波形的產(chǎn)生與變換電路

數(shù)字電路綜合設(shè)計(jì)1模擬電子部分2數(shù)字邏輯部分

課程的基本描述課程名稱：數(shù)字電路綜合設(shè)計(jì)Comprehensivedesignofdigitalcircuit課程編號(hào)：040115HI06課程性質(zhì)：學(xué)科、專業(yè)基礎(chǔ)適用專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)參考教材：理論葉挺秀.電工電子學(xué).第四版.北京：高等教育出版社，2014年毛法堯.數(shù)字邏輯（第二版）北京：高等教育出版社，2008年實(shí)驗(yàn)總

學(xué)

時(shí)：32學(xué)時(shí)理論學(xué)時(shí)：12學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：無上機(jī)學(xué)時(shí)：無翻轉(zhuǎn)、案例實(shí)踐、創(chuàng)新實(shí)踐：20學(xué)時(shí)學(xué)

分：2學(xué)分開課學(xué)期：第三學(xué)期前導(dǎo)課程：數(shù)字電路及邏輯后續(xù)課程：計(jì)算機(jī)組成原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微機(jī)接口技術(shù)、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)

正弦波和非正弦波常常作為信號(hào)源，被廣泛地應(yīng)用于無線電通信、自動(dòng)測(cè)量及自動(dòng)控制等系統(tǒng)中。電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中使用的低頻信號(hào)發(fā)生器就是一種正弦波振蕩電路，大功率的正弦波振蕩電路還可以直接為工業(yè)生產(chǎn)提供能源。

6.1正弦波振蕩電路

6.2多諧振蕩器

6.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器第6章波形的產(chǎn)生與變換電路6.1.1正弦波振蕩器的基本原理一、自激振蕩的條件1SA2F開關(guān)合在“1”：開關(guān)合在“2”：正弦波振蕩電路是用來產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦波信號(hào)的電路，電路中只有直流源而沒有外接信號(hào)源。其頻率范圍很廣，可以從零點(diǎn)幾Hz到幾百M(fèi)Hz以上，其輸出功率可以從幾mW到幾十mW。6.1正弦波振蕩電路由此知放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件是：即：——幅度平衡條件——相位平衡條件二、正弦波振蕩器的起振過程起振條件：合閘后：信號(hào)小大平衡三、正弦波振蕩電路的組成與分類①放大電路②選頻網(wǎng)絡(luò)③正反饋網(wǎng)絡(luò)④穩(wěn)幅環(huán)節(jié)確定

f0合二為一使輸出幅值穩(wěn)定使1、正弦波振蕩電路的組成根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分類：RC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路石英晶體正弦波振蕩電路f0<1MHzf0>1MHzf0很穩(wěn)定2、正弦波振蕩電路的分類三、正弦波振蕩電路的組成與分類四、正弦波振蕩電路的分析步驟1.檢查電路的結(jié)構(gòu)和組成：（2）檢查放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)是否能保證放大電路正常工作；（1）檢查電路是否包含四個(gè)組成部分，即放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)、正反饋網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)；（3）檢查電路中的反饋信號(hào)取自什么地方，加在什么位置以及反饋信號(hào)的極性。四、正弦波振蕩電路的分析步驟2.判斷電路是否滿足自激振蕩的條件：（2）幅值條件（1）相位條件瞬時(shí)極性法：斷開反饋，加頻率為f0的信號(hào)，判斷與的極性，若相同，則滿足相位條件。

⊕四、正弦波振蕩電路的分析步驟3.振蕩頻率的估算計(jì)算時(shí)的頻率，即為振蕩頻率f0。振蕩頻率由相位平衡條件決定。寫出AF

表達(dá)式；..1、文氏電橋（RC串并聯(lián)）振蕩器1）RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性6.1.2RC正弦波振蕩電路幅頻特性：相頻特性：當(dāng)ω=ωo時(shí)，電路達(dá)到諧振，電路呈“電阻性”，此時(shí)幅值最大2、文氏電橋振蕩器的分析1）組成同相比例放大電路RC選頻網(wǎng)絡(luò)，兼正反饋網(wǎng)絡(luò)Z1、Z2、R3

與R4形成四個(gè)橋臂2）起振條件及振蕩頻率

RC網(wǎng)絡(luò)諧振時(shí)滿足自激振蕩的相位平衡條件。振蕩頻率：由同相放大電路：由幅度起振條件：由選頻網(wǎng)絡(luò)可知，諧振時(shí)：或結(jié)論：RC正弦波振蕩器只能用作低頻振蕩器。振蕩頻率的范圍：1Hz~1MHz例如，橋式振蕩器。選R=1kΩ，C=200pF，則fo=796HzRC正弦波振蕩器的振蕩頻率取決于R、C的數(shù)值。若提高振蕩頻率fo

