第六章脉冲波形的产生和整形

1、第六章第六章 脉冲波形的产生和整形脉冲波形的产生和整形东北大学秦皇岛分校东北大学秦皇岛分校 自动化工程系自动化工程系 6.1 概述概述 6.2 施密特触发器施密特触发器 6.3 单稳态触发器单稳态触发器 6.4 多谐振荡器多谐振荡器 6.5 555定时器及其应用定时器及其应用 6.2 施密特触发器施密特触发器 6.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器 6.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器 6.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 6.3 单稳态触发器单稳态触发器 6.3.1 用门电路组成的单稳态触发器用门电路组成的单稳态触发器 6.3.2 集成单稳态触发

2、器集成单稳态触发器 6.4.1 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器 6.4.2 非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器 6.4.3 环形振荡器环形振荡器 6.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器用施密特触发器构成的多谐振荡器 6.4.5 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 *6.4.6 压控振荡器压控振荡器 6.4 多谐振荡器多谐振荡器 6.5.1 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能 6.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器 6.5.3 用用555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器 6.5.4 用用555定时器接成的多谐振荡器定时器接

3、成的多谐振荡器 6.5 555定时器及其应用定时器及其应用6.1 概述概述 在数字系统中，矩形脉冲作为时钟信号控制和协调着整个在数字系统中，矩形脉冲作为时钟信号控制和协调着整个数字系统的工作，所以时钟脉冲的好坏直接关系整个系统能否正常数字系统的工作，所以时钟脉冲的好坏直接关系整个系统能否正常工作。工作。 获得矩形脉冲的方法一般有两种：获得矩形脉冲的方法一般有两种： 一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生需要的矩形一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生需要的矩形波脉冲。波脉冲。 一种是通过整形电路把已有的周期性信号，变换为符合要求的一种是通过整形电路把已有的周期性信号，变换为符合要求的矩

4、形脉冲信号。矩形脉冲信号。 矩形脉冲特性的主要参数矩形脉冲特性的主要参数图图6.1.1 6.1.1 描述矩形脉冲特性的主要参数描述矩形脉冲特性的主要参数 T脉冲周期，在周期性脉冲序列中，两个相邻脉冲间的时间间隔。 Vm脉冲幅度，脉冲电压的最大变化幅度。 tW脉冲宽度，从脉冲前沿上升到0.5Vm开始 到脉冲后沿下降到0.5Vm为止的一段时间。 tr上升时间，脉冲前沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需的时间。 tf下降时间，脉冲后沿从0.9Vm上升到0.1Vm所需的时间。 q占空比，脉冲宽度和脉冲周期的比值。q=tw/T 6.2 施密特触发器施密特触发器 施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合

5、于数字电路施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。需要的矩形脉冲的电路。 施密特触发器性能的两个重要特点施密特触发器性能的两个重要特点 第一，输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应第一，输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的电平，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的电平，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 第二，电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电第二，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压波形的边沿变得很陡图图6.2.1 6.2.1 用用COMSCOMS反相器

6、构成的施密特触发器反相器构成的施密特触发器（a) a) 电路电路 （b b）图形符号）图形符号 6.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器 将两级反相器串联，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到将两级反相器串联，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就构成了图输入端，就构成了图6.2.16.2.1（a a）的施密特触发器电路）的施密特触发器电路 反相器反相器G G1 1和和G G2 2是是CMOSCMOS电路，阈值电压为电路，阈值电压为 , ,且且R R1 1 R R2 2DDTHV21V v vI I=0=0时，时，G G1 1和和G G2 2接成了正反馈电路，接

7、成了正反馈电路，v vO O=V=VOLOL00，G G1 1的输入的输入v vI I00 v vI I从从0 0升高并达到升高并达到v vI I=V=VTHTH时，时，G G1 1进入电压进入电压传输特性的转折区，传输特性的转折区， v vI I的增加引发如下的的增加引发如下的正反馈，正反馈，v vO O=V=VOHOHVVDDDDv vI I V VOlOl v vO O 正向阈值电压正向阈值电压V VT+ T+ ：v vI I上升过程中电路状态发生转换时对应的电压上升过程中电路状态发生转换时对应的电压TH21TH221TT212THIV)RR1(VRRRVVRRRVv（6.2.16.2.

