數(shù)字電子技術(shù)及應(yīng)用（第3版） 課件 第4學(xué)習(xí)單元

“十二五”職業(yè)教育國(guó)家規(guī)劃教材

經(jīng)全國(guó)職業(yè)教育教材審定委員會(huì)審定王蘋主編沈璐曾貴苓徐琬婷梁薇副主編數(shù)字電子技術(shù)及應(yīng)用（第2版）（ISBN978-7-121-26517-4）學(xué)習(xí)單元4

振蕩電路的制作與調(diào)試

數(shù)字鐘組成框圖4-1555定時(shí)器4-2555定時(shí)器的應(yīng)用電路4-3石英晶體多諧振蕩器實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目1HZ秒脈沖信號(hào)發(fā)生器的分析與設(shè)計(jì)

50HZ振蕩電路的制作與調(diào)試完成項(xiàng)目任務(wù)所需知識(shí)點(diǎn)1、555時(shí)基電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、引腳功能；晶振的工作原理2、由555構(gòu)成多諧振蕩器電路，多諧振蕩器的功能特點(diǎn)、參數(shù)計(jì)算、應(yīng)用；知識(shí)重點(diǎn)555時(shí)基電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、引腳功能石英晶體振蕩器的工作原理知識(shí)難點(diǎn)555應(yīng)用電路的功能分析及參數(shù)計(jì)算職業(yè)技能訓(xùn)練能利用555、石英晶體振蕩器設(shè)計(jì)制作振蕩電路，能進(jìn)行參數(shù)計(jì)算并能使用萬用表、示波器等儀器儀表進(jìn)行調(diào)試能用555、電阻、電位器、電容等器件設(shè)計(jì)功能電路能根據(jù)設(shè)計(jì)的原理圖選用IC芯片，并能列出材料清單并根據(jù)清單備齊所需元器件能根據(jù)電路制作與調(diào)試需要選用五金工具和焊接工具，制作短連線并能插接短連線，能對(duì)電子元器件引線浸錫能根據(jù)設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)行合理的布線布局，使用焊接工具手工焊接實(shí)際電路（電路板）能正確焊接IC芯片管腳、電源和地線能發(fā)現(xiàn)電路制作過程中出現(xiàn)的工藝質(zhì)量問題，能編寫工作任務(wù)報(bào)告能團(tuán)結(jié)小組成員、開展分工合作；具有成本意識(shí)、質(zhì)量意識(shí)4.1555定時(shí)器知識(shí)分布網(wǎng)絡(luò)電路結(jié)構(gòu)功能復(fù)位置位維持直接復(fù)位555定時(shí)器電阻分壓器電壓比較器基本RS觸發(fā)器放電三極管T輸出緩沖器4.1555定時(shí)器555定時(shí)器是一種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便靈活、應(yīng)用非常廣泛的模擬與數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路，也稱為時(shí)基電路。555定時(shí)器廣泛應(yīng)用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、儀器與儀表電路、測(cè)量與控制電路、定時(shí)和報(bào)警以及家用電器與電子玩具等領(lǐng)域。555定時(shí)器的電源電壓范圍寬，TTL555定時(shí)器為5~16V，輸出最大負(fù)載電流可達(dá)200mA，可直接驅(qū)動(dòng)微電機(jī)、指示燈及揚(yáng)聲器等。COMS555的電源電壓為3~18V，但輸出最大負(fù)載電流為4mA。TTL單定時(shí)器型號(hào)最后3位數(shù)字為555，雙定時(shí)器為556；CMOS單定時(shí)器型號(hào)的最后4位數(shù)字為7555，雙定時(shí)器型號(hào)為7556。4.1.1555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)555定時(shí)器由五部分組成，即由電阻分壓器（三個(gè)5kΩ電阻構(gòu)成）、電壓比較器（C1和C2）、基本RS觸發(fā)器（由G1和G2兩個(gè)與非門組成）、集電極開路的放電三極管T和輸出緩沖級(jí)（G3）組成。

直接復(fù)位端低電平有效外加控制電壓端電壓輸出端放電端復(fù)位控制輸入端置位控制輸入端172865434.1.1555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)電阻分壓器（三個(gè)5kΩ電阻構(gòu)成）為電壓比較器（C1和C2）提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓。電壓比較器為RS觸發(fā)器提供觸發(fā)信號(hào)：u+＞u-,輸出高電平UOH(

“1”)u+＜u-,輸出低電平UOL(“0”)RS觸發(fā)器：低電平有效觸發(fā)則Q=0則Q=1RS觸發(fā)器控制放電管T的工作狀態(tài)(導(dǎo)通或截止)T導(dǎo)通T截止Q0104.1.2555定時(shí)器的功能THC1C2uoT功能說明0××××0導(dǎo)通直接復(fù)位功能11截止置位功能10導(dǎo)通復(fù)位功能

