（正斜率或負斜率，用（正斜率或負斜率，用“+ +”、“- -”號表示）。號表示）。凈輸入量減小凈輸入量減小凈輸入量增大凈輸入量增大反饋通路反饋通路反饋通路反饋通路負反饋負反饋正反饋正反饋3. 3. 反饋系統(tǒng)的閉環(huán)放大倍數(shù)反饋系統(tǒng)的閉環(huán)放大倍數(shù)00XFAXXiAFAXXi10AFAAf1ifXXA0令00XXFXXAFdFidXXX01XFA01XAAFAFiXdX0XFX+-1+1+AFAF 稱為稱為反饋深度反饋深度，它是衡量閉環(huán)系統(tǒng)性質(zhì)的物理量。，它是衡量閉環(huán)系統(tǒng)性質(zhì)的物理量。1+1+AF AF

6、1 A1 Af f AA1+1+AF AF 1 A1 Af f AA1+1+AF AF 0 A0 Af f 負反饋負反饋正反饋正反饋自激振蕩自激振蕩提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性、改善波形失真程性、改善波形失真程度、展寬通頻帶度、展寬通頻帶7.1 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路7.1.1 7.1.1 基本工作原理基本工作原理1.1.反饋放大電路中的自激反饋放大電路中的自激AFdX0XFXiX+- 放大電路在正常情況下，只有在輸入端加有輸入信號時，放大電路在正常情況下，只有在輸入端加有輸入信號時，才有輸出。才有輸出。 當(dāng)放大電路出現(xiàn)自激，那么放大電路就無法正常工作，所當(dāng)放大電路出現(xiàn)自激，那

7、么放大電路就無法正常工作，所以放大電路是要設(shè)法消除自激。但自激在以放大電路是要設(shè)法消除自激。但自激在振蕩電路振蕩電路中卻得以應(yīng)中卻得以應(yīng)用。用。但有時不加輸入信號，卻有一定頻率和幅度的信號輸出，但有時不加輸入信號，卻有一定頻率和幅度的信號輸出，AFdX0XFX放大器的這種現(xiàn)象，稱為放大器的這種現(xiàn)象，稱為自激振蕩自激振蕩。2.2.自激振蕩的條件自激振蕩的條件 電路中無外加輸入電壓，而在輸出端有一定頻率和幅度電路中無外加輸入電壓，而在輸出端有一定頻率和幅度的信號輸出，稱這種現(xiàn)象為電路的自激振蕩。的信號輸出，稱這種現(xiàn)象為電路的自激振蕩。S當(dāng)當(dāng) S 合于合于 1 時，時，開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍

8、數(shù)diuu doUUA 則輸出電壓保持不變。則輸出電壓保持不變。反饋系數(shù)反饋系數(shù)又又所以自激振蕩的條件是：所以自激振蕩的條件是：difuuu ofUUF dfUU 1ofdo UUUUAFAuduiuo12Fuf若若當(dāng)當(dāng) S 合于合于 2 時，時， a+ f=2n振幅條件振幅條件相位條件相位條件1AF反饋電壓反饋電壓與輸入電壓與輸入電壓同相同相, 為正反饋；為正反饋；fUiU幅度特性幅度特性Uom= f(Ufm)反饋特性反饋特性Ufm=FUomUimUom1Ufm1Uom2A自激振蕩的建立過程自激振蕩的建立過程3 3 振蕩的建立和穩(wěn)定振蕩的建立和穩(wěn)定振蕩建立時應(yīng)滿足：振蕩建立時應(yīng)滿足：即即df

9、UU 1 AFSAuduiuo12FufUfmUomO微小的擾動起始信號微小的擾動起始信號不斷通過放大不斷通過放大 反饋反饋 再再放大放大 再反饋，使再反饋，使 Uom不斷增大，一不斷增大，一直到達交點直到達交點 A 時，穩(wěn)定下來。時，穩(wěn)定下來。振蕩穩(wěn)定振蕩穩(wěn)定不能振蕩不能振蕩1 AF1 AF4 4正弦波正弦波振蕩電路的組成振蕩電路的組成由前面分析可知，正弦波振蕩電路必須具備如下幾部分：由前面分析可知，正弦波振蕩電路必須具備如下幾部分： 放大網(wǎng)絡(luò)放大網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)（應(yīng)含有正反饋）反饋網(wǎng)絡(luò)（應(yīng)含有正反饋）選頻網(wǎng)絡(luò)（利用選頻網(wǎng)絡(luò)（利用LCLC和和RCRC電路的選頻特性）正反饋與選電路的選頻特性）正反

