课程设计LC正弦波振荡电路与定时器.pptx

#,第一节,LC,正弦波振荡电路,变压器反馈式振荡电路,电容三点式振荡电路,LC,并联电路的选频特性,电感三点式振荡电路,下页,一、,LC,并联电路的选频特性,当,Q,1,时,0,1,LC,或,f,0,1,LC,2,低频时并联阻抗为感性，,高频时并联阻抗为容性，,在某一中间频率时为纯阻性。,令,Q,=,R,0,L,称为品质因数。,R,C,U,L,I,+,-,Z,LC,并联电路,下页,上页,首页,Y,=,j,C,+,R,+,j,L,1,0,=,1,）,（,R,0,L,+,1,2,1,LC,=,（,L,）,（,L,）,+,j,C-,R,L,R,2,+,2,R,2,+,2,LC,并联电路谐振时,Z,0,=,Y,0,1,=,R,R,2,+,2,（,0,L,）,Z,=,-,j,C,1,(,R,+,j,L,),-,j,C,1,(,R,+,j,L,),+,=,L,/,R,C,1,+,j,(,1,),2,L,C,1,L,R,下页,上页,R,C,U,L,I,+,-,Z,LC,并联电路,Z,0,=,L/,R,C,首页,=,R,2,（,0,L,）,Q,2,1,（,1,+,L,R,C,）,Z,Z,0,1,+,j,Q,（,1,-,2,0,2,）,Q,1,LC,并联电路具有选频特性，,在,f,0,处，呈纯电阻性。,当,f,f,0,时，呈电容性。,f,0,1,LC,2,Q,值愈大，选频特性愈好。,谐振时的阻抗值,Z,0,也愈大。,f,0,的数值与电路参数有关，,|,Z,|,0,Z,02,Z,01,Q,2,Q,1,Q,2,结论：,Z,0,Q,1,Q,2,-90,0,+90,0,当,Q,1,时,，,当,Q,1,时，,I,L,I,C,I,I,C,=,Q,谐振回路的外界影响可以忽略。,下页,上页,首页,二、变压器反馈式振荡电路,振荡频率：,f,0,1,LC,2,起振条件：,M,r,be,R,C,R,L,C,R,b1,R,b2,+,C,b,+,V,CC,R,e,C,e,L,N,1,N,2,N,3,+,-,+,U,i,U,f,+,与 相位相同,U,i,U,f,下页,上页,首页,C,R,b1,R,b2,+,C,b,+,V,CC,R,e,C,e,+,R,L,L,1,电感三点式振荡电路,L,2,b,c,e,1,2,3,三、电感三点式振荡电路,U,i,U,f,-,+,+,电路满足相位平衡条件,下页,上页,首页,起振条件：,振荡频率：,f,0,=,1,LC,2,=,1,(,L,1,+,L,2,+,2,M,),C,2,R,L,1,+,M,L,2,+,M,r,be,下页,上页,式中,L,为回路的总电感，即,L,=,L,1,+,L,2,+,2,M,其中,M,为,L,1,与,L,2,之间的互感。,式中,R,为折合到管子集电极和发射极间的等效并联总损耗电阻。,首页,由于线圈之间耦合很紧，较易起振。,改变,L,2,/,L,1,的比值，可获满意的正弦波，且振幅较大。,据经验，,L,2,的圈数选为整个线圈的,1/8,到,1/4,。,具体的圈数比应通过实验调整来确定。,2.,调节频率方便。采用可变电容，频率调节范围宽。,3.,一般用于产生几十兆赫以下的频率。,特点：,下页,上页,首页,4.,由于反馈电压取自电感,L,2,，,而电感对高次谐波的阻抗较大，,不能将高次谐波短路掉。,因此输出波形中有较大的高次谐波，故波形较差。,5.,由于此电路的输出波形较差，且频率稳定度不高，,因此通常用于要求不高的设备中，,例如高频加热器、接收机的本机振荡等。,特点：,下页,上页,首页,R,b1,R,b2,+,C,b,+,V,CC,R,e,C,e,+,L,R,L,电容三点式振荡电路,b,c,e,1,2,3,R,c,C,1,C,2,四、电容三点式振荡电路,U,i,U,f,-,+,+,电路满足相位平衡条件,下页,上页,首页,振荡频率：,f,0,1,LC,2,起振条件：,=,1,L,2,C,1,C,2,C,1,+,C,2,R,r,be,C,2,C,1,下页,上页,式中,R,为折合到管子集电极和发射极间的等效并联总损耗电阻。,首页,1.,由于反馈电压取自电容,C,2,，,电容对于高次谐波阻抗很小，,于是反馈电压中的谐波分量很小，,所以输出波形较好。,2.,因为电容,C,1,、,C,2,的容量可以选得较小，,并将放大管的极间电容也计算到,C,1,、,C,2,中去，,因此振荡频率较高，,一般可以达到,100 MHz,以上。,特点：,下页,上页,首页,3.,调节,C,1,或,C,2,可以改变振荡频率，,但同时会影响起振条件，,因此这种电路适于产生固定频率的振荡。