8、1） v vI I从从V VDDDD下降并达到下降并达到v vI I=V=VTHTH时，时，v vI I的下降引发如下的正反馈，的下降引发如下的正反馈，v vO O=V=VOLOL00v vI I V VOlOl v vO O 负向阈值电压负向阈值电压V VT- T- ：v vI I下降过程中电路状态发生转换时对应的下降过程中电路状态发生转换时对应的电压电压DD21TH221T212TDDDDTHIVRRVRRRVRRR)VV(VVv 将将V VDDDD=2V=2VTHTH带入上式得带入上式得 TH21T)VRR1(V（6.2.26.2.2） 回差电压回差电压V VT T：V VT+T+与与V

9、 VT-T-之差之差 TTTVVV（6.2.36.2.3） 根据式（根据式（6.2.16.2.1）、（）、（6.2.26.2.2）画出电路的电压传输特性图）画出电路的电压传输特性图图图6.2.2 6.2.2 图图6.2.16.2.1电路的电压传输特性电路的电压传输特性（a a）同相输出）同相输出 （b b）反相输出）反相输出 图图6.2.26.2.2（b b）是以图）是以图6.2.16.2.1（a a）v vO O作为输出端的电压传输特作为输出端的电压传输特性，把这种形式的电压传输特性叫做反相输出的施密特触发器性，把这种形式的电压传输特性叫做反相输出的施密特触发器 【例【例6.2.16.2.1

10、】在图】在图6.2.16.2.1（a a）电路中，如果要求）电路中，如果要求V VT+T+ =7.5V =7.5V，V VT T=5V=5V，试求，试求R R1 1、R R2 2和和V VDDDD的值的值 解：由式（解：由式（6.2.16.2.1）、（）、（6.2.26.2.2）和（）和（6.2.36.2.3）得：）得：5VVRR2V5V.7V)RR1(VTH21TTH21T 解出解出R R2 2=2R=2R1 1，V VTH=TH=5V5V。应取。应取V VDDDD=10V=10V 为保证反相器为保证反相器G G2 2输出高电平的负载电流不超过最大允许电流输出高电平的负载电流不超过最大允许电

11、流)max(OH2THOHIRVV（6.2.46.2.4） 如果如果G G1 1、G G2 2选用选用CC4069CC4069反相器，反相器，V VDDDD=10V=10V，I IOHOH（maxmax）=1.3mA,=1.3mA,由式由式（6.2.46.2.4）得）得85k. 3R211kR22kR12，取 在使用在使用TTLTTL门电路组成施密特触发器时，经常采用图门电路组成施密特触发器时，经常采用图6.2.36.2.3所所示的电路示的电路图图6.2.3 6.2.3 用用TTLTTL门电路接成的施密特触发器门电路接成的施密特触发器 串进的二极管，防止串进的二极管，防止v vO O=V=VO

12、HOH时，门时，门G G2 2的负载电流过大的负载电流过大 正向阈值电压正向阈值电压VT+VT+：DTH221TVVRRRV（6.2.56.2.5） 负向阈值电压负向阈值电压VT-VT-： V VT-T- = V = VTHTH 回差电压回差电压VTVT：DTH21TTTVVRRVVV（6.2.66.2.6）二极管的导通压降二极管的导通压降 6.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器图图6.2.4 6.2.4 带与非功能的带与非功能的TTLTTL集成施密特触发器集成施密特触发器 核心部分是由核心部分是由T T1 1、T T2 2、R R2 2、R R3 3、R R4 4组成的施密特触发器组成

13、的施密特触发器 严格地讲这是一个严格地讲这是一个DTLDTL电路，即输入端为二极管结构而输出端电路，即输入端为二极管结构而输出端为三极管结构为三极管结构 假定三极管发射结的导通压降和二极管的正向导通假定三极管发射结的导通压降和二极管的正向导通压降均为压降均为0.7V0.7V 输入端电压输入端电压 时，时，T T1 1截止而截止而T T2 2导通。若导通。若 逐渐升高并使逐渐升高并使 时，时，T1T1进入进入导通状态，有如下的正反馈过程发生导通状态，有如下的正反馈过程发生7V. 0vvvBE1EI7V.0vBE1IvC1iIvC2iC1vBE1vEv 从高电平逐渐下降，降到只有从高电平逐渐下降，

14、降到只有0.7V0.7V左右时，有如下左右时，有如下的正反馈发生的正反馈发生C1iIvC2iC1vBE1vEv 由图由图6.2.46.2.4写出写出T1T1截止，截止，T2T2饱和导通时电路的方程饱和导通时电路的方程CCC2B242)sat(CER33CCC2B242)sat(BEB22V)ii (RViRV)ii (RViR（6.2.76.2.7） 分别表示分别表示T2T2饱和导通时饱和导通时bebe和和间的压降间的压降2)sat(CE2)sat(BEVV、假定假定i iR3R3iiC2C2，则从式（，则从式（6.2.76.2.7）求出）求出)RR)(RR(R)VV)(RR()V(VRi)R

15、R)(RR(R)VV)(RR()V(VRi4342242)sat(BECC432)sat(CECC4B24342242)sat(CECC422)sat(BECC4C2（6.2.86.2.8）（6.2.96.2.9） 将图将图6.2.46.2.4中给定的参数代入式（中给定的参数代入式（6.2.86.2.8）、（）、（6.2.96.2.9），得：），得：4V.27.0vV7V.1)ii (Rv3mA.1i2.2mAiE2TB2C24E2B2C2 当当v vI I从高电平下降至仅比从高电平下降至仅比R R4 4上的压降高上的压降高0.7V0.7V以后，以后，T T1 1脱离饱和，脱离饱和，v vCE