10、饋與選頻合二為一。頻合二為一。5 5正弦波振蕩器的分類正弦波振蕩器的分類根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)的組成元件的不同分為根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)的組成元件的不同分為LCLC振蕩電路振蕩電路RCRC振蕩電路振蕩電路石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路7.1.2 7.1.2 RCRC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路1.1.橋式橋式RCRC振蕩電路振蕩電路（1）電路結(jié)構(gòu)）電路結(jié)構(gòu)由于反饋網(wǎng)絡(luò)組成為橋式電路，故稱橋式振蕩電路。由于反饋網(wǎng)絡(luò)組成為橋式電路，故稱橋式振蕩電路。Z1Z2（2）計算）計算A與與F 11RRAf0021231jZZZFu0Rf+R1Z1Z2C1R1R2C2u0ufCjRZ11RCjRZ12（3）振蕩頻率）振蕩頻率

11、AF=1=0RCf210 振蕩器對頻率為振蕩器對頻率為 f0的分量產(chǎn)生正反饋，最后穩(wěn)定的分量產(chǎn)生正反饋，最后穩(wěn)定輸出頻率為輸出頻率為 f0的信號。的信號。 當(dāng)信號的頻率等于電路的固有頻率時，電路發(fā)生諧當(dāng)信號的頻率等于電路的固有頻率時，電路發(fā)生諧振，所以諧振頻率為：振，所以諧振頻率為： a=0 a+ f=2n f=2n11RRAfSin2n=0表明表明F的虛部為零的虛部為零0021231jZZZF0=1/RCuo+RFR1u+ui+CRRC1F2RR 3 uA1 FAuRCf 2101 FAu3 uA在特定頻率在特定頻率 ui 和和 uo 同相，即同相，即 RC 串并聯(lián)電路具有串并聯(lián)電路具有正反

12、饋和選頻作用，正反饋和選頻作用， ui 和和 uo 為正弦波。為正弦波。時，時，則，則電路將等幅振蕩；電路將等幅振蕩；若若1F2RR 1F2RR 1 FAu，則，則電路將不能幅振蕩；電路將不能幅振蕩；若若，則，則電路起振后，振幅越來至飽和；電路起振后，振幅越來至飽和；所以，振蕩時應(yīng)滿足所以，振蕩時應(yīng)滿足即即 RF 2R1 RF = 2R1起振時應(yīng)滿足起振時應(yīng)滿足3 uA若若uo+RFR12 2 RC RC 正弦波振蕩電路穩(wěn)幅措施正弦波振蕩電路穩(wěn)幅措施CRRC( (1) )用熱敏電阻穩(wěn)幅用熱敏電阻穩(wěn)幅起振時由于溫度低，起振時由于溫度低，RT 2R1，振蕩后溫度增加振蕩后溫度增加 RT 減少到等于

13、減少到等于2R1。( (2) )用二極管穩(wěn)幅用二極管穩(wěn)幅RT 用具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻用具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻RT 代替代替 RF。3 3 振蕩頻率的改變振蕩頻率的改變RCf 210由由可知可知 改變改變 R、C 或同時改變或同時改變 RC 都都可改變振蕩頻率。可改變振蕩頻率。RF1RF2D1D27.1.3 7.1.3 LCLC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 LC 正弦波振蕩電路常用分立元件組成，常見的形式正弦波振蕩電路常用分立元件組成，常見的形式有有電感反饋式電感反饋式（哈特萊（哈特萊 Hartley）、）、電容反饋式電容反饋式（考畢慈（考畢慈 Colpitts）和和變壓器反饋式變壓器反饋

14、式等類型，這里介紹等類型，這里介紹電感反饋式電感反饋式和電容反饋式和電容反饋式振蕩電路又稱作振蕩電路又稱作三點式三點式振蕩電路。振蕩電路。 LC 正弦波振蕩電路以正弦波振蕩電路以LC諧振回路為選頻網(wǎng)絡(luò)，可產(chǎn)生諧振回路為選頻網(wǎng)絡(luò)，可產(chǎn)生頻率高于頻率高于1GHz的正弦波，由于的正弦波，由于LC諧振回路的品質(zhì)因數(shù)高，諧振回路的品質(zhì)因數(shù)高，故振蕩頻率的穩(wěn)定性較好。故振蕩頻率的穩(wěn)定性較好。 所謂三點式，系指選頻網(wǎng)絡(luò)對外有且僅有分別與放大所謂三點式，系指選頻網(wǎng)絡(luò)對外有且僅有分別與放大網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出和公共地連接三個端點。網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出和公共地連接三個端點。下面介紹下面介紹三點式三點式振蕩電路。振蕩電路。

15、 振蕩回路中的電感是中間帶抽頭的電感線圈，抽頭振蕩回路中的電感是中間帶抽頭的電感線圈，抽頭把電感線圈分成三端兩部分，即把電感線圈分成三端兩部分，即L1和和L2串聯(lián)。電感線圈串聯(lián)。電感線圈的三點分別和晶體管的三個電極相連。反饋量從的三點分別和晶體管的三個電極相連。反饋量從L2兩端兩端獲得，這樣能保證實現(xiàn)正反饋。獲得，這樣能保證實現(xiàn)正反饋。 1. 1. 電感電感三點式振蕩電路三點式振蕩電路（1）電路圖）電路圖（2）振蕩頻率）振蕩頻率f0CMLLf）（221210該電路又稱哈特萊該電路又稱哈特萊 （Hartley）振蕩電路振蕩電路2.2.電容電容三點式振蕩電路三點式振蕩電路 （1）電路圖）電路圖21

