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1、 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 555时基集成电路的结构和工作原理时基集成电路的结构和工作原理 6.2.1 双极型双极型555时基电路的结构和工作原理时基电路的结构和工作原理 6.2.2 CMOS型型555时基电路的结构和工作原理时基电路的结构和工作原理 6.2.3 双极型双极型555和和CMOS型型555的性能比较的性能比较 第三节第三节 施密特触发器施密特触发器 第四节第四节 单稳态触发器单稳态触发器 第五节第五节 多谐振荡器多谐振荡器第六章第六章 脉冲波形的产生与整形脉冲波形的产生与整形 数字电路中的信号都是数字电路中的信号都是脉冲脉冲信号，这种信信号，这种信号的产生、整形与变换
2、电路的作用是产生各种不号的产生、整形与变换电路的作用是产生各种不同脉宽和幅值的脉冲波形，或者对不同脉宽和幅同脉宽和幅值的脉冲波形，或者对不同脉宽和幅值的脉冲波形进行整形和变换，或者完成连续模值的脉冲波形进行整形和变换，或者完成连续模拟信号与脉冲信号之间的相互变换等。拟信号与脉冲信号之间的相互变换等。 数字电路中使用脉冲信号大多是数字电路中使用脉冲信号大多是矩形脉冲矩形脉冲波，矩形脉冲波波形的好坏，将直接影响数字电波，矩形脉冲波波形的好坏，将直接影响数字电路的正常工作。矩形脉冲波的波形图如图路的正常工作。矩形脉冲波的波形图如图所示。为了描述矩形波的波形好坏，对矩形波定所示。为了描述矩形波的波形好
3、坏，对矩形波定义了下列一些描述参数。义了下列一些描述参数。6.1 概述概述6.1.1 描述矩形脉冲波的主要参数描述矩形脉冲波的主要参数 脉冲幅值脉冲幅值Vm 脉冲波形变化时电路幅值变化的最大值。脉冲波形变化时电路幅值变化的最大值。脉冲宽度脉冲宽度tw 从脉冲波形的上升沿上升至从脉冲波形的上升沿上升至0.5 Vm开始，到下降沿开始，到下降沿下降至下降至0.5 Vm为止的时间间隔。为止的时间间隔。上升时间上升时间tr 在脉冲波形的上升沿，从在脉冲波形的上升沿，从0.1 Vm上升至上升至0.9 Vm所需所需要的时间。要的时间。下降时间下降时间tf 在脉冲波形的下降沿，从在脉冲波形的下降沿，从0.9
4、Vm到到0.l Vm所需的时所需的时间。间。 脉冲周期脉冲周期T 在周期性重复的脉冲序列中，相邻两脉在周期性重复的脉冲序列中，相邻两脉冲的时间间隔。冲的时间间隔。 脉冲频率脉冲频率f 在周期性重复的脉冲序列中，单位时间在周期性重复的脉冲序列中，单位时间内脉冲重复的次数，即内脉冲重复的次数，即 f=1/T。占空比占空比D 脉冲波形的脉冲宽度脉冲波形的脉冲宽度tw与脉冲周期与脉冲周期T之之比，即比，即D= tw /T。6.2.1 5556.2.1 555时基电路的特点和封装时基电路的特点和封装6.2 555时基集成电路的结构和工作原理时基集成电路的结构和工作原理 555时基电路大量应用于电子控制、
5、电子检时基电路大量应用于电子控制、电子检测、仪器仪表、测、仪器仪表、家用电器家用电器、音响报警音响报警、电子玩具电子玩具等诸多方面。等诸多方面。 还可用作振荡器、还可用作振荡器、脉冲发生器脉冲发生器、延时发生器延时发生器、定时器定时器、方波发生器、方波发生器、单稳态触发振荡器单稳态触发振荡器、双稳双稳态多谐振荡器、自由多谐振荡器态多谐振荡器、自由多谐振荡器、锯齿波发生器、锯齿波发生器、脉宽调制器、脉位调制器等等。脉宽调制器、脉位调制器等等。555时基电路之所以得到这样广泛的应用，在于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：它具有如下几个特点：555在电路结构上是由模拟电路和数
6、字电路组在电路结构上是由模拟电路和数字电路组合而成，它合而成，它将模拟功能与逻辑功能兼容为一体将模拟功能与逻辑功能兼容为一体，能够，能够产生精确的产生精确的时间延迟和振荡时间延迟和振荡。它拓宽了模拟集成的应。它拓宽了模拟集成的应用范围。用范围。该电路采用单电源该电路采用单电源。双极型。双极型555的电压范围为的电压范围为4.5V15V；而；而CMOS型的电源适应范围更宽，为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。这样，它就可以和模拟运算放大器和TTL或或CMOS数字电路共用一个电源。数字电路共用一个电源。一、一、 555时基电路的特点时基电路的特点 555可独立构
7、成一个可独立构成一个定时电路定时电路，且定时精度高，所以，且定时精度高，所以常被称为常被称为555定时器定时器。 555的最大输出电流可达的最大输出电流可达200mA（双极型）（双极型）, 带负载带负载能力强能力强。可直接驱动小电机、喇叭、继电器等负载。可直接驱动小电机、喇叭、继电器等负载。二、二、 555时基电路的封装和命名时基电路的封装和命名 （1）命名规则：命名规则： 所有所有双极型双极型产品型号最后的产品型号最后的3位数码都是位数码都是555； 所有所有CMOS产品型号最后的产品型号最后的4位数码都是位数码都是7555； 所有所有双极型双定时器双极型双定时器产品最后的产品最后的3位数码
8、都是位数码都是556； 所有所有CMOS双定时器双定时器产品最后的产品最后的4位数码都是位数码都是7556； 双极型和双极型和CMOS型型555定时器的功能和外部引脚的定时器的功能和外部引脚的排排 列完全相同。列完全相同。（2）常见封装形式）常见封装形式图图6.2.1 555和和556时基电路的封装示意图时基电路的封装示意图 一、双极型一、双极型555时基电路的工作原理时基电路的工作原理 （1）美国无线电公司生产的）美国无线电公司生产的CA555时基电路时基电路 图是美国无线电公司生产的图是美国无线电公司生产的CA555时基电时基电路的内部等效电路图。路的内部等效电路图。6.2.2 5556.
9、2.2 555时基电路的工作原理时基电路的工作原理图图6.2.2 CA555时基电路的内部等效电路图时基电路的内部等效电路图双稳态触发器双稳态触发器推挽式功率输出推挽式功率输出IO=200mAImax50mA2/3VCC1/3VCC 555电路可简化为下图所示的等效功能电路。显然电路可简化为下图所示的等效功能电路。显然555电路电路内含两个比较器内含两个比较器A1和和A2、一个触发器、一个驱动器和一个放电、一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管。晶体管。图图6.2.3 CA555时基电路的等效功能电路图时基电路的等效功能电路图2/3VCC1/3VCC置位复位触发器置位复位触发器表表6.2.1
10、CA555引出端真值表引出端真值表引脚引脚2( ) 6(R)4( )3(V0)7(Q)功能功能电平电平*0.3V低电平低电平低电平低电平强制强制复位复位电平电平1/3Vcc*1.4V高电平高电平悬空状态悬空状态置位置位电平电平1/3Vcc2/3Vcc1.4V保持电平保持电平保持保持保持保持电平电平1/3Vcc2/3Vcc1.4V低电平低电平低电平低电平复位复位 由表由表6.2.1可看出，可看出， 、R、 的输入不一定是逻的输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模兼有模拟和数字电路的特色拟和数字电路的特色。（2）国产双极型定时器）国产双
11、极型定时器CB555时基电路时基电路图图6.2.4 CB555时基电路的等效功能电路图时基电路的等效功能电路图复位触发复位触发置位触发置位触发强制复位强制复位控制电压控制电压放电端放电端输出端输出端置位复位触发器置位复位触发器表表6.2.2 CB555引出端真值表引出端真值表输输 入入输输 出出VI1VI2VOTD状态状态0xx低低导通导通12/3VCC1/3VCC低低导通导通11/3VCC不变不变不变不变1 2/3VCC2/3VCC1/3VCC高高截止截止二、二、CMOS型型555时基电路的工作原理时基电路的工作原理CMOS型型555时基电路在大多数应用场合，都可时基电路在大多数应用场合，都
12、可以直接代换标准的双极型的以直接代换标准的双极型的555。它与所有。它与所有CMOS型电路一样，具有型电路一样，具有输入阻抗高输入阻抗高、功耗极小功耗极小、电源适电源适应范围宽应范围宽等一系列优点，特别适用于低功耗、长延等一系列优点，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（最大负载电时等场合。但它的输出驱动能力较低（最大负载电流流2/3Vcc时，时，V0为为“0”电平，处于复位状态；电平，处于复位状态；而当置位触发端而当置位触发端 的电位，即的电位，即Vs1/3Vcc时，时，A2输输出为出为“1”，RS触发器置位，输出端触发器置位，输出端V0为为“1”电平。电平。 可见，图所示
13、的功能框图相当于一个置位可见，图所示的功能框图相当于一个置位-复位复位触发器。触发器。 CMOS型型555/556的四种工作状态情况，与表所的四种工作状态情况，与表所示类同。示类同。6.2.3 6.2.3 双极型双极型555555和和CMOSCMOS型型555555的性能比较的性能比较双极型双极型555和和CMOS型型555的共同点：的共同点：二者的功能大体相同，外形和管脚排列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。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，可均使用单一电源，适应电压范围大，可与与TTL、HTL、CMOS型数字逻辑电路等共用电
14、型数字逻辑电路等共用电源。源。 555的输出为全电源电平，可与的输出为全电源电平，可与TTL、HTL、CMOS型等电路直接接口。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影响小。对定时精度的影响仅0.05/V，且温度，且温度稳定性好，温度漂移不高于稳定性好，温度漂移不高于50ppm/oC。双极型双极型555与与CMOS型型555的差异：的差异：CMOS型型555的功耗仅为双极型的几十分的功耗仅为双极型的几十分之一，静态电流仅为之一，静态电流仅为300A左右，为微功耗电路左右，为微功耗电路.CMOS型型555的电源电压可低至的
15、电源电压可低至23V；各输入功能端电流均为各输入功能端电流均为pA(微微安微微安)量级。量级。 CMOS型型555的输出脉冲的上升沿和下降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。沿比双极型的要陡，转换时间短。CMOS型型555在传输过渡时间里产生的尖在传输过渡时间里产生的尖峰电流小，仅为峰电流小，仅为23mA；而双极型；而双极型555的尖峰电的尖峰电流高达流高达300400mA。CMOS型型555的输人阻抗比双极型的要高的输人阻抗比双极型的要高出几个数量级，高达出几个数量级，高达1010。CMOS型型555的的驱动能力差驱动能力差，输出电流仅，输出电流仅为为13mA，而双极型的输
16、出驱动电流可达，而双极型的输出驱动电流可达200mA. 一般说来，在要求一般说来，在要求定时长、功耗小、负载轻定时长、功耗小、负载轻的场的场合宜选用合宜选用CMOS型型555；而在；而在负载重、要求驱动电流负载重、要求驱动电流大、电压高大、电压高的场合，宜选用双极型的的场合，宜选用双极型的555。施密特触发器（施密特触发器（电路电路）是一种特殊的）是一种特殊的双稳态时序双稳态时序电路电路，与一般双稳态电路比较，它具有两个明显的特点：，与一般双稳态电路比较，它具有两个明显的特点：1.施密特触发器是一种优良的施密特触发器是一种优良的波形整形电路波形整形电路，只要输入信号电平达到触发电平，输出信号就
17、会从一只要输入信号电平达到触发电平，输出信号就会从一个稳态转变到另一个稳态，且通过电路内部的个稳态转变到另一个稳态，且通过电路内部的正反馈正反馈过程可使输出电压的波形变得很陡。过程可使输出电压的波形变得很陡。2.对正向和负向增长的输入信号，电路有不同对正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平，这是施密特触发器的的阈值电平，这是施密特触发器的滞后特性滞后特性或或回差特回差特性性，提高了干扰能力，可有效滤除噪声。，提高了干扰能力，可有效滤除噪声。6.3 施密特触发器施密特触发器Schmitt Trigger 施密特触发器的逻辑符号和电压传输特性如图施密特触发器的逻辑符号和电压传输特性如图6.
