《电子系统设计与工程实践1》第四章课件.ppt

1、第4章 信号发生电路第四章第四章 信号发生电路信号发生电路4.1 信号发生器分类及技术参数4.2 正弦波信号发生器4.2.1 RC正弦波振荡器4.2.2 LC正弦波振荡器4.2.3 石英晶体振荡器4.3 非正弦波信号发生器4.3.1 矩形波振荡器4.3.2 三角波振荡器4.3.3 锯齿波振荡器4.4 555电路结构及信号发生器设计4.5 集成函数信号发生器4.6 直接数字频率合成技术4.7 设计实例4.1 信号发生器分类及技术参数信号发生器分类及技术参数分类：信号发生器一般分为正弦波发生器、非正弦波发生器，以及任意波发生器等。技术参数：频率特性：频率范围、频率准确度、频率稳定度 输出特性：电压

2、范围、稳定度及平坦度、电压准确度、输出阻抗 波形纯正度4.2 正弦波振荡器振荡器是自动地将直流能量转换为一定波形参数的交流振荡信号的装置。根据波形不同，可将振荡器分为正弦波振荡器及非正弦波振荡器。正弦波振荡器一般分为：正弦波振荡器要起振和稳定的工作必须满足起振条件和平衡条件。起振条件为1arg2(0,1,2,)AFFFnn 平衡条件为 一般振荡器幅度条件容易满足，关键是相位是否满足。相位条件的判断方法常采用瞬时极性法。4.2.1 RC正弦波振荡器1.RC串并联网络振荡器串并联网络振荡器振荡频率起振条件电路特点及应用场合012fRC12RRR12CCC3A FRR可方便连续调节振荡频率，便于加负

3、反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波形。4.2.1 RC正弦波振荡器2.移相式振荡器移相式振荡器振荡频率起振条件电路特点及应用场合012 3fRC12RRR123CCCC12FRR电路简单，经济方便，适用波形要求不高的轻便测试设备中。4.2.1 RC正弦波振荡器3.双双T型选频网络振荡器型选频网络振荡器振荡频率起振条件电路特点及应用场合015fRC1AF 32RR 选频特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。4.2.2 LC正弦波振荡器1.电感三点式振荡器（哈特莱）电感三点式振荡器（哈特莱）振荡频率起振条件电路特点及应用场合1gLC122LLLMmin1()mmoeiegggFgF优点：起振较容易

4、、调整方便。缺点：输出波形不好；在频率较高时，不易起振。21LMFLM4.2.2 LC正弦波振荡器2.电容三点式振荡器（考毕兹）电容三点式振荡器（考毕兹）振荡频率起振条件电路特点及应用场合1211ieoegg gLCC CLC1212C CCCCmin1()mmoeiegggFgF优点：输出波形好、工作频率可以做的较高。缺点：调整频率困难，起振困难。12CFC4.2.2 LC正弦波振荡器3.克拉泼振荡器克拉泼振荡器振荡频率起振条件电路特点及应用场合031gLCmin1()()mmoeLieggggFgF优点：减小了 和 对频率的影响12CFCoeCieC4.2.2 LC正弦波振荡器4.西勒振荡

5、器西勒振荡器振荡频率起振条件电路特点及应用场合0341()gL CCmin1()()mmoeLieggggFgF优点：减小了 和 对频率的影响12CFCoeCieC4.2.3 石英晶体振荡器1.皮尔斯振荡器皮尔斯振荡器振荡频率电路特点及应用场合01qqoLCCC优点：频率稳定性高，最高可达 之间，缺点：改变频率困难，只能点频。5710101212LC CCCC4.2.3 石英晶体振荡器2.密勒振荡器密勒振荡器振荡频率电路特点及应用场合01fMHz频率稳定度高，但改变频率困难。4.2.3 石英晶体振荡器3.串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器电路特点及应用场合频率稳定度高，但改变频率困难。4.3 非