16、21210CCCCLf（2）振蕩頻率）振蕩頻率f0該電路又稱考畢慈該電路又稱考畢慈 （Colpitts）振蕩電路。振蕩電路。反饋電壓從反饋電壓從C2上取出，這樣能保證實現(xiàn)正反饋。上取出，這樣能保證實現(xiàn)正反饋。該電路的振蕩頻率近似等于該電路的振蕩頻率近似等于LC回路的諧振頻率，即回路的諧振頻率，即在電感支路中串聯(lián)一個電容C3 ，且取且取C3遠小于遠小于C1和和C2。故故諧振回路的振蕩頻率主要由L和C3來決定：改變C3，即可改變fo REC2C1RCRB1RB2CBLT+UCCC3改進型電容三點式振蕩電路改進型電容三點式振蕩電路3.3.正弦波振蕩電路的頻率穩(wěn)定問題正弦波振蕩電路的頻率穩(wěn)定問題（1

17、1）穩(wěn)定度）穩(wěn)定度 在許多應(yīng)用中，如實驗用的低頻及高頻信號產(chǎn)生電路，在許多應(yīng)用中，如實驗用的低頻及高頻信號產(chǎn)生電路，往往要求振蕩電路的振蕩頻率有比較穩(wěn)定，有時甚至要求十往往要求振蕩電路的振蕩頻率有比較穩(wěn)定，有時甚至要求十分穩(wěn)定。衡量振蕩器振蕩頻率穩(wěn)定程度的指標(biāo)稱頻率分穩(wěn)定。衡量振蕩器振蕩頻率穩(wěn)定程度的指標(biāo)稱頻率穩(wěn)定度穩(wěn)定度，用在特定時間（用在特定時間（1 1小時或小時或1 1天）內(nèi)頻率的天）內(nèi)頻率的相對變化率相對變化率表示，即表示，即（2 2）LCLC振蕩電路的限制振蕩電路的限制0ff頻率偏移頻率偏移振蕩頻率振蕩頻率 LC LC電路穩(wěn)定一般有限，即使采用了各種穩(wěn)頻措施，穩(wěn)電路穩(wěn)定一般有限，即使

18、采用了各種穩(wěn)頻措施，穩(wěn)定度也很難突破定度也很難突破1010-5-5數(shù)量級。所以在在頻率穩(wěn)定度要求較數(shù)量級。所以在在頻率穩(wěn)定度要求較高（高（ 10 10-5-51010-8-8甚至高數(shù)量級）的場合，甚至高數(shù)量級）的場合， LCLC電路將顯得難電路將顯得難滿足需求，這就需要采用石英晶體組成的振蕩電路。滿足需求，這就需要采用石英晶體組成的振蕩電路。 若在石英晶體的兩個電極間若在石英晶體的兩個電極間加電場加電場，晶片就會產(chǎn)，晶片就會產(chǎn)生生機械變形機械變形；反之，若在石英晶體的兩側(cè)；反之，若在石英晶體的兩側(cè)加機械力加機械力，則在晶片相應(yīng)的方向上將則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場產(chǎn)生電場，這種機電相互轉(zhuǎn)，這

19、種機電相互轉(zhuǎn)換的物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。換的物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。7.1.4 7.1.4 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器1.1.石英晶體的特性及等效電路石英晶體的特性及等效電路（1 1） 結(jié)構(gòu)及電路符號結(jié)構(gòu)及電路符號（2 2） 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)晶片晶片敷銀層敷銀層電極電極晶晶體體 當(dāng)外加交變電壓時，晶片將產(chǎn)生機械振動，其振當(dāng)外加交變電壓時，晶片將產(chǎn)生機械振動，其振動頻率（固有頻率）與晶片的切割方法、幾何形狀和動頻率（固有頻率）與晶片的切割方法、幾何形狀和尺寸有關(guān)。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于晶片的固有頻尺寸有關(guān)。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于晶片的固有頻率時，其振幅最大，此稱為率時，其振幅最大，此稱為壓電諧

20、振壓電諧振。電路符號 串聯(lián)諧振時，串聯(lián)支路諧振阻抗等于串聯(lián)諧振時，串聯(lián)支路諧振阻抗等于R，由于由于C0很小，很小，則則Xc很大，且很大，且 Xc R，故故C0的分流作用可以忽略。因此的分流作用可以忽略。因此串聯(lián)諧振頻率為串聯(lián)諧振頻率為 由等效電路可知，晶體有兩個振蕩頻率，即串聯(lián)由等效電路可知，晶體有兩個振蕩頻率，即串聯(lián)fs s和和并聯(lián)并聯(lián)fp p。其電抗。其電抗頻率特性為。頻率特性為。（3）等效電路及諧振頻率）等效電路及諧振頻率 晶體不振動時，等效為電容為晶體不振動時，等效為電容為C0的電容器，的電容器， 振動時振動時可用可用LC串聯(lián)諧振來表示，同時晶體振動時的摩擦損耗串聯(lián)諧振來表示，同時晶體