16、1CE1开始上开始上升，升，T T2 2开始导通引起正反馈，因此转换时开始导通引起正反馈，因此转换时R R4 4上的压降为：上的压降为：424CE1CCE1RRR)vV(v（6.2.106.2.10）5V. 17V. 0vV0.8Vv0.48kR,2kR0.7V,vE1-TE142CE1代入上式得：将 整个电路的输入电压整个电路的输入电压v vI I等于等于v vI I减去输入端二极管的压降减去输入端二极管的压降V VD D，故得，故得: :9V. 0VVV8V. 0VVV7V. 1VVV-TTTD-T-TDTT图图6.2.5 6.2.5 集成施密特触发器集成施密特触发器74137413的电压

17、传输特性的电压传输特性 CMOS CMOS集成施密特触发器集成施密特触发器图图6.2.6 CMOS6.2.6 CMOS集成施密特触发器集成施密特触发器CC40106CC40106 电路的核心部分是由电路的核心部分是由T T1 1T T6 6组成的施密特触发器组成的施密特触发器图图6.2.7 6.2.7 集成施密特触发器集成施密特触发器CC40106CC40106的特性的特性（a a）电压传输特性）电压传输特性 （b b）V VDDDD对对V VT+T+、V VT-T-的影响的影响 集成电路内部器件参数差异较大，集成电路内部器件参数差异较大，V VT+T+、V VT-T-的数值有较大的分的数值有

18、较大的分散性。散性。 V VT+T+、V VT-T-不仅受不仅受V VDDDD的影响，而且的影响，而且V VDDDD确定时确定时V VT+T+、V VT-T-值对不同值对不同器件可能不完全一样器件可能不完全一样 6.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 一、用于波形变换一、用于波形变换 利用施密特触发器状态利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，转换过程中的正反馈作用，把边沿变化缓慢的周期信号把边沿变化缓慢的周期信号变换为边沿很陡的矩形脉冲变换为边沿很陡的矩形脉冲信号信号图图6.2.8 6.2.8 用施密特触发器实现波形变换用施密特触发器实现波形变换 二、用于脉冲整形二、用于脉冲整

19、形图图6.2.9 6.2.9 用施密特触发器对脉冲整形用施密特触发器对脉冲整形 图（图（a a）传输线上电容较）传输线上电容较大，波形的上升和下降沿明大，波形的上升和下降沿明显变坏显变坏 图（图（b b）传输线较长，而）传输线较长，而且接受端的阻抗和传输线的且接受端的阻抗和传输线的阻抗不匹配，在波形的上升阻抗不匹配，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象沿和下降沿将产生振荡现象 图（图（c c）当其他脉冲信号）当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的号时，信号上将出现附加的噪声噪声 三、用于脉冲鉴幅三、

20、用于脉冲鉴幅图图6.2.10 6.2.10 用施密特触发器鉴别脉冲幅度用施密特触发器鉴别脉冲幅度 施密特触发器能将幅度大施密特触发器能将幅度大于于V VT+T+的脉冲选出的脉冲选出 构成多谐振荡器构成多谐振荡器 6.3 单稳态触发器单稳态触发器 单稳态触发器工作特性的特点单稳态触发器工作特性的特点 第一，有稳态和暂稳态两个不同的工作状态第一，有稳态和暂稳态两个不同的工作状态 第二，在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂第二，在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动返回稳态稳态维持一段时间后，再自动返回稳态 第三，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参

21、数，与触发第三，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关脉冲的宽度和幅度无关 单稳态触发器被广泛用于脉冲整形、延时（产生滞后于触发脉单稳态触发器被广泛用于脉冲整形、延时（产生滞后于触发脉冲的输出脉冲）以及定时（产生固定时间宽度的脉冲）等冲的输出脉冲）以及定时（产生固定时间宽度的脉冲）等 6.3.1 用门电路组成的单稳态触发器用门电路组成的单稳态触发器 单稳态触发器的暂稳态通常都是靠单稳态触发器的暂稳态通常都是靠RCRC电路的充、放电过程维持。电路的充、放电过程维持。根据根据RCRC电路的不同接法，单稳态触发器分为微分型和积分型电路的不同接法，单稳态触发器分为微分型和

22、积分型 一、微分型单稳态触发器一、微分型单稳态触发器图图6.3.1 6.3.1 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 电路由电路由CMOSCMOS门电路和门电路和RCRC微分电路构成微分电路构成 对于对于CMOSCMOS电路可以认为：电路可以认为：V VOHOHVVDDDD、V VOLOL00，V VTHTH0.5V0.5VDDDD，在稳态下在稳态下v vI I=0=0、v vI2I2=V=VDDDD, ,故故v vO O=0=0、v vO1O1=V=VDDDD, ,电容上没有电压电容上没有电压 v vd d上升到上升到V VTHTH以后，引发如下的正反馈过程，电路进入暂稳态，以后，引发如下的