1保持保持維持功能555定時(shí)器功能表注：VCO端無外加控制電壓

4.2555定時(shí)器的應(yīng)用電路知識(shí)分布網(wǎng)絡(luò)555定時(shí)器的應(yīng)用電路施密特觸發(fā)器多諧振蕩器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器參數(shù)計(jì)算電路組成4.2.1用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器①電路只有一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，另一個(gè)狀態(tài)是暫穩(wěn)態(tài)，不加觸發(fā)信號(hào)時(shí)，它始終處于穩(wěn)態(tài)；②在外加觸發(fā)脈沖（上升沿或下降沿）作用下，電路才能由穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)不能長(zhǎng)久保持，經(jīng)過一段時(shí)間后能自動(dòng)返回原來的穩(wěn)態(tài)；③暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時(shí)間tW取決于電路本身的參數(shù)，與外加觸發(fā)信號(hào)無關(guān)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有以下特點(diǎn)：4.2.1用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路結(jié)構(gòu)R、C——定時(shí)元件（決定tW）4.2.1用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理

1)穩(wěn)態(tài)：接通VCC后瞬間，VCC通過R對(duì)C充電，當(dāng)uc上升到2VCC/3時(shí)，⑥管腳為1,②管腳ui

=1，∴uo=0，放電管T導(dǎo)通，C又通過T放電，使uc=0，但ui

=1，故uo=0不變，電路處于穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)4.2.1用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理

2)觸發(fā)由穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)：ui負(fù)脈沖到來時(shí)刻，因ui＜VCC/3為0，uc

仍為0，∴uo由0變?yōu)?，放電管T截止，VCC經(jīng)R對(duì)C充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)4.2.1用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理

暫穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)3）暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)：當(dāng)uc充電到2VCC/3為1時(shí)，ui負(fù)脈沖已消失ui

=1，∴輸出uo＝0，T導(dǎo)通，C放電，電路自動(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)4.2.1用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tW的計(jì)算

暫穩(wěn)態(tài)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間tW就是電容上的電壓由0按指數(shù)規(guī)律上升到2/3VCC的時(shí)間，根據(jù)一階RC電路三要素法，電容兩端的電壓為：由于τ為充電時(shí)間常數(shù)，τ=RC，t=tw時(shí)

得4.2.1用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器屬于脈沖整形電路,常用于脈沖波形的整形（把不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換成寬度、幅度都相等的波形）,延時(shí)（把輸入信號(hào)延遲一定時(shí)間后輸出）、定時(shí)（產(chǎn)生一定寬度的矩形波）。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用作定時(shí)電路用555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器4.2.2用555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器：輸出和輸入電壓具有滯后電壓傳輸特性的電路。特點(diǎn)：1）屬于電平觸發(fā)，有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。2）對(duì)于正向和負(fù)向增長(zhǎng)的輸入信號(hào)，電路的觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平不同。定義：反相輸出的傳輸特性0UT+UT-uoui1uiuo反相輸出的邏輯符號(hào)反相輸出特性：當(dāng)輸入電壓正向增加到正向閥值電壓UT＋時(shí)，輸出由1態(tài)翻轉(zhuǎn)到0態(tài)；當(dāng)輸入電壓反向減小到負(fù)向閥值電壓UT－時(shí),輸出由0態(tài)翻轉(zhuǎn)到1態(tài)。UT＋與UT－的差值ΔUT＝UT＋–UT－稱作回差電壓。類型：反相輸出的施密特觸發(fā)器同相輸出的施密特觸發(fā)器同相輸出特性：當(dāng)輸入電壓正向增加到正向閥值電壓UT＋時(shí)，輸出由0態(tài)翻轉(zhuǎn)到1態(tài)；當(dāng)輸入電壓反向減小到負(fù)向閥值電壓UT－時(shí),輸出由1態(tài)翻轉(zhuǎn)到0態(tài)。傳輸特性及邏輯符號(hào)4.2.2用555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器電路結(jié)構(gòu)與工作原理2.當(dāng)ui反向減小：當(dāng)ui＜2VCC/3

且ui＞VCC/3時(shí)，6、2管腳0、1，輸出保持不變∴uo=0；ui≤VCC/3時(shí)，6、2管腳為0、0，∴uo=10000110111111001.當(dāng)ui正向增長(zhǎng)：當(dāng)ui＜VCC/3時(shí)，6、2管腳狀態(tài)為0、0，繼續(xù)增大到ui＜2VCC/3時(shí)，6、2管腳狀態(tài)為0、1，∴uo=1；當(dāng)ui≥2VCC/3時(shí)，6、2管腳為1、1，輸出由1變?yōu)??！鄒o=0010000114.2.2用555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器傳輸特性輸入信號(hào)由小變大時(shí)，使電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓稱作正向閾值電壓。輸入信號(hào)由大變小時(shí)，使電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓稱作負(fù)向閾值電壓。外接控制電壓可改變它們的值4.2.2用555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器應(yīng)用1）波形變換施密特觸發(fā)器可以將三角波、正弦波及變化緩慢的非矩形波變換為上升沿和下降沿都很陡峭的矩形波。2）脈沖波形整形施密特觸發(fā)器可以將一個(gè)不規(guī)則的波形進(jìn)行整形，得到一個(gè)良好的波形，。3）脈沖幅度鑒別施密特觸發(fā)器可用來將幅度較大的脈沖信號(hào)鑒別出來4.2.3用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器多諧振蕩器：是一種自激振蕩電路，它無穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，接通電源后，無需外加觸發(fā)脈沖信號(hào)，電路便能在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間相互翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生矩形脈沖信號(hào)，因?yàn)榫匦蚊}沖信號(hào)含有豐富的諧波成分，所以常將矩形脈沖產(chǎn)生電路稱為多諧振蕩器。