18、3.1(a)和和(b)所示。实际上它所示。实际上它是一个具有滞后特性的反相器是一个具有滞后特性的反相器。图中，。图中，VT+称为正向阈值电平或上限触发电平；称为正向阈值电平或上限触发电平； VT-称为负向阈值称为负向阈值电平或下限触发电平。它们之间的差值称为回差电压电平或下限触发电平。它们之间的差值称为回差电压(滞后滞后电压电压)，用，用VT表示。即有表示。即有VT= VT+- VT-6.3.1 施密特触发器方框图和电压传输特性图施密特触发器方框图和电压传输特性图6.3.1 6.3.1 集成施密特触发器集成施密特触发器 一、一、分立元件构成的施密特触发器分立元件构成的施密特触发器 早期的施密特
19、触发器是由分立元件构成的。如下图早期的施密特触发器是由分立元件构成的。如下图所示。所示。6.3.2 分立元件构成的施密特触发器分立元件构成的施密特触发器值较小值较小VT+ 0.7VT- 0.7下面简单说明其工作原理：下面简单说明其工作原理： 当触发器输入端不加输入信号，或者输入当触发器输入端不加输入信号，或者输入vI的电的电位较低时，只要使位较低时，只要使vBEl0.7V则则VT1截止，其集电极截止，其集电极输出输出vc1为高电平，通过电阻为高电平，通过电阻R1和和R2分压，使分压，使VT2饱饱和，和，VT2集电极输出集电极输出v0为低电平，这是一种稳定工为低电平，这是一种稳定工作状态。作状态
20、。 当输入当输入vI高于某一个电平时，只要使高于某一个电平时，只要使VT1饱和，饱和，vc1输出为低电平，通过输出为低电平，通过R1和和R2分压，使分压，使VT2截止，截止，VT2集电极输出集电极输出v0为高电平。这是另一种稳定工作为高电平。这是另一种稳定工作状态。状态。 用分立元件构成施密特触发器已很少采用，一般用分立元件构成施密特触发器已很少采用，一般均采用均采用集成施密特触发器集成施密特触发器或或用用555电路电路来构成。来构成。 二、二、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 将两级反相器串接起来，同时通过分压电阻把输出端的将两级反相器串接起来，同时通过分压电阻把输出端的
21、电压反馈到输入端，就构成了施密特触发器电路。电压反馈到输入端，就构成了施密特触发器电路。6.3.3 用用CMOS反相器构成的施密特触发器反相器构成的施密特触发器CMOS门，阈值电压门，阈值电压6.3.4 图电路的电压传输特性图电路的电压传输特性(a)同相输出同相输出 (b)反相输出反相输出思考：思考： 1、如何调节回差电压的大小？、如何调节回差电压的大小？ 2、为什么、为什么R1必须小于必须小于R2？ 3、如何用、如何用TTL门电路门电路组成施密特触发器？组成施密特触发器？图图6.3.5 带与非门带与非门TTL集成施密特触发器集成施密特触发器正反馈过程正反馈过程,R2!=R31.9V三、三、T
22、TL集成施密特触发器集成施密特触发器7413设二极管导通压降为设二极管导通压降为0.7V，当输入端电压，当输入端电压vI使得使得vI-vE=vBE107V时，时，VT1导通导通,同时产生一个正反馈过程：同时产生一个正反馈过程： vI ic1 vc1 ic2 vBE1 vE 从而使从而使VT1迅速饱和导通，迅速饱和导通，VT2迅速截止。迅速截止。若若vI从高电平逐渐下降，并且降至从高电平逐渐下降，并且降至vBE1只只有有0.7V左右时，左右时，ic1开始减少，又引起另一个正开始减少，又引起另一个正反馈过程：反馈过程：vI ic1 vc1 ic2 vBE1 vE使电路迅速返回使电路迅速返回VT1截
23、止，截止，VT2饱和导通状态。饱和导通状态。小结：小结： 1、无论、无论T2由导通变截止还是由截止变导通，均由导通变截止还是由截止变导通，均伴有伴有正反馈正反馈过程，使输出端电压过程，使输出端电压VO变得很陡峭；变得很陡峭； 2、由于、由于R2R3，所以使，所以使T1饱和导通时的饱和导通时的VE必然必然低于低于T2饱和导通时的饱和导通时的VE值，因此，值，因此，T1由截止变为导由截止变为导通的输入电压通的输入电压VT+高于高于T1由导通变为截止时的输入电由导通变为截止时的输入电压压VT-，这样就得到了施密特触发特性。，这样就得到了施密特触发特性。 3、经计算可得此电路：、经计算可得此电路： V
24、T+ 1.7V VT- 0.8V VT 0.9V课后练习课后练习6.3.2 6.3.2 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图图6.3.6 用用CB555定时器接成的施密特触发电路定时器接成的施密特触发电路提高参考电提高参考电压的稳定性压的稳定性RARPRB图图6.3.7 图电路的电压传输特性图电路的电压传输特性 由图由图6.3.7 知这是一个典型的反相输出施密特触发器。知这是一个典型的反相输出施密特触发器。 如果参考电压由外接的电压如果参考电压由外接的电压VCO供给，则不难看出此时供给，则不难看出此时VT+=VCO，VT-=1/2VCO，VT=1/2VCO，通过改
25、变，通过改变VCO值可以值可以调节回差电压的大小。调节回差电压的大小。VT+ = 2/3VCCVT- = 1/3VCC6.3.3 6.3.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用一、用于一、用于波形变换波形变换图图6.3.8 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脉冲展宽脉冲展宽二、用于二、用于脉冲整形脉冲整形图图6.3.9 用施密特触发器实现脉冲整形用施密特触发器实现脉冲整形传输线上电容较大传输线上电容较大传输线较长，阻抗传输线较长，阻抗不匹配不匹配其它脉冲叠加的噪声其它脉冲叠加的噪声三、用于脉冲鉴幅三、用于脉冲鉴幅图图6.3.10 用施密特触发器鉴别脉冲幅度用施密特触发器鉴别
