第６章脈沖波表的產(chǎn)生與變換6.1概述6.2集成555定時器及其應(yīng)用6.3施密特觸發(fā)器6.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.5多諧振蕩器6.6脈沖波形的產(chǎn)生與整形電路仿真實驗實驗與實訓本章小結(jié)習題

6.1概述

脈沖信號是指那些瞬間突然變化，作用時間極短的電壓或電流波形。它可以是周期性重復的，也可以是非周期性的。

由于數(shù)字電路系統(tǒng)中，離不開各種不同頻率及幅值的脈沖信號，如時序邏輯電路中時鐘信號、控制過程的定時信號等，因此，矩形脈沖特性的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)能否正常工作。矩形脈沖的獲取通常有兩種途徑：一種是利用各種形式的脈沖振蕩電路，直接產(chǎn)生所需的矩形脈沖，如多諧振蕩器等。這種電路在工作時一般不需要外加信號源，只要加上合適的工作電壓，就能自動產(chǎn)生脈沖信號，所以這類電路屬于自激的脈沖振蕩電路。另一種是通過整形電路（或脈沖變換電路）把一種非矩形脈沖，或者性能不符合要求的矩形脈沖變換成符合要求的矩形脈沖，如施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等。這種電路本身并不能自行產(chǎn)生脈沖信號，它只是把已有的某種脈沖信號“加工”成符合要求的矩形脈沖信號。

555定時器是一種多用途集成電路，其使用靈活、方便，在波形產(chǎn)生與變換、測量控制等方面有著廣泛的應(yīng)用。本章主要以555定時器應(yīng)用為主線介紹施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器的工作原理與應(yīng)用。6.2集成555定時器及其應(yīng)用

6.2.1電路組成

555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的邏輯如圖6.2.1所示，它由五部分組成：3個5kΩ電阻組成的分壓器，兩個集成運放C1、C2

組成電壓比較器，基本RS觸發(fā)器，放電管T及反相器

G4構(gòu)成的輸出緩沖器構(gòu)成。圖6.2.1555定時器的邏輯圖

1.電阻分壓器

電阻分壓器為電壓比較器提供參考電壓uR1和uR2。

(1)當控制電壓輸入端（即5腳）uIC懸空時，uR1=UCC，uR2=

UCC；

(2)當控制電壓輸入端（即5腳）接電壓uIC時，uR1=uIC,uR2=

uIC；

(3)當不需要外接控制電壓時，通常在控制電壓輸入端（即5腳）uIC與地之間接一個大小為0.01μF的電容濾波，提高電壓uR1和uR2的穩(wěn)定性。

2.電壓比較器

電壓比較器由C1、C2兩個結(jié)構(gòu)相同的集成運算放大器組成。由集成運算放大器的特點可知：U+>U－時，運放的輸出是高電平；U+<U－時，運放的輸出是低電平。

3.基本RS觸發(fā)器

基本RS觸發(fā)器由兩個與非門G1、G2組成，它的輸出狀態(tài)由兩個比較器輸出uC1和uC2控制，其中，uC1接入基本RS觸發(fā)器的置0端，uC2接入基本RS觸發(fā)器的置1端。

4.輸出緩沖器

緩沖器由非門G4構(gòu)成。它的作用是改善輸出信號的波形，提高驅(qū)動負載能力。

5.放電管V

當RS觸發(fā)器輸出為低電平時，放電管V導通；當RS觸發(fā)器輸出為高電平時，放電管V截止。放電管可為外接電容提供放電回路。6.2.2工作原理

555定時器的具體工作原理如下所述：

（1）RD是復位端。當RD=0時，輸出端uO=0。正常工作時，應(yīng)使RD=1。

（2）當uI1<uR1、uI2<uR2時，uC1=1、uC2=0，即RD=1、SD=0，基本RS觸發(fā)器被置1，Q=1，放電管V截止，輸出端uO=1，為高電平。（3）當uI1<uR1、uI2>uR2時，uC1=1、uC2=1，RD=1、SD=1，基本RS觸發(fā)器維持原來狀態(tài)不變，因而放電管V和輸出端uO也維持原來狀態(tài)不變。

（4）當uI1>uR1、uI2<uR2

時，uC1=0、uC2=0，即RD=0、SD=0，基本RS觸發(fā)器狀態(tài)不定，這種輸入情況禁止出現(xiàn)。

（5）當uI1>uR1、uI2>uR2時，uC1=0、uC2=1，即RD=0、SD=1，基本RS觸發(fā)器被置0，Q=0，放電管V導通，輸出端uO=0，為低電平。綜合上述分析，不外接控制電壓時，可得555定時器功能表如表6.2.1所示。

6.3施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器是波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，它能將邊緣變化緩慢的電壓波形整形為邊緣陡峭的矩形脈沖。它具有類似于磁滯回線形狀的電壓傳輸特性，如圖6.3.1所示。通常把這種形狀的特性曲線稱為滯回特性或施密特觸發(fā)特性。圖6.3.1施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性（1）屬于電平觸發(fā)且有兩個穩(wěn)定狀態(tài)。兩個穩(wěn)定狀態(tài)的維持和相互轉(zhuǎn)換只與輸入電壓的大小有關(guān)，而與輸入電壓的變化速度無關(guān)，且輸出由高電平轉(zhuǎn)換到低電平或由低電平轉(zhuǎn)換到高電平所需輸入電壓的大小是不同的，其差值稱為回差電壓ΔUT，即ΔUT=UT+－UT－。

