第六章_脉冲波形的产生和整形

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1、University of Science and Technology of China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 456页第十章页第十章1University of Science and Technology of China脉冲波形的产生和整形脉冲波形的产生和整形内容提要内容提要介绍矩形脉冲波形的产生和整形电路，包括：介绍矩形脉冲波形的产生和整形电路，包括：1整形电路整形电路：施密特触发器和单稳态触发器。：施密特触发器和单稳态触发器。2脉冲产生电路脉冲产生电路：对称式和非对称式多谐振：对称式和非对称式多谐振荡器、环形振荡器、施密特多谐振荡器。荡器、环形振荡器、

2、施密特多谐振荡器。3555定时器定时器：用：用555构成的施密特触发器、构成的施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。单稳态触发器和多谐振荡器。2University of Science and Technology of China 6.1 概述概述1获取矩形脉冲波形的两种方法获取矩形脉冲波形的两种方法：（1）利用各种形式的多谐振荡器直接产生波形；）利用各种形式的多谐振荡器直接产生波形；（2）通过整形电路，对已有周期信号整形得到。）通过整形电路，对已有周期信号整形得到。2矩形脉冲的主要参数矩形脉冲的主要参数 主要参数详见主要参数详见P457图图10.1.1，包括：，包括：（1）脉冲周期脉冲

3、周期 T；（2）脉冲幅度脉冲幅度 V Vm m；（3）脉冲宽度脉冲宽度 T Tw w ；（4 4）上升时间）上升时间 tr；（5）下降时间下降时间 tf；（6）占空比占空比 q。3University of Science and Technology of China6.1 概述概述图图图图10.1.110.1.1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4University of Science and Technology of China6.2施密特触发器施密特触发器这种触种触发器有器有两个重要特点：两个重要特点：1输输入

4、入信信号号从从低低电电平平上上升升的的过过程程中中，电电路路状状态态转转换换时时对对应应的的输输入入电电平平VT+，与与输输入入信信号号从从高高电电平平下下降降过过程程中中电电路路状状态态转转换换时时对对应应的的输输入入电电平平VT-不相同，即不相同，即VT+VT-。2在在电电路路状状态态转转换换时时，通通过过电电路路内内部部的的正正反反馈馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。过程使输出电压波形的边沿变得很陡。5University of Science and Technology of China6.2 施密特触发器施密特触发器 由上述特点可知：由上述特点可知：施密特触发器能把边沿变化缓慢的

5、信号施密特触发器能把边沿变化缓慢的信号 整形为边沿陡峭的矩形波。整形为边沿陡峭的矩形波。可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的 噪声有效地消除。噪声有效地消除。6University of Science and Technology of China6.2 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1用用两两个个CMOS反反相相器器G1和和G2组组成成的的施施密密特特触触发发器器如如图图10.2.1，图图中中R1R2，且且设设反反相相器器的的阈阈值值电电压压为为VTH(1/2)(1/2)VDD，VDD为为反反相器的工作

6、电源电压。相器的工作电源电压。7University of Science and Technology of China6.2.1 用门电路组成的施密特用门电路组成的施密特FF 图图图图10.2.110.2.1用用用用CMOSCMOS反相器构成的施密特触发器反相器构成的施密特触发器反相器构成的施密特触发器反相器构成的施密特触发器（a a）电路电路电路电路（b b）图形符号图形符号图形符号图形符号8University of Science and Technology of China6.2.1 用门电路组成的施密特用门电路组成的施密特FF（1）电路结构：用两个反相器构成正反馈电路。）电路结

7、构：用两个反相器构成正反馈电路。（2）工作原理）工作原理（下面的（下面的VI就是第五版中的就是第五版中的VA）1）VI=0时，时，VI=0，VO1=1，VO=0。2）当）当VI从从0逐渐升高并达到逐渐升高并达到VI=VTH时，将引时，将引 发以下正反馈过程：发以下正反馈过程：VIVO1VO9University of Science and Technology of China6.2.1 用门电路组成的施密特用门电路组成的施密特FF 电电路路状状态态很很快快转转换换为为VO=VOHVDD，可可求求出出VI上上升升过过程程中中电电路路状状态态发发生生转转换换时时对对应应的的输输入入电电平平VT

8、+，VT+称为正向阈值电压称为正向阈值电压。VT+=（1+）VTH（10.2.1）3）当）当VI从高电平从高电平VDD逐渐下降并达到逐渐下降并达到VI=VTH时时,又引发正反馈过程如下：又引发正反馈过程如下：VIV01V010University of Science and Technology of China6.2.1 用门电路组成的施密特用门电路组成的施密特FF 使使电电路路的的状状态态迅迅速速转转换换为为VO=VOL=0，可可求求出出VI下下降降过过程程中中电电路路状状态态转转换换时时对对应应的的输输入入电电平平VT-VT-称为负向阈值电压称为负向阈值电压。VT-=（1 ）VTH（1