，必須選擇較小的R和C值。fo

R

基本放大電路的負(fù)載加重；C

受到管子結(jié)電容和分布電容的限制。當(dāng)振蕩頻率高于1MHz時(shí)，采用LC正弦波振蕩器。

(1)起振過程(2)穩(wěn)定振蕩振蕩頻率的調(diào)整++∞RFR

CC–uO

–+SSR1R2R3R3R2R1改變開關(guān)S的位置可改變選頻網(wǎng)絡(luò)的電阻，實(shí)現(xiàn)頻率粗調(diào)；改變電容C的大小可實(shí)現(xiàn)頻率的細(xì)調(diào)。振蕩頻率帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(1)熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，利用它的非線性可以自動(dòng)穩(wěn)幅。在起振時(shí)，由于uO

很小，流過RF的電流也很小，于是發(fā)熱少，阻值高，使RF>2R1；即

AuF

>1。隨著振蕩幅度的不斷加強(qiáng)，uO增大，流過RF

的電流也增大，RF受熱而降低其阻值，使得Au下降，直到RF=2R1時(shí)，穩(wěn)定于

AuF

=1，

振蕩穩(wěn)定。半導(dǎo)體熱敏電阻

R++∞RFR1

C

RC–uO

–+帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(1)熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，利用它的非線性可以自動(dòng)穩(wěn)幅。半導(dǎo)體熱敏電阻

R++∞RFR1

C

RC–uO

–+穩(wěn)幅過程：思考：若熱敏電阻具有正溫度系數(shù)，應(yīng)接在何處？uotRFAu帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(2)IDUD振蕩幅度較小時(shí)正向電阻大振蕩幅度較大時(shí)正向電阻小利用二極管的正向伏安特性的非線性自動(dòng)穩(wěn)幅。

R++∞RF2R1

C

RC–uO

–+D1D2RF1穩(wěn)幅環(huán)節(jié)帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路（2）

R++∞RF2R1

C

RC–uO

–+D1D2RF1

圖示電路中，RF分為兩部分。在RF1上正反并聯(lián)兩個(gè)二極管，它們?cè)谳敵鲭妷簎O的正負(fù)半周內(nèi)分別導(dǎo)通。在起振之初，由于uo

幅值很小，尚不足以使二極管導(dǎo)通，正向二極管近于開路此時(shí)，RF>2R1。而后，隨著振蕩幅度的增大，正向二極管導(dǎo)通，其正向電阻逐漸減小，直到RF=2R1，振蕩穩(wěn)定?？偨Y(jié)：（1）RC振蕩電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，經(jīng)濟(jì)可靠。（2）RC振蕩電路的振蕩頻率較低，最高不會(huì)超過200kHz。（3）RC振蕩電路的RC選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻特性較差，因而應(yīng)盡量使放大器件工作在線性區(qū)，故多采用負(fù)反饋的方法穩(wěn)幅和改善輸出波形。6.1.3LC正弦波振蕩電路

LC振蕩電路的選頻電路由電感和電容構(gòu)成，可以產(chǎn)生高頻振蕩(幾百千赫以上)。由于高頻運(yùn)放價(jià)格較高，所以一般用分離元件組成放大電路。常見三點(diǎn)式和變壓器反饋式兩類。這里介紹三點(diǎn)式LC振蕩電路。1.電容三點(diǎn)式振蕩電路

正反饋放大電路反饋網(wǎng)絡(luò)－－

振蕩頻率

通常再與線圈串聯(lián)一個(gè)較小的可變電容來調(diào)節(jié)振蕩頻率。反饋電壓取自C2+UCCC1RB1RB2RECEC1LC2RC反相振蕩頻率可達(dá)100MHz以上。選頻電路LECRb1Rb2ReCeCbC2C1LcC1C2L+uce-+ube

-(1)直流等效電路(2)交流等效電路五、改進(jìn)的電容三點(diǎn)式振蕩電路振蕩頻率選擇C<<C1，C<<C2，則：減小了三極管極間電容對(duì)振蕩頻率的影響，適用于產(chǎn)生高頻振蕩，且頻率穩(wěn)定度高。2.電感三點(diǎn)式振蕩電路