其中，UT+為正向閾值電壓；UT－為負向閾值電壓。

（2）電壓傳輸特性轉(zhuǎn)折時上升時間和下降時間極短，或者說上升沿和下降沿非常陡，抗干擾能力較強，當輸入信號達到某一定電壓值時，輸出電壓會發(fā)生突變。6.3.1用555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

將555定時器的閾值輸入端(6管腳)和觸發(fā)輸入端(2管腳)連在一起，便構(gòu)成了施密特觸發(fā)器，如圖6.3.2所示。圖6.3.2555定時器組成的施密特觸發(fā)器（a）電路圖;（b）工作波形圖當UIC端通過0.01μF電容接地，電路的工作原理如下：1）輸入信號uI從低電位逐漸升高

當uI<UCC時，uI1<

UCC，uI2<

UCC，觸發(fā)器置1，uO1=1，為高電平，放電管V截止。

當UCC<uI<

UCC時，uI1<

UCC，uI2>

UCC，電路輸出仍保持不變，uO1=1，為高電平，放電管V截止。當uI>

UCC時，uI1>

UCC，uI2>

3UCC，觸發(fā)器復位，uO1=0，為低電平，放電管V導通。

2）輸入信號uI從高電位逐漸下降

當uI>

UCC時，uI1>

UCC，uI2>

UCC，觸發(fā)器復位，uO1=0，為低電平，放電管V導通。當UCC<uI<

UCC時，uI1<

UCC，uI2>

UCC，電路輸出仍保持不變，uO1=0，為低電平，放電管V導通。

當uI<

UCC時，uI1<

UCC，uI2<

UCC，觸發(fā)器置1，uO1=1，為高電平，放電管V截止。

因此，在uI上升過程中，當uI上升到UCC時，電路輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，使uO1由1變?yōu)?；在uI下降過程中，當uI下降到UCC時，電路輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，使uO1

由0變?yōu)?。

由此可知：正向閾值電壓UT+=

UCC，負向閾值電壓

UT－=

UCC，回差電壓ΔUT=UT+－UT－=

3UCC－UCC=

3UCC。

如將圖中5腳外接控制電壓uIC，改變uIC的大小，則可以調(diào)節(jié)回差電壓的范圍，即

ΔUT=UT+－UT－=uIC－uIC=

uIC

如果在555定時器的放電管V輸出端（7腳）外接一電阻，并與另一電源UCC1相連，則當放電管V導通時，另一輸出端uO2=0,為低電平；放電管V截止時，uO2=UCC1,輸出端為高電平，因此，uO2輸出電平的大小可通過改變UCC1來實現(xiàn)。6.3.2用門電路組成的施密特觸發(fā)器

1.電路組成

由兩個CMOS反相器組成的施密特觸發(fā)器如圖6.3.3所示。電路中兩個CMOS反相器串接，分壓電阻R1、R2將輸出端的電壓反饋到輸入端對電路產(chǎn)生影響。圖6.3.3CMOS反相器組成的施密特觸發(fā)器(a)電路圖；(b)圖形符號

2.工作原理

假定電路中CMOS反相器的閾值電壓Uth≈，R1<R2，且輸入信號uI為三角波，則根據(jù)疊加原理有

uI1=

uI+

uO

（1）當輸入電壓為0V時。uI=0V時，uI1<Uth，則G1輸出uO1為高電平，G2輸出uO≈0V，此時uI1≈0V。

當輸入從0V電壓逐漸增加時，只要uI1<Uth，電路就會保持uO=0V為低電平不變。

（2）當輸入電壓上升時。輸入電壓從低電平向高電平上升時，隨著uI上升,uI1也逐漸增加;當uI1略高于Uth時，G1輸出，uO1為低電平，G2輸出，uO為高電平。電路產(chǎn)生如下正反饋過程：這樣，電路輸出狀態(tài)在極短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)換為高電平。此時uI的值即為施密特觸發(fā)器在輸入信號正向增加時的閾值電壓，稱為正向閾值電壓，用UT+表示，則那么當uI>UT+時，電路狀態(tài)維持uO為高電平不變。（3）當輸入電壓下降時。uI繼續(xù)上升至最大值后開始下降，隨著uI下降,uI1也逐漸降低，當uI1低于Uth時，G1輸出，uO1為高電平，G2輸出，uO為低電平，電路產(chǎn)生如下正反饋過程：uI1↓→uO1↑→uO↓—↑

3.回差電壓

回差電壓，即正向閾值與負向閾值之差。

ΔUT=UT+－UT－≈2

Uth≈

UDD

由上式可見，電路回差電壓與R1/R2成正比，改變R1、R2的比值，即可調(diào)節(jié)回差電壓的大小。電路的工作波形及傳輸特性曲線如圖6.3.4所示。圖6.3.4施密特觸發(fā)器的工作波形和傳輸特性曲線(a)工作波形；(b)傳輸特性曲線6.3.3集成施密特觸發(fā)器

