波形產(chǎn)生與變換電路

8.1正弦波振蕩器

8.2555定時(shí)器及應(yīng)用

8.3

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)8.4

技能訓(xùn)練8.5本章小結(jié)第8章波形產(chǎn)生與變換電路8.1正弦波振蕩器

一、正弦波振蕩電路的基本知識(shí)

1.自激振蕩2.自激振蕩形成的條件圖8-1是自激振蕩框圖。自激振蕩形成的條件是反饋信號(hào)與輸入信號(hào)大小相等、相位相同，即=，而=，可得振蕩平衡條件：

=1一、正弦波振蕩電路的基本知識(shí)振幅平衡條件

||=1相位平衡條件

（n=0，1，2，……）8.1正弦波振蕩器圖8-1

自激振蕩框圖Ui12~UoSUf反饋網(wǎng)絡(luò)F放大電路A一、正弦波振蕩電路的基本知識(shí)3．振蕩的建立與穩(wěn)定4．正弦波振蕩電路的組成放大電路完成信號(hào)的放大，是維持振蕩器工作的主要環(huán)節(jié)。反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)正反饋，以滿足相位平衡條件，維持自給輸入信號(hào)。選頻網(wǎng)絡(luò)只對(duì)某一信號(hào)頻率滿足相位平衡條件，其它頻率均不滿足。穩(wěn)幅環(huán)節(jié)使振蕩信號(hào)幅值穩(wěn)定，以達(dá)到振蕩器所要求的幅值。8.1正弦波振蕩器8.1正弦波振蕩器二、RC正弦波振蕩器1.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)由R2和C2并聯(lián)后與R1和C串聯(lián)組成，如圖8-2所示。設(shè)R1=R2=R，C1=C2=C，則有式中二、RC正弦波振蕩器8.1

正弦波振蕩器圖8-2RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)8.1正弦波振蕩器二、RC正弦波振蕩器RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)只在，即時(shí)，傳輸系數(shù)最大（相移為0°，它具有選頻特性。），8.1正弦波振蕩器二、RC正弦波振蕩器2．RC橋式振蕩器將RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和放大器結(jié)合起來即可構(gòu)成RC橋式振蕩器，放大器件可采用集成運(yùn)算放大器。電路如圖8-4所示。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接在集成運(yùn)放的輸出端和輸入之間，組成一個(gè)同相比例放大器，即，而RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在時(shí)，相位移為0°，即0°，電路的總相移是零，滿足相位平衡條件，而對(duì)其它頻率的信號(hào)，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的相位移不為零，不滿足相位平衡條件。8.1正弦波振蕩器二、RC正弦波振蕩器該電路的振蕩頻率為由于RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在時(shí)的傳輸系數(shù)F=1/3，因此，要求放大器的總電壓放大倍數(shù)Au≥3。由R1、Rf構(gòu)成的負(fù)反饋支路，與集成運(yùn)放形成了同相輸入比例運(yùn)算電路，其放大倍數(shù)即要求Rf≥2R1。為使振蕩電路能正常工作，可在該電路中增加穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。電路如圖8-5所示。8.1正弦波振蕩器8.1正弦波振蕩器三、LC正弦波振蕩器1．變壓器反饋式LC振蕩器（1）電路組成