9、0.2.2）4）回差电压：回差电压：VT=VT+VT-=2VTH（10.2.3）11University of Science and Technology of China图图图图10.2.210.2.2 图图图图10.2.110.2.1电电电电路路路路的的的的电电电电压压压压传传传传输输输输特特特特性性性性（a a）同相输出同相输出同相输出同相输出（b b）反相输出反相输出反相输出反相输出5）电压传输特性电压传输特性12University of Science and Technology of China6.2.1 用门电路组成的施密特用门电路组成的施密特FF 因因为为VO和和VI的的

10、高高、低低电电平平是是同同相相的的，所所以以把把这这种种形形式式的的电电压压传传输输特特性性叫叫做做同同相相输输出出的的施施密密特特触触发发特特性性。若若以以图图10.2.1(a)中中的的V0端端作作为为输输出出端端，则则得得到到反反相相输输出出的的施施密密特特触触发发特特性性。见见图图10.2.2(b)。P P459-460459-460的例子比较简单，请同学们自学。的例子比较简单，请同学们自学。13University of Science and Technology of China6.2.2 集成的施密特触发器集成的施密特触发器1TTL集成施密特触发器集成施密特触发器7413（460

11、页）电路图及其图形符号见图电路图及其图形符号见图10.2.3 7413的电压传输特性见图的电压传输特性见图10.2.4 工作原理：工作原理：1）当）当4 4个输入个输入A、B、C、D均从低电平升高均从低电平升高 时，只有当这时，只有当这4个输入均上升到个输入均上升到1.7v时，时，输出输出Y才为低电平。才为低电平。14University of Science and Technology of China6.2.2 集成的施密特触发器集成的施密特触发器2）当）当A、B、C、D中有一个从高电平降到中有一个从高电平降到0.8v时，输出时，输出Y就为高电平。就为高电平。3）由于）由于VO随随VI的

12、升高而下降，并随的升高而下降，并随VI的下降的下降 而上跳，故为反相输出的施密特触发特性。而上跳，故为反相输出的施密特触发特性。VT+1.7vVT-0.8vVT=1.70.8=0.9v15University of Science and Technology of China6.2.2 集成的施密特触发器集成的施密特触发器图图图图10.2.310.2.3带带带带与非与非功能的功能的功能的功能的TTLTTL集成施密特触发器集成施密特触发器集成施密特触发器集成施密特触发器16University of Science and Technology of China6.2.2 集成的施密特触发器集

13、成的施密特触发器图图图图10.2.410.2.4集成施密特触发器集成施密特触发器集成施密特触发器集成施密特触发器74137413的电压传输特性的电压传输特性的电压传输特性的电压传输特性17University of Science and Technology of China6.2.2 集成的施密特触发器集成的施密特触发器2CMOS集成施密特触发器集成施密特触发器CC40106 电路图见电路图见P463图图10.2.5。CC40106的电压传输特性见图的电压传输特性见图10.2.6(a)，图中给出了图中给出了3组传输特性：组传输特性：VDD=15v（大虚线）大虚线）VDD=10v（实线）实线

14、）VDD=5v（小虚线部分小虚线部分）18University of Science and Technology of China6.2.2 集成的施密特触发器集成的施密特触发器图图图图10.2.5CMOS10.2.5CMOS集成施密特触发器集成施密特触发器集成施密特触发器集成施密特触发器CC40106CC4010619University of Science and Technology of China图图图图6.2.76.2.7 集集集集成成成成施施施施密密密密特特特特触触触触发发发发器器器器CC40106CC40106的的的的特特特特性性性性（a a）电压传输特性（电压传输特性（电

15、压传输特性（电压传输特性（b b）V VDDDD对对对对V VT T、V VT T的影响的影响的影响的影响20University of Science and Technology of China6.2.2 集成的施密特触发器集成的施密特触发器 由此可见：由此可见：1）不同的）不同的VDD,VT+和和VT-及及VT不一样不一样,输出输出 电压幅度也不一样。电压幅度也不一样。2）从图（）从图（b）可见，既使可见，既使VDD确定时，确定时，VT+、VT-值对不同器件可能不一样。值对不同器件可能不一样。6.2.3施密特触发器的应用施密特触发器的应用 可用于波形变换、脉冲整形、脉冲鉴幅可用于波形变

16、换、脉冲整形、脉冲鉴幅 等，详见等，详见464466。21University of Science and Technology of China6.2.2 集成的施密特触发器集成的施密特触发器 图图图图10.2.710.2.7用用用用施密特触发器实现波形变换施密特触发器实现波形变换施密特触发器实现波形变换施密特触发器实现波形变换22University of Science and Technology of China6.2.2 集成的施密特触发器集成的施密特触发器 图图图图10.2.810.2.8用用用用施密特触发器对脉冲整形施密特触发器对脉冲整形施密特触发器对脉冲整形施密特触发器对脉