特點(diǎn)：無穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，無需觸發(fā)信號(hào)4.2.3用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器電路結(jié)構(gòu)與工作原理接通VCC后，VCC經(jīng)R1和R2對(duì)C充電。當(dāng)uc上升到2VCC/3時(shí)，uo=0，T導(dǎo)通，C通過R2和T放電，uc下降。當(dāng)uc下降到VCC/3時(shí)，uo又由0變?yōu)?，T截止，VCC又經(jīng)R1和R2對(duì)C充電。如此重復(fù)上述過程，在輸出端uo產(chǎn)生了連續(xù)的矩形脈沖。充電放電初始化充電T截止T導(dǎo)通放電uo4.2.3用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器振蕩頻率的計(jì)算電容放電時(shí)間電容充電時(shí)間三要素法tW1的計(jì)算tW2的計(jì)算4.2.3用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器振蕩頻率的計(jì)算電容放電時(shí)間電容充電時(shí)間占空比思考如何實(shí)現(xiàn)50HZ振蕩電路？50HZ振蕩電路的制作與調(diào)試制作并調(diào)試電路用示波器觀察uc和uo波形調(diào)節(jié)電位器，使輸出信號(hào)uo的頻率為50HZ理論計(jì)算輸出信號(hào)uo的頻率范圍4.3石英晶體多諧振蕩器知識(shí)分布網(wǎng)絡(luò)石英晶體的結(jié)構(gòu)壓電效應(yīng)石英晶體多諧振蕩器石英晶體的工作原理和等效電路石英晶體和反相器構(gòu)成的多諧振蕩器石英晶體的電抗特性、等效電路圖4.3.1石英晶體的工作原理與等效電路1．石英晶體的結(jié)構(gòu)石英晶體結(jié)構(gòu)圖及石英晶體切片

石英晶體結(jié)構(gòu)及符號(hào)壓電效應(yīng)的定義：當(dāng)晶片的兩個(gè)基板受到一定方向的外力時(shí)，會(huì)在相應(yīng)的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，產(chǎn)生電場(chǎng)。反之，在電場(chǎng)的作用下，晶片又會(huì)產(chǎn)生一定頻率的機(jī)械變形。稱為壓電效應(yīng)。什么是壓電諧振？當(dāng)外加電場(chǎng)的頻率和晶片的固有頻率相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，其振動(dòng)幅度驟然增大，這種現(xiàn)象就稱為壓電諧振。2．石英晶體的等效電路、電抗特性、諧振頻率4.3.1石英晶體的工作原理與等效電路石英晶體等效電路模型石英晶體的電抗特性串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率

兩個(gè)諧振的頻率很接近4.3.2石英晶體和反相器構(gòu)成的多諧振蕩器1.電路兩個(gè)反相器經(jīng)電容C1、C2耦合形成正反饋回路。合理選擇反饋電阻R1、R2，使G1、G2工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，這時(shí)，兩個(gè)反相器都工作在放大區(qū)。由石英晶體的頻率特性可知，串聯(lián)諧振時(shí)候，阻抗最小，此時(shí)的阻抗近似于0。并聯(lián)諧振時(shí)候，阻抗最大，此時(shí)阻抗近似為無窮。所以當(dāng)處于串聯(lián)諧振時(shí)候，此時(shí)的正反饋?zhàn)畲?，形成振蕩，產(chǎn)生的振蕩頻率完全取決于石英晶體本身的串聯(lián)諧振頻率。4.3.2石英晶體和反相器構(gòu)成的多諧振蕩器2.工作原理當(dāng)電路工作時(shí)，G2輸出的噪聲信號(hào)經(jīng)過石英晶體之后，選出頻率為fs的正弦信號(hào)，并反饋到UI1,經(jīng)過G1、C1

、G2線性放大，由C2、Y1反饋到UI1。多次放大后，輸出削頂失真信號(hào)，形成近似方波輸出。振蕩頻率fo等于fs，石英晶體振蕩器最高頻率可達(dá)幾十兆赫。知識(shí)梳理與總結(jié)1.555定時(shí)器是一種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便靈活、應(yīng)用非常廣泛的模擬與數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路，它具有較強(qiáng)的負(fù)載能力和較高的觸發(fā)靈敏度，因而在自動(dòng)控制，儀器儀表，家用電器等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。2.在555定時(shí)器外部接少許阻容元器件可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器和多諧振蕩器。3.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個(gè)穩(wěn)態(tài)，在輸入觸發(fā)信號(hào)作用下，由穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)一段時(shí)間后，自動(dòng)回到原來的穩(wěn)態(tài)，輸出單脈沖信號(hào)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器主要用于脈沖整形、定時(shí)、脈寬展寬等。4.施密特觸發(fā)器有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)，具有滯后