6、正弦波振荡器 常用的非正弦波发生电路有矩形波发生电路、三角波发生电路及锯齿波发生电路等。4.3.1 矩形波发生电路典型电路典型电路电路波形电路波形主要参数主要参数1112THZRUURR1212THZRUURR 13222ln(1)RTR CR4.3.2 三角波发生电路典型电路典型电路电路波形电路波形主要参数主要参数12omZRUUR 1424R RTCR4.3.3 锯齿波发生电路典型电路典型电路电路波形电路波形4.4 555电路结构及信号发生器设计电路结构及信号发生器设计 555时基电路大量应用于电子控制、电子检测、仪器仪表、家用电器、音响报警、电子玩具等诸多方面。还可用作振荡器、脉冲发生器

7、、延时发生器、定时器、方波发生器、单稳态触发振荡器、双稳态多谐振荡器、自由多谐振荡器、锯齿波发生器、脉宽调制器、脉位调制器等等。4.4.1 555时基电路特点时基电路特点 555时基电路之所以得到这样广泛的应用，在于它具有如下几个特点：555在电路结构上是由模拟电路和数字电路组合而成，它将模拟功能与逻辑功能兼容为一体，能够产生精确的时间延迟和振荡。它拓宽了模拟集成的应用范围。该电路采用单电源。双极型555的电压范围为4.5V15V；而CMOS型的电源适应范围更宽，为2V18V。这样，它就可以和模拟运算放大器和TTL或CMOS数字电路共用一个电源。555可独立构成一个定时电路，且定时精度高，所以

8、常被称为555定时器。555的最大输出电流可达200mA（双极型）,带负载能力强。可直接驱动小电机、喇叭、继电器等负载。4.4.2 555时基电路封装与命名时基电路封装与命名（1）命名规则：所有双极型产品型号最后的3位数码都是555；所有CMOS产品型号最后的4位数码都是7555；所有双极型双定时器产品最后的3位数码都是556；所有CMOS双定时器产品最后的4位数码都是7556 双极型和CMOS型555定时器的功能和外部引脚的排 列完全相同。（2）常见封装形式）常见封装形式555和和556时基电路的封装示意图时基电路的封装示意图4.4.3 555时基电路工作原理时基电路工作原理一、双极型555

9、时基电路的工作原理（1）美国无线电公司生产的CA555时基电路 图1是美国无线电公司生产的CA555时基电路的内部等效电路图。图图1 CA555时基电路的内部等效电路图时基电路的内部等效电路图TRTH双稳态触发器双稳态触发器推挽式功率输出推挽式功率输出IO=200mAImax50mA2/3VCC1/3VCC 555电路可简化为下图2所示的等效功能电路。显然555电路内含两个比较器A1和A2、一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管。图图2 CA555时基电路的等效功能电路图时基电路的等效功能电路图Q2/3VCC1/3VCC置位复位触发器置位复位触发器表1 CA555引出端真值表SMR强制复位低电

10、平低电平0.3V*电平保持保持保持电平1.4V2/3Vcc1/3Vcc电平低电平悬空状态7(Q)复位置位功能低电平1.4V2/3Vcc1/3Vcc电平高电平1.4V*1/3Vcc电平3(V0)4()6(R)2()引脚 由表由表1可看出，可看出，、R、的输入不一定是逻辑电的输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟兼有模拟和数字电路的特色和数字电路的特色。SMR（2）国产双极型定时器）国产双极型定时器CB555时基电路时基电路图图3 CB555时基电路的等效功能电路图时基电路的等效功能电路图复位触发复位触发置位触发置位触发强制复位强制复位控

11、制电压控制电压放电端放电端输出端输出端置位复位触发器置位复位触发器表表2 CB555引出端真值表引出端真值表DR二、CMOS型555时基电路的工作原理 CMOS型555时基电路在大多数应用场合，都可以直接代换标准的双极型的555。它与所有CMOS型电路一样，具有输入阻抗高、功耗极小、电源适应范围宽等一系列优点，特别适用于低功耗、长延时等场合。但它的输出驱动能力较低（最大负载电流2/3Vcc时，V0为“0”电平，处于复位状态；而当置位触发端 的电位，即Vs1/3Vcc时，A2输出为“1”，RS触发器置位，输出端V0为“1”电平。可见，图4所示的功能框图相当于一个置位-复位触发器。CMOS型555