TTL集成施密特觸發(fā)器具有以下特點：

（1）具有較強的帶負載能力。

（2）具有閾值電壓和回差電壓溫度補償，因此電路性能的一致性好。

（3）具有較強的抗干擾能力。

CMOS集成施密特觸發(fā)器具有以下特點：

（1）在電源電壓UDD一定時，觸發(fā)閾值電壓穩(wěn)定；（2）電源電壓UDD變化范圍寬，輸入阻抗高，功耗極??；

（3）具有很強的抗干擾能力。6.3.4施密特觸發(fā)器的應(yīng)用

1.波形變換

因為施密特觸發(fā)器的輸出只有高、低電平兩種狀態(tài)，且狀態(tài)轉(zhuǎn)換時輸出電壓波形的邊沿又十分陡峭，所以利用施密特觸發(fā)器可把緩慢變化的電壓信號轉(zhuǎn)換為比較理想的矩形脈沖信號。只要輸入信號的幅度大于UT+且峰－峰值大于ΔT，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同頻率的矩形脈沖信號。如圖6.3.5所示。圖6.3.5用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)波形變換

2.脈沖整形

在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖信號經(jīng)過傳輸以后往往發(fā)生波形畸變。常見的有三種情況，如圖6.3.6所示。其中，(a)圖的傳輸線上接有較大的電容，由于電容電壓不能突變，所以脈沖信號的上升沿和下降沿都將變壞；(b)圖是傳輸線較長，而且接收端的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配，當脈沖的上升沿或下降沿到達接收端時，將發(fā)生振蕩現(xiàn)象；(c)圖是其他脈沖信號通過導線之間的分布電容或公用電源線疊加到矩形脈沖信號上時,信號上將形成附加的噪聲。圖6.3.6用施密特觸發(fā)器進行脈沖整形(a)接收大電容時；(b)接收端與傳輸端的阻抗不匹配；(c)其他脈沖信號通過時

3.脈沖鑒幅

如圖6.3.7所示，若將一系列不同幅度的脈沖信號加到施密特觸發(fā)器輸入端時，則只有那些幅度大于UT+

的脈沖才能在輸出端產(chǎn)生脈沖信號。因此，施密特觸發(fā)器可以將幅度大于UT+的脈沖選出，從而達到脈沖鑒幅的目的。如果uI是緩慢變化的連續(xù)的電壓信號，則利用施密特觸發(fā)器也可以在輸入到達UT+時給出輸出信號。這在輸入信號到達一定值需要給出超限報警信號時是很有用的。圖6.3.7用施密特觸發(fā)器鑒別脈沖幅度課堂活動

一、課堂提問和討論

1.試述施密特觸發(fā)器的工作特點。

2.試述施密特觸發(fā)器的主要用途。

3.試述用555集成塊組成的施密特觸發(fā)器調(diào)節(jié)回差電壓的方法。

4.試述用門電路組成的施密特觸發(fā)器調(diào)節(jié)回差電壓的方法。

5.試述用555集成塊組成的施密特觸發(fā)器其改變輸出電平大小的方法。二、學生演講和演板

1.描述或?qū)懗?55定時器的功能表。

2.試述555定時器各管腳的功能。

三、課堂練習

1.在圖6.3.2(a)所示施密特觸發(fā)器中，估算在下列條件下電路的UT+

、UT－、ΔUT

。

(1)UCC=12V，UIC端通過0.01μF電容接地；

(2)UCC=12V，UIC端接5V電源。

2.在圖6.3.2(a)所示施密特觸發(fā)器也可作為脈沖鑒幅器。為從圖6.3.8所示的輸入信號中將幅值大于5V的脈沖檢出，電源電壓UCC應(yīng)取多少？如規(guī)定UCC=10V不變，則電路做何修改？圖6.3.86.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

6.4.1用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

將555定時器的各個管腳如圖6.4.1（a）所示進行連接，便構(gòu)成了施密特觸發(fā)器。其工作波形如圖6.4.1（b）所示。圖6.4.1由555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（a）電路圖;（b）工作波形（1）沒有觸發(fā)信號時,uI為高電平，電路處于一種穩(wěn)態(tài)，即u0=0。電源接通后，電路有一個穩(wěn)定的過程，即電源通過電阻R向電容C充電。當uC上升到略大于UCC時，無觸發(fā)信號(uI為高電平)即uI1>

UCC，uI2>

UCC,觸發(fā)器復位，uO為低電平，放電管V導通，電容C經(jīng)7管

腳對地放電。隨著放電過程，uC電壓下降，當uC低于

UCC，即uI1<UCC，uI2>

UCC時，一直到uC=0V，電路輸出仍保持不變;uO=0時，電路進入穩(wěn)定狀態(tài)。（2）在觸發(fā)信號作用下，電路由穩(wěn)態(tài)進入暫態(tài)，即uO=1。若觸發(fā)輸入端施加觸發(fā)信號（uI為低電平），則

uI1<

3UCC，uI2<

UCC，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器

置1，uO=1為高電平，放電管V截止，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。（3）自動返回穩(wěn)態(tài)。電路進入暫穩(wěn)態(tài)，因為放電