正反饋放大電路選頻電路反饋網(wǎng)絡(luò)+UCCC1RB1RB2RECEL1CL2RC－－

振蕩頻率

通常改變電容C來調(diào)節(jié)振蕩頻率。反饋電壓取自L2振蕩頻率一般在幾十MHz以下。例：圖示電路能否產(chǎn)生正弦波振蕩,如果不能振蕩，加以改正。L+UCCC1RB1RB2RECEC2解：直流電路合理。

旁路電容CE將反饋信號(hào)旁路，即電路中不存在反饋，所以電路不能振蕩。將CE開路，則電路可能產(chǎn)生振蕩。反饋電壓取自C1

－

－－正反饋例：金屬探測(cè)電路（半導(dǎo)體接近開關(guān)）開關(guān)電路金屬探測(cè)器是一種專門用來探測(cè)金屬的儀器，也可以作為半導(dǎo)體接近開關(guān)，具有反映速度快、定位準(zhǔn)確、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。它在行程控制、定位控制、自動(dòng)計(jì)數(shù)以及金屬探測(cè)報(bào)警電路中得到了廣泛應(yīng)用。在這個(gè)電路中三極管VT1與外圍的電感器和電容器構(gòu)成了一個(gè)電容三點(diǎn)式振蕩器。它的交流等效電路（不考慮RP和R2的作用如圖所示，當(dāng)圖中三極管基極有一正信號(hào)時(shí)，由于三極管的反向作用使它的集電極信號(hào)為負(fù)。兩個(gè)電容器兩端的信號(hào)極性如圖所示，通過電容器的反饋，三極管基極上的信號(hào)與原來同相，由于這是正反饋，所以電路可以產(chǎn)生振蕩，RP和R1的存在，消弱了電路中的正反饋信號(hào)，使電路處于剛剛起振的狀態(tài)下。例：金屬探測(cè)電路（半導(dǎo)體接近開關(guān)）金屬探測(cè)器的振蕩頻率約為40KHz，主要由電感L、電容器C1、C2決定。調(diào)節(jié)電位器RP減小反饋信號(hào)，使電路處在剛剛起振的狀態(tài)。電阻器R2是三極管VT1的基極偏置電阻。微弱的振蕩信號(hào)通過電容器C4、電阻器送到由三極管VT2、電阻器R4、R5及電容器C5等組成的電壓放大器進(jìn)行放大。然后由二極管VD1和VD2進(jìn)行整流，電容器C6進(jìn)行濾波。整流濾波后的直流電壓使三極管VT3導(dǎo)通，它的集電極為低電平，發(fā)光二極管VD3亮。在金屬探測(cè)器的電感探頭L接近金屬物體時(shí)，振蕩電路停振，沒有信號(hào)通過電容器C4，三極管VT3的基極得不到正電壓，所以三極管VT3截止，發(fā)光二極管熄滅。電路工作原理多諧振蕩器電路是一種矩形波產(chǎn)生電路.這種電路不需要外加觸發(fā)信號(hào),便能連續(xù)地,周期性地自行產(chǎn)生矩形脈沖.該脈沖是由基波和多次諧波構(gòu)成,因此稱為多諧振蕩器電路.本節(jié)介紹用集成電路構(gòu)成的多諧振蕩器。

6.2多諧振蕩器比較器的輸出電壓經(jīng)一定延時(shí)，饋送作為比較器的輸入電壓，使比較器自行翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生矩形波輸出。1、電路組成RC積分電路延時(shí)兼反饋遲滯比較器開關(guān)電路限流電阻6.2.1用集成電路構(gòu)成的多諧振蕩器2、工作原理電路的正反饋系數(shù)比較電壓設(shè)t=0時(shí)，uC=0，uo=+Uz則輸出電壓uo通過R向C充電，uC呈指數(shù)規(guī)律增加。當(dāng)t=t1，uC≥u'+時(shí)，uo跳變?yōu)?/p>

Uz。此時(shí)uo=

Uz此時(shí)C通過R放電，uC呈指數(shù)規(guī)律減小。如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩，輸出矩形波。當(dāng)t=t2，uC≤u

+時(shí)，uo跳變?yōu)?Uz。電容又被充電。3、振蕩周期t1~t2，電容放電。放電時(shí)間常數(shù)：

1=RC當(dāng)t=T1=T/2時(shí)，，代入上式，得振蕩頻率：4、占空比可調(diào)的矩形波產(chǎn)生電路占空比：矩形波中高電平的持續(xù)時(shí)間與振蕩周期的比值。方波的占空比為50%。為改變輸出方波的占空比，可改變電容C的充、放電時(shí)間常數(shù)。占空比：其中rd是二極管D的導(dǎo)通電阻。改變Rw

