《数字电路的分析与应用》-模块二 项目2

任务一矩形波产生电路振荡器主要用来产生时钟信号，是各种数字（计算机）系统中的最基本电路。它是一种自激电路，在接通电源后，不需要外加触发信号便能自动产生连续的矩形脉冲输出。所谓多谐振荡器实际就是方波发生器，因其含有丰富的谐波，故称之为多谐振荡器。多谐振荡器通常用集成门电路外接反馈及稳频电路组成，在一些计算机系统（如单片机）中通常将振荡电路集成到芯片内，外部仅需接一个晶振及两个电容即可。１.由５５５定时器构成的多谐振荡器５５５定时电路是目前应用十分广泛的一种器件，它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，分为ＴＴＬ集成定时电路和ＣＭＯＳ集成定时电路两类，功能和引脚排列完全一样，只是前者的驱动能力大于后者。上一页下一页返回任务一矩形波产生电路２.由门电路构成的石英晶体多谐振荡器在很多场合下，各种数字系统对振荡频率稳定性的要求很高。例如，若将多谐振荡器作为数字钟的信号源使用时，其频率稳定性直接影响着计时的准确性。由５５５定时器构成的多谐振荡器工作可靠、调节方便，但振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫。因为这种电路是靠电容充放电形成的，而充放电又是按指数规律进行的，因此器件受到干扰便会影响振荡周期。在频率要求高，对频率稳定性要求更高的场合，一般的ＲＣ多谐振荡器难以满足要求。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器。上一页下一页返回任务一矩形波产生电路石英晶体相当于一个高Ｑ（品质因数）选频网络。若在石英晶体两端加不同频率的电压信号，则石英晶体会表现出不同的阻抗值：只有当频率为ｆ０时，石英晶体的阻抗最小（接近零），晶体两边的信号最容易通过，当频率大于ｆ０时晶体表现为电感性阻抗，当频率小于ｆ０时晶体表现为电容性阻抗。石英晶体的阻抗频率特性如图２－２７（ａ）所示，图２－２７（ｂ）是石英晶体的符号。如图２－２８所示为由门电路组成的石英晶体振荡器。电路中两反向器均工作于放大状态（而不是开关状态），这是由反馈电阻ＲＦ来实现的。由图中两反向器的连接方式可看出电路处于正反馈状态。只要电路中有微小的电压扰动，就会被正反馈回路放大而引起振荡。上一页下一页返回任务一矩形波产生电路将石英晶体接入多谐振荡器的正反馈环路后，频率为ｆ０的电压信号最容易通过它，并在电路中形成正反馈，而其他频率信号经过石英晶体时被衰减。因此，振荡器的工作频率必然为ｆ０。由此可见，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ｆ０，而与外接电阻、电容无关。在图２－２８中，若采用ＴＴＬ电路７４ＬＳ０４作为反向器，ＲＦ＝１ｋΩ，Ｃ＝０.０５μＦ，则其振荡频率可达几十兆赫。此电路为对称式石英晶体多谐振荡器，亦可接成非对称式石英晶体多谐振荡器。３.由ＣＤ４０６０构成的晶体振荡器及其应用ＣＤ４０６０内部含有振荡电路及计数器，仅需外接晶体与电容即可构成振荡器。上一页下一页返回任务一矩形波产生电路如图２－２９所示为其在数字钟电路中的应用。因为数字钟的精度主要取决于时间标准信号的频率及其稳定度，所以要产生稳定的时标信号，一般是采用石英晶体振荡器。从数字钟的精度考虑，晶振频率愈高，钟表的计时准确度就愈高。但这会使振荡器的耗电量增大，同时分频器的级数也要增多。所以在确定频率时应当考虑这两方面的因素。实验选用了成型数字钟中使用的石英晶体，其频率ｆ０＝３２７６８Ｈｚ，具有易购买、体积小、成本低等优点。上述振荡器产生的时钟信号频率很高，要使它变成能用来计时的秒信号，需要一定级数的分频电路。石英晶体振荡器产生的３２７６８Ｈｚ的时钟信号，级过１５级的二分频即可得到周期为１ｓ的秒信号。由于该芯片内部集成了计数器，故可完成分频任务，电路如图２－２９所示，读者可进行实际连接并测试。上一页返回任务二矩形波整形电路１.单稳态触发器单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态，当无触发脉冲输入时，单稳态触发器处于稳定状态；当外界有触发脉冲时，在触发脉冲的作用下，电路从稳态翻转到暂稳态，然后在暂稳态停留一段时间ｔｗ后又自动返回到稳态，并在输出端产生一个宽度为ｔｗ的矩形脉冲。ｔｗ只与电路本身的参数有关，而与触发脉冲无关。通常把ｔｗ称为脉冲宽度。如图２－３０（ａ）所示为由５５５芯片构成的单稳态电路。２.施密特触发器施密特触发器是一种将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲的电路，具有滞回特性，抗干扰能力很强。下一页返回任务二矩形波整形电路它可以将符合特定条件的输入波形变为对应的矩形波，其特定条件是：输入信号的最大幅度Ｕｍａｘ要大于施密特触发器中５５５定时器的参考电压ＵＲ。施密特触发器有两个稳态：一个稳态输出高电平，另一个稳态输出低电平。但这两个稳态要靠输入信号电平来维持。如