管V截止，電容C的放電回路斷開，電源經(jīng)電阻對電容C

充電，電容電壓按指數(shù)規(guī)律上升。當uC上升到略大于

UCC時，無觸發(fā)信號（uI為高電平），即uI1>

UCC，uI2>

UCC，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器復位，uO=0為低電平，放電管V導通，電容C經(jīng)7管腳對地放電，電路恢復至穩(wěn)定狀態(tài)。

如果忽略V的飽和壓降，則uC從零電平上升到UCC的時間，即為輸出電壓uO的脈寬tW，它等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，主要由電阻R和電容C大小決定。tW=RCln3≈1.1RC。6.4.2用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.電路組成

由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)都是靠RC電路的充、放

電過程來維持的，因此，根據(jù)RC電路的不同接法，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可分為微分型和積分型兩種，如圖6.4.2（a）和（b）所示。圖6.4.2用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（a）微分型；（b）積分型

2.工作原理

（1）在沒有觸發(fā)信號時，電路處于一種穩(wěn)態(tài)，即uO=0。

無外來觸發(fā)信號時，uI=0,所以ud=0,為低電平;

uI2=UDD，為高電平，G2為反相器，故uO為低電平；這樣或非門G1的兩個輸入都為低電平，其輸出uO1=UDD，這時電容C兩端的電位uO1和uI2都為高電平，電容C無充放電現(xiàn)象，電路穩(wěn)定。（2）在外加觸發(fā)信號，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，即uO=1。當觸發(fā)脈沖uI加到輸入端，在Rd和Cd組成的微分電路輸出端得到很窄的正、負脈沖ud，當ud=UTH時，或非門G1翻轉(zhuǎn)，uO1=0。由于電容C上電壓不能突變，所以uI2

也同時跳變?yōu)榈碗娖?，從而促使反相器G2翻轉(zhuǎn),uO=UDD，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。這時即使ud回到低電平，uO的高電平仍將維持。由穩(wěn)態(tài)進入暫穩(wěn)態(tài)中的正反饋，會使uO1

、uO的邊沿變得很陡，過程如下：

（3）電容充電時，電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返回穩(wěn)態(tài)，即uO=0。

暫穩(wěn)態(tài)期間，uO1=0，UDD經(jīng)電阻R向電容C充電，隨著充電過程的進行，uI2逐漸升高，當升到uI2=UTH時，又引發(fā)另外一個正反饋過程由此可畫出電路中各點電壓波形，如圖6.4.3所示。圖6.4.3電路中各點電壓波形

3.主要參數(shù)

1）輸出脈沖寬度tW

指電容C從開始充電到uI2上升至UTH的這段時間，即

tW≈0.7RC

2）輸出脈沖幅度Um

Um=UOH－UOL≈UDD

3）恢復時間tre

暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，還需要一段恢復時間，以便電容C在暫穩(wěn)態(tài)期間所充的電荷釋放完，使電路恢復到初始狀態(tài)。一般，

tre≈（3～5）RONC

式中，RON為G1門的輸出電阻。

4）分辨時間td

分辨時間是指在保證電路能正常工作的前提下，允許兩個相鄰觸發(fā)脈沖之間的最小時間間隔，即

td=tW+tre

5）最高工作頻率fmax

微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只用于窄脈沖觸發(fā)，抗干擾能力較差。而積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器必須在觸發(fā)脈沖的寬度大于輸出脈沖的寬度時，才能正常工作，因而抗干擾能力較強。但輸出波形的邊沿較差。6.4.3集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雖然電路簡單，但輸出脈寬的穩(wěn)定性差，調(diào)節(jié)范圍小，且觸發(fā)方式單一。因此，在實際工作中我們更多地使用集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的原理與以上所講的相似，按其電路結(jié)構(gòu)不同可分為TTL電路和CMOS電路兩類。僅從功能上看，兩類觸發(fā)器區(qū)別不大，但從性能上看，CMOS電路優(yōu)于TTL電路（CMOS電路的工作電壓更寬，抗干擾能力更強等）。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器按其觸發(fā)條件不同可分為不可重復觸發(fā)和可重復觸發(fā)兩種，其工作波形如圖6.4.4所示。主要區(qū)別是：

不可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在進入暫穩(wěn)態(tài)期間，如有觸發(fā)脈沖作用，電路的工作過程不受影響，只有當電路的暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，輸出觸發(fā)脈沖才會影響電路狀態(tài)，電路輸出脈寬由R、C參數(shù)確定；而可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫穩(wěn)態(tài)期間，如有觸發(fā)脈沖作用，電路會重新被觸發(fā)，使暫穩(wěn)態(tài)繼續(xù)延遲一段時間，直至觸發(fā)脈沖的間隔超過輸出脈寬，電路才返回穩(wěn)態(tài)。圖6.4.4兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形（a）不可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器;（b）可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.4.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用

1.脈沖延遲（滯后）

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖延遲作用從圖6.4.3的工作波形可以看出，輸出信號uO的上升沿相對輸入信號uI的上升沿延遲了一段時間tW。