變壓器反饋式LC振蕩器電路如圖8-6所示。（2）振蕩條件相位平衡條件：為滿足相位平衡條件，變壓器一、二次級(jí)之間的同名端必須正確連接。8.1正弦波振蕩器8.1正弦波振蕩器設(shè)某瞬間基極對(duì)地信號(hào)為，由于共射電路的倒相作用，集電極應(yīng)為Θ，即180。由圖中的同名端可知，反饋信號(hào)與輸出信號(hào)極性相反，即180。于是360，保證了電路的正反饋，滿足振蕩的相位平衡條件。幅度條件：由于LC并聯(lián)回路的選頻作用，并聯(lián)諧振時(shí)，阻抗最大且是電阻性，所以電路只對(duì)該頻率的信號(hào)有足夠大的放大作用，易滿足振蕩的幅度條件。8.1正弦波振蕩器（3）振蕩頻率振蕩頻率由LC并聯(lián)回路的諧振頻率來決定，即（4）電路優(yōu)缺點(diǎn)利用變壓器作為正反饋耦合元件，便于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，電路易起振，輸出電壓較大；調(diào)頻方便，將諧振電容換成可變電容就可實(shí)現(xiàn)對(duì)f0的調(diào)節(jié)要求，調(diào)頻范圍較寬；輸出波形不理想。由于反饋電壓取自電感兩端，它對(duì)高次諧波的阻抗大，反饋也強(qiáng)，因此在輸出波形含有較多高次諧波成分。8.1正弦波振蕩器三、LC正弦波振蕩器2．三點(diǎn)式振蕩器（1）電感三點(diǎn)式振蕩器電感三點(diǎn)式振蕩器就是采用電感繞組自耦式，直接反饋實(shí)現(xiàn)振蕩的電路。電路如圖8-8所示。晶體管構(gòu)成共發(fā)射極放大電路，電感L1、L2和電容C構(gòu)成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，電感的三個(gè)端子分別與晶體管的三個(gè)電極相連。故名電感三點(diǎn)式振蕩器，也稱電感反饋式振蕩器。8.1正弦波振蕩器8.1正弦波振蕩器三、LC正弦波振蕩器用瞬時(shí)極性法判斷可知，電路滿足相位平衡條件。同時(shí)改變線圈抽頭的位置，即改變L2的大小，就可調(diào)節(jié)反饋電壓的大小。當(dāng)滿足

||>1時(shí)，電路便可起振。通常反饋線圈L2的匝數(shù)為線圈L1和L2總匝數(shù)的1/8~1/4。電路的振蕩頻率為上式中，L1+L2+2M為L(zhǎng)C回路的總電感，M為L(zhǎng)1與L2間的互感耦合系數(shù)。8.1正弦波振蕩器三、LC正弦波振蕩器（2）電容三點(diǎn)式振蕩器電容三點(diǎn)式振蕩器與電感三點(diǎn)式振蕩器比較，只是把LC回路中的電感和電容的位置互換。電路如圖8-9所示。同樣，用瞬時(shí)極性法判斷可知，該電路也滿足相位平衡條件。由于反饋電壓取自電容C2兩端，所以適當(dāng)?shù)剡x擇C1、C2的數(shù)值，并使放大電路有足夠的放大量，電路便可起振。電路的振蕩頻率為

8.1正弦波振蕩器8.1正弦波振蕩器三、LC正弦波振蕩器3．石英晶體正弦波振蕩器石英晶體諧振器的電路符號(hào)如圖8-11a所示，其中間部分為石英晶片，兩邊為金屬極板和引出電極。石英晶體諧振器就是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的。壓電諧振與LC電路的諧振現(xiàn)象非常相似，因此可等效為L(zhǎng)C諧振電路，如圖8-11b所示。8.1正弦波振蕩器8.1正弦波振蕩器三、LC正弦波振蕩器圖8-12為石英晶體的電抗-頻率特性。由圖中可知，它有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)的串聯(lián)諧振頻率fs，另一個(gè)是L、C、R支路與C0支路發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)的并聯(lián)諧振頻率fp。石英晶體振蕩器的基本形式有兩種：一種是串聯(lián)型，電路如圖8-13所示；另一種是并聯(lián)型，電路如圖8-14所示。8.1正弦波振蕩器8.2555定時(shí)器及應(yīng)用

一、555定時(shí)器介紹

1.電路結(jié)構(gòu)

5G555定時(shí)器內(nèi)部電路如圖8-15a所示，圖b為引腳排列圖。

555定時(shí)器一般由分壓器、比較器、觸發(fā)器和驅(qū)動(dòng)器及放電開關(guān)等組成。8.2555定時(shí)器及應(yīng)用8.2555定時(shí)器及應(yīng)用一、555定時(shí)器介紹（1）分壓器分壓器由三個(gè)5kΩ電阻組成，串接在電源電壓UCC與地之間，它的作用是為兩個(gè)比較器提供基準(zhǔn)電壓。（2）比較器比較器A1、A2由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放構(gòu)成，A1的反相輸入端TH為高電平觸發(fā)端，A2的同相端為低電平觸發(fā)端。8.2555定時(shí)器及應(yīng)用一、555定時(shí)器介紹（3）基本RS觸發(fā)器它由兩個(gè)與非門組成，其輸出狀態(tài)Q取決于兩個(gè)比較器的輸出。（4）驅(qū)動(dòng)器和放電開關(guān)驅(qū)動(dòng)器即反相器，用來提高定時(shí)器的負(fù)載能力，并隔離負(fù)載對(duì)定時(shí)器的影響。放電開關(guān)晶體管VT，其基極受G1控制。當(dāng)Q=0，=1時(shí)，VT導(dǎo)通，放電端D通過導(dǎo)通的晶體管為外電路提供放電的通路；當(dāng)Q=1，=0時(shí)，VT截止，放電通路阻斷。8.2555定時(shí)器及應(yīng)用一、555定時(shí)器介紹2.功能