,如果要改变频率，可在,L,两端并联一个可变电容,.,由于固定电容,C,1,、,C,2,的影响，频率的调节范围比较窄。,另外 也可以采用可调电感来改变频率。,通常选择两个电容之比为,C,1,/,C,2,1,，,可通过实验调整来最后确定电容的比值。,特点：,下页,上页,首页,五、电容三点式改进电路,选择参数时，,C,1,、,C,2,的容值较大以掩盖极间电容变化的影响，,C,容值较小，,即,C,3,C,1,C,3,C,2,则可忽略,C,1,、,C,2,对振荡频率的影响。,振荡频率,上页,R,b1,R,b2,+,C,b,+,V,CC,R,e,C,e,+,L,R,c,C,1,C,2,C,3,首页,例,:,典型单声道调频发射电路,第二节 石英晶体振荡器,石英晶体振荡电路,石英晶体的基本特性和等效电路,下页,总目录,在,LC,振荡电路中，,Q,值愈大，,LC,并联电路的选频特性愈好。,LC,回路的,Q,值为,可见，为了提高,LC,回路的品质因数，应尽量减小回路的损耗电阻，并增大,L,/,C,值。但实际上,LC,回路的,L,/,C,值不能无限制地增大。,L,/,C,值有一定限制。一般,LC,回路的,Q,值最高可达数百。,LC,振荡电路的频率稳定度较低，在要求高频率稳定度的场合，往往采用高,Q,值的石英晶体谐振器代替一般的,LC,回路。,下页,上页,首页,一、石英晶体的基本特性和等效电路,下页,上页,1.,石英晶体的基本特性,在石英晶片的两极加上一个交变电压，晶片将会产生机械变形振动。,相反，若使晶片发生机械振动，则在晶片的相应方向上将产生一定的交变电场。,在一般情况下，晶片机械振动的振幅都非常小，只有当外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅才会突然增大，这种现象称为,压电谐振,。,上述特定频率称为晶体的,固有频率,或,谐振频率,。,石英晶体又称为,石英谐振器,。,首页,下页,上页,2.,石英晶体的等效电路,符号,R,C,L,等效电路,C,0,当晶体不振动时，可以看成是一个平板电容器,C,0,，称为静电电容。,C,0,与晶片的几何尺寸和电极面积有关，一般约为几个皮法到几十皮法。,当晶体振动时，有一个机械振动的惯性，用电感,L,来等效，一般,L,值为,10,-3,10,2,H,。,晶片的弹性一般以电容,C,来等效，,C,值为,10,-2,10,-1,pF,。,晶片振动时，因摩擦而造成的损耗用电阻,R,来等效，它的阻值约为,10,2,的数量级。,首页,下页,上页,由于晶体的等效电感,L,很大，而等效电容,C,很小，电阻,R,也小，因此回路的品质因数,Q,很大，可达,10,4,10,6,，,再加上晶片本身的固有频率很稳定，而且可做得很精确。因此，利用石英谐振器组成振荡电路，可获得很高的频率稳定性。,石英谐振器有两个谐振频率，当,L,、,C,、,R,支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小（等于,R,），,串联谐振频率,为,并联谐振频率,为,容性,容性,感性,首页,二、石英晶体振荡电路,下页,上页,R,b1,R,b2,C,1,+,V,CC,R,e,C,e,+,R,C,C,2,晶体,1.,并联型石英晶体振荡电路,并联型石英晶体振荡电路利用石英晶体作为一个电感来组成选频网络，晶体工作在,f,s,和,f,p,之间。,电路的,振荡频率,首页,上页,2.,串联型石英晶体振荡电路,R,b1,R,b2,+,V,CC,R,e1,R,C,C,晶体,R,e2,R,w,调节电阻,R,w,的大小可以改变正反馈的强弱，以便获得良好的正弦波输出。,串联型石英晶体振荡电路利用石英晶体串联谐振时阻抗最小的特性组成振荡电路，晶体工作在,f,s,处。,首页,第三节,555,定时器及其应用,555,定时器的电路结构与功能,由,555,电路组成的单稳态触发器,由,555,电路组成的多谐振荡器,由,555,电路组成的施密特触发器,下页,总目录,推出,下页,返回,一、,555,定时器的电路结构与功能,555,定时器是一种多用途的数字,-,模拟混合集成电路，,利用它能极方便地构成,施密特触发器,、,单稳态触发器,和,多谐振荡器,。,应用领域：,波形的产生和变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等。,555,定时器产品型号繁多，但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,。它们的功能和外部引脚的排列完全相同。