23、正反馈过程，电路进入暂稳态，输出输出v vO O=1=1。 v vd d v vO1O1 v vI2 I2 v vO O 电容充电到电容充电到v vI2I2=V=VTHTH时，时，又引发一个正反馈，使电路又引发一个正反馈，使电路迅速恢复到稳态，迅速恢复到稳态，v vO O=0=0 v vI2I2 v vO O v vO1O1 当触发脉冲信号当触发脉冲信号v vI I加到输入端加到输入端时，在时，在v vD D端产生很窄正脉冲，端产生很窄正脉冲，图图6.3.2 6.3.2 图图6.3.16.3.1电路的电压波形图电路的电压波形图 输出脉冲宽度输出脉冲宽度t tW W：电容：电容C C开始充开始充

24、电到电到v vI2I2上升至上升至V VTHTH的时间的时间 电容充、放电过程中，电容上电电容充、放电过程中，电容上电压从充、放电开始到变化至某一数值压从充、放电开始到变化至某一数值V VTHTH所经过的时间：所经过的时间：THCCCV)(v)0(v)(vRClnt（6.3.16.3.1） 电容电压充、放电的终了值电容电压充、放电的终了值)(vC 电容电压的起始值电容电压的起始值)0(vC图图6.3.3 6.3.3 图图6.3.16.3.1电路中电容电路中电容C C充电的等效电路充电的等效电路69RC. 0VV0VRClntTHDDDDW 根据图根据图6.3.26.3.2和式（和式（6.3.1

25、6.3.1）解得）解得 （6.3.26.3.2） 输出脉冲的幅度输出脉冲的幅度 DDOLOHmVVVV（6.3.36.3.3）图图6.3.4 6.3.4 图图6.3.16.3.1电路中电容电路中电容C C放电的等效电路放电的等效电路 恢复时间：恢复时间： （6.3.46.3.4）CR)53(tONre 分辨时间：在保证电路能正常工作前提下，允许两个相邻触发分辨时间：在保证电路能正常工作前提下，允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔。脉冲之间的最小时间间隔。reWdttt（6.3.56.3.5） 二、积分型单稳态触发器二、积分型单稳态触发器图图6.3.5 6.3.5 积分型单稳态触发器积分型单稳

26、态触发器 电路由电路由TTLTTL与非门和反相器以及与非门和反相器以及RCRC积分电路组成积分电路组成 电路中电路中R R的阻值不能取得太大，电路用正脉冲触发的阻值不能取得太大，电路用正脉冲触发图图6.3.6 6.3.6 图图6.3.56.3.5电路的电压波形图电路的电压波形图图图6.3.7 6.3.7 图图6.3.56.3.5电路中电容电路中电容C C的放电的放电回路和回路和v vA A的波形的波形（a a）放电回路）放电回路 （b b）v vA A的波形的波形THOLOHOL0WVVVV)ClnRR(t（6.3.66.3.6）OLOHmVVV（6.3.76.3.7）C)RR)(53(t0r

27、e（6.3.86.3.8）reTRdttt（6.3.96.3.9） 6.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 一、一、TTLTTL集成单稳态触发器集成单稳态触发器图图6.3.8 6.3.8 集成单稳态触发器集成单稳态触发器7412174121的逻辑的逻辑图图extextextextWC0.69Rln2CRt(6.3.10)(6.3.10) 图图6.3.86.3.8是在普通微是在普通微分型单稳态触发器的基础分型单稳态触发器的基础上附加以输入控制电路和上附加以输入控制电路和输出缓冲电路而形成输出缓冲电路而形成 输出脉冲宽度由输出脉冲宽度由RextRext和和CextCext的大小决定的大小决定

28、表表6.3.1 6.3.1 集成单稳态触发器集成单稳态触发器7412174121的功能表的功能表0011111101110010101010vOvOBA2A1输输 出出输输 入入图图6.3.9 6.3.9 集成单稳态触发器集成单稳态触发器7412174121的的工作波形图工作波形图 图图6.3.106.3.10示出了使用外部电阻和内部电阻时电路连接方法示出了使用外部电阻和内部电阻时电路连接方法图图6.3.10 6.3.10 集成单稳态触发器集成单稳态触发器7412174121的外部连接方法的外部连接方法（a a）使用外接电阻）使用外接电阻RextRext（下降沿触发）（下降沿触发）（b b）使