26、脉冲幅度四、构成多谐振荡器四、构成多谐振荡器 单稳态触发器的工作特性具有如下的显著特点：单稳态触发器的工作特性具有如下的显著特点：（1）电路在无外加触发信号作用期间，处于）电路在无外加触发信号作用期间，处于稳态稳态；（2）在外界）在外界触发脉冲触发脉冲作用下，能从作用下，能从稳态翻转到暂稳稳态翻转到暂稳 态态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回 稳态；稳态； （3）暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数）暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数 （阈值电压及外接阈值电压及外接R、C），与触发脉冲的宽度和），与触发脉冲的宽度和 幅度无关。幅度无关。6.4
27、 单稳态触发器单稳态触发器 6.4.1 6.4.1 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 一、微分型单稳态触发器一、微分型单稳态触发器 图是用图是用CMOS门电路门电路和和RC微分电路构微分电路构成的微分型单稳态触发器。成的微分型单稳态触发器。对于对于CMOS电路，可以近似地认为电路，可以近似地认为VOHVDD、VOL0，而且通常，而且通常VTH1/2VDD。在稳态下在稳态下V VI I =0、V VI2 = VDD，故，故V Vo o=0、V Vo1o1=VDD，电容电容C上没有电压。上没有电压。思考：思考：vI脉宽该如何取？脉宽该如何取？图图6.4.1 微分型单稳态触发器微
28、分型单稳态触发器tw = ?Vm = ?当当RD1R,RD1RON时时恢复时间：恢复时间：tre =(35)RONC分辨时间：分辨时间：td = tw+treV VDDDDV VDDDDG G2 2G G1 1R RONONR RR RC CC CV VI I2 2V VI I2 2R RONONtw无正反馈无正反馈tw=?恢复时间：恢复时间：tre =(35)ROC分辨时间：分辨时间：td = tTR+tre稳态下由于稳态下由于VI=0,所以所以Vo= VOH， VA=Vo1=VOH。当输入正脉冲以后，当输入正脉冲以后， Vo1跳变为低电平。但跳变为低电平。但由于由于电容电容C上的电压不能突
29、变上的电压不能突变，所以在一段时间，所以在一段时间里里VA仍在仍在VTH以上。因此，在这段时间里以上。因此，在这段时间里G2的两的两个输入端电压同时高于个输入端电压同时高于VTH ，使，使vo = VOL ，电路，电路进入暂稳态。同时，电容进入暂稳态。同时，电容C开始放电。开始放电。然而这种暂稳态不能长久地维持下去，随然而这种暂稳态不能长久地维持下去，随着电容着电容C的放电的放电vA不断降低，至不断降低，至vA = VTH后，后， vo回到高电平。待回到高电平。待vI返回低电平以后，返回低电平以后， vo1又重新又重新变成高电平变成高电平VOH ，并向电容，并向电容C充电。经过恢复时充电。经过
30、恢复时间间tre(从从vI回到低电平的时刻算起回到低电平的时刻算起)以后，以后， vA恢复恢复为高电平，电路达到稳态。电路中各点电压的波为高电平，电路达到稳态。电路中各点电压的波形如图所示。形如图所示。 与微分型单稳态触发器相比，积分型单稳与微分型单稳态触发器相比，积分型单稳态触发器具有抗干扰能力较强的态触发器具有抗干扰能力较强的优点优点。因为数字。因为数字电路中的噪声多为尖峰脉冲的形式（即幅度较大电路中的噪声多为尖峰脉冲的形式（即幅度较大而宽度极窄的脉冲），而积分型单稳态触发器在而宽度极窄的脉冲），而积分型单稳态触发器在这种噪声作用下不会输出足够宽度的脉冲。这种噪声作用下不会输出足够宽度的脉
31、冲。积分型单稳态触发器的积分型单稳态触发器的缺点缺点是输出波形的是输出波形的边沿比较差，这是由于电路的状态转换过程中没边沿比较差，这是由于电路的状态转换过程中没有正反馈作用的缘故。此外，这种积分型单稳态有正反馈作用的缘故。此外，这种积分型单稳态触发器触发器必须在触发脉冲的宽度大于输出脉冲宽度必须在触发脉冲的宽度大于输出脉冲宽度时方能正常工作。时方能正常工作。 6.4.2 6.4.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器集成单稳态触发器可分为非重复触发单稳触发集成单稳态触发器可分为非重复触发单稳触发器和可重复触发单稳态触发器。所谓器和可重复触发单稳态触发器。所谓非重复触发非重复触发，就是单稳态触发器
32、一旦被触发进入暂稳态后，再加就是单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态后，再加入触发信号不会影响单稳态触发器的工作过程，必入触发信号不会影响单稳态触发器的工作过程，必须在暂稳态结束之后，才能再接受触发信号转入暂须在暂稳态结束之后，才能再接受触发信号转入暂稳态。所谓稳态。所谓可重复触发单稳态触发器可重复触发单稳态触发器，就是单稳态，就是单稳态触发器被触发进入暂稳态后，如果再加入触发脉冲，触发器被触发进入暂稳态后，如果再加入触发脉冲，单稳态触发器将重新被触发，使输出脉冲再继续维单稳态触发器将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个脉冲宽度。持一个脉冲宽度。 下图是下图是TTL集成单稳态触发器集成单稳态触发器
33、74121简化的原理性逻简化的原理性逻辑图。它是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加输辑图。它是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。具有入控制电路和输出缓冲电路而形成的。具有边沿触发边沿触发的的性质。性质。图图6.4.5 集成单稳态触发器集成单稳态触发器74121逻辑图逻辑图上、下边沿触发输入控制上、下边沿触发输入控制6.4.3 6.4.3 用用555555时基电路构成单稳态触发器时基电路构成单稳态触发器在在555时基单元电路的外部加接几个阻容时基单元电路的外部加接几个阻容元件，就可接成单稳态电路。它所形成的单元件，就可接成单稳态电路。它所形成的单脉冲持续宽
34、度，可以脉冲持续宽度，可以从几微秒到几个小时从几微秒到几个小时，精密度可达精密度可达0.1。由由555组成单稳态触发器时仅需外接一个组成单稳态触发器时仅需外接一个由电阻由电阻R，和电容，和电容C组成的组成的定时定时网络。网络。图图6.4.6 CB555接成单稳态触发器接成单稳态触发器RCvItw=RCln3 =1.1RC定时器定时器图图6.4.7 CA555接成单稳态触发器接成单稳态触发器tw=RaCln3 =1.1RaC定时器定时器图中强制复位端图中强制复位端MR(4脚脚)接接VDD，阈值端，阈值端VTH(6脚脚)与放电端与放电端DIS(7脚脚)并接至并接至RC定时网络的中点。定时网络的中点
35、。图的简化电路如下图所示，图的右侧为单稳态图的简化电路如下图所示，图的右侧为单稳态形成的波形图。形成的波形图。图图6.4.8 单稳态触发器单稳态触发器 6.4.4 6.4.4 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用 一、用作脉冲整形一、用作脉冲整形图图6.4.9 单稳态触发器用于脉冲整形单稳态触发器用于脉冲整形tw仅与仅与R、C、VTH有关有关;VmVOH-VOL 二、构成定时电路二、构成定时电路图图6.4.10 单稳态触发器构成定时电路单稳态触发器构成定时电路 数字频率计数字频率计 三、构成延时电路三、构成延时电路图图6.4.11 单稳态触发器构成延时电路单稳态触发器构成延时电路 tw0.69
36、RextCext;Tp由由RC决定。决定。 四、构成多谐振荡器四、构成多谐振荡器 五、构成高五、构成高/低通滤波器低通滤波器图图6.4.12 用用74LS123构成高构成高/低通滤波器低通滤波器非重复触发方式（低频）非重复触发方式（低频）可重复触发方式（高频）可重复触发方式（高频） 多谐振荡器多谐振荡器是一种是一种自激振荡器自激振荡器，在接，在接通电源以后，不需要外加触发信号，就能通电源以后，不需要外加触发信号，就能自动地自动地产生矩形脉冲。由于矩形波中含有产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩矩形波振荡器形波振荡器叫做叫做多谐振荡
37、器。多谐振荡器。6.5 多谐振荡器多谐振荡器一、多谐振荡器定义：一、多谐振荡器定义：（1）多谐振荡器是一种）多谐振荡器是一种自激振荡器自激振荡器，不需要外加，不需要外加触发信号；触发信号； （2）多谐振荡器）多谐振荡器无稳态无稳态，只有两个暂稳态；，只有两个暂稳态； （3）多谐振荡器输出的是含有丰富的高次谐波分量）多谐振荡器输出的是含有丰富的高次谐波分量的矩形波，是一种典型的的矩形波，是一种典型的矩形波发生器矩形波发生器，触发器和，触发器和时序逻辑电路的脉冲一般都由多谐振荡器产生。时序逻辑电路的脉冲一般都由多谐振荡器产生。 思考：思考：施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器之间的特点对比施密特
38、触发器、单稳态触发器和多谐振荡器之间的特点对比如何？如何？二、多谐振荡器的特点：二、多谐振荡器的特点：6.5.1 6.5.1 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器下图所示电路是对称式多谐振荡器的下图所示电路是对称式多谐振荡器的典型电路，它是由两个典型电路，它是由两个TTL反相器反相器G1、G2经耦经耦合电容合电容C1、C2连接起来的正反馈振荡回路。连接起来的正反馈振荡回路。图图 对称式多谐振荡器电路对称式多谐振荡器电路设置偏置电压设置偏置电压设置偏置电压设置偏置电压图图6.5.2 TTL反相器反相器(7404)的电压传输特性的电压传输特性 为了产生自激振荡，电路不能有稳定状态为了产生自激振荡，电路
39、不能有稳定状态.由图反相的电压传输特性上可以看出，如由图反相的电压传输特性上可以看出，如果能设法使果能设法使G1、G2工作在电压传输特性的转折工作在电压传输特性的转折区或线性区，则它们将工作在放大状态，即电压区或线性区，则它们将工作在放大状态，即电压放大倍数放大倍数这时只要这时只要G1和和G2的输入电压有极微小的扰动，的输入电压有极微小的扰动，就会被就会被正反馈回路正反馈回路放大而引起振荡，因此图放大而引起振荡，因此图电路的静态将是不稳定的。电路的静态将是不稳定的。为了使反相器静态时工作在放大状态，必须给为了使反相器静态时工作在放大状态，必须给它们设置适当的它们设置适当的偏置电压偏置电压，它的