,以下介绍国产,双极型定时器,CB555,的电路结构和功能。,上页,返回,高电平触发端,电压控制端,低电平触发端,放电端,接地端,复位端,电源端,输出端,CB555,由比较器,C,1,和,C,2,、基本,RS,触发器和集电极开路的放电三极管,T,三部分组成。,下页,上页,v,O,5,k,5,k,5,k,T,D,G,2,Q,Q,8,4,3,5,6,2,7,1,+,-,C,1,+,-,C,2,v,I1,TH,v,I2,TR,v,OD,DISC,V,CO,G,1,G,3,G,4,V,CC,R,D,v,C2,v,C1,V,R2,V,R1,下页,返回,上页,0,1,低 导通,低 导通,不变 不变,高 截止,高 截止,1,1,1,C,1,输出,0,，,C,2,输出,1,C,1,输出,1,，,C,2,输出,1,C,1,输出,1,，,C,2,输出,0,C,1,输出,0,，,C,2,输出,0,T,状态,v,O,v,I2,v,I1,R,D,输 出,输 入,v,O,5,k,5,k,5,k,T,D,G,2,Q,Q,8,4,3,5,6,2,7,1,+,-,C,1,+,-,C,2,v,I1,TH,v,I2,TR,v,OD,DISC,V,CO,G,1,G,3,G,4,V,CC,R,D,v,C2,v,C1,V,R2,V,R1,下页,返回,上页,二、用,555,定时器接成的施密特触发器,1.,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,V,R1,和,V,R2,的稳定性,信号输入端,5,6,2,7,v,I1,v,I2,V,R2,V,R1,0.01,F,v,I,v,O,5,k,5,k,5,k,T,D,G,2,Q,Q,8,4,3,1,+,-,C,1,+,-,C,2,G,1,G,3,G,4,V,CC,v,C2,v,C1,V,R1,下页,返回,上页,2.,工作原理,v,O,O,t,v,I,O,t,v,o,由高电平变为低电平和由低电平变为,高,电平,所对应的,v,I,值不同，就形成了施密特触发特性。,5,6,2,7,v,I1,v,I2,V,R2,V,R1,0.01,F,v,I,v,O,5,k,5,k,5,k,T,D,G,2,Q,Q,8,4,3,1,+,-,C,1,+,-,C,2,G,1,G,3,G,4,V,CC,v,C2,v,C1,下页,返回,上页,v,I,O,t,v,O,O,t,U,T+,U,T-,U,T,如果参考电压由外接电压,V,CO,供给，,U,T+,=,V,CO,U,T-,=1/2,V,CO,U,T,=1/2,V,CO,。,电压传输特性,回差电压,仿真,下页,返回,上页,三、用,555,定时器接成的单稳态触发器,1.,电路结构,触发信号的输入端,没有触发信号时,v,I,处于高电平，稳态时,v,c1,=,v,c2,=1,、,Q,=0,，,v,o,=0,。,v,I,v,C,0.01,F,C,R,5,6,2,7,v,O,5,k,5,k,5,k,T,D,G,2,Q,Q,8,4,3,1,+,-,C,1,+,-,C,2,G,1,G,3,G,4,V,CC,v,C2,v,C1,下页,返回,上页,2,/,3,V,CC,t,w,v,C,O,t,v,I,O,t,v,O,O,t,2.,工作原理,通常,t,w,的范围为几微秒到几分钟。但随着,t,w,的宽度增加它的精度和稳定度也将下降。,v,I,v,C,0.01,F,C,R,5,6,2,7,v,O,5,k,5,k,5,k,T,D,G,2,Q,Q,8,4,3,1,+,-,C,1,+,-,C,2,G,1,G,3,G,4,V,CC,v,C2,v,C1,下页,返回,上页,触发脉冲的宽度要小于,t,w,触发负脉冲应在,v,C,上升到,2,/,3,V,CC,之前回到高电平。,2,/,3,V,CC,t,w,v,C,O,t,v,I,O,t,v,O,O,t,v,I,v,C,0.01,F,C,R,5,6,2,7,v,O,5,k,5,k,5,k,T,D,G,2,Q,Q,8,4,3,1,+,-,C,1,+,-,C,2,G,1,G,3,G,4,V,CC,v,C2,v,C1,仿真,v,I,v,C,0.01,F,C,R,5,6,2,7,v,O,5,k,5,k,5,k,T,D,G,2,Q,Q,8,4,3,1,+,-,C,1,+,-,C,2,G,1,G,3,G,4,V,CC,v,C2,v,C1,下页,返回,上页,应用举例,动画,下页,返回,上页,四、用,555,定时器接成的多谐振荡器,v,O,O,t,v,C,O,t,t,p2,t,p1,充电回路：,V,CC,R,1,R,2,C,地。