电子系统设计与工程实践1,第4章 信号发生电路,2,第四章 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,3,4.1 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,4,4.2 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：,5,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。相位条件的判断方法常采用瞬时极性法。,6,4.2.1 RC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。,7,4.2.1 RC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。,8,4.2.1 RC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。,9,4.2.2 LC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：起振较容易、调整方便。缺点：输出波形不好；在频率较高时，不易起振。,10,11,4.2.2 LC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。,12,13,4.2.2 LC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,14,4.2.2 LC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,15,4.2.3 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：频率稳定性高，最高可达 之间，缺点： 改变频率困难，只能点频。,16,4.2.3 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。,17,4.2.3 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。,18,4.3 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。,19,4.3.1 矩形波发生电路,典型电路,电路波形,主要参数,20,4.3.2 三角波发生电路,典型电路,电路波形,主要参数,21,4.3.3 锯齿波发生电路,典型电路,电路波形,22,4.4 555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。,23,4.4.1 555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。,24, 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。,25,4.4.2 555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。,26,（2）常见封装形式,555和556时基电路的封装示意图,27,4.4.3 555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。,28,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=200mA,Imax50mA,2/3VCC,1/3VCC,29,555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2 CA555时基电路的等效功能电路图,2/3VCC,1/3VCC,置位复位触发器,30,表1 CA555引出端真值表,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。,31,（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,置位触发,强制复位,控制电压,放电端,输出端,置位复位触发器,32,表2 CB555引出端真值表,33,二、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4mA），不能直接驱动要求较大的电流的电感性负载。 图4是5G7556（ICM7556）的内部等效电路图。,34,200K,A1,A2,双稳态触发器,CMOS反相器输出,35,图4 CMOS型555等效功能方框图,复位触发,置位复位触发器,36,当上比较器A1的同相输入端R的电位高于反相输入端电位2/3Vcc时，A1输出为高电平，RS触发器翻转，输出端V0为逻辑“0”电平。即当VTH2/3Vcc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555/556的四种工作状态情况，与表1所示类同。,37,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555和CMOS型555的性能比较,38,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，输出电流仅为13mA，而双极型的输出驱动电流可达200mA.,39,一般说来，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。,40,1. 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转换时对应的输入电平，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。,（）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。,利用这两个特点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，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。,4.4.3 用555定时器接成的施密特触发器,41,. 电路结构,将555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。,滤波电容，为提高VR1和VR2的稳定性,信号输入端,42,. 工作原理,vo由高电平变为低电平和由低电平变为高电平 所对应的vI值不同，就形成了施密特触发特性。,43,. 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。,44,4.4.5 用555定时器接成的多谐振荡器,多谐振荡器是一种自激振荡器，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， 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多谐振荡器。,45,充电回路： VCC R1 R2 C 地。,放电回路： C R2 T 地。,46,振荡周期和振荡频率,振荡周期,振荡频率,占空比,用CB555定时器组成的振荡器，最高工作频率可达500kHz。,47,占空比可调的多谐振荡器,充电回路： VCC R1 D1 C 地。,放电回路： C D2 R2 T 地。,占空比,48,应用举例,()、()均为多谐振荡电路， 当vo1输出高电平时() 振荡，vo2输出矩形脉冲， 当vo1输出低电平时() 被置0，vo2输出低电平。,49,4.5 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,50,4.5.1 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,50,51,4.5.1 ICL8038,天津工业大学,51,典型电路,减小失真度和频率范围在20Hz20kHz,52,4.5.2 MAX038,天津工业大学,52,MAX308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%,53,4.6 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。,54,4.6.1 直接数字频率合成基本原理,直接数字合成（DDS）原理框图,55,4.6.2 信号的频率关系,56,4.6.4 直接频率合成信号源实例,AD9850、AD9851、AD9852、AD9853、AD9854等,57,4.6.5 任意波形的产生方法,1.表格法