40、数值介于高、低，它的数值介于高、低电平之间。这个偏置电压可以通过在反相器的输电平之间。这个偏置电压可以通过在反相器的输入端与输出端之间接入反馈电阻入端与输出端之间接入反馈电阻RF来得到。来得到。图图6.5.3 计算计算TTL反向器静态工作点的等效电路反向器静态工作点的等效电路一、静态工作点设置：一、静态工作点设置： 由图可知，如果忽略门电路的输出电阻，由图可知，如果忽略门电路的输出电阻，则利用则利用叠加定理叠加定理可求出输入电压为：可求出输入电压为： 这就是从外电路求得的这就是从外电路求得的vo与与vI的关系。该的关系。该式表明，式表明， vo与与vI之间是之间是线性关系线性关系，其斜率为：，
41、其斜率为： 而且而且vo =0时与横轴相交在：时与横轴相交在： 这条直线与电压传输特性的交点就是反相这条直线与电压传输特性的交点就是反相器的器的静态工作点静态工作点。只要恰当地选取。只要恰当地选取RF1值，定值，定能使静态工作点能使静态工作点Q位于电压传输特性的转折区，位于电压传输特性的转折区，如如图图中所示。计算结果表明，对于中所示。计算结果表明，对于74系列的门系列的门电路而言，电路而言，RF1的阻值应取在的阻值应取在0.5k1.9k之间。之间。设设G1、G2的静态工作点位于电压传输特性的转折区。的静态工作点位于电压传输特性的转折区。二、工作原理分析：二、工作原理分析：图图6.5.4 (a
42、) 图电路中图电路中C1充电等效电路充电等效电路戴维南定理戴维南定理图图6.5.4 (b) 图电路中图电路中C2放电等效电路放电等效电路 在在RF1=RF2=RF、C1=C2=C的条件下，电路的振荡的条件下，电路的振荡周期近似为：周期近似为： T1.3RFC 推导？推导？6.5.2 6.5.2 非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器如果仔细研究一下如果仔细研究一下图图对称式多谐振荡对称式多谐振荡器电路就不难发现，这个电路还能进一步简化。器电路就不难发现，这个电路还能进一步简化。因为静态时因为静态时G1工作在电压传输特性的转折区，工作在电压传输特性的转折区，所以只要把它的输出电压直接接到所以只要把
43、它的输出电压直接接到G2的输入端的输入端,G2即可得到一个介于高、低电平之间的静态偏即可得到一个介于高、低电平之间的静态偏置电压，从而使置电压，从而使G2的静态工作点也处于电压传的静态工作点也处于电压传输特性的转折区上，因此，可以把输特性的转折区上，因此，可以把C1和和RF2去掉去掉.只要在反馈环路中保留电容只要在反馈环路中保留电容C2，电路就仍然没，电路就仍然没有稳定状态，而只能在两个暂稳态之间往复振荡有稳定状态，而只能在两个暂稳态之间往复振荡.这样就得到了下图所示的这样就得到了下图所示的非对称式多谐振非对称式多谐振荡电路荡电路。 图图 非对称式多谐振荡器电路非对称式多谐振荡器电路6.5.3
44、 6.5.3 环形振荡器环形振荡器利用闭合回路中的正反馈作用可以产生自利用闭合回路中的正反馈作用可以产生自激振荡，利用闭合回路中的延迟负反馈作用同样激振荡，利用闭合回路中的延迟负反馈作用同样也能产生自激振荡，只要负反馈信号足够强。也能产生自激振荡，只要负反馈信号足够强。环形振荡器就是利用环形振荡器就是利用延迟负反馈延迟负反馈产生振荡产生振荡的。它是利用门电路的传输延迟时间将的。它是利用门电路的传输延迟时间将奇数奇数个反个反相器首尾相接而构成的。相器首尾相接而构成的。下图所示电路是一个下图所示电路是一个最简单的环形振荡器最简单的环形振荡器，它，它由三个反相器首尾相连而组成。不难看出由三个反相器首
45、尾相连而组成。不难看出,这个电这个电路是没有稳定状态的。因为在静态路是没有稳定状态的。因为在静态(假定没有振荡假定没有振荡时时)下任何一个反相器的输入和输出都不可能稳定下任何一个反相器的输入和输出都不可能稳定在高电平或低电乎，而只能处于高、低电平之间，在高电平或低电乎，而只能处于高、低电平之间，所以处于放大状态。所以处于放大状态。图图 最简单的环形振荡器电路最简单的环形振荡器电路假定由于某种原因假定由于某种原因VI1产生了微小的正跳变产生了微小的正跳变,则经过则经过G1的传输延迟时间的传输延迟时间tpd之后之后VI2产生一个幅产生一个幅度更大的负跳变，再经过度更大的负跳变，再经过G2的传输延迟
46、时间的传输延迟时间tpd使使V13得到更大的正跳变。然后又经过得到更大的正跳变。然后又经过G3的传输的传输延迟时间延迟时间tpd在输出端在输出端Vo产生一个更大的负跳变产生一个更大的负跳变,并反馈到并反馈到G1的输入端。因此，经过的输入端。因此，经过3tpd的时间以的时间以后，后， VI1又自动跳变为低电平。可以推想，再经又自动跳变为低电平。可以推想，再经过过3 tpd以后以后VI1又将跳变为高电平。如此周而复又将跳变为高电平。如此周而复始，就产生了自激振荡。始，就产生了自激振荡。图是根据以上分析得到的图是根据以上分析得到的图图电路电路的的工作波形图工作波形图。由图可见，振荡周期为。由图可见，
47、振荡周期为T=6tpd.图图 环形振荡器工作波形图环形振荡器工作波形图基于上述原理可知，将任何大于、等于基于上述原理可知，将任何大于、等于3的的奇数个反相器首尾相连地接成环形电路，都能产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，而且振荡周期为生自激振荡，而且振荡周期为T=2ntpd。(其中其中n为串联反相器的个数为串联反相器的个数)。 有何缺陷？有何缺陷？改进：改进：在图电路的基础上附加在图电路的基础上附加RC延迟延迟环节，组成带环节，组成带RC延迟电路的环形振荡器，如图延迟电路的环形振荡器，如图6.5.8(a)所示。所示。接入接入RC电路以后不仅增加了门电路以后不仅增加了门G2的