,放电回路：,C,R,2,T,地。,v,C,0.01,F,C,R,1,5,6,2,7,v,O,5k,5k,5k,T,D,G,2,Q,Q,8,4,3,1,+,-,C,1,+,-,C,2,G,1,G,3,G,4,V,CC,v,C2,v,C1,R,2,下页,返回,上页,v,O,O,t,v,C,O,t,t,p1,t,p2,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,。,下页,返回,上页,占空比可调的多谐振荡器,R,1,R,2,充电回路：,V,CC,R,1,D,1,C,地。,放电回路：,C,D,2,R,2,T,地。,占空比,8 4,7,2,1 5,6,3,555,R,2,R,1,R,P,D,2,D,1,C,0.01,F,v,O,V,CC,仿真,上页,返回,应用举例,(),、,(,),均为多谐振荡电路，,当,v,o1,输出高电平时,(,),振荡，,v,o2,输出矩形脉冲，,当,v,o1,输出低电平时,(,),被置,0,，,v,o2,输出低电平。,8 4,7,2,1 5,6,3,555,R,12,R,11,C,1,0.01,F,v,O1,V,CC,8 4,7,2,1 5,6,3,555,R,22,R,21,C,2,0.01,F,v,O2,(),(,),仿真,下页,返回,上页,对称式多谐振荡器,假定由于某种原因使,v,I1,有微小的正跳变，则必然会引起如下的正反馈过程,使,v,O1,迅速跳变为低电平、,v,O2,迅速跳变为高电平，电路进入第一个暂稳态。,同时电容,C,1,开始充电而,C,2,开始放电。,R,F1,G,1,G,2,v,I2,v,I1,v,O1,C,1,v,O,R,F2,C,2,v,O1,v,I1,v,O2,v,I2,下页,返回,上页,C,1,充电速度较快，,v,I2,首先上升到,G,2,的阈值电压,V,TH,，并引起如下的正反馈过程,使,v,O2,迅速跳变至低电平、,v,O1,迅速跳变为高电平，电路进入第二个暂稳态。,同时电容,C,2,开始充电而,C,1,开始放电。,R,F1,G,1,G,2,v,I2,v,I1,v,O1,C,1,v,O,R,F2,C,2,v,O2,v,I2,v,O1,v,I1,下页,返回,上页,v,O2,O,t,v,I2,O,t,O,t,v,O1,v,I1,O,t,V,TH,V,TH,在,R,F1,=,R,F2,=,R,F,、,C,1,=,C,2,=,C,的条件下，,V,IK,V,IK,非对称式多谐振荡器,一、工作原理（,CMOS,）,二、电压波形,下页,返回,上页,RC,环形多谐振荡器,v,I3,O,t,v,O2,O,t,v,I2,O,t,v,O1,v,I1,O,t,v,O,假设,v,I1,=0,则,v,I2,=1,v,O2,=0,v,I3,跃变为,1,v,O,=0,R,S,G,1,G,2,G,3,R,v,I3,v,I2,v,I1,v,O2,C,v,O,R,R,S,R,1,v,OL2,v,IH2,V,CC,C,v,I3,R,v,OL2,v,IH2,C,v,I3,下页,返回,上页,v,I3,O,t,v,O2,O,t,v,I2,O,t,v,O1,v,I1,O,t,v,O,假设,v,I1,=0,则,v,I2,=1,v,O2,=0,v,I3,跃变为,1,v,O,=0,电容,C,放电,v,I3,电位下降,R,S,G,1,G,2,G,3,R,v,I3,v,I2,v,I1,v,O2,C,v,O,R,v,OL2,v,IH2,C,v,I3,返回,v,I3,O,t,v,O2,O,t,v,I2,O,t,v,O1,v,I1,O,t,v,O,U,T,v,I3,下降至,v,T,v,O,=1,v,I2,=0,v,O2,=1,v,I3,跃变为,0,电容,C,充电,v,I3,电位上升,R,R,S,R,1,v,OH2,v,IL2,V,CC,C,v,I3,R,S,G,1,G,2,G,3,R,v,I3,v,I2,v,I1,v,O2,C,v,O,下页,上页,石英晶体多谐振荡器,年,美国 卡第提出用石英压电效应调制电磁振荡的频率。,巴黎广播电台首先用严济慈制作的石英振荡片实现了无线电播音中的稳频，随后各国相继采用，使无线广播振荡电磁回路稳频成为压电晶体的最重要应用之一。,课程设计题目,1,、应用电容三点式设计一个正弦波信号发生器。要求振荡频率：,1MHG-50MHG,，幅度在一定范围可调。,2,、设计一个报警器，要求两重报警功能以上，报警声音按,555,的应用举例电路实现，其中第一个,555,振荡器频率,1HG,到,10HG,，第二个,555,振荡器频率,1KHG-5KHG,。,