555定時(shí)器的功能如表8-1所示，其中“×”表示任意狀態(tài)。8.2555定時(shí)器及應(yīng)用＞＜＞＜＜TH(6)(2)

(4)OUT(3)放電管VT××00導(dǎo)通10導(dǎo)通1不變不變11截止＞8.2555定時(shí)器及應(yīng)用二、

多諧振蕩器1．電路組成電路如圖8-16a所示，555定時(shí)器的⑥腳和②腳直接相連，放電端D接在兩個(gè)電阻之間，無外加信號(hào)，R1、R2、C為定時(shí)元件。8.2555定時(shí)器及應(yīng)用8.2555定時(shí)器及應(yīng)用二、

多諧振蕩器2．工作原理假設(shè)接通電源瞬間，電容C沒有電壓，UTH==uC=0V，則OUT=“1”，VT管截止。電源UCC經(jīng)R1、R2對(duì)電容C充電，τ充=（R1+R2）C，電容電壓逐漸上升，當(dāng)uC達(dá)到2UCC/3時(shí)，輸出由“1”跳變?yōu)椤?”，同時(shí)VT管導(dǎo)通。充電電流從放電端入地，使電容C通過R2及VT管放電，τ放=R2C，當(dāng)uC下降至UCC/3時(shí)，輸出由“0”跳變?yōu)椤?”，同時(shí)VT管截止，C又重新充電。以后重復(fù)上述過程，獲得圖8-16b所示的波形。8.2555定時(shí)器及應(yīng)用二、

多諧振蕩器電容充電時(shí)間tWH≈0.7（R1+R2）C

電容放電時(shí)間tWL≈0.7R2C)振蕩周期T=tWH+tWL=0.7（R1+2R2）C)振蕩頻率f=占空比q=

8.2555定時(shí)器及應(yīng)用三、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1．電路組成電路如圖8-18a所示，555定時(shí)器的⑥腳和⑦腳相連并與定時(shí)元件R、C相連，②腳接輸入觸發(fā)信號(hào)。8.2555定時(shí)器及應(yīng)用8.2555定時(shí)器及應(yīng)用三、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2．工作原理（1）穩(wěn)態(tài)階段輸入端未加負(fù)向觸發(fā)脈沖時(shí)，ui為高電平UCC，即>UCC/3。接通電源瞬間，電路有一個(gè)穩(wěn)定過程，即電源通過電阻R對(duì)電容C充電，當(dāng)uC上升至2UCC/3時(shí)，輸出為“0”，VT管導(dǎo)通，C又通過其快速放電，即UTH=uC=0<2UCC/3，使電路保持原態(tài)“0”不變。所以接通電源后，電路經(jīng)過一段過渡時(shí)間后，輸出穩(wěn)定在“0”態(tài)。8.2555定時(shí)器及應(yīng)用三、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（2）觸發(fā)翻轉(zhuǎn)階段當(dāng)輸入端加入負(fù)脈沖ui時(shí)，=ui<UCC/3，且UTH=0<2UCC/3，則輸出由“0”翻轉(zhuǎn)為“1”，VT管截止，定時(shí)開始。（3）暫穩(wěn)態(tài)維持階段電路翻轉(zhuǎn)為“1”后，此時(shí)觸發(fā)脈沖已消失，ui恢復(fù)為高電平。因VT管截止，電源經(jīng)R對(duì)C充電，τ充=RC，UTH=uC按指數(shù)規(guī)律上升，UTH=uC<2UCC/3，維持“1”態(tài)不變。8.2555定時(shí)器及應(yīng)用三、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（4）自動(dòng)返回階段當(dāng)UTH=uC上升到2UCC/3時(shí)，電路由暫穩(wěn)態(tài)“1”自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)“0”，VT管由截止變?yōu)閷?dǎo)通，電容C經(jīng)放電晶體管VT對(duì)地快速放電，定時(shí)結(jié)束，電路由暫穩(wěn)態(tài)重新轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。電路暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間又稱輸出脈沖寬度，也就是電容C充電的時(shí)間，由電路中的過渡公式可得tW≈1.1RC