17、冲整形23University of Science and Technology of China6.2.2 集成的施密特触发器集成的施密特触发器 图图图图10.2.910.2.9用用用用施密特触发器鉴别脉冲幅度施密特触发器鉴别脉冲幅度施密特触发器鉴别脉冲幅度施密特触发器鉴别脉冲幅度24University of Science and Technology of China6.3单稳态触发器单稳态触发器(P466)单稳态触发器的工作特性具有如下特点：单稳态触发器的工作特性具有如下特点：1它有它有稳态稳态和和暂稳态暂稳态两个不同的工作状态。两个不同的工作状态。2在外界触发脉冲作用下，能从稳态

18、翻转到暂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以后，再自动稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动 返回稳态。返回稳态。3暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参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。数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。由于具备这些特点，单稳态触发器被广泛应由于具备这些特点，单稳态触发器被广泛应 用于脉冲整形、延时以及定时等。用于脉冲整形、延时以及定时等。25University of Science and Technology of China6.3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

19、的单稳态触发器 单单稳稳态态触触发发器器的的暂暂稳稳态态是是靠靠RC电电路路的的充充、放放电电过过程程来来维维持持的的。根根据据RC电电路路的的不不同同接接法法，又把单稳态触发器分为微分型和积分型两种。又把单稳态触发器分为微分型和积分型两种。1微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 用用CMOS门门电电路路和和RC微微分分电电路路构构成成的的微微分分型单稳态触发器见型单稳态触发器见P P467467图图10.3.1。26University of Science and Technology of China6.3.1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图图图图10.3.110.

20、3.1微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器27University of Science and Technology of China微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 对于对于CMOS门电路，可以近似认为：门电路，可以近似认为：VOH=VDD，VOL0，VTH=VDD 图图6.3.1所示电路工作原理分析如下：所示电路工作原理分析如下：（1）在稳态下，）在稳态下，VI=0，VI2=VDD，故，故VO=0，VO1=VDD，电容电容C上无电压。上无电压。（2）当触发脉冲加到）当触发脉冲加到VI端时，在端时，在Vd端产生很窄的端产生很窄的 正、负脉冲。当正、负

21、脉冲。当Vd的正尖脉冲幅度高于的正尖脉冲幅度高于VTH 以后，将引发如下的正反馈过程：以后，将引发如下的正反馈过程：28University of Science and Technology of China微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器VdVO1VI2VO 电电路路很很快快进进入入VO为为高高电电平平的的暂暂稳稳态态，这这时时由由于于VO的的高高电电平平封封锁锁了了G1的的输输入入，既既使使Vd回回到到低低电电平平，VO的的高高电电平平仍仍将将维维持持。与与此此同同时时，电电容容C开始充电，充电等效电路见图开始充电，充电等效电路见图10.3.3。29University of Sci

22、ence and Technology of China微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器图图图图10.3.310.3.3图图图图10.3.110.3.1电路中电容电路中电容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充电的等效电路充电的等效电路30University of Science and Technology of China微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 随随着着充充电电过过程程的的进进行行使使VI2逐逐渐渐升升高高，当当升升至至VI2=VTH时，又引发另一个正反馈过程：时，又引发另一个正反馈过程：VI2 VO VO1 如如果果此此时时触触发发脉脉冲冲已已消消失

23、失，Vd已已回回到到低低电平平，则则VO1、VI2迅迅速速跳跳变变为为高高电电平平,并并使使输输出出返返回到回到VO=0的状态。的状态。31University of Science and Technology of China微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 同同时时电电容容C通通过过电电阻阻R和和门门G2的的输输入入保保护护电电路路向向VDD放放电电(放放电电等等效效电电路路见见图图10.3.4)，直直至至C上电压为上电压为0,电路恢复到稳定状态。电路恢复到稳定状态。根根据据以以上上分分析析，即即可可画画出出电电路路中中各各点点的的电电压压波形，见图波形，见图10.3.2（P468）

24、。该电路的几个主要参数：该电路的几个主要参数：32University of Science and Technology of China微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器图图图图10.3.410.3.4图图图图10.3.110.3.1电路中电容电路中电容电路中电容电路中电容C C放放放放电的等效电路电的等效电路电的等效电路电的等效电路33University of Science and Technology of China图图10.3.2图图10.3.1电路的电压波形图电路的电压波形图34University of Science and Technology of China微分型

25、单稳态触发器微分型单稳态触发器 输出脉冲宽度输出脉冲宽度tw：等于电容等于电容C开始充电到开始充电到V12上升到上升到VTH的这段时间的这段时间,不难推导出：不难推导出：tw=RCln20.69RC（10.3.2）输出脉冲幅度输出脉冲幅度 Vm=V0HV0LVDD（10.3.3）恢复时间恢复时间tre tre(3-5)R0NC（10.3.4）式中式中R0N为门为门G1的输出电阻的输出电阻(截止电阻，很大截止电阻，很大)35University of Science and Technology of China微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 分辨时间分辨时间td是指在保证电路能正常工作的