21、振動時的摩擦損耗用用R描述。晶體的等效電路如圖所示，描述。晶體的等效電路如圖所示，LCfs210021CCCCLfpfxC0CLR晶晶體體并聯(lián)諧振頻率為并聯(lián)諧振頻率為00121CCLC001121CCLC01CCfs晶體的等效電路中晶體的等效電路中R和和C0都很小，都很小， C0稱稱晶體靜態(tài)電容晶體靜態(tài)電容。f sf p感性容性容性通常通常0CC 所以所以很很接接近近與與 psff（約幾（約幾幾十幾十pFpF）1010-3 -31010-2 -2H H1010-4 -41010-1 -1pFpF2.2.石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路 石英晶體正弦振蕩電路的形式是多種多樣的，但石英晶體正弦振蕩

22、電路的形式是多種多樣的，但可概括為可概括為串聯(lián)型串聯(lián)型和和并聯(lián)型并聯(lián)型兩類基本電路。兩類基本電路。+UCCR3T1R1R2R4R6CR5u0晶體晶體T2 串聯(lián)型串聯(lián)型晶體振蕩電路，晶體振蕩電路，其振蕩頻率為其振蕩頻率為fs sCb+UCCTR2R1CERBRLC1C2晶晶體體 并聯(lián)型并聯(lián)型晶體振蕩電路，晶體振蕩電路，其振蕩頻率其振蕩頻率近似近似為為fs s 可見，可見，振蕩頻率振蕩頻率基本上由晶體的基本上由晶體的固有頻率固有頻率fs s所決定，因所決定，因此振蕩頻率穩(wěn)定度很高。此振蕩頻率穩(wěn)定度很高。 集成定時器功能較強，利用它組成各種集成定時器功能較強，利用它組成各種定時定時電路、電路、延時延

23、時電電路以及數(shù)字電路中的路以及數(shù)字電路中的時間基準(zhǔn)時間基準(zhǔn)（時鐘脈沖），因而又稱為（時鐘脈沖），因而又稱為時基時基電路電路。 集成定時器的品種類型繁多，但幾乎所有雙極性產(chǎn)品，型集成定時器的品種類型繁多，但幾乎所有雙極性產(chǎn)品，型號的號的最后最后3位數(shù)位數(shù)都是都是555，所有，所有CMOS型產(chǎn)品型號的最后型產(chǎn)品型號的最后4位數(shù)位數(shù)都是都是7555，因此這類產(chǎn)品又稱為，因此這類產(chǎn)品又稱為555電路。若將兩個電路。若將兩個555電路集電路集成在一個芯片中的產(chǎn)品，型號為成在一個芯片中的產(chǎn)品，型號為556。 集成定時器是一種模擬電路與數(shù)字相結(jié)合的中規(guī)模集成電集成定時器是一種模擬電路與數(shù)字相結(jié)合的中規(guī)模集成

24、電路。它由兩個電壓比較器、一個由路。它由兩個電壓比較器、一個由“與非與非”門組成基本門組成基本RS觸發(fā)觸發(fā)器、一個放電三極管器、一個放電三極管T和三個和三個5k電阻組成的分壓器組成。電阻組成的分壓器組成。7.2 555定時器定時器1. 5551. 555集成定時器電路圖集成定時器電路圖41235876555+ + + +- -+ +- -5 5kk5 5kk5 5kkT TC C1 1C C2 28 +8 +U UCCCCQ Q5 56 67 72 21 14 43 3DSDRQ2.5552.555集成電路工作原理集成電路工作原理V6高電平觸發(fā)端高電平觸發(fā)端(TH)電位。電位。+ + + +-

25、 -+ +- -5 5kk5 5kk5 5kkT TC C1 1C C2 28 +8 +U UCCCCQ Q5 56 67 72 21 14 43 3DSDRQVR1 比較器比較器C1的參考電壓的參考電壓VR2 比較器比較器C1的參考電壓的參考電壓2/3 UCC2/3 UCC1/3 UCC011/3 UCC112/3 UCC1/3 UCC00RDSDV6V2不允許不允許1/3 UCC2/3 UCCV2低電平觸發(fā)端低電平觸發(fā)端(TL)電位。電位。555+ + + +- -+ +- -5 5kk5 5kk5 5kkT TC C1 1C C2 28 +8 +U UCCCCQ Q5 56 67 72