2.脈沖定時

由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可輸出寬度和幅度符合要求的矩形脈沖，因此可利用它來作定時電路。在圖6.4.5中，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出電壓uO′用作與門的輸入定時控制信號，當uO′為高電平時，與門打開,uO=uF

；當uO′為低電平時，與門關(guān)閉,uO為低電平。顯然，與門打開的時間就是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖uO′的寬度tW。圖6.4.5單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用于定時選通

3.脈沖整形

和施密特觸發(fā)器一樣，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器也可用來把不規(guī)則的輸入信號uI整形成寬度和幅度都符合要求的標準矩形脈沖uO，uO的幅度取決于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的高、低電平，寬度tW取決于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)時間。圖6.4.6是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用于波形整形的一個簡單例子。圖6.4.6單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用于波形的整形課堂活動

一、課堂提問和討論

1.試述單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特點。

2.試述單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要用途。

3.

555定時器由哪幾部分構(gòu)成？各部分功能是什么?

二、學生演講和演板

1.集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可分為哪兩類?有何區(qū)別？

2.試述圖6.4.2（b）中的積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理。三、課堂練習

在圖6.4.1的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，已知UCC=12V,R=10kΩ，C=10μF，試問：

(1)該電路的觸發(fā)脈沖是正脈沖還是負脈沖？觸發(fā)脈沖的幅度至少應(yīng)低于多少伏？

(2)輸出的脈沖寬度是多少？

(3)若需增大輸出脈沖的寬度，應(yīng)如何調(diào)整電路參數(shù)?

6.5多諧振蕩器

多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，工作時不需要任何外加觸發(fā)信號，只要一接通電源，它就能自動產(chǎn)生一定頻率和幅值的矩形脈沖信號。因為矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以把矩形波振蕩器叫做多諧振蕩器。由于多諧振蕩器一旦啟振后，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，它們作交替變化，輸出連續(xù)的矩形脈沖信號，故又稱為無穩(wěn)態(tài)電路，常用來做脈沖信號源。6.5.1用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器

由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器及工作波形如圖6.5.1

所示。圖6.5.1由555定時器組成的多諧振蕩器（a）電路圖；（b）工作波形其具體工作原理如下：

1.第一暫穩(wěn)態(tài)

接通電源后，電容C被充電，uC上升，當uC到略大于

UCC時，則uI1>

UCC，uI2>

UCC，根據(jù)555定時器功能表得知，此時uO為低電平，同時放電管V導通。此時，電容C通過R2和經(jīng)7管腳接入放電管V進行放電，使uC下降。uC由UCC下降到UCC這段時間，電路都處于第一暫穩(wěn)態(tài)。電容器C放電所需的時間為tPL=R2Cln2≈0.7R2C。

2.第二暫穩(wěn)態(tài)

當uC下降到略小于UCC時，則uI1<

UCC，uI2<

UCC，根據(jù)555定時器功能表得知，此時uO為高電平，同時放電管V截止，電容C放電結(jié)束時。這時UCC將通過R1、R2向電容器C充電，uC由UCC上升到UCC這段時間，電路都處于第二暫穩(wěn)態(tài)。電容器C充電所需的時間為tPH

=(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)C。當uC上升到UCC時，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復始，在輸出端就得到一個周期性的矩形波，其頻率為占空比為圖6.5.1所示電路的tPL≠tPH，且占空比固定不變。如果將電路改成如圖6.5.2所示的形式，電路利用VD1、VD2單向?qū)щ娦詫㈦娙萜鰿充、放電回路分開，再加上電位器調(diào)節(jié)，便構(gòu)成了占空比可調(diào)的多諧振蕩器。

圖中，UCC通過RA、VD1向電容C充電，充電時間為

tPH≈0.7RAC電容器C通過VD2、RB及555中的放電管V放電，放電

時間為

tPL≈0.7RBC

因而，振蕩頻率為

可見，這種振蕩器輸出波形的占空比為

×100%圖6.5.2占空比可調(diào)的方波發(fā)生器6.5.2用門電路組成的多諧振蕩器

具有如下共同的特點：

（1）含有開關(guān)器件。如門電路、電壓比較器、BJT等。這些器件主要用作產(chǎn)生高、低電平。

（2）具有反饋網(wǎng)絡(luò)。將輸出電壓恰當?shù)胤答伣o開關(guān)器件,使之改變輸出狀態(tài)。

（3）還有延遲環(huán)節(jié)。利用RC電路的充、放電特性可實現(xiàn)延時，以獲得所需要的振蕩頻率。在許多實用電路中，反饋網(wǎng)絡(luò)兼有延時的作用。

1.電路組成

圖6.5.3所示是由CMOS門電路組成的不對稱的多器諧振蕩器。圖6.5.3由CMOS門電路組成的多諧振蕩器

2.工作原理

為了分析方便，假設(shè)門電路的電壓傳輸曲線為理想化的折線，即開門電平UON和關(guān)門電平UOFF相等，稱為門坎電平UTH（或閾值電平），且設(shè)Uth=