26、前提下，允许是指在保证电路能正常工作的前提下，允许 两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔，故两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔，故 td=tw+tre（10.3.5）此此电电路路可可以以用用窄窄脉脉冲冲触触发发，但但抗抗干干扰扰能能力力差差。此此电电路路的的缺缺点点：在在Vd的的脉脉冲冲宽宽度度大大于于输输出出脉脉冲冲宽宽度度的的情情况况下下，VO的的下下降降沿沿较较差差，因因无无正正反反馈馈过程（详见过程（详见P P469469）。）。36University of Science and Technology of China6.3.1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2积

27、分型单稳态触发器积分型单稳态触发器 用用TTL与与非非门门、反反相相器器及及RC积积分分电电路路组组成成的的积积分分型型单单稳稳态态触触发发器器见见图图10.3.5。为为了了保保证证VO1为为低低电电平平时时VA在在VTH以以下下，R的的阻阻值值不不能能取取得得很很大大。该该电电路路用用正正脉脉冲冲触触发发。其其工工作作原原理理分分析如下：析如下：稳态下由于稳态下由于VI=0,故故 VO=VOH，VA=VO1=VOH。37University of Science and Technology of China6.3.1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图图图图10.3.51

28、0.3.5积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器38University of Science and Technology of China 积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器 当当输输入入正正脉脉冲冲后后，VO1跳跳变变为为低低电电平平。由由于于电电容容C上上的的电电压压不不能能突突变变，故故在在一一段段时时间间里里VA仍仍在在VTH以以上上。因因此此，在在这这段段时时间间里里G2的的两两个个输输入入端端电电压压同同时时高高于于VTH，使使VO=VOL，电电路路进进入入暂暂稳稳态态。同同时时电电容容C开开始始放放电电。放放电电回回路路如如图图10.3.7

29、所示。所示。39University of Science and Technology of China图图10.3.7图图6.3.5电路中电容电路中电容C的放电回路和的放电回路和vA的波形的波形（a）放电回路放电回路（b）vA的波形的波形40University of Science and Technology of China 积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器 随随着着C的的放放电电VA不不断断降降低低，至至VA=VTH后后，VO回回到到高高电电平平。待待VI返返回回低低电电平平以以后后，VO1又又重重新新变变成成高高电电平平VOH，并并向向C充充电电。经经过过恢恢复复时时间间tr

30、e以后，以后，VA恢复为高电平，电路达到稳态。恢复为高电平，电路达到稳态。41University of Science and Technology of China 积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器电路中各点电压的波形图见图电路中各点电压的波形图见图10.3.6(P469)。该电路的几个主要性能参数：该电路的几个主要性能参数：脉脉冲冲宽宽度度tw：等等于于从从电电容容C开开始始放放电电的的一一刻刻到到VA下降至下降至VTH的时间。的时间。tw=(R+R0)Cln（10.3.6）R0为为G1输出低电平时的输出电阻。输出低电平时的输出电阻。42University of Science a

31、nd Technology of China 积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器图图图图10.3.610.3.6图图图图10.3.510.3.5电路的电压波形图电路的电压波形图电路的电压波形图电路的电压波形图43University of Science and Technology of China 积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器 输出脉冲幅度输出脉冲幅度 Vm=V0HV0L（10.3.7）恢复时间恢复时间 tre(3-5)(R+R0)C（10.3.8）R0为为G1输出高电平时的输出电阻。输出高电平时的输出电阻。分辨时间分辨时间 td=tTR+tre(10.3.9)即为触发脉冲宽度即

32、为触发脉冲宽度tTR和恢复时间和恢复时间tre之和。之和。44University of Science and Technology of China 积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器 该该电电路路的的优优点点：因因用用正正脉脉冲冲触触发发（tTR较较宽宽），而不是尖脉冲，故抗干扰能力较强。而不是尖脉冲，故抗干扰能力较强。该该电路的缺点电路的缺点：由于电路状态的转换过程中没有正反馈作由于电路状态的转换过程中没有正反馈作 用，故输出波形的边沿较差。用，故输出波形的边沿较差。必须在必须在tTRtw时方能正常工作。时方能正常工作。想一想为什么？想一想为什么？45University of Sc

33、ience and Technology of China6.3.2集成单稳态触发器集成单稳态触发器 1.TTL 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 (P471)74121、74221、74LS221等等 为不可重复触发型单稳；为不可重复触发型单稳；74122、74LS122、74123、74LS123等等 为可重复触发型单稳。为可重复触发型单稳。2.CMOS集成单稳态触发器集成单稳态触发器 有有CC14528等，详见等，详见P475476。因学时有限，请同学们自学。因学时有限，请同学们自学。46University of Science and Technology of China6.3.2

34、集成单稳态触发器集成单稳态触发器 图图图图10.3.910.3.9集成单稳态触发器集成单稳态触发器集成单稳态触发器集成单稳态触发器7412174121的逻辑图的逻辑图的逻辑图的逻辑图47University of Science and Technology of China图图10.3.1074121的工作波形图的工作波形图 48University of Science and Technology of China6.4多谐振荡器多谐振荡器(P477)1.接通电源以后不需外加触发信号就可自动产接通电源以后不需外加触发信号就可自动产 生矩形脉冲的器件称为矩形波振荡器。生矩形脉冲的器件称为矩

35、形波振荡器。2.由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分量，由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分量，故称矩形波振荡器为多谐振荡器。故称矩形波振荡器为多谐振荡器。6.4.1 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器 由两个反相器由两个反相器G1、G2和两个电容和两个电容C1和和C2连连接而成，如图接而成，如图10.4.1所示。该电路只有两个暂稳所示。该电路只有两个暂稳态而无稳态。态而无稳态。49University of Science and Technology of China6.4.1对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器 图图图图10.4.110.4.1对称式多谐振荡器电路对称式多谐振荡器电路对称式多谐振荡

36、器电路对称式多谐振荡器电路50University of Science and Technology of China6.4.1对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器 工作原理分析如下：工作原理分析如下：若若由由于于某某种种原原因因使使VI1有有微微小小的的正正跳跳变变时时，则则必然会引起如下的正反馈过程：必然会引起如下的正反馈过程：VI1 VO1 VI2 VO2 使使VO1迅速跳变为低电平，迅速跳变为低电平，VO2迅速跳变为高迅速跳变为高 电平，电路进入第一个暂稳态电平，电路进入第一个暂稳态。51University of Science and Technology of China6.4.1

37、对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器 同同时时电电容容C1开开始始充充电电而而C2开开始始放放电电，图图10.4.4中中画画出出了了C1充充电电和和C2放放电电的的等等效效电电路路，详详见见P478。因因为为C1同同时时经经R1和和RF2两两条条支支路路充充电电，故故使使VI2首首先先上上升升到到G2的的阈阈值值电电压压VTH，并并引引起起如下正反馈：如下正反馈：VI2 VO2 VI1 VO1 52University of Science and Technology of China 图图图图10.4.410.4.4 图图图图10.4.110.4.1电电电电路路路路中中中中电电电电容容容容的的

38、的的充充充充、放放放放电电电电等等等等效效效效电电电电路路路路（a a）C C1 1充电的充电的充电的充电的等效电路等效电路等效电路等效电路（b b）C C2 2放放放放电的电的电的电的等效电路等效电路等效电路等效电路53University of Science and Technology of China6.4.1对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器 从从而而使使VO2迅迅速速跳跳变变为为低低电电平平而而VO1迅迅速速跳跳变变为为高电平，电路进入第二个暂稳态高电平，电路进入第二个暂稳态。同同时时C2开开始始充充电电而而C1开开始始放放电电。由由于于对对称称性性，这这一一过过程程和和上上面面所

39、所述述C1充充电电C2放放电电的的过过程程完完全全对对应应，当当VI1上上升升到到VTH时时,电电路路又又将将迅迅速速地地返回返回VO1为低电平而为低电平而VO2为高电平的第一暂稳态。为高电平的第一暂稳态。54University of Science and Technology of China6.4.1对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器 从从上上述述分分析析可可见见，电电路路不不停停地地在在两两个个暂暂稳稳态态之之间间往往复复振振荡荡，在在输输出出端端产产生生矩矩形形脉脉冲冲信信号号。电电路路中中各点电压的波形如各点电压的波形如P479479图图10.4.5所示。所示。电路的振荡周期为电路

40、的振荡周期为 T=2RECln（10.4.5）式中式中RE和和VE由式由式(10(10.4.2)和和(10.4.3)给出。给出。55University of Science and Technology of China6.4.1对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器图图图图10.4.510.4.5图图图图10.4.110.4.1电路中各点电压的波形电路中各点电压的波形电路中各点电压的波形电路中各点电压的波形56University of Science and Technology of China6.4.1对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器 若若G1、G2为为74LS系列反相器，取系列反相器，取

41、VOH=3.4v，VIK=-1v，VTH=1.1v。在在RFR1的情况下的情况下,(,(10.4.5)式可近似为：式可近似为：T2RFCln1.3 1.3 RFC（10.4.6）57University of Science and Technology of China6.4.2非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器 非对称式多谐振荡器电路见非对称式多谐振荡器电路见P480图图10.4.6。图图图图10.4.610.4.6非对称式多谐振荡器电路非对称式多谐振荡器电路非对称式多谐振荡器电路非对称式多谐振荡器电路58University of Science and Technology of C

42、hina6.4.2非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器 工作原理：工作原理：G1和和G2为为CMOS反反相相器器且且工工作作在在电电压压传传输输特特性性的的转转折折区区。若若由由于于某某种种原原因因使使VI1有有极极微微小小的的正正跳变，则必将引起如下的正反馈过程：跳变，则必将引起如下的正反馈过程：VI1 VI2 VO259University of Science and Technology of China6.4.2非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器 使使VO1迅迅速速跳跳变变为为低低电电平平而而VO2迅迅速速跳跳变变为为高高电电平平，电电路路进进入入第第一一个个暂暂稳稳态态。同同时时

43、，电电容容C开开始始放放电电。随随着着C的的放放电电VI1逐逐渐渐下下降降，当当降降到到VI1=VTH时时，又有另一个正反馈过程发生，即又有另一个正反馈过程发生，即 VI1 VI2 VO260University of Science and Technology of China6.4.2非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器 使使VO1迅迅速速跳跳变变为为高高电电平平而而VO2迅迅速速跳跳变变为为低低电电平平，电电路路进进入入第第二二个个暂暂稳稳态态。同同时时C开开始始充充电电。随随着着C的的充充电电，VI1不不断断升升高高，当当升升至至VI1=VTH时时电电路路又又重重新新转转换换为为第第

44、一一个个暂暂稳稳态态。因因此此电电路路不不停停地地在在两两个个暂暂稳稳态态之之间间振振荡荡。电电路路中中各各点点电电压压波波形形见图见图10.4.9。其振荡周期的估算公式为：。其振荡周期的估算公式为：T=2.2 RF C （10.4.10）若若采采用用TTL反反相相器器，则则电电容容C充充、放放电电时时的的等等效效电电路路复复杂杂一一些些，而而且且输输出出电电压压波波形形的的占占空空比比不等于不等于50%。61University of Science and Technology of China图图10.4.8图图10.4.6电路中电容的充、电路中电容的充、放电等效电路放电等效电路（a）放

45、放电的电的等效电路（等效电路（b）充电的充电的等效电路等效电路 62University of Science and Technology of China图图10.4.9图图10.4.6电路的工作波形图电路的工作波形图 63University of Science and Technology of China6.4.3环形振荡器环形振荡器 前前面面介介绍绍的的脉脉冲冲振振荡荡器器是是利利用用闭闭合合回回路路中中的的正正反反馈馈作作用用产产生生自自激激振振荡荡的的。这这里里介介绍绍利利用用闭闭合合回回路路中中的的延延迟迟负负反反馈馈作作用用产产生生自自激激振振荡荡，但但负负反反馈馈信信号

46、号要要足足够够强强。环环形形振振荡荡器器就就是是利利用用延延迟迟负负反反馈馈产产生生振振荡荡的的，它它是是利利用用门门电电路路的的传传输输延延迟迟时时间间将奇数个反相器首尾相接而构成的将奇数个反相器首尾相接而构成的。P483图图10.4.10就是最简单的环形振荡器。就是最简单的环形振荡器。64University of Science and Technology of China6.4.3环形振荡器环形振荡器 图图10.4.10 10.4.10 最简单的环形振荡器最简单的环形振荡器65University of Science and Technology of China6.4.3环形振荡

47、器环形振荡器 然然而而仅仅由由门门电电路路的的传传输输延延迟迟时时间间产产生生振振荡荡信信号号的的电电路路是是不不实实用用的的，这这是是因因为为：tpd极极短短，振振荡荡频频率率很很高高，不不能能产产生生低低频频振振荡荡信信号号。频频率率不不可可调调节节。故故实实用用的的环环形形振振荡荡器器是是用用RC延延迟迟电电路组成的环形振荡器路组成的环形振荡器，见，见P484图图10.4.12。66University of Science and Technology of China6.4.3环形振荡器环形振荡器图图图图 10.4.1210.4.12 带带带带 RCRC延延延延 迟迟迟迟 电电电电

48、路路路路 的的的的 环环环环 形形形形 振振振振 荡荡荡荡 器器器器（a a）原理性电路原理性电路原理性电路原理性电路 （b b）实用的改进电路实用的改进电路实用的改进电路实用的改进电路67University of Science and Technology of China6.4.3环形振荡器环形振荡器 在此电路中：在此电路中：（1）RC电路产生的延迟时间远远大于门电路电路产生的延迟时间远远大于门电路 本身的延迟时间，故可忽略门电路本身的本身的延迟时间，故可忽略门电路本身的 延迟时间。延迟时间。（2）调节）调节RC的值可调节振荡频率。的值可调节振荡频率。（3）电路中各点的电压波形如图）电

49、路中各点的电压波形如图10.4.13所示。所示。68University of Science and Technology of China图图10.4.13图图10.4.12(b)电路的工作波形电路的工作波形69University of Science and Technology of China6.4.3环形振荡器环形振荡器 （4）工作原理简述如下）工作原理简述如下:当在某时刻当在某时刻VI2发生负发生负 跳变时，跳变时，VO2则产生正跳变，同时由于电则产生正跳变，同时由于电 容容C上电压不能突变而使上电压不能突变而使VI3 随随VI2发生负发生负 跳变，使跳变，使VO（即（即VI1

50、）产生正跳变。与此产生正跳变。与此 同时同时VOH2经经R对对C充电，充电，VI3随随C的充电而的充电而 由负变正直至达到由负变正直至达到G3的的VTH，使，使G3输出低输出低 电平，即电平，即VO(即即VI1)发生负跳变，发生负跳变，VI2产生产生70University of Science and Technology of China6.4.3环形振荡器环形振荡器 正正跳跳变变，VO2发发生生负负跳跳变变，此此时时同同样样由由于于C上上电电压压不不能能突突变变而而使使VI3随随VI2发发生生正正跳跳变变，而而使使VO保保持持低低电电平平，但但同同时时VOH1（即即VI2）经经R使使C放

51、放电电（或或称称为为反反向向充充电电）。VI3随随C的的放放电电而而下下降降,当当VI3降降到到VTH，又又使使电电路路进进入入VO正正跳跳变变、VI2负负跳跳变变的暂稳态，如此周而复始的暂稳态，如此周而复始,产生自激振荡。产生自激振荡。71University of Science and Technology of China6.4.3环形振荡器环形振荡器（5）此电路的振荡周期近似等于）此电路的振荡周期近似等于T=2.2RC，该式该式 应满足应满足：的条件。的条件。R1+RSRVOL0VOH=3vVTH=1.4v72University of Science and Technology

52、of China6.4多谐振荡器多谐振荡器 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 利利用用施施密密特特触触发发器器电电压压传传输输特特性性的的滞滞回回区区，使使它它的的输输入入电电压压在在VT+与与VT-之之间间不不停停地地往往复复变变化化，则则在在其其输输出出端端就就可可得得到到矩矩形形脉脉冲冲。电电路路图图见见图图10.4.15，其电压波形图见图，其电压波形图见图10.4.16。73University of Science and Technology of China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图图10.4.151

53、0.4.15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74University of Science and Technology of China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图图10.4.1610.4.16图图图图10.4.1510.4.15电路的电压波形图电路的电压波形图电路的电压波形图电路的电压波形图75University of Science and Technology of China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 占空比可调的振荡器见图

54、占空比可调的振荡器见图10.4.17（P487）。若若采采用用CMOS施施密密特特触触发发器器，且且VOHVDD，VOL0时时，则则振振荡荡周周期期可可按按P487的的(10.4.20)式式计算。计算。76University of Science and Technology of China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图图10.4.1710.4.17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77University of Science and Technology of China6.4.5

55、石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 6.4.5 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 为为得得到到稳稳定定频频率率的的振振荡荡信信号号，已已普普遍遍采采用用石石英英晶晶体体振振荡荡器器。它它是是在在多多谐谐振振荡荡电电路路中中接接入入石石英英晶晶体体组组成成石石英英晶晶体体多多谐谐振振荡荡器器。把把石石英英晶晶体体与与对对称称式式多多谐谐振振荡荡器器中中的的耦耦合合电电容容串串联联起起来来，就就组组成了图成了图10.4.19所示的石英晶体振荡器。所示的石英晶体振荡器。石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英 晶体的固有频率。晶体的固有频率。频率稳定度频率稳

56、定度(f0/f0)可达可达10-1010-11。78University of Science and Technology of China6.4.5石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器图图图图10.4.1910.4.19石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器79University of Science and Technology of China6.4.5石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 在图在图10.4.19中，若取中，若取TTL的的7404用作用作G1和和 G2，RF=1k，C=0.05uF，则其工作频率则其工作频率 可达几十兆赫。可达几十兆赫

57、。在非对称式多谐振荡器电路中也可接入石英在非对称式多谐振荡器电路中也可接入石英 晶体构成石英晶体多谐振荡器。电路的振荡晶体构成石英晶体多谐振荡器。电路的振荡 频率也等于石英晶体的谐振频率，与外接频率也等于石英晶体的谐振频率，与外接R 和和C无关。无关。80University of Science and Technology of China6.5555定时器及其应用定时器及其应用 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（P489)国国产产双双极极型型定定时时器器CB555的的电电路路结结构构图图见见P490图图10.5.1，它它主主要要由由比比较较器器C1和和C2、

58、基基本本RS触发器和放电三极管触发器和放电三极管TD三部分组成。三部分组成。81University of Science and Technology of China6.5555定时器及其应用定时器及其应用图图图图10.5.1CB55510.5.1CB555的电路结构图的电路结构图的电路结构图的电路结构图82University of Science and Technology of China6.5555定时器及其应用定时器及其应用 VI1(第第6脚脚)为阈值端；为阈值端；VI2(第第2脚脚)为触发端；为触发端；比较器比较器C1和和比较器比较器C2的参考电压的参考电压VR1和和VR2由

59、由 VCC经三个经三个5k电阻分阻分压得到：得到：VCO(第第5脚脚)为外接控制电压；为外接控制电压；RD为置零端为置零端,即当即当 RD=0时时,VO立即被置成立即被置成0。VR1=VCCVR2=VCC83University of Science and Technology of China6.5555定时器及其应用定时器及其应用 工作原理如下：工作原理如下：1）当）当VI1VR1，VI2VR2时，时，VC1=0，VC2=1，VO=0，TD导通。导通。2）当）当VI1VR1，VI2VR2时，时，VC1=1，VC2=1，VO不变，不变，TD状态也不变。状态也不变。3）当）当VI1VR1，V

60、I2VR2时，时，VC1=1，VC2=0，VO=1，TD截止。截止。4）当）当VI1VR1，VI2VR2时，时，VC1=0，VC2=0，VO=1，TD截止。截止。其功能表见表其功能表见表10.5.184University of Science and Technology of China6.5555定时器及其应用定时器及其应用 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 只只需需将将555的的第第6脚脚和和第第2脚脚连连在在一一起起作作为为输输入入端端VI，就就构构成成了了施施密密特特触触发发器器，见见图图10.5.2。由由于于比比较较器器C1和和C2的的参参考

61、考电电压压不不同同，因因而而基基本本RS触触发发器器的的置置0信信号号(VC1=0)和和置置1信信号号(VC2=0)必必然然发发生生在在输输入入信信号号VI的的不不同同电电平平。因因此此输输出出电电压压VO由由1 0和和由由0 1所所对对应应的的VI值值分分别别是是VT+和和VT-，这样就形成了施密特触发特性。，这样就形成了施密特触发特性。85University of Science and Technology of China图图10.5.2用用555接成的施密特触发器接成的施密特触发器86University of Science and Technology of China6.5.

62、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 该电路的该电路的 VT+=VCC，VT-=VCC，回差电压回差电压 VT=VT+VT-=VCC。其电压传输特性见其电压传输特性见P492图图10.5.3 详细分析见详细分析见 P492493。87University of Science and Technology of China6.5.2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图图图图10.5.310.5.3图图图图10.5.210.5.2电路的电压传输特性电路的电压传输特性电路的电压传输特性电路的电压传输特性88University of Science

63、and Technology of China6.5.3用用555接成的单稳态触发器接成的单稳态触发器 将将555的的VI2端端（第第2脚脚）作作为为触触发发信信号号输输入入端端，并并将将由由TD(7脚脚)和和R组组成成的的反反相相器器输输出出电电压压VO接接到到VI1端端(6脚脚)，同同时时在在VI1对对地地接接入入电电容容C，就就构构成成了了单单稳稳态态触触发发器器，见见493页页。用用555集集成成电电路路符号画出的电路如下符号画出的电路如下(见黑板见黑板)：89University of Science and Technology of China6.5.3用用555接成的单稳态触发

64、器接成的单稳态触发器图图图图6.5.46.5.4用用用用555555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器90University of Science and Technology of China6.5.3用用555接成的单稳态触发器接成的单稳态触发器 工作原理分析：工作原理分析：没有触发信号时没有触发信号时VI=1，那么稳态时一定处于那么稳态时一定处于 VC1=VC2=1,Q=0,VO=0的状态的状态,这是因为：这是因为：1）若接通电源后触发器处于）若接通电源后触发器处于Q=0的状态，则的状态，则TD 导通，导通，VC=0（见图见

65、图6.5.4）。故）。故VC1=VC2=1,Q=0及及VO=0的状态将维持不变。的状态将维持不变。2）若接通电源后触发器处于）若接通电源后触发器处于Q=1的状态，则的状态，则TD 截止，截止，VC随随C充电而上升，必将使充电而上升，必将使VC1=0，VC2=1，从而使从而使Q=0和和VO=0。91University of Science and Technology of China6.5.3用用555接成的单稳态触发器接成的单稳态触发器 当当 VI 由由1 0,且且 VI 跳跳变变到到 VCC以以下下时时，使使VC2=0(此此时时VC1=1),触触发发器器被被置置1,VO由由0 1,电电路

66、路进进入入暂暂稳稳态态。与与此此同同时时TD截截止止，VCC经经R开开始始对对C充充电电。当当C充充至至VC=VCC时时，VC1变变成成0，若若此此时时VI已已回回到到1，则则触触发发器器将将被被置置0，于于是是VO返返回回0状状态态。同同时时TD又又导导通通，电电容容C迅迅速速放放电电，VC0，电电路路回回到到VC1=VC2=1和和VO=0的稳定状态。的稳定状态。92University of Science and Technology of China6.5.3用用555接成的单稳态触发器接成的单稳态触发器 在触发信号作用下，在触发信号作用下，VC和和VO的波形见图的波形见图6.5.5。可见，可见，该电路是负脉冲触发，正脉冲输出该电路是负脉冲触发，正脉冲输出，输出，输出 脉脉冲冲的的宽宽度度即即为为暂暂稳稳态态的的持持续续时时间间tw。Tw的的值值取决于外接取决于外接R和和C的大小，计算公式如下：的大小，计算公式如下：tw=RCln3 1.1 RC （6.5.1）93University of Science and Technology of China6.5.3用用555接成