48、传输延的传输延迟时间迟时间tpd2，有助于获得较低的振荡频率，而且，有助于获得较低的振荡频率，而且通过改变通过改变R和和C的数值可以很容易实现对振荡频的数值可以很容易实现对振荡频率的调节。率的调节。为了进一步加大为了进一步加大G2和和RC延迟电路的传输延延迟电路的传输延迟时间，在实用的环形振荡器电路中又将电容迟时间，在实用的环形振荡器电路中又将电容C的接地端改接到的接地端改接到G1，的输出端上，如图，的输出端上，如图6.5.8(b)所示。所示。图图6.5.8 带带RC延迟电路的环形振荡器延迟电路的环形振荡器保护电阻保护电阻T=？6.5.4 6.5.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器用施密特触发
49、器构成的多谐振荡器前面已经讲过，施密特触发器最突出的特前面已经讲过，施密特触发器最突出的特点是它的电压传输特性有一个点是它的电压传输特性有一个滞回区滞回区。由此我们。由此我们想到，倘若能使它的输入电压在想到，倘若能使它的输入电压在VT+与与VT-之间不之间不停地往复变化，那么在输出端就可以得到矩形脉停地往复变化，那么在输出端就可以得到矩形脉冲波了。冲波了。实现上述设想的方法很简单，只要将施密实现上述设想的方法很简单，只要将施密特触发器的反相输出端经特触发器的反相输出端经RC积分电路接回输入积分电路接回输入端即可，如图所示。端即可，如图所示。图图6.5.9 用施密特触发器构成的多谐振荡器用施密特
50、触发器构成的多谐振荡器图图6.5.10 多谐振荡器电路的电压波形图多谐振荡器电路的电压波形图当接通电源以后，因为电容上的初始电压当接通电源以后，因为电容上的初始电压为零，所以输出为高电平，并开始经电阻为零，所以输出为高电平，并开始经电阻R向电向电容容C充电。当充到输入电压为充电。当充到输入电压为vI=VT+时，输出跳时，输出跳变为低电平，电容变为低电平，电容C又经过电阻又经过电阻R开始放电。开始放电。当放电至当放电至vI=VT-时，输出电位又跳变成高电时，输出电位又跳变成高电平，电容平，电容C重新开始充电。如此周而复始，电路重新开始充电。如此周而复始，电路便不停地振荡。便不停地振荡。vI和和v
51、O的电压波形如图所的电压波形如图所示。示。若使用的是若使用的是CMOS施密特触发器，而且施密特触发器，而且VOHVDD,，VOL0，则依据图的电压波，则依据图的电压波形得到计算振荡周期的公式为形得到计算振荡周期的公式为 通过调节通过调节R和和C的大小，即可改变振荡周期的大小，即可改变振荡周期.此外，在这个电路的基础上稍加修改就能实现对此外，在这个电路的基础上稍加修改就能实现对输出脉冲输出脉冲占空比占空比的调节，电路的接法如图的调节，电路的接法如图所示。所示。图图6.5.11 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6.5.5 6.5.5 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器在许多应
52、用场合下都对多谐振荡器的振荡在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频率频率稳定性稳定性有严格的要求。例如在将多谐振荡器有严格的要求。例如在将多谐振荡器作为数字钟的脉冲源使用时，它的频率稳定性直作为数字钟的脉冲源使用时，它的频率稳定性直接影响着计时的准确性。在这种情况下，前面所接影响着计时的准确性。在这种情况下，前面所讲的几种多谐振荡电路难以满足要求。讲的几种多谐振荡电路难以满足要求。 为什么？为什么？ 目前普遍采用的一种稳频方法是在多谐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振荡器电路中接入石英晶体石英晶体，组成石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。多谐振荡器。 因为因为 一、这些振荡器中
53、门电路的转换电平一、这些振荡器中门电路的转换电平VTH本身本身就不够稳定；就不够稳定； 二、这些电路的工作方式容易受干扰，造成二、这些电路的工作方式容易受干扰，造成电路转换时间的提前或滞后；电路转换时间的提前或滞后； 三、在电路状态临近转换时电容的充、放电三、在电路状态临近转换时电容的充、放电已经比较缓慢，转换电平的微小变化或轻微干扰已经比较缓慢，转换电平的微小变化或轻微干扰都会严重影响振荡周期。都会严重影响振荡周期。下图给出了石英晶体的下图给出了石英晶体的符号符号和和电抗的频率特性电抗的频率特性。把石英晶体与对称式多谐振荡器中的耦合电容串联把石英晶体与对称式多谐振荡器中的耦合电容串联起来，就
54、组成了如图所示的石英晶体多谐振荡器。起来，就组成了如图所示的石英晶体多谐振荡器。图图 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图图6.5.13 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 由石英晶体的电抗频率特性可知，当外加由石英晶体的电抗频率特性可知，当外加电压的频率为电压的频率为f0时它的阻抗最小，所以把它接入时它的阻抗最小，所以把它接入多谐振荡器的正反馈环路中以后，频率为多谐振荡器的正反馈环路中以后，频率为f0的电的电压信号最容易通过它，并在电路中形成正反馈，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，而其他频率信号经过石英晶体时被衰减。