26、21 14 43 3DSDRQ 3 3、555555定時器的邏輯功能表定時器的邏輯功能表不變不變不變不變1導(dǎo)通導(dǎo)通01截止截止11導(dǎo)通導(dǎo)通00放電放電管管T輸出輸出(VO)復(fù)位復(fù)位(RD)觸發(fā)輸入觸發(fā)輸入(VI2)閾值輸入閾值輸入(VI1)輸輸 出出輸輸 入入CC31V CC31V CC31V CC32V CC32V CC32V 31562784555+UCCRdQVCTHTLDIS7.3 7.3 多諧振蕩器多諧振蕩器 多諧振蕩器是一種能直接產(chǎn)生方波或矩形波的自激振多諧振蕩器是一種能直接產(chǎn)生方波或矩形波的自激振蕩器。由于方波中含有豐富的諧波，故稱為多諧振蕩器。蕩器。由于方波中含有豐富的諧波，故

27、稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器一旦振蕩起來后，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫多諧振蕩器一旦振蕩起來后，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，因此它又被稱作穩(wěn)態(tài)，因此它又被稱作無穩(wěn)態(tài)無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。觸發(fā)器。 多諧振蕩器的電路形式很多，有分立元件的，有門電多諧振蕩器的電路形式很多，有分立元件的，有門電路的，還有集成的多諧振蕩器，下面介紹常用的幾種。路的，還有集成的多諧振蕩器，下面介紹常用的幾種。多諧振蕩器多諧振蕩器是一種常用的脈沖波形發(fā)生器是一種常用的脈沖波形發(fā)生器,觸發(fā)器和時觸發(fā)器和時序電路中的時鐘脈沖一般是由多諧振蕩器產(chǎn)生的。序電路中的時鐘脈沖一般是由多諧振蕩器產(chǎn)生的。1.1.由由555555定時器構(gòu)成多諧振蕩器

28、定時器構(gòu)成多諧振蕩器（1 1）電路組成電路組成ucu0u0CCU31CCU32于是周而復(fù)始的充電放電，觸發(fā)器置于是周而復(fù)始的充電放電，觸發(fā)器置“0” 置置“1”。（2）工作原理及波形工作原理及波形接通電源后，電源通過接通電源后，電源通過R向向C充電：充電： 當(dāng)當(dāng) ucVR1 時時 C10 ，RD=0 SD=1 觸發(fā)器置觸發(fā)器置“0” Q=0 T導(dǎo)通，電容放電導(dǎo)通，電容放電 ucVR2 C20，SD=0 觸發(fā)器置觸發(fā)器置 “1” Q=1 T截止，電容又充電截止，電容又充電 當(dāng)當(dāng) ucVR1 時時 C10 ，觸發(fā)器置觸發(fā)器置“0” Q=0 + + + +- -+ +- -5 5kk5 5kk5 5

29、kkT TC C1 1C C2 28 +8 +U UCCCCQ Q1 14 43 3DSDRQu05 56 67 72 2+UccucRARBC1Q0Q當(dāng)當(dāng)ucVR2 C20，SD=0 RD=1 觸發(fā)器置觸發(fā)器置 “1” Q=1 （3）技術(shù)參數(shù)）技術(shù)參數(shù)1）充電時間常數(shù)充電時間常數(shù)tp10u3CCU32CCUuctp1=（ RA +RB ）Cln2tp2=RB Cln2T=tp1+ tp22）放電時間常數(shù)）放電時間常數(shù)tp20.7 （ RA +RB ）C0.7 RB C3）振蕩周期）振蕩周期4）占空比）占空比TtDp12ABABRRRR=0.7 （ RA +2RB ） Cln20.7 （ RA

30、 +2RB ）Ctp1tp2T 當(dāng)當(dāng)S閉合時，閉合時，UCC通過通過D1給給C1快速充電，當(dāng)快速充電，當(dāng)4端達到高電端達到高電平時，平時，555開始振蕩，振蕩的充電時間常數(shù)是（開始振蕩，振蕩的充電時間常數(shù)是（R3+R4）C2，放電時間常數(shù)放電時間常數(shù)R4C2 揚聲器發(fā)出叮叮聲音。揚聲器發(fā)出叮叮聲音。 松開松開S時，電容時，電容C1經(jīng)經(jīng)R1緩慢放電，只要緩慢放電，只要4端處于高電平，端處于高電平，555就維持振蕩，但充電電路串入了就維持振蕩，但充電電路串入了R2使振蕩頻率降低，揚使振蕩頻率降低，揚聲器發(fā)出咚咚聲器發(fā)出咚咚”聲音。直到聲音。直到C1放電到低電平，放電到低電平，555停止振蕩。停止振