29、用内部电阻）使用内部电阻RintRint（上升沿触发）（上升沿触发） 目前使用的单稳态触发器有不可重复触发和可重复触发两种目前使用的单稳态触发器有不可重复触发和可重复触发两种图图6.3.11 6.3.11 不可重复触发型与可重复触发不可重复触发型与可重复触发型单稳态触发器的工作波形型单稳态触发器的工作波形（a a）不可重复触发型（）不可重复触发型（b b）可重复触发型）可重复触发型不可重复触发型不可重复触发型: :进入暂稳态后，进入暂稳态后，触发脉冲不影响工作过程，暂态触发脉冲不影响工作过程，暂态结束后，才接收下一个触发脉冲结束后，才接收下一个触发脉冲可重复触发型可重复触发型: :进入暂稳态后

30、，触进入暂稳态后，触发脉冲影响工作过程，再加入触发脉冲影响工作过程，再加入触发脉冲，电路将被重新触发，使发脉冲，电路将被重新触发，使输出脉冲再维持一个输出脉冲再维持一个t tW W宽幅宽幅 * *二、二、CMOSCMOS集成单稳态触发器集成单稳态触发器图图6.3.12 6.3.12 集成单稳态触发器集成单稳态触发器CC14528CC14528的逻辑图的逻辑图 电路的核心部分是由积分电路、三态门和三态门的控制电路构电路的核心部分是由积分电路、三态门和三态门的控制电路构成的积分型单稳态触发器成的积分型单稳态触发器图图6.3.13 6.3.13 集成单稳态触发器集成单稳态触发器CC14528CC14

31、528的工作波形的工作波形 6.4 6.4 多谐振荡器多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器 多谐振荡器产生的矩形波含有丰富的高次谐波分量多谐振荡器产生的矩形波含有丰富的高次谐波分量 6.4.1 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器图图6.4.1 6.4.1 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器图图6.4.2 TTL6.4.2 TTL反相器（反相器（74047404）的）的电压传输特性电压传输特性 对称式多谐振荡器的典型电路对称式多谐振荡器的典型电路 G1 G1、G2G2工作在电压传输特性的转折区或线性区工作在电压传输特性的转折区或线性区 设置适当的偏置电压，可使反相器静态时

32、工作在放大状态设置适当的偏置电压，可使反相器静态时工作在放大状态图图6.4.3 6.4.3 计算计算TTLTTL反相器静态工作点的等效电路反相器静态工作点的等效电路 输出电压：输出电压：OF111BECCF11F1IvRRR)VV(RRRv（6.4.16.4.1） 斜率：斜率：F11F1IORRRvv v vO O=0=0时与横轴交在：时与横轴交在：)VV(RRRvBECCF11F1I 这条直线与电压传输特性的交点就是反相器的静态工作点这条直线与电压传输特性的交点就是反相器的静态工作点 v vI I微小的正跳变，引起的正反馈过程微小的正跳变，引起的正反馈过程 v vI1I1 v vO1O1 v

33、 vI2I2 v vO2O2 电路进入第一个暂稳态，同时电容电路进入第一个暂稳态，同时电容C1C1开始充电、开始充电、C2C2开始放电开始放电图图6.4.4 6.4.4 图图6.4.16.4.1电路中电容的充、放电等效电路电路中电容的充、放电等效电路（a a）C1C1充电的等效电路充电的等效电路 （b b）C2C2放电的等效电路放电的等效电路 根据戴维南定理求得等效电阻和等效电源，分别为：根据戴维南定理求得等效电阻和等效电源，分别为：F21F21E1RRRRR（6.4.26.4.2）)VVV(RRRVVBEOHCCF21F2OHE1（6.4.36.4.3） C C1 1经经R R1 1、R R

34、F2F2两路同时充电，充电速度较快，两路同时充电，充电速度较快，v vI2I2首先上升到首先上升到G G2 2的的阈值电压，引起正反馈过程阈值电压，引起正反馈过程 v vI2 I2 v vO2O2 v vI1 I1 v vO1O1 电路进入第二个暂稳态。同时电路进入第二个暂稳态。同时C2C2开始充电而开始充电而C1C1开始放电，这一开始放电，这一过程和过程和C1C1充电、充电、C2C2放电的过程完全对应。电路不停地在两个暂稳态放电的过程完全对应。电路不停地在两个暂稳态之间往复振荡，在输出端产生矩形脉冲。之间往复振荡，在输出端产生矩形脉冲。 电路中各点的电压如图电路中各点的电压如图6.4.56.

35、4.5所示所示图图6.4.5 6.4.5 图图6.4.16.4.1电路中各点电压的波形电路中各点电压的波形THE1IKE11E11VVVVlnCRT第一个暂稳态的持续时间第一个暂稳态的持续时间（6.4.46.4.4）电路的振荡周期电路的振荡周期THE1IKE11E11VVVVlnC2R2TT（6.4.56.4.5）如如G1G1、G2G2为为74LS74LS系列反相器系列反相器C3R. 1VVVVCln2RTFTHOHIKOHF（6.4.66.4.6）V VIKIK为为TTLTTL输入端负的钳位电压输入端负的钳位电压 【例【例6.4.16.4.1】在图】在图6.4.16.4.1所示的对称式多谐振