的中點(diǎn)位置，占空比就可改變。石英晶體振蕩器最突出的特點(diǎn)就是振蕩頻率穩(wěn)定性好。一、石英晶體的特性1、基本特征壓電效應(yīng)：在石英晶片的兩極加一電場(chǎng)，晶片將產(chǎn)生機(jī)械變形；反之若在晶片上施加機(jī)械壓力，在晶片相應(yīng)的方向上會(huì)產(chǎn)生一定的電場(chǎng)。壓電諧振：固有頻率與晶片的切割方式、幾何形狀及尺寸有關(guān)。6.2.2用石英晶體構(gòu)成的多諧振蕩器2、石英晶體的等效電路符號(hào)：（1）晶體不振動(dòng)時(shí)，等效為平板電容器C0

，稱為靜電電容，一般為幾到幾十皮法。（2）晶體振動(dòng)時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性用電感L(10-3～102H)等效，晶片的彈性用電容C(10-2～10-1PF)等效，晶片振動(dòng)時(shí)的損耗用電阻R(102Ω)等效。3、石英晶體的諧振頻率串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率此時(shí)串聯(lián)支路呈現(xiàn)為很小的純電阻R，C0容抗遠(yuǎn)大于R，視為開路。當(dāng)工作頻率大于fs

時(shí)，串聯(lián)支路呈感性，與C0并聯(lián)形成LC回路。電抗頻率特性O(shè)fXfsfp容性容性感性純阻性

二、石英晶體振蕩電路1、串聯(lián)型石英晶體多諧振蕩電路

二、石英晶體振蕩電路2、并聯(lián)型石英晶體多諧振蕩電路并聯(lián)型石英晶體振蕩電路，常用于電子鐘表，計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘電路。常用的晶振有32768Hz8Mhz16Mhz6.2.3用555集成電路構(gòu)成的多諧振蕩器１、555集成定時(shí)器

555定時(shí)器（時(shí)基電路）是一種用途廣泛的模擬數(shù)字混合集成電路。設(shè)計(jì)新穎、構(gòu)思奇巧，備受電子專業(yè)設(shè)計(jì)人員和電子愛好者青睞；它可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器和壓控振蕩器等多種應(yīng)用電路。GND圖4-2555定時(shí)器符號(hào)圖地低觸發(fā)端高觸發(fā)端放電端電源端清零端輸出端電壓控制端典型封裝雙列直插型貼片型

555定時(shí)器主要由比較器、觸發(fā)器、輸出級(jí)、放電開關(guān)和由三個(gè)5k

電阻組成的分壓器等部分構(gòu)成，電路如圖所示。電阻分壓器比較器觸發(fā)器輸出級(jí)555定時(shí)器電路結(jié)構(gòu)圖放電開關(guān)真值表的第一行00110導(dǎo)通清零0保持保持0010110真值表的第二行從第二行到第三行導(dǎo)通0真值表的第四行10010101截止從第四行返回第三行00保持保持1截止回差現(xiàn)象THTLRdOUTDISCC32V>CC31V>CC31V>CC32V<CC32V<CC31V<LL通HHH斷

555定時(shí)器功能表通LH保持保持

從555定時(shí)器的功能表可以看出：555定時(shí)器有兩個(gè)閾yu值（Threshold）電平，分別是1/3VCC和2/3VCC；2.輸出端為低電平時(shí)三極管TD導(dǎo)通，7腳輸出低電平；輸出端為高電平時(shí)三極管TD截止，如果7腳接一個(gè)上拉電阻，7腳輸出為高電平。所以當(dāng)7腳接一個(gè)上拉電阻時(shí)，輸出狀態(tài)與3腳相同。

便于記憶：2腳--（低電平置位）；6腳—R（高電平復(fù)位）；◆555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器

555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖4-9所示。它是將兩個(gè)觸發(fā)端2腳和6腳合并在一起，放電端7腳接于兩電阻之間。多諧振蕩器的波形

多諧振蕩器電路圖

tuctuoOO

多諧振蕩器參數(shù)的計(jì)算tuctuoOOtw1tw2輸出波形的振蕩周期可用過渡過程公式計(jì)算：

tw1：uC(0)=VCC/3V、

uC(∞)=VCC、

1=(RA+RB)C、

當(dāng)t=tw1時(shí)，uC(tw1)=2VCC/3代入三要素方程。于是可解出

tw2：uC(0)=2VCC/3V、uC(∞)=0V、

1=RBC、當(dāng)t=tw2時(shí)，uC(tw2)=VCC/3代入公式。于是可解出占空比（DurationRatio）

對(duì)于圖5-2-9所示的多諧振蕩器，因tw1

＞tw2

，它的占空比大于50%，占空比不可調(diào)節(jié)。圖4-12是一種占空比可調(diào)的電路，該電路因加入了二極管，使電容器的充電和放電回路不同，可以調(diào)節(jié)電位器使充、放電時(shí)間常數(shù)相同。如果RA=RB，調(diào)節(jié)電位器可以獲得50%的占空比。