31、蕩。 2.2.多諧振蕩器的應(yīng)用舉例多諧振蕩器的應(yīng)用舉例（1）“叮咚叮咚”門鈴電路門鈴電路uC31562784555+UCCR3D1R4D2R2R1C1SC2C30.01F 圖中圖中555接成多諧振蕩器，當(dāng)按鈕接成多諧振蕩器，當(dāng)按鈕S斷開時，電容斷開時，電容C1未被充未被充電，電，4端處于低電平，端處于低電平，555復(fù)位，揚聲器不發(fā)聲。復(fù)位，揚聲器不發(fā)聲。（2）過電壓監(jiān)視電路）過電壓監(jiān)視電路 圖示是由圖示是由555定時器組成的過電壓監(jiān)視電路。定時器組成的過電壓監(jiān)視電路。31562784555+UCCR3R4LDR1C0.01FUXR2DW 當(dāng)監(jiān)視電壓當(dāng)監(jiān)視電壓UX超過一定數(shù)值時，晶體管就飽和導(dǎo)通

32、，使超過一定數(shù)值時，晶體管就飽和導(dǎo)通，使555的的管腳管腳1近似接地，于是近似接地，于是555成為多諧振蕩器而產(chǎn)生振蕩方波，由成為多諧振蕩器而產(chǎn)生振蕩方波，由引腳引腳3輸出，使發(fā)光二極管輸出，使發(fā)光二極管LD閃亮，發(fā)出過電壓報警信號。閃亮，發(fā)出過電壓報警信號。7.4 7.4 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)器只有單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有1 1個穩(wěn)態(tài)，個穩(wěn)態(tài)，即在沒有外加觸即在沒有外加觸發(fā)脈沖作用時，電路將保持某種（發(fā)脈沖作用時，電路將保持某種（ “0 0”或或“1 1” ）狀態(tài)；）狀態(tài)；在外加觸發(fā)脈沖作用后，電路會在外加觸發(fā)脈沖作用后，電路會由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)到另一狀態(tài)由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)到另一狀態(tài)暫態(tài)，經(jīng)過一段時間后

33、，暫態(tài)，經(jīng)過一段時間后，會自動返回到原來的穩(wěn)態(tài)。會自動返回到原來的穩(wěn)態(tài)。 暫穩(wěn)定狀態(tài)的長短，取決于電路的參數(shù)暫穩(wěn)定狀態(tài)的長短，取決于電路的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖無關(guān)。與觸發(fā)脈沖無關(guān)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一般用做定時、整形及延時。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一般用做定時、整形及延時。 該電路是在該電路是在555555定時器的基礎(chǔ)上，外接了少量的阻容元件定時器的基礎(chǔ)上，外接了少量的阻容元件就可以構(gòu)成就可以構(gòu)成單穩(wěn)觸發(fā)器單穩(wěn)觸發(fā)器、其工作波形如圖示。、其工作波形如圖示。7.4.17.4.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的原理單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的原理1.1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖CCU32uiucu0 單穩(wěn)態(tài)單穩(wěn)態(tài)，即未觸發(fā)時，即未觸發(fā)時（

34、此電路為低電平觸發(fā)）（此電路為低電平觸發(fā)）的工作狀態(tài)。此電路的穩(wěn)態(tài)為的工作狀態(tài)。此電路的穩(wěn)態(tài)為“0”。005 56 67 72 2+Uccui+ + + +- -+ +- -5 5kk5 5kk5 5kkT TC C1 1C C2 28 +8 +U UCCCCQ Q1 14 43 3DSDRQu0uc穩(wěn)態(tài)時：穩(wěn)態(tài)時：RD=1 SD=1 Q=0 ，11不變不變，保持，保持Q=0的狀態(tài)。的狀態(tài)。 電源接通的瞬間，電路由開路過渡到電源接通的瞬間，電路由開路過渡到工作穩(wěn)態(tài)工作穩(wěn)態(tài)，即電，即電源通過源通過R向向C充電。充電。 C10 ， 觸發(fā)器置觸發(fā)器置“0” Q=0 ，電路恢復(fù)至穩(wěn)電路恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。態(tài)。

35、 T截止，截止， Ucc對電容對電容C充電。即使在充電。即使在t2時負時負脈沖消失，脈沖消失，C2的輸出變?yōu)榈妮敵鲎優(yōu)椤?”，即，即SD=1，此時此時RD=1 SD=1 “11不變，不變，Q=1，繼續(xù)充電繼續(xù)充電”。，此時0Q2. 2. 工作過程工作過程1）進入穩(wěn)態(tài)）進入穩(wěn)態(tài)2）暫穩(wěn)態(tài)）暫穩(wěn)態(tài)時當(dāng)CCCUu32C10 ，RD=0 觸發(fā)器置觸發(fā)器置“0” Q=0 電路進入穩(wěn)態(tài)電路進入穩(wěn)態(tài) 當(dāng)當(dāng)uI=“0”（負脈沖，其幅度負脈沖，其幅度 ），），SD=0，將觸將觸發(fā)器置發(fā)器置“1”，u0由由“0”“1”電路進入暫穩(wěn)態(tài)。電路進入暫穩(wěn)態(tài)。CCiUu313）恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)）恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)5672+Uccui+-