36、荡器电路中，已所示的对称式多谐振荡器电路中，已知知 ， 试计算电路的振荡频率试计算电路的振荡频率F1F212O HIKT H1C CRR1k, CC0.1F, V3.4V , V1V ,V1.1V , R20k, V5V 解：由式（解：由式（6.4.26.4.2）和（）和（6.4.36.4.3）得）得95k.0RRRRRF21F21E44V.3)VVV(RRRVVBEOHCCF21F2OHE 将得值代入式（将得值代入式（6.4.56.4.5）得）得s1022. 1VVVVCln2RT4THE1IKE1E 故振荡周期为：故振荡周期为：2kHz. 8T1f 6.4.2 非对称式多谐振荡器非对称式多

37、谐振荡器 图图6.4.16.4.1的电路简化，设置适当的偏置电压，电路仍然没有稳的电路简化，设置适当的偏置电压，电路仍然没有稳定状态，只能在两个暂稳态之间往复振荡定状态，只能在两个暂稳态之间往复振荡图图6.4.6 6.4.6 非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器图图6.4.7 6.4.7 图图6.4.66.4.6电路中电路中CMOSCMOS反反相器静态工作点确定相器静态工作点确定 静态工作点在电压传输特性转折区的中点静态工作点在电压传输特性转折区的中点 R RF F的阻值选择没有严格限制的阻值选择没有严格限制图图6.4.8 6.4.8 图图6.4.66.4.6电路中电容的充、放电等效电路电路中

38、电容的充、放电等效电路（a a）放电的等效电路（）放电的等效电路（b b）充电的等效电路）充电的等效电路v vI1I1正跳变引起的正反馈过程正跳变引起的正反馈过程 v vI1I1 v vI2I2 v vO2O2 电路进入第一个暂稳态，电容电路进入第一个暂稳态，电容C C开始放电开始放电v vI1I1降到降到V VTHTH时，另一个正反馈过程时，另一个正反馈过程发生，发生， v vI1I1 v vI2I2 v vO2O2 v vO2O2跳变为低电平，电路进入跳变为低电平，电路进入第二暂稳态，同时电容第二暂稳态，同时电容C C开始开始充电。当充电到充电。当充电到v vI1I1=V=VTHTH时，时

39、，v vO2O2跳变到高电平，电路进入跳变到高电平，电路进入第一暂稳态。第一暂稳态。电容电容C C的充电时间为：的充电时间为：Cln3RVV)VV(VClnRTFTHDDDDTHDDF1（6.4.76.4.7）图图6.4.9 6.4.9 图图6.4.66.4.6电路的工作波形图电路的工作波形图RCRC电路充、放电过程中电阻两端的电压电路充、放电过程中电阻两端的电压从过渡过程开始到变为某一数值从过渡过程开始到变为某一数值V VTHTH所经所经过的时间过的时间THRRRV)(v0v)(vRClnt）（6.4.86.4.8）电容电容C C的放电时间为：的放电时间为：Cln3RV0)VV(0ClnRT

40、FTHDDTHF2（6.4.96.4.9）电路的振荡周期为：电路的振荡周期为：C2R. 2Cln32RTTTFF21（6.4.106.4.10） 【例【例6.4.26.4.2】在图】在图6.4.66.4.6的非对称式多谐振荡器电路中，已知的非对称式多谐振荡器电路中，已知G1G1、G2G2为为CMOSCMOS反相器反相器CC4007CC4007，输出电阻小于，输出电阻小于200200欧。若取欧。若取V VDDDD=10V=10V， 试求电路的振荡频率。试求电路的振荡频率。PFR30k ,R4.3k ,C0.01 F, 解：由于反相器输出电阻远小于解：由于反相器输出电阻远小于R RF F，而，而R

41、 RP P又较大，所以可用式又较大，所以可用式（6.4.106.4.10）计算电路的振荡周期，得到）计算电路的振荡周期，得到s1046. 9s )10104.3(2.2C2R. 2T583F 故电路的振荡周期为：故电路的振荡周期为：10.6kHzT1f 6.4.3 环形振荡器环形振荡器 环形振荡器利用延迟负反馈产生振荡，是利用门电路的传输延环形振荡器利用延迟负反馈产生振荡，是利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成的迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成的图图6.4.10 6.4.10 最简单的环形振荡器最简单的环形振荡器 v vI1I1产生了微小的正跳变，经过产生了微小的正跳变，经过

42、3t3tpdpd时间以后，时间以后，v vI1I1自动跳变为低自动跳变为低电平；再经过电平；再经过3t3tpdpd时间以后，时间以后，v vI1I1又跳变为高电平，如此往复，就产又跳变为高电平，如此往复，就产生了自激振荡，振荡周期为生了自激振荡，振荡周期为T=6tT=6tpdpd。 将任何大于、等于将任何大于、等于3 3的奇数个反相器首尾相连地接成环形电路，的奇数个反相器首尾相连地接成环形电路，都能产生自激振荡，而且振荡周期为：都能产生自激振荡，而且振荡周期为： T=2nt T=2ntpdpd n n为串联反相器的个数为串联反相器的个数 （6.4.116.4.11） 门电路的传输延迟时间极短，