UDD,則有UON=UOFF=UTH=

UDD。

1）第一暫穩(wěn)態(tài)及電路自動翻轉(zhuǎn)的過程

假定在t=0時接通電源，電容C尚未充電，電路初始狀態(tài)為uO1=UOH，uI=uO2=UOL狀態(tài)，即第一暫穩(wěn)態(tài)。此時，電源經(jīng)G1、電阻R給電容C充電，uI隨之上升。當uI=UON時，電路發(fā)生下述正反饋過程：這一正反饋過程瞬間完成，使G1導通、G2截止，電路進入第二暫穩(wěn)態(tài)，即uO1=UOL，uO2=UOH。

2）第二暫穩(wěn)態(tài)及電路自動翻轉(zhuǎn)的過程

電路進入第二暫穩(wěn)態(tài)瞬間，G1開通，G2關(guān)閉，uO2高電平經(jīng)C、R和G1的輸出電阻對C進行反向充電(即C放電)，uI隨之下降。當uI下降至UOFF時，電路又產(chǎn)生另一個正反饋過程：

從而使G1迅速截止，G2迅速導通，電路又回到第一暫穩(wěn)態(tài)，即uO1=UOH，uO2=UOL。此后，電路重復上述過程，周而復始地從一個暫穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個暫穩(wěn)態(tài)，在G2的輸出端即有周期性的矩形脈沖信號輸出。

3.振蕩周期

在UTH=UDD/2時，振蕩周期可用下式進行估算:T=T1+T2=RCln4≈1.4RC6.5.3石英晶體多諧振蕩器

由門電路組成的多諧振蕩器的振蕩周期（或重復頻率）不僅取決于時間常數(shù)RC，還取決于門電路的閾值電壓UTH。由于UTH容易受溫度、電源電壓及干擾的影響，因此，頻率穩(wěn)定性較差。

1.石英晶體的基本特性

石英晶體的品質(zhì)因數(shù)Q很高，選頻特性非常好，并且有一個極為穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率fs。圖6.5.4所示為石英晶體的符號及阻抗頻率特性。圖6.5.4石英晶體的電路符號及阻抗頻率特性（a）電路符號；（b）阻抗頻率特性由阻抗頻率特性可知：當外加電壓信號的頻率fs等于

石英晶體的固有諧振頻率f0時，石英晶體的等效阻抗量小，信號最容易通過。利用這一特性，把石英晶體接入多諧振蕩器電路中，使電路的振蕩頻率只由晶體的固有諧振頻率f0來決定，而與電路中其他元件（R或C）的參數(shù)無關(guān)。石英晶體的頻率穩(wěn)定度是固有諧振頻率的偏移量Δf0

與固有諧振頻率f0的比值:Δf0/f0，可達10－10～10－11，完全可以滿足大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)對頻率穩(wěn)定度的要求。具有各種諧振頻率的石英晶體已被制成標準化和系列化的產(chǎn)品出售。

2.石英晶體多諧振蕩器

圖6.5.5所示是由兩個反相器G1、G2和兩個電容C1、C2及石英晶體等構(gòu)成的多諧振蕩器。其振蕩頻率僅取決于石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fs

，而與電路中的R、C數(shù)值無關(guān)，這是因為電路對fs頻率所形成的正反饋最強而易維持振蕩。反饋電阻R的作用是使反相器工作在線性放大區(qū)，對于TTL門電路，R通常在0.7～2kΩ之間，對于CMOS門電路，R通常在10～100MΩ之間；電容C1用于兩個反相器之間的耦合，其大小應(yīng)使C1在頻率為fs時的容抗可以忽略不計，電容C2的作用是抑制高次諧波，以保證穩(wěn)定的頻率輸出，其大小應(yīng)使2πRC2fs≈1，從而使RC2并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在fs處產(chǎn)生極點，以減少諧振信號的損失。圖6.5.5石英晶體振蕩器6.5.4多諧振蕩器的應(yīng)用

多諧振蕩器能夠產(chǎn)生輸出連續(xù)、頻率穩(wěn)定的矩形脈沖信號，因此它常作為時鐘脈沖信號發(fā)生器。同時，它也可以構(gòu)成一些實用電路。

1.雙音門鈴

圖6.5.6是用多諧振蕩器構(gòu)成的雙音門鈴電路。圖6.5.6多諧振蕩器構(gòu)成的雙音門鈴電路當按鈕開關(guān)AN按下時，開關(guān)閉合，UCC經(jīng)VD2向C3充電，P點（4腳）電位迅速提高至UCC，復位解除；由于VD1將R3旁路，UCC經(jīng)VD1、R1、R2向C充電，充電時間常數(shù)為(R1+R2)C，放電時間常數(shù)為R2C，多諧振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩，喇叭發(fā)出高音。

當按鈕開關(guān)AN松開時，開關(guān)斷開，由于電容C3存儲的電荷經(jīng)R4放電要維持一段時間，在P點（4腳）電位降到復位電平之前，電路繼續(xù)維持振蕩；此時，UCC經(jīng)VD1、R3、R1、R2向C充電，充電時間常數(shù)為(R3+R1+R2)C，放電時間常數(shù)為R2C，多諧振蕩器產(chǎn)生低頻振蕩，喇叭發(fā)出低音。

