电子系统设计与工程实践.pptx

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1、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：电压范围、稳定度及平坦度、电压准确度、输出阻抗 波形纯正度第1页/共57页4.2 正弦波振荡器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：第2页/共57页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 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

2、判断方法常采用瞬时极性法。第3页/共57页RC正弦波振荡器正弦波振荡器1.RC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可方便连续调节振荡频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波形。第4页/共57页正弦波振荡器正弦波振荡器2.移相式振荡器振荡频率起振条件电路特点及应用场合电路简单，经济方便，适用波形要求不高的轻便测试设备中。第5页/共57页正弦波振荡器正弦波振荡器3.双T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选频特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。第6页/共57页正弦波振荡器正弦波振荡器1.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优点：起振较容

3、易、调整方便。缺点：输出波形不好；在频率较高时，不易起振。第7页/共57页第8页/共57页正弦波振荡器正弦波振荡器2.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。第9页/共57页第10页/共57页正弦波振荡器正弦波振荡器3.克拉泼振荡器振荡频率起振条件电路特点及应用场合优点：减小了 和 对频率的影响第11页/共57页正弦波振荡器正弦波振荡器4.西勒振荡器振荡频率起振条件电路特点及应用场合优点：减小了 和 对频率的影响第12页/共57页 石英晶体振荡器石英晶体振荡器1.皮尔斯振荡器振荡频率电路特点及应用场合优点

4、：频率稳定性高，最高可达 之间，缺点：改变频率困难，只能点频。第13页/共57页石英晶体振荡器石英晶体振荡器2.密勒振荡器振荡频率电路特点及应用场合频率稳定度高，但改变频率困难。第14页/共57页石英晶体振荡器石英晶体振荡器3.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。第15页/共57页4.3 非正弦波振荡器非正弦波振荡器 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。第16页/共57页 矩形波发生电路矩形波发生电路典型电路电路波形主要参数第17页/共57页三角波发生电路三角波发生电路典型电路电路波形主要参数第18页/共57页 锯齿波发生电路典

5、型电路电路波形第19页/共57页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、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。第20页/共57页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

6、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。第21页/共57页 555可独立构成一个定时电路，且定时精度高，所以常被称为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。第22页/共57页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

7、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。第23页/共57页（2）常见封装形式555和556时基电路的封装示意图第24页/共57页时基电路工作原理时基电路工作原理一、双极型555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。第25页/共57页图1 CA555时基电路的内部等效电路图双稳态触发器推挽式功率输出IO=200mAImax50mA2/3VCC1/3VCC第26页/共57页 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、

8、一个驱动器和一个放电晶体管。图2 CA555时基电路的等效功能电路图2/3VCC1/3VCC置位复位触发器第27页/共57页表1 CA555引出端真值表强制复位低电平低电平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1可看出，、R、的输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟和数字电路的特色。第28页/共57页（2）国产双极型定时器CB555时基电路图3 CB555时基电路的等效功能电路图复位触发复位触发置

9、位触发置位触发强制复位强制复位控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第29页/共57页表2 CB555引出端真值表输 入输 出VI1VI2VOTD状态0 xx低导通12/3VCC1/3VCC低导通11/3VCC不变不变1 2/3VCC2/3VCC1/3VCC高截止第30页/共57页二、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，

10、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555/556的四种工作状态情况，与表1所示类同。第34页/共57页双极型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

11、好，温度漂移不高于50ppm/oC。双极型双极型555和和CMOS型型555的性能比的性能比较第35页/共57页双极型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

12、流仅为13mA，而双极型的输出驱动电流可达200mA.第36页/共57页 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。第37页/共57页1.1.施密特触发器的特点施密特触发器的特点施密特触发器的特点施密特触发器的特点（）（）（）（）输入信号从低电平上升的过程中电路状态输入信号从低电平上升的过程中电路状态输入信号从低电平上升的过程中电路状态输入信号从低电平上升的过程中电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平转换时对应的输入

13、电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。下降过程中对应的输入转换电平不同。下降过程中对应的输入转换电平不同。下降过程中对应的输入转换电平不同。（）（）（）（）在电路状态转换时，通过电路内部的正反在电路状态转换时，通过电路内部的正反在电路状态转换时，通过电路内部的正反在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。利用这两个特点利用这两个特点利用这两个特点利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整不仅能将边沿变化

14、缓慢的信号波形整不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，形为边沿陡峭的矩形波，形为边沿陡峭的矩形波，形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲而且可以将叠加在矩形脉冲而且可以将叠加在矩形脉冲而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地消除。高、低电平上的噪声有效地消除。高、低电平上的噪声有效地消除。高、低电平上的噪声有效地消除。用用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第38页/共57页.电路结构电路结构电路结构电路结构将将将将555555定时器的两个输入端连在一起作为信号输入端，即可得到施密特触发定时器的两个输入端连在一起作为信号输入端，即可得到施