43、获得低一些的频率很困难，而且门电路的传输延迟时间极短，获得低一些的频率很困难，而且频率不宜调节频率不宜调节图图6.4.11 6.4.11 图图6.4.106.4.10电路的工作波形图电路的工作波形图图图6.4.12 带带RC延迟电路的环形振荡器延迟电路的环形振荡器 （a）原理性电路）原理性电路 （b）实用的改进电路）实用的改进电路 通常通常RCRC电路产生的传输延迟时间远远大于门电路本身的传输延电路产生的传输延迟时间远远大于门电路本身的传输延迟时间，所以在计算振荡周期时可以只考虑迟时间，所以在计算振荡周期时可以只考虑RCRC电路的作用电路的作用图图6.4.13 6.4.13 图图6.4.126

44、.4.12（b b）电路的工作波形）电路的工作波形图图6.4.14 6.4.14 图图6.4.126.4.12（b b）电路中电容）电路中电容C C的充、放电等效电路的充、放电等效电路（a a）充电时的等效电路）充电时的等效电路（b b）放电时的等效电路）放电时的等效电路电容电容C C的充电时间为：的充电时间为：THEOLOHTHEE1V-V)V-(V-V-VClnRT （6.4.126.4.12）电容电容C C的放电时间为：的放电时间为：LVVL2V-VVRClnTOTHOTHOH2（6.4.136.4.13）S1OHBECCOHERRRR)V-V-(VVV（6.4.146.4.14）S1S

45、1ERRR)RR(RR（6.4.156.4.15） 式（式（6.4.126.4.12）、（）、（6.4.136.4.13）可简化为可简化为RR,VV, 0V,RRREOHEOLS1THOHTHOH1V-VV-2VRClnT （6.4.166.4.16）THTHOH2VVVRClnT（6.4.176.4.17） 电路的振荡周期近似等于电路的振荡周期近似等于)VVVV-VV2VRCln(TTTTHTHOHTHOHTHOH21（6.4.186.4.18） 假定假定V VOHOH=3V=3V、V VTHTH=1.4V=1.4V，代入上式得，代入上式得（6.4.196.4.19）2.2RCT 6.4.4

46、 用施密特触发器构成的多谐振荡器用施密特触发器构成的多谐振荡器图图6.4.15 6.4.15 用施密特触发器用施密特触发器构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器 若使用的是若使用的是CMOSCMOS施密特触发器，而且施密特触发器，而且V VOHOHVVDDDD，V VOLOL00，有：，有：图图6.4.16 6.4.16 图图6.4.156.4.15电路的电压波形图电路的电压波形图)VV.V-VV-VRCln(VVRClnVVVVRClnTTTTTTDD-TDDTTTDDTDD21(6.4.20)(6.4.20) 图图6.4.156.4.15电路占空比电路占空比q q不可调，若改成图不可调，若改成图

47、6.4.176.4.17就可改变电路就可改变电路q q图图6.4.17 6.4.17 脉冲占空比可调的多谐振荡器脉冲占空比可调的多谐振荡器 【例【例6.4.36.4.3】已知图】已知图6.4.156.4.15电路中的施密特触发器为电路中的施密特触发器为CMOSCMOS电路电路CC40106CC40106， 试求该电路的振荡周期试求该电路的振荡周期DDV10V,R10k ,C0.01 F 解：由图解：由图6.2.76.2.7（a a）CC40106CC40106电压传输特性上查到电压传输特性上查到V VT+T+=6.3V=6.3V，V VT-T-=2.7V=2.7V。将数值代入式（。将数值代入式

48、（6.4.206.4.20）得）得153ms. 0s)7 . 23 . 67 . 33 . 7(ln1010)VV.V-VV-VRCln(TTT84TTTDD-TDD21 6.4.5 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。要求。 前面讲的多谐振荡器的振荡频率主要取决于门电路输入电压在前面讲的多谐振荡器的振荡频率主要取决于门电路输入电压在充、放电过程中达到转换电平所需时间，稳定性不高充、放电过程中达到转换电平所需时间，稳定性不高 第一，振荡器中门电路的转换电平本身不稳定，容易受电源电

49、第一，振荡器中门电路的转换电平本身不稳定，容易受电源电压和温度变化的影响；压和温度变化的影响； 第二，电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态转换时间的第二，电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态转换时间的提前或滞后；提前或滞后； 第三，在电路状态临近转换时电容的充、放电已经比较缓慢，第三，在电路状态临近转换时电容的充、放电已经比较缓慢，在这种情况下转换电平微小的变化或轻微的干扰都会严重影响振荡在这种情况下转换电平微小的变化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。周期。 目前普遍采用的一种稳频方法是在多谐振荡器电路中接入石目前普遍采用的一种稳频方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡

50、器。英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。图图6.4.18 6.4.18 石英晶体的电抗频率特性和符号石英晶体的电抗频率特性和符号 外加电压的频率为外加电压的频率为f f0 0时石英晶体的阻抗最小时石英晶体的阻抗最小 石英晶体接入多谐振荡器的正反馈环路中以后，频率为石英晶体接入多谐振荡器的正反馈环路中以后，频率为f0f0的电的电压信号最容易通过，并在电路中形成正反馈，其他频率信号经过石压信号最容易通过，并在电路中形成正反馈，其他频率信号经过石英晶体时被衰减。英晶体时被衰减。 石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率率f f0 0，

51、与外接电阻、电容无关。，与外接电阻、电容无关。图图6.4.19 6.4.19 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 石英晶体谐振频率石英晶体谐振频率f f0 0由石英晶体的结晶方向和外形尺寸决定，由石英晶体的结晶方向和外形尺寸决定，具有极高的频率稳定性。频率稳定度（具有极高的频率稳定性。频率稳定度（ ）达）达00f /f-11-101010 非对称式多谐振荡器电路也可以接入石英晶体构成石英晶体多非对称式多谐振荡器电路也可以接入石英晶体构成石英晶体多谐振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体的谐振频率。谐振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体的谐振频率。 6.5 555定时器及其应用定时器及其应用 6.5

52、.1 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能 555 555定时器是一种多用途的数字定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，可方便模拟混合集成电路，可方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。 555 555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等众多领域得到了广泛应用。子玩具等众多领域得到了广泛应用。 所有双极型产品型号所有双极型产品型号最后的最后的3 3位数码都是位数码都是555555，所有，所有CMOSCMOS产品型产品型号号最后最后4 4位数码都是位数

53、码都是75557555，它们的功能和外部引脚的排列完全相同。，它们的功能和外部引脚的排列完全相同。双定时产品双定时产品556556（双极型）和（双极型）和75567556（CMOSCMOS型）。型）。图图6.5.1 CB5556.5.1 CB555的电路结构图的电路结构图截止高1截止高1不变不变1导通低1导通低0TD状态vOvI2vI1RD输 出输 入CCV32CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31CCV31表表6.5.1 CB5556.5.1 CB555的功能表的功能表 CB555 CB555由比较器由比较器C1C1和和C2C2，基本，基本RSRS触发器和集电极开路的三

54、极管触发器和集电极开路的三极管三部分组成。三部分组成。 6.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器 如果使如果使555555定时器的定时器的v vC1C1和和v vC2C2的低电平信号发生在输入电压信号的低电平信号发生在输入电压信号的不同电平，那么输出与输入之间的关系就构成施密特触发器特性的不同电平，那么输出与输入之间的关系就构成施密特触发器特性图图6.5.2 6.5.2 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 比较器比较器C1C1和和C2C2的参考电压不同，基本触发器的置的参考电压不同，基本触发器的置0 0信号（信号（v vC1C1=0=

55、0）和置和置1 1信号（信号（v vC2C2=0=0）发生在输入信号）发生在输入信号v vI I的不同电平的不同电平v vI I从从0 0逐渐升高过程逐渐升高过程OHOC2C1CCIVv, 1Q, 0v1v,V31v、不变OHOC2C1CCICCVv, 1vv,V32vV31OLOC2C1CCIVv, 0Q, 1v0v,V32v、CCTV32V因此， v vI I从高于从高于 开始下降的过程开始下降的过程CCV32不变OLOC2C1CCICCVv, 1vv,V32vV31CC-TOHOC2C1CCIV31VVv, 1Q, 0v1v,V31v，因此，、 电路的回差电压电路的回差电压CC-TTTV

56、31V-VV图图6.5.3 6.5.3 图图6.5.26.5.2电路的电压传输特性电路的电压传输特性 如果参考电压由外接的电压如果参考电压由外接的电压 供给，则不难看出供给，则不难看出 。通过改变。通过改变 值可以调节回差电压的大小值可以调节回差电压的大小COVCOVCOTCOTV21V,V21VCOTVV 6.5.3 用用555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器图图6.5.4 6.5.4 用用555555定时器接成的定时器接成的单稳态触发器单稳态触发器没有触发信号时没有触发信号时v vI I处于高电平，稳态时电路处于处于高电平，稳态时电路处于0v, 0Q, 1vvOC2C1假定接通电源后触发器停在假定接通电源后触发器停在Q=0Q=0状态，则状态，则0v, 0Q, 1vv0,vTOC2C1CD导通假定接通电源后触发器停在假定接通电源后触发器停在Q=1Q=1状态，状态，T TD D截止，截止，V VCCCC经经R R向向C C充电。到充电。到 时，时，v vC1C1变为变为0 0，将触，将触发器置发