CD40106施密特触发器

第七章 脉冲信号的产生与整形 在数字技术的各种应用中，经常要用到矩形波、方波、尖顶波和锯齿波等脉冲形波。其中 矩形波和方波是较重工的信号波形，它们经常用来作为电路的开关信号和控制信号。许多其 它形状的脉冲波形也可以由它们变换而得到。本章将介绍多谐振荡器、施密特触发器和单稳 态触发器。其中，多谐振荡器能直接产生脉冲信号，施密特触发器能对已有的信号进行变换、 整形，单稳态触发器可用于脉冲信号的定时、延时等。 7.1 555 集成定时器 ５５５集成定时器是一种将模拟和数字电路集成于一体的电子器件，使用十分灵活方 便，只要外加少量的阻容元件，就能构成多种用途的电路，如施密特触发器、单稳态触发器、 多谐振荡器、等，使其在电子技术中得到了非常广泛的应用。 ５５５集成定时器的型号较多，常用的有５Ｇ５５５（双极型）和ＣＣ７５５５（Ｃ ＭＯＳ型）两种。５５５定时器型号虽多，但其内部电路结构相似，片脚排列及功能完全相 同。下面以国产双极型定时器的典型产品５Ｇ５５５为例，介绍其电路结构及功能。 7.1.1 5G555 定时器的电路结构 图７．１所示是国产双极型定时器５Ｇ５５５的逻辑图和管脚排列图。它由以下几部 分构成. 5G555 Vcc + _ 5 6 CO TH Vco Vi1 Vi2 + _ 2 7 1 Vo’ UR2 & & G2 1 OUT Vo 3 1 2 3 4 5678 Vcc D TH CO GND TR OUT RD- - 图7.1 5G555计时器 4 G1 Q Q - G3 TR D 1RU 1C 1CU 2CU DT 0 5KΩ 5KΩ 5KΩ 8 １． 分压器 由三个阻值均为５ｋΩ的电阻串联构成分压器，为电压比较器Ｃ１和Ｃ２提供参考电压。 若控制电压输入端（ＣＯ端，引脚５）外加控制电压ＶＣＯ，则比较器Ｃ１、Ｃ２的参考电压 分别为ＵＲ１＝Ｖ∽，ＵＲ２＝１／２Ｖ∽；不加控制电压时，该引出端不可悬空，一般要通过 一个小电容（如０．０１μＦ）接地，以旁路高频干扰。这时两参考电压分别为ＵＲ１＝２／ ３ＶＣＣ，ＵＲ２＝１／３ＶＣＣ。 ２． 比较器 Ｃ１和Ｃ２是两个结构完全相同的高精度电压比较器，分别由高增益运算放大器构成。比 较器Ｃ１的信号输入端为运放的反相输入端（ＴＨ端，引脚６），Ｃ１的同相端接参考电压Ｕ Ｒ１；比较器Ｃ２的信号输入端为运放的同相输入端（TR端，引脚２），Ｃ２的反相输入端接 参考电压ＵＲ２。两比较器的输出分别为ＵＣ１和ＵＣ２。 ３． ＲＳ锁存器 两个与非门Ｇ１、Ｇ２构成ＲＳ锁存器，低电平触发。比较器Ｃ１、Ｃ２的输出ＵＣ１、ＵＣ ２控制锁存器的状态。也即决定了电路的输出状态。 DR 是锁存器的外部复位端，低电平有 效。当 DR =0 时， 1Q = 。使电路输出（ＯＵＴ端，引脚３）为０。正常工作时， DR 端应 接高电平。 ４． 三极管放电开关 三极管ＴＤ构成放电开关，其状态受ＲＳ锁存器的Q端控制。当 0Q = 时，ＴＤ截止；当 1Q = 时，ＴＤ饱和导通。此时，放电端（Ｄ端，引脚Ｔ）如有外接电容，则通过ＴＤ放电。 由于放电端的逻辑状态与输出Ｖ０是相同的，故放电端也可以作为集电极开路输出Ｖ０＇。 ５． 输出缓冲器 由反相器Ｇ３构成，其作用是提高定时器的带负载能力，并隔离负载对定时器的影响。 7.1.2 定时器的逻辑功能 当ＣＯ端不外接控制电压时，５Ｇ５５５集成定时器的功能表如表７。１所示。现说明 如下： 表 7.1 5G555 定时器功能表 RD 0 1 1 1 Vi2(TH) Vi2(TR) Vo(OUT) TD (放电管） 0 导通 导通 截止 不变 不变 0 1 1 3> Vcc 2 3 Vcc＜ Vcc 2 3＞ 2 3 Vcc＜ 1 3＜ Vcc 1 3> Vcc ① 只要外部复位端 DR =0，不管Ｖｉ１Ｖｉ２为何值，使 1Q = ，因此电路输出Ｖ０＝ ０，放电管ＴＤ导能。正常工作时 DR =1。 ② 当 DR =1，且Ｖｉ１＞２／３ＶＣＣ，Ｖｉ２＞１／３ＶＣＣ时，比较器Ｃ１输出ＵＣ１＝ ０，比较器Ｃ２输出ＵＣ２＝１，比而使ＲＳ触发器的 1=Q ，Ｖ０＝０，ＴＤ导通。 ③ 当 DR =1 且Ｖｉ１＜２／３ＶＣＣ，Ｖｉ２＜１／３ＶＣＣ时，ＵＣ１＝１，ＵＣ２＝０， 0Q = ，Ｖ０＝１，ＴＤ截止。 ④ 当 DR =1，且Ｖｉ１＜２／３ＶＣＣ，Ｖｉ２＞１／３ＶＣＣ时，两个比较器输出均为１， 根据与非门ＲＳ锁存器的特性，其状态保持不变，所以Ｖ０和ＴＤ的状态也保持不 变。 由上说明可知，当 DR =1 时，只要ＴＨ端（即Ｖｉ１输入端）加高电平（大于２／３ＶＣ Ｃ），Q总为１，Ｖ０＝０，所以称ＴＨ为高电平触发端。同样，只有当TR为低电平（小于 １／３ＶＣＣ）时，才能使Ｑ＝１，Ｖ０＝１，所以称TR为低电平触发端。 ５Ｇ５５５定时器为双极型定时器，其特点为：电源电压范围较宽，可在４。５～１８ Ｖ内正常工作；其输出电平能与ＴＴＬ、ＣＭＯＳ电路兼容，且驱动电流大，灌、拉电流可 达２００ｍＡ。 7.2 施密特触发器 施密特触发器又称为电平触发的双稳态触发器，其逻辑符号及电压传输特性如图７。２ 所示。其中图７。２（ａ）为不带反相器的施密特触发器，而图７。２（ｂ）是带反相器的 施密特触发器。 Vi Vo Vi Vo 0 VOL VT- VT+ 0 VOH VOL VