多谐振荡器

第八章脉冲波形的产生与整形在数字电路或系统中，常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、控制过程的定时信号等。这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种则是通过对已有信号进行变换，使之满足系统的要求。本章以中规模集成电路555定时器为典型电路，主要讨论555定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器以及555定时器的典型应用。8.1集成555定时器555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。通常，双极型产品型号最后的三位数码都是555，CMOS产品型号的最后四位数码都是7555，它们的结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。一般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时电路具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压变化范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下。一．555定时器的电路结构与工作原理1．555定时器内部结构：（1）由三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器；（2）两个电压比较器C1和C2：v+＞v－，vo=1；v+＜v－，vo=0。（3）基本RS触发器；（4）放电三极管T及缓冲器G。2．工作原理。当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为ccV32和ccV31。（1）当vI1ccV32，vI2ccV31时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端vO为低电平。（2）当vI1ccV32，vI2ccV31时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管T截止，输出端vO为高电平。（3）当vI1ccV32，vI2ccV31时，比较器C1输出高电平，C2也输出高电平，即基本RS触发器R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。CC&&&1RSTG5kΩ5kΩ5kΩ12VRvvvCCDICI1I2OOv,(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位12658437Ov,vI2vI1vvICVCCvO555(a)(b)DR阈值输入控制电压触发输入放电端图8.1—1555定时器的电气原理图和电路符号(a)原理图（b）电路符号由于阈值输入端(vI1)为高电平（ccV32）时，定时器输出低电平，因此也将该端称为高触发端（TH）。因为触发输入端(vI2)为低电平（ccV31）时，定时器输出高电平，因此也将该端称为低触发端（TL）。如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值在0～VCC之间），比较器的参考电压将发生变化，电路相应的阈值、触发电平也将随之变化，并进而影响电路的工作状态。另外，RD为复位输入端，当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo为低电平，即RD的控制级别最高。正常工作时，一般应将其接高电平。二．555定时器的功能表表8.1—1555定时器功能表阈值输入(vI1)触发输入(vI2)复位(RD)输出(vO)放电管T××00导通ccV32ccV3111截止ccV32ccV3110导通ccV32ccV311不变不变8.2施密特触发器施密特触发器——具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。一．用555定时器构成的施密特触发器1.电路组成及工作原理1265VCCRDO5553Ov7vvI2I1vIC8412IvCCVVCC2RttvIOv123CCVCC1V3(a)电路图(b)波形图v图8.2—1555定时器构成的施密特触发器（1）vI=0V时，vo1输出高电平。（2）当vI上升到ccV32时，vo1输出低电平。当vI由ccV32继续上升，vo1保持不变。（3）当vI下降到ccV31时，电路输出跳变为高电平。而且在vI继续下降到0V时，电路的这种状态不变。图中，R、VCC2构成另一输出端vo2，其高电平可以通过改变VCC2进行调节。2.电压滞回特性和主要参数电压滞回特性vVVIoOHOLVVVvCCCCCC13230Ivvo(a)(b)电路符号电压传输特性图8.2—2施密特触发器的电路符号和电压传输特性主要静态参数（1）上限阈值电压VT+——vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。VT+=ccV32。（2）下限阈值电压VT———vI下降过程中，vO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。VT—=ccV31。（3）回差电压ΔVT回差电压又叫滞回电压，定义为ΔVT=VT+－VT—=ccV31若在电压控制端VIC（5脚）外加电压VS，则将有VT+=VS、VT—=VS/2、ΔVT=VS/2，而且当改变VS时，它们的值也随之改变。二．集成施密特触发器施密特触发器可以由555定时器构成，也可以用分立元件和集成门电路组成。因为这种电路应用十分广泛，所以市场上有专门的集成电路产品出售，称之为施密特触发门电路。集成施密特触发器性能的一致性好，触发阈值稳定，使用方便。1.CMOS集成施密特触发器图8.2—3（a）是CMOS集成施密特触发器CC40106（六反相器）的引线功能图，表8.2—1所示是其主要静态参数。12345678910111213141A1Y2A2Y3A3Y4A4Y5A5Y6A6YVVDDSS2Y2A16251YGND73Y1A343AV912CC136Y11106A4A85Y5A4Y14(a)(b)CC4010674LS14图8.2—3集成施密特触发器CC40106和74LS14外引线功能图表8.2—1集成施密特触发器CC40106的主要静态参数电源电压VDDVT+最小值VT+最大值VT－最小值VT－最大值ΔVT最小值ΔVT最小值单位52.23.60.92.80.31.6V104.67.12.55.21.23.4V156.810.847.41.65V2.TTL集成施密特触发器图8.2—3（b）所示是TTL集成施密特触发器74LS14外引线功能图，其几个主要参数的典型值如表8.2—2所示。TTL施密特触发与非门和缓冲器具有以下特点：（1）输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作。（2）对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿。（3）带负载能力和抗干扰能力都很强。表8.2—2TTL集成施密特触发器几个主要参数的典型值器件型号延迟时间（ns）每门功耗（mW）VT+（V）VT－（V）ΔVT（V）74LS14158.61.60.80.874LS132158.81.60.80.874LS1316.58.751.60.80.8集成施密特触发器不仅可以做成单输入端反相缓冲器形式，还可以做成多输入端与非门形式，如CMOS四2输入与非门CC4093，TTL四2输入与非门74LS132和双4输入与非门74LS13等。三．施密特触发器的应用举例1.用作接口电路——将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形。2.用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。1MOSCMOS正弦波1振荡器输入输出VVT+T-图8.2—4慢输入波形的TTL系统接口图8.2—5脉冲整形电路的输入输出波形3.用于脉冲鉴幅——将幅值大于VT+的脉冲选出。00VVIOVIOVVVT+T-tt1图8.2—6用施密特触发器鉴别脉冲幅度8.3多谐振荡器多谐振荡器——产生矩形脉冲波的自激振荡器。多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此它又称作无稳态电路，常用来做脉冲信号源。一．用555定时器构成的多谐振荡器1.电路组成及工作原理26VCCRDO5553vI2I1v84(a)(b)v7RRVCC12C150.01μFC1vCP21C3VVCCvCC3tvOtOOtttCCV012TTT120图8.3—1用施密特触发器构成的多谐振荡器2.振荡频率的估算（1）电容充电时间T1。电容充电时，时间常数τ1=（R1+R2）C，起始值vC（0+）=ccV31，终了值vC（∞）=VCC，转换值vC（T1）=ccV32，带入RC过渡过程计算公式进行计算：CRRVVVVTvvvvTCCCCCCCCCCCC)(7.02ln3231ln)()()0()(ln2111111（2）电容放电时间T2电容放电时，时间常数τ2=R2C，起始值vC（0+）=ccV32，终了值vC（∞）=0，转换值vC（T2）=ccV31，带入RC过渡过程计算公式进行计算：CRT227.0（3）电路振荡周期TT=T1+T2=0.7(R1+2R2)C（4）电路振荡频率fCRRTf)2(43.1121（5）输出波形占空比q定义：q=T1/T，即脉冲宽度与脉冲周期之比，称为占空比。2121212112)2(7.0)(7.0RRRRCRRCRRTTq二．占空比可调的多谐振荡器电路在图8.3—1所示电路中，由于电容C的充电时间常数τ1=（R1+R2）C，放电时间常数τ2=R2C，所以T1总是大于T2，vO的波形不仅不可能对称，而且占空比q不易调节。利用半导体二极管的单向导电特性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器，如图8.3.2所示。μFvI18CC31V5550.015CROD427VvI26vCCC1vCDD121R2R图8.3—2占空比可调的多谐振荡器由于二极管的引导作用，电容C的充电时间常数τ1=R1C，放电时间常数τ2=R2C。通过与上面相同的分析计算过程可得T1=0.7R1CT2=0.7R2C占空比：21121121117.07.07.0RRRCRCRCRTTTTTq只要改变电位器滑动端的位置，就可以方便地调节占空比q，当R1=R2时，q=0.5，vO就成为对称的矩形波。三．石英晶体多谐振荡器在许多数字系统中，都要求时钟脉冲频率十分稳定，例如在数字钟表里，计数脉冲频率的稳定性，就直接决定着计时的精度。在上面介绍的多谐振荡器中，由于其工作频率取决于电容C充、放电过程中，电压到达转换值的时间，因此稳定度不够高。这是因为第一，转换电平易受温度变化和电源波动的影响；第二，电路的工作方式易受干扰，从而使电路状态转换提前或滞后；第三，电路状态转换时，电容充、放电的过程已经比较缓慢，转换电平的微小变化或者干扰，对振荡周期影响都比较大。一般在对振荡器频率稳定度要求很高的场合，都需要采取稳频措施，其中最常用的一种方法，就是利用石英谐振器—简称石英晶体或晶体，构成石英晶体多谐振荡器。1.石英晶体的选频特性有两个谐振频率。当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0；当f=fp时，为并联谐振，石英晶体的电抗无穷大。由晶体本身的特性决定：fs≈fp≈f0（晶体的标称频率）石英晶体的选频特性极好，f0十分稳定，其稳定度可达10-10～10-11。图8.3—3石英晶体的电抗频率特性和符号2.石英晶体多谐振荡器（1）串联式振荡器R1、R2的作用——使两个反相器在静态时都工作在转折区，成为具有很强放大能力的放大电路。对于TTL门，常取R1=R2=0.7～2kΩ，若是CMOS门则常取R1=R2=10～100MΩ；C1=C2是耦合电容。石英晶体工作在串联谐振频率f0下，只有频率为f0的信号才能通过，满足振荡条件。因此，电路的振荡频率=f0，与外接元件R、C无关，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。11RRCC1122vO图8.3—4石英晶体多谐振荡器（2）并联式振荡器RF是偏置电阻，保证在静态时使G1工作转折区，构成一个反相放大器。晶体工作在fS与fP之间，等效一电感，与C1、C2共同构成电容三点式振荡电路。电路的振