15、密特触发定时器的两个输入端连在一起作为信号输入端，即可得到施密特触发定时器的两个输入端连在一起作为信号输入端，即可得到施密特触发器。器。器。器。滤波电容，为滤波电容，为提高提高V VR1R1和和V VR2R2的稳定性的稳定性信号输入端信号输入端5 56 62 27 7v vI1I1v vI2I2V VR2R2V VR1R10.010.01 F Fv vI Iv vOO5k5k5k5k5k5kT TDDGG2 2Q Q Q Q8 84 43 31 1+-C C1 1+-C C2 2GG1 1GG3 3GG4 4V VCCCC v vC2C2v vC1C1V VR1R1第39页/共57页.工作原理

16、工作原理工作原理工作原理v vOOO Ot tv vI IO Ot tv vo o由高电平变为低电平和由低电平变为高电平由高电平变为低电平和由低电平变为高电平 所对应的所对应的v vI I值不同，就形成了施密特触发特性。值不同，就形成了施密特触发特性。5 56 62 27 7v vI1I1v vI2I2V VR2R2V VR1R10.010.01 F Fv vI Iv vOO5k5k5k5k5k5kT TDDGG2 2Q Q Q Q8 84 43 31 1+-C C1 1+-C C2 2GG1 1GG3 3GG4 4V VCCCC v vC2C2v vC1C1第40页/共57页.施密特触发器的

17、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。第41页/共57页4.4.5 用用555555定时器接成的多谐振荡器定时器接成的多谐振荡器多谐振荡器是一种多谐振荡器是一种多谐振荡器是一种多谐振荡器是一种自激振荡器自激振荡器，接通电源以后，接通电源以后，接通电源以后，接通电源以后，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲

18、，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲，由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分量，由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分量，由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分量，由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上把矩形波振荡器叫做所以习惯上把矩形波振荡器叫做所以习惯上把矩形波振荡器叫做所以习惯上把矩形波振荡器叫做多谐振荡器多谐振荡器。第42页/共57页v vOOO Ot tv vCCO Ot tt tp2p2t tp1p1 充电回路：充电回路：充电回路：充电回路：V VCCCC R R1 1 R R2 2 C C 地

19、。地。地。地。放电回路：放电回路：放电回路：放电回路：C C R R2 2 T T 地。地。地。地。v vC C0.010.01 F FC CR R1 15 56 62 27 7v vOO5k5k5k5k5k5kT TD DGG2 2Q Q Q Q8 84 43 31 1+-C C1 1+-C C2 2GG1 1GG3 3GG4 4V VCCCC v vC2C2v vC1C1R R2 2第43页/共57页v vOOO Ot tv vCCO Ot tt tp1p1t tp2p2振荡周期和振荡频率振荡周期和振荡频率振荡周期和振荡频率振荡周期和振荡频率振荡周期振荡周期振荡周期振荡周期振荡频率振荡频率

20、振荡频率振荡频率占空比占空比占空比占空比用用用用CB555CB555定时器组成的振荡器，最高工作频率可达定时器组成的振荡器，最高工作频率可达定时器组成的振荡器，最高工作频率可达定时器组成的振荡器，最高工作频率可达500kHz500kHz。第44页/共57页占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器R R 1 1R R 2 2 充电回路：充电回路：充电回路：充电回路：V VCCCC R R 1 1 D D1 1 C C 地。地。地。地。放电回路：放电回路：放电回路：放电回路：C C D D2 2 R R 2 2 T T 地。地。地。地。占空比占空比占

21、空比占空比8 48 47 72 21 51 56 63 3555555R R2 2R R1 1R RP PD D2 2D D1 1C C0.010.01 F Fv vOOV VCCCC第45页/共57页应用举例应用举例应用举例应用举例()()、()()均为多谐振荡电路，均为多谐振荡电路，均为多谐振荡电路，均为多谐振荡电路，当当当当v vo1o1输出高电平时输出高电平时输出高电平时输出高电平时()()振荡，振荡，振荡，振荡，v vo2o2输出矩形脉冲，输出矩形脉冲，输出矩形脉冲，输出矩形脉冲，当当当当v vo1o1输出低电平时输出低电平时输出低电平时输出低电平时()()被置被置被置被置0 0，v

22、 vo2o2输出低电平。输出低电平。输出低电平。输出低电平。8 48 47 72 21 51 56 63 3555555R R1212R R1111C C1 10.010.01 F Fv vO1O1V VCCCC8 48 47 72 21 51 56 63 3555555R R2222R R2121C C2 20.010.01 F Fv vO2O2()()()()第46页/共57页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47积分方式充放电电路加缓冲器第47页/共57页4.5.1 ICL8030特点 频率范围宽、稳定度高

23、、外围电路简单，可产生0.001Hz300KHz波形。引脚说明48第48页/共57页天津工业大学天津工业大学49典型电路减小失真度和频率范围在20Hz20kHz第49页/共57页天津工业大学天津工业大学50MAX308的性能特点(1)频率范围：0.1Hz20MHz(2)15%85%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%第50页/共57页4.6 直接数字频率合成技术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。第51页/共57页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）原理框图第52页/共57页信号的频率关系信号的频率关系第53页/共57页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等第54页/共57页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.复制法第55页/共57页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56第56页/共57页感谢您的观看！第57页/共57页