36、+-5k5k5kTC1C28 +UCCQ143DSDRQu0ucCCU32uiucu0uiucu00RC時，當(dāng)CCCUu32輸 出 脈 沖 寬 度 tp。 tp 1 .1 R C0 因為任何外來波形只要能使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，它因為任何外來波形只要能使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，它就能輸出一個定寬、定幅且邊沿陡削的矩形脈沖，即起到就能輸出一個定寬、定幅且邊沿陡削的矩形脈沖，即起到整形作用。整形作用。7.4.2 7.4.2 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 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器主要用于整形、定時和延時。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器主要用于整形、定時和延時。t0uit0u0tp1.1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的波形整形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的

37、波形整形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的波形整形示例如圖單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的波形整形示例如圖7-21所示。所示。 如果用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖去控制某一電路，使該電如果用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖去控制某一電路，使該電路在路在t tp p的時間內(nèi)工作（或停止），的時間內(nèi)工作（或停止）， 就可以實現(xiàn)定時控制。就可以實現(xiàn)定時控制。 2.2.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖波形的定時單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖波形的定時uit0u0t0u0/t0tp0uf0ttpi&uiufu0/u0單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖波形的定時示例如圖單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖波形的定時示例如圖7-227-22所示。所示。 它是利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的正脈沖去控制一個與門，在它是利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出

38、的正脈沖去控制一個與門，在t tpopo這段時間內(nèi)能讓頻率很高的這段時間內(nèi)能讓頻率很高的u uf f脈沖信號通過。否則，脈沖信號通過。否則，u uf f就會就會被單穩(wěn)輸出的低電平所禁止。被單穩(wěn)輸出的低電平所禁止。本章小結(jié)本章小結(jié)主要知識點：主要知識點：1.1.了解了解555555定時器定時器的工作原理的工作原理2.2.了解了解多諧振蕩器多諧振蕩器的工作原理及常見的電路形式的工作原理及常見的電路形式3.3.了解了解555555定時器組成的定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理的工作原理思考題思考題計算題計算題回顧回顧一、下圖為用一、下圖為用555構(gòu)成的開機延時電路，若給定構(gòu)成的開機延時電

39、路，若給定C=25F，R =91k，VCC=5V，試計算常閉開關(guān)，試計算常閉開關(guān)S斷開以后經(jīng)過多長的延斷開以后經(jīng)過多長的延遲時間遲時間vO才跳變?yōu)楦唠娖?。要求說明計算原理。才跳變?yōu)楦唠娖?。要求說明計算原理。 解：解： S斷開之前，電容斷開之前，電容C兩端的電壓為兩端的電壓為0，此時，此時定時器輸出定時器輸出Vo為低電平。為低電平。 S斷開之后，電容斷開之后，電容C經(jīng)過經(jīng)過VCC-C-R支路開始支路開始充電，其兩端電壓充電，其兩端電壓Uc緩慢升高，充電的時間常緩慢升高，充電的時間常數(shù)為數(shù)為RC。于此同時，。于此同時，555定時器的定時器的6腳和腳和2腳電腳電壓開始下降，其電壓為壓開始下降，其電壓

40、為Vcc-Uc。當(dāng)該電壓下降。當(dāng)該電壓下降到到Vcc/3時，時，555定時器輸出電壓定時器輸出電壓Vo變?yōu)楦唠娖剑優(yōu)楦唠娖?，此時電容此時電容C兩端的電壓為兩端的電壓為2Vcc/3。 根據(jù)一階電路的三要素法求電容根據(jù)一階電路的三要素法求電容C的的充電時間充電時間t，即開機延遲時間：，即開機延遲時間： 0 tf tfffe203tRCCCCCCCVVVe36ln391 1025 10ln32.5tRCs輸入輸入輸出輸出閥值輸入（閥值輸入（6腳）腳）觸發(fā)輸入（觸發(fā)輸入（2腳）腳）輸出（輸出（vo）(2/3)VCC(2/3)VCC(1/3)VCC 0(1/3)VCC 不變定時器功能表定時器功能表思考

41、題思考題計算題計算題回顧回顧二、電路如圖示，試分析電路的功能，并畫出二、電路如圖示，試分析電路的功能，并畫出uC和和u0的波形。的波形。 解：解：（1）uC和和u0的波形：的波形：（2）由）由u0的波形可知，該電路為一多諧振蕩器的波形可知，該電路為一多諧振蕩器。 +UCC31562784555R1R2C0.01FuCu0UCC/3u0tuCt00tp22UCC/3tp16.8 6.8 可編程邏輯器件可編程邏輯器件 可編程邏輯器件（可編程邏輯器件（Programmable Logic Device）是是20世紀(jì)末期蓬勃發(fā)展起來的新型世紀(jì)末期蓬勃發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體通用集成電路，它泛指可由半導(dǎo)體通