占空比可調(diào)的多諧振蕩器C=充RtA振蕩周期:6.3

555定時(shí)器的典型應(yīng)用電路6.3.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（MonostableTrigger）

圖4-4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖

圖4-5單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的波形圖

這里要注意R的取值不能太小。（為什么？）若R太小，當(dāng)放電管導(dǎo)通時(shí)，灌入放電管的電流太大，會(huì)損壞放電管。為此需要確定三要素：

uC(0)=0V、

uC(∞)=VCC、

=RC，當(dāng)t=tw時(shí)，uC(tw)=2VCC/3代入公式。于是可解出單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間的計(jì)算

根據(jù)uC的波形，由過渡過程公式即可計(jì)算出暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間tw

，tw電容C從0V充電到2VCC/3的時(shí)間，根據(jù)三要素方程：

暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間由RC確定?。?！

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用★可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：VCCCC123567555R485該電路有何作用？失落脈沖報(bào)警?。NP管★脈沖的定時(shí)

ABuuio單穩(wěn)態(tài)電路&只有在tw時(shí)間內(nèi),與門才開門,信號(hào)A才能通過與門

★脈沖的延時(shí)uo的下降沿比輸入觸發(fā)信號(hào)ui的下降沿延遲了tw。因此，利用uo下降沿去觸發(fā)其它電路(例如JK觸發(fā)器),比用ui下降沿觸發(fā)時(shí)延遲了tw時(shí)間,這就是單穩(wěn)態(tài)電路的延時(shí)作用★簡(jiǎn)易曝光定時(shí)器思考：當(dāng)按一下開關(guān)AN以后，電路是如何工作的？電容放電555置位J吸合電燈HL亮電容充電到2/3VDD555復(fù)位J釋放電燈HL熄6.3.2

555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器

由于施密特觸發(fā)器無須放電端，所以利用放電端與輸出端狀態(tài)相一致的特點(diǎn)，從放電端加一上拉電阻后，可以獲得與3腳相同的輸出。但上拉電阻可以單獨(dú)接另外一組電源，以獲得與3腳輸出不同的邏輯電平。555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器的電路圖如圖4-13所示,施密特觸發(fā)器屬于波形變換電路，該電路可以將正弦波、三角波、鋸齒波變?yōu)槊}沖信號(hào)。施密特觸發(fā)器電路圖施密特觸發(fā)器的工作原理和多諧振蕩器基本一致，無原則不同。只不過多諧振蕩器是靠電容器的充放電去控制電路狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)，而施密特觸發(fā)器是靠外加電壓信號(hào)去控制電路狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。所以，在施密特觸發(fā)器中，外加信號(hào)的高電平必須大于，低電平必須小于，否則電路不能翻轉(zhuǎn)。5號(hào)腳接控制電壓Vco時(shí)，正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓分別為Vco和1/2Vco。

施密特觸發(fā)器的輸出波形如下：ui00uOtt2VCC/31VCC/3施密特觸發(fā)器的波形圖

施密特觸發(fā)器的主要用于對(duì)輸入波形的整形。圖4-14表示的是將三角波整形為方波,其它形狀的輸入波形也可以整形為方波。施密特觸發(fā)器電路圖

下圖是施密特觸發(fā)器（電源電壓5V）的示波器波形圖，對(duì)應(yīng)輸出波形翻轉(zhuǎn)的555定時(shí)器的二個(gè)閾值，一個(gè)是對(duì)應(yīng)輸出下降沿的3.375V，另一個(gè)是對(duì)應(yīng)輸出上升沿的1.688V，施密特觸發(fā)器的回差電壓是3.375-1.688=1.688V。。在放電端7腳加一個(gè)上拉電阻，接10V電源，可以獲得一個(gè)高、低電平與3腳輸出不同，但波形的高、低電平寬度完全一樣的第二個(gè)輸出波形，這個(gè)波形可以用于不同邏輯電平的轉(zhuǎn)換。施密特觸發(fā)器的示波器波形圖

施密特觸發(fā)器的應(yīng)用★波形的整形不規(guī)則的或者在信號(hào)傳送過程中受到干擾