55、因此，振荡器的振荡器的工作频率也必然是工作频率也必然是f0 。由此可见，石英晶体由此可见，石英晶体多谐振荡器的振荡频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取决于石英晶体的固有谐振频率f0 ，而与外接，而与外接电阻，电容无关电阻，电容无关。石英晶体的谐振频率由石英晶。石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有极高的频体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。率稳定性。图图6.5.14 555时基电路构成无稳态多谐振荡器时基电路构成无稳态多谐振荡器6.5.6 用用555时基电路构成多谐振荡器时基电路构成多谐振荡器如图所示，将如图所示，将555(或或 556)
56、与三个与三个阻、容元件如图连接，便构成无稳态多谐振荡模阻、容元件如图连接，便构成无稳态多谐振荡模式。与单稳模式不同之处仅在于触发器式。与单稳模式不同之处仅在于触发器(2脚脚)接接在充、放电回路的在充、放电回路的C上，而不是受外部触发控制上，而不是受外部触发控制.当加上当加上VDD电压后，由于电压后，由于C上端电压不能突上端电压不能突变，故变，故555处于置位状态，输出端处于置位状态，输出端(3脚脚)呈高电呈高电平平“1”，而内部的放电管，而内部的放电管VT1截止，截止，C通过通过RA、RB对其充电，对其充电，2脚电位随脚电位随C上端电压的升高呈指数上端电压的升高呈指数上升，如波形图上升，如波形
57、图(b)所示。所示。当当C上的电压随时间增加，达到上的电压随时间增加，达到2/3VDD阈阈值电平值电平(6脚脚)时，上比较器时，上比较器A1翻转，使翻转，使RS触发器触发器置位，经缓冲级倒相，输出置位，经缓冲级倒相，输出vO呈低电平呈低电平“0”。此此时，放电管时，放电管VT1饱和导通，饱和导通，C上的电荷经上的电荷经RB至至VT1管放电。当管放电。当C放电使其电压降至放电使其电压降至1/3VDD 触发触发电平电平(2脚脚)时，比较器时，比较器A2翻转，翻转，RS触发器复位，触发器复位，经倒相后，使输出端经倒相后，使输出端(3脚脚)呈高电平呈高电平“1”。以上。以上过过程重复出现，形成无稳态多
58、谐振荡。程重复出现，形成无稳态多谐振荡。由上面对多谐振荡过程的分析不难看出，由上面对多谐振荡过程的分析不难看出，输出脉冲的持续时间输出脉冲的持续时间t1就是就是C上的电压从上的电压从1/3VDD充电到充电到2/3VDD 所需的时间，故所需的时间，故C两端电压的变化两端电压的变化规律为规律为（电路三要素定理）（电路三要素定理）设设1=(RA+RB)C，则上式简化为，则上式简化为从上式中求得从上式中求得一般简写为一般简写为t1=0.693(RA+RB)C电路的间歇期电路的间歇期t2就是就是C两端的电压从两端的电压从2/3VDD放电放电到到1/3VDD所需的时间所需的时间,即即从上式中求得从上式中求
59、得t2,并设并设2=RBC，则，则一般简写为一般简写为 t2=0.693RBC电路的振荡周期电路的振荡周期T为为 T=t1+t2=0.693(1+2) =0.693(RA+2RB)C (RA+2RB)Cln2 (6.5.17)振荡频率振荡频率f=1/T，即，即 f=1.443/(RA+2RB)C (6.5.18)输出振荡波形的占空比输出振荡波形的占空比D为为 D=t1/T=(RA+RB)/(RA+2RB) (6.5.19)当当RB RA时，则时，则D50%，即输出振荡为方波。，即输出振荡为方波。由上面有关公式的推导，不难给出以下结由上面有关公式的推导，不难给出以下结论：论：振荡周期与电源电压振
60、荡周期与电源电压VDD无关，而取决于无关，而取决于充电和放电的总时间常数，即仅与充电和放电的总时间常数，即仅与RA、RB和和C的值有关。的值有关。振荡波的占空比与振荡波的占空比与C的大小无关，而仅的大小无关，而仅与与RA、RB的大小比值有关。的大小比值有关。6.5.7 6.5.7 压控振荡器压控振荡器* *压控振荡器压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，简称，简称VCO）是一种频率可控的振荡器，它）是一种频率可控的振荡器，它的振荡频率随输入控制电压的变化而改变。这种的振荡频率随输入控制电压的变化而改变。这种振荡器广泛地用于自动检测、自动控制以及通讯振荡器广泛地
61、用于自动检测、自动控制以及通讯系统当中，目前已生产了多种压控振荡的集成电系统当中，目前已生产了多种压控振荡的集成电路产品。从工作原理上看，这些压控振荡器大致路产品。从工作原理上看，这些压控振荡器大致可以分为三种类型：可以分为三种类型：施密特触发器型、电容交叉施密特触发器型、电容交叉充放电型充放电型和和定时器型。定时器型。本章小结本章小结电路名称电路名称有无稳态有无稳态触发条件触发条件特性特性主要用途主要用途施密特触施密特触发电路发电路双稳态双稳态VIVT+,复位复位滞回特性滞回特性波形波形整形整形、变换、变换、鉴幅鉴幅、构成多谐、构成多谐振荡器等振荡器等单稳态触单稳态触发电路发电路一个稳态，一个稳态，一个单稳态一个单稳态微分微分窄脉冲；窄脉冲；积分积分宽脉冲宽脉冲tw 仅与仅与R、C、VTH有关有关定时器定时器、延时器延时器、整形、高低通滤整形、高低通滤波波多谐多谐振荡器振荡器无稳态无稳态自激振荡自激振荡形式多样：形式多样：环形振荡器；环形振荡器；晶振；晶振；VCO等等产生矩形波产生矩形波，为，为时序电路提供时序电路提供CP