42、用集成電路，它泛指可由用戶自用戶自行定義邏輯功能（編程）行定義邏輯功能（編程）的一類邏輯器件的一類邏輯器件的總稱。的總稱。 該類器件集成度非常高，一塊芯片即可容納一該類器件集成度非常高，一塊芯片即可容納一個數(shù)字系統(tǒng)?，F(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)愈來愈多地采用個數(shù)字系統(tǒng)?，F(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)愈來愈多地采用PLD來來構(gòu)成，這不僅能大大簡化系統(tǒng)的設(shè)計過程，而且還構(gòu)成，這不僅能大大簡化系統(tǒng)的設(shè)計過程，而且還能使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性提高。能使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性提高。PLD技術(shù)從一個技術(shù)從一個方面反映了現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展趨勢。方面反映了現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展趨勢。6.8.1 PLD的基本結(jié)構(gòu)及邏輯表示的基本結(jié)構(gòu)及邏輯表示與門與門陣

43、列陣列或門或門陣列陣列乘積項乘積項和項和項PLD主體主體輸入輸入電路電路輸入信號輸入信號互補互補輸入輸入輸出輸出電路電路輸出函數(shù)輸出函數(shù)反饋輸入信號反饋輸入信號 可由或陣列直接輸出，構(gòu)成組合輸出；可由或陣列直接輸出，構(gòu)成組合輸出； 通過寄存器輸出，構(gòu)成時序方式輸出通過寄存器輸出，構(gòu)成時序方式輸出。1、PLD的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)輸 出 或門陣列 與門陣列 輸 入 B A Y Z (b) 與門與門陣列陣列或門或門陣列陣列乘積項乘積項和項和項互補互補輸入輸入2.邏輯符號及邏輯符號及PLD的的表示方法表示方法(1)(1) 連接的方式連接的方式 硬硬線線連連接接單單元元 被被編編程程接接通通單單 被被編

44、編程程擦擦除除單單元元 (2)(2)基本門電路的表示方式基本門電路的表示方式L=A+B+C+ DDA BCF1=ABC與門與門或門或門A B C DF1 AB C& L AB C1L DF1=A+B+C+D A A A A EN EN 三態(tài)輸出緩沖器三態(tài)輸出緩沖器 A A A 輸入緩沖器輸入緩沖器(3) (3) 編程連接技術(shù)編程連接技術(shù) A L B C D L VCC A B C D 熔絲熔絲 PLD表示的與門表示的與門熔絲工藝的與門原理圖熔絲工藝的與門原理圖VCC+(5V) R 3kW L D1 D2 D3 A B C 高電平高電平A、B、C有一個輸入低電平有一個輸入低電平0VA、B、C三個

45、都輸入高電平三個都輸入高電平+5V5V0V5V低電平低電平 L VCC A B C D 5V5V5VL=ABC L T1 T2 T3 T4 A B C D VCC 連接連接連接連接連接連接斷開斷開A、B、C 中有一個為中有一個為0A、B、C 都為都為1輸出為輸出為0；輸出為輸出為1。L=AC斷開斷開連接連接連接連接斷開斷開L=ABCXX器件的開關(guān)狀態(tài)不同器件的開關(guān)狀態(tài)不同, 電路實現(xiàn)邏輯函數(shù)也就不同電路實現(xiàn)邏輯函數(shù)也就不同1 0 11 1 16.8.6.8.2 PLD2 PLD類型及特點類型及特點 PLD PLD的發(fā)展非常迅速。的發(fā)展非常迅速。PROMPLAPALGAL低密度可編程邏輯器件低密

46、度可編程邏輯器件（LDPLD）EPLDCPLDFPGA高密度可編程邏輯器件高密度可編程邏輯器件（HDPLD）可編程邏輯器件可編程邏輯器件（PLD）按集成密度劃分為按集成密度劃分為 與與陣陣列列 B A L1 L0 可可編編程程 或或陣陣列列 固固定定 與陣列、或陣列與陣列、或陣列均可編程均可編程(PLA)與陣列固定，或陣與陣列固定，或陣列可編程列可編程(PROM)與陣列可編程，或與陣列可編程，或陣列固定陣列固定(PAL等等) 與陣列與陣列 B A L1 L0 可編程可編程 或陣列或陣列 可編程可編程 與與陣陣列列 B A L1 L0 或或陣陣列列 可可編編程程 固固定定 按按PLD中的與、或陣列是否編程分中的與、或陣列是否編程分按編程技術(shù)分按編程技術(shù)分 離離系統(tǒng)編程和系統(tǒng)編程和在在系統(tǒng)編程（系統(tǒng)編程（ISP-PLDISP-PLD），），前者需要專用前者需要專用編程器，而后者用工控機（計算機）運行產(chǎn)生的編程數(shù)據(jù)編程器，而后者用工控機（計算機）運行產(chǎn)生的編程數(shù)據(jù)直接寫入直接寫入PLDPLD。按結(jié)構(gòu)特點劃分按結(jié)構(gòu)特點劃分簡單簡單PLD (PALPLD (PAL，GAL)GAL)復(fù)雜的可編程器件復(fù)雜的可編程器件(CPLD) :(CPLD