12、/556的四种工作状态情况，与表1所示类同。双极型555和CMOS型555的共同点：二者的功能大体相同，外形和管脚排列一致，在大多数应用场合可直接替换。均使用单一电源，适应电压范围大，可与TTL、HTL、CMOS型数字逻辑电路等共用电源。555的输出为全电源电平，可与TTL、HTL、CMOS型等电路直接接口。电源电压变化对振荡频率和定时精度的影响小。对定时精度的影响仅0.05/V，且温度稳定性好，温度漂移不高于50ppm/oC。双极型双极型555555和和CMOSCMOS型型555555的性能比较的性能比较双极型555与CMOS型555的差异：CMOS型555的功耗仅为双极型的几十分之一，静态

13、电流仅为300A左右，为微功耗电路.CMOS型555的电源电压可低至23V；各输入功能端电流均为pA(微微安)量级。CMOS型555的输出脉冲的上升沿和下降沿比双极型的要陡，转换时间短。CMOS型555在传输过渡时间里产生的尖峰电流小，仅为23mA；而双极型555的尖峰电流高达300400mA。CMOS型555的输人阻抗比双极型的要高出几个数量级，高达1010。CMOS型555的驱动能力差，输出电流仅为13mA，而双极型的输出驱动电流可达200mA.一般说来，在要求定时长、功耗小、负载轻的场合宜选用CMOS型555；而在负载重、要求驱动电流大、电压高的场合，宜选用双极型的555。4.4.3 用

14、用555555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器CCV31CCV32.施密特触发器的应用施密特触发器的应用（）用于波形变换利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可把边沿变化缓慢的周期性信号变成边沿很陡的矩形脉冲信号。（）用于脉冲整形在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，可通过施密特触发器整形获得比较理想的矩形脉冲波形。（）用于脉冲鉴幅施密特触发器能将幅度大于VT+的脉冲选出，具有脉冲鉴幅能力。自激振荡器自激振荡器多谐振荡器多谐振荡器CCU32CCU31CCU32CCU312ln)(211CRRtpCRR)(7.021 2ln22CRtpCR27.0 CRRttT)

15、2(7.021p2p1CRRTf)2(43.1121 212112RRRRTtDp 211RRRD 4.5 集成函数信号发生器集成函数信号发生器 将波形发生器和波形变换器集成在同一硅片上 积分方式 和 充放电电路加缓冲器49积分方式充放电电路加缓冲器4.5.1 ICL8030 特点 频率范围宽、稳定度高、外围电路简单，可产生0.001Hz300KHz波形。引脚说明504.5.1 ICL8038天津工业大学天津工业大学51典型电路减小失真度和频率范围在20Hz20kHz4.5.2 MAX038天津工业大学天津工业大学52MAX308的性能特点(1)频率范围：0.1Hz20MHz(2)15%85%

16、占空比(3)输出方波正弦波、方波、锯齿波及三角波(4)波形失真度0.75%4.6 直接数字频率合成技术 频率合成的方法很多，但基本上分为两大类：直接合成法和间接合成法。在具体实现中可分为下面三种方法：我们只介绍直接数字频率合成法（DDS），其他频率合成法在高频电子线路中介绍。4.6.1 直接数字频率合成基本原理直接数字频率合成基本原理直接数字合成（DDS）原理框图4.6.2 信号的频率关系信号的频率关系4.6.4 直接频率合成信号源实例直接频率合成信号源实例AD9850、AD9851、AD9852、AD9853、AD9854等4.6.5 任意波形的产生方法任意波形的产生方法1.表格法2.数学方程法3.折线法4.作图法5.复制法4.7 设计实例设计实例 题目需求见课本 设计步骤：题目分析、方案论证、电路设计、加工制作、调试58