當電容C3持續(xù)放電，使P點（4腳）電位降到復位電平之后，多諧振蕩器停止振蕩，喇叭停止發(fā)出聲音。

2.救護車揚聲器發(fā)音電路

圖6.5.7所示是用兩個定時器（也可用一片雙定時器556）接成的救護車揚聲器發(fā)音電路，它能交替發(fā)出兩種高、低不同的叫聲。高、低音的持續(xù)時間各約1s。

圖中第（1）片555定時器接成低頻多諧振蕩器。在圖中標明的參數(shù)下，振蕩周期約為2s。uO1輸出脈沖的高、低電平持續(xù)時間各約1s。

第（2）片555定時器接成另一個多諧振蕩器，它的控制電壓輸入端與第一片555的輸出端相連。因此，第（2）片555的uCO值隨uO1而改變。當uO1為高電平時，uCO較高，UT+和UT－也較高；當uO1為低電平時，UT+和UT－也較低。當UT+較高時，電容充、放電的電壓幅度較大，因而振蕩頻率較低;反之，當UT+較低時，電容充、放電的電壓幅度較小，充、放電過程完成得快，故振蕩頻率較高。課堂活動

一、課堂提問和討論

1.數(shù)字電路中的脈沖信號都是由多諧振蕩器直接產(chǎn)生的嗎？

2.石英晶體多諧振蕩器的特點是什么？其振蕩頻率如何確定？

3.由555定時器組成的多諧振蕩器在振蕩周期不變的情況下，如何改變脈沖的寬度？

二、學生演講和演板

1.555定時器是一種中規(guī)模集成電路，外接一些阻容元件可構(gòu)成哪些不同的電路？

2.試比較多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器的工作特點，并說明主要用途。三、課堂練習

1.在圖6.5.1所示的多諧振蕩器中，欲降低電路振蕩頻率，下列的各種方法哪個是正確的?為什么？

(1)加大R1的阻值；

(2)加大R2的阻值；

(3)減少C的容值。

2.試用555定時器設(shè)計一個多諧振蕩器，要求輸出脈沖的振蕩頻率為10kHz，占空比為20%，電源電壓為8V，畫出電路并計算阻容元件的數(shù)值。

6.6脈沖波形的產(chǎn)生與整形電路仿真實驗

1.555定時器應(yīng)用仿真實驗

1）使用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器仿真實驗

在仿真工作區(qū)搭建一個由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器實驗電路，按圖6.6.1所示，使其中的輸入信號為三角波。打開仿真開關(guān)，在示波器面板上可以觀察到對應(yīng)于輸入三角波形UI的輸出波形UO為方波信號，如圖6.6.2所示。圖6.6.1由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路圖6.6.2施密特觸發(fā)器工作波形觀測如圖6.6.2所示的電壓波形圖，分析、驗證施密特觸發(fā)器的功能。

2）使用555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器仿真實驗

在仿真工作區(qū)搭建一個由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實驗電路，如圖6.6.3所示。其中，輸入觸發(fā)信號為方波信號，單穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間tW可由R、C的參數(shù)調(diào)整。圖6.6.3由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路由于不可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度主要取決于定時元件R和C，所以若將不符合要求的脈沖信號輸入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，則可在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端獲得邊沿、寬度和幅值都符合要求的矩形脈沖。其中，單穩(wěn)態(tài)脈沖的脈寬tW＝1.1RC。

打開仿真開關(guān)，進行仿真實驗，在示波器面板上可以觀察到如圖6.6.4所示的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形。圖6.6.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形

3）使用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器仿真實驗

在實驗工作區(qū)搭建一個由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，如圖6.6.5所示。打開仿真開關(guān)，在示波器面板上可以觀察到電容器C上的充、放電波形和與之對應(yīng)的矩形波輸出，如圖6.6.6所示。圖6.6.5由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路矩形波信號的周期取決于電容器充、放電回路的時間常數(shù)，輸出矩形脈沖信號的周期T≈0.7（R1+2R2）C。

觀測如圖6.6.6所示的電壓波形圖，分析驗證多諧振蕩器的功能。圖6.6.6多諧振蕩器的工作波形

4）使用555定時器構(gòu)成占空比可調(diào)的多諧振蕩器仿真實驗

數(shù)控線切割機床中的高頻電源的信號源一般都采用由555定時器構(gòu)成的占空比可調(diào)的多諧振蕩器電路，在仿真工作區(qū)搭建仿真電路，如圖6.6.7所示。輸出端輸出矩形脈沖信號的周期為T≈0.7（R1＋R2＋R3＋RW）C。圖6.6.7由555定時器構(gòu)成的占空比可調(diào)的多諧振蕩器可通過調(diào)節(jié)R1、R2和C的參數(shù)來調(diào)節(jié)矩形脈沖的寬度，可通過調(diào)節(jié)RW、R3、C的參數(shù)來調(diào)節(jié)矩形脈沖的間