8.2555定時(shí)器及應(yīng)用四、施密特觸發(fā)器

1．電壓傳輸特性施密特觸發(fā)器具有類似于磁滯回線的電壓傳輸特性，如圖8-21a所示，圖b為邏輯符號(hào)。它有兩種電壓傳輸特性，具有下述特點(diǎn):（1）施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)，具有兩個(gè)穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，但又不同于一般的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，對(duì)于緩慢變化的信號(hào)仍適用，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到某一電壓時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生突變。8.2555定時(shí)器及應(yīng)用四、施密特觸發(fā)器（2）當(dāng)輸入信號(hào)由小到大或由大到小時(shí)，電路有不同的閾值電壓，UTH+叫正向閾值電壓，UTH-叫負(fù)向閾值電壓，它們的差值為回差電壓ΔUTH，即ΔUTH=UTH+-UTH-

8.2555定時(shí)器及應(yīng)用8.2555定時(shí)器及應(yīng)用四、施密特觸發(fā)器2．電路組成電路如圖8-22a所示，555定時(shí)器的⑥腳和②腳相連作為信號(hào)的輸入端。3．工作原理設(shè)輸入為一初相為0的正弦波，其幅度大于2UCC/3，工作波形如圖8-22b所示。8.2555定時(shí)器及應(yīng)用8.2555定時(shí)器及應(yīng)用四、施密特觸發(fā)器輸入信號(hào)ui從0V開始增大，但小于UCC/3時(shí)，由表8-1可知，輸出為“1”，繼續(xù)增大，但仍小于2UCC/3時(shí)，輸出保持“1”不變，當(dāng)ui增大到2UCC/3時(shí)，電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出由“1”變?yōu)椤?”，此時(shí)對(duì)應(yīng)的ui為正向閾值電壓UTH+。此后ui繼續(xù)增大，輸出維持“0”不變。當(dāng)輸入ui由最大下降到UCC/3之前，電路仍維持原狀態(tài)“0”不變。8.2555定時(shí)器及應(yīng)用四、施密特觸發(fā)器當(dāng)ui從大開始下降到UCC/3時(shí)，電路再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出由“0”變?yōu)椤?”，此時(shí)對(duì)應(yīng)的ui為負(fù)向閾值電壓UTH-。此后ui繼續(xù)下降，輸出維持原來狀態(tài)“1”不變。由上述分析可知，施密特觸發(fā)器的回差電壓為如果在CO端加入控制電壓UCO，則可通過調(diào)節(jié)其大小來調(diào)節(jié)UTH+、UTH-和ΔUTH。

8.3

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)一、計(jì)算機(jī)仿真部分1.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)幅頻特性的觀察8.3

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)一、計(jì)算機(jī)仿真部分2.RC橋式正弦波振蕩電路的調(diào)試8.3

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

二、實(shí)驗(yàn)室操作部分1.555定時(shí)器的功能測(cè)試8.3

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)序號(hào)復(fù)位閾值電壓觸發(fā)電壓輸出放電開關(guān)10任意任意21>2/3UDD>1/3UDD31<2/3UDD>1/3UDD41任意<1/3UDD51<2/3UDD>1/3UDD555定時(shí)器功能測(cè)試表8.3

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)室操作部分2.555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸入信號(hào)ui為2kHz、VP-P=5V、tWL=20μs的矩形波。用示波器觀察ui、uc、uo波形，并測(cè)試單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tW。8.3

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)室操作部分3.555定時(shí)器組成的施密特觸發(fā)器8.4

技能訓(xùn)練雙態(tài)笛音電路的組裝和調(diào)試電路如圖8-32所示。由555定時(shí)器構(gòu)成兩級(jí)多諧振蕩器，第一級(jí)的工作頻