隔。VD1和VD2的作用是減小調(diào)節(jié)脈沖寬度和脈沖間隔的互相影響。

打開仿真開關(guān)，觀測如圖6.6.8所示的示波器面板上顯示的輸出電壓波形。

可改變R1、R2和RW的參數(shù)，并觀測輸出波形的變化

情況。圖6.6.8多諧振蕩器的工作波形（一）實驗與實訓

脈沖波形的產(chǎn)生與整形電路

1.訓練目的

（1）掌握施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器的工作特性及測試方法。

（2）熟悉用555定時器構(gòu)成上述三種電路的方法及其他典型應(yīng)用。

（3）了解定時元件R、C與脈沖周期、脈沖寬度等的關(guān)系。

2.訓練內(nèi)容與步驟

（1）門電路組成的多諧振蕩器功能測試。

按圖6.6.9連線，R=1kΩ，C=0.047μF，輸出接示波器。觀察uO的波形，改變R、C的數(shù)值，觀察uO波形變化情況。說明R、C值與輸出波形的關(guān)系。（2）施密特觸發(fā)器組成的多諧振蕩器功能測試。

將施密特觸發(fā)器CT1121（74121）按圖6.6.10連線，C1=0.047μF，R為10kΩ的電位器，用SR8雙蹤示波器觀察uC和uO兩點的電壓波形。改變R值，觀察波形變化情況，并繪出波形圖。圖6.6.9圖6.6.10（3）555定時器組成的三種應(yīng)用電器。

①構(gòu)成施密特觸發(fā)器。將555定時器5G1555按圖6.3.2（a）連線。10kΩ電位器R的中點接輸入端uI，另兩端分別接電源端UCC和地，改變R值，分別測量對應(yīng)的uI和uO值，繪出施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性，指出UT+和UT－值。說明該電路的特點。②構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。將555定時器5G1555按圖6.4.1（a）連線。C1=0.01μF，R為47kΩ的電位器，輸入端uI接連續(xù)脈沖，f=1kHz，用雙蹤示波器觀察uI和uO的對應(yīng)波形并繪出。若改變R、C的數(shù)值，觀察波形變化情況。③構(gòu)成多諧振蕩器。將555定時器5G1555按圖6.5.1（a）連線。R1=5.1kΩ，R2=10kΩ，C1=0.047μF。用雙蹤

示波器觀察uC和uO的波形并繪圖。若改變R、C的數(shù)值，觀察波形變化情況。

④將555定時器5G1555按圖6.5.7連線。當接通電源后，揚聲器能交替發(fā)出兩種高、低不同聲調(diào)的聲音，高、低音的持續(xù)時間各約1s。分別改變電阻R1、R3的大小，觀察聲音變化情況。

3.訓練報告要求

（1）畫出集成電路連線示意圖、工作波形圖，并分析結(jié)果。

（2）總結(jié)施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器的功能和各自特點。

（3）寫出多諧振蕩器振蕩周期和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈寬的計算公式，定性說明定時元件與它們的關(guān)系。

4.訓練儀器與器材

（1）數(shù)字電路實驗箱1臺，SB8雙蹤示波器1臺。

（2）參考器件有T063、CT1121、5G1555定時器、揚聲器、電阻、電容。

5.預習要求與思考題

（1）預習要求。

①由門電路組成的施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器的工作原理及特點。

②555定時器組成的三種電路的方法、工作原理及

特點。

③電路輸入電壓uI（或電容電壓uC）與輸出電壓uO的關(guān)系。

④所用集成電路的功能和外部引線排列。（2）思考題

①什么是施密特觸發(fā)器的滯回特性？

②為什么單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器要求觸發(fā)脈沖寬度小于輸出脈沖寬度？

③單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度和重復頻率各與什么有關(guān)？

④試用555定時器設(shè)計一個多諧振蕩器，其正負脈寬比為2∶1。本章小結(jié)

1.施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是兩種常用的脈沖波形整形變換電路，可將輸入的周期性信號整形變換成所要求的同周期的矩形脈沖輸出。

2.施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，有兩個不同的觸發(fā)電平，具有回差特性。這兩個穩(wěn)定狀態(tài)是靠兩個不同的觸發(fā)電平來維持的，調(diào)節(jié)回差電壓的大小可改變輸出脈沖的寬度。但總體上說，輸出脈沖的寬度是由輸入信號的波形決定的，不具備記憶功能。

3.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有一個穩(wěn)定狀態(tài)和一個暫穩(wěn)狀態(tài)。輸出脈沖的寬度只取決于電路本身的RC定時參數(shù)，與輸入信號無關(guān)。輸入信號只起到觸發(fā)觸發(fā)器進入暫穩(wěn)態(tài)的作用。改變定時元件RC的參數(shù)可調(diào)節(jié)輸出脈沖的寬度。

4.多諧振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。多諧振蕩器的輸出為周期性的矩形脈沖，改變定時元件RC的參數(shù)可調(diào)節(jié)振蕩的頻率。

5.555定時器是一種用途廣泛的集成電路，只需外接少量的阻容元件即可構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器及其它多種實用電路。習題

6.1若反相輸出的施密特觸發(fā)器輸入信號波形如圖E6.1所示，試畫出輸出信號的波形。施密特觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換電平UT+和UT－已在輸入信號波形圖上標出。圖E6.1

6.2在圖6.3.2所示的由555定時器組成的施密特觸發(fā)器電路中。

（1）當UDD=12V，而且沒有外加控制電壓時，求UT+、UT－和ΔUT;

（2）當UDD=9V，外加控制電壓uIC=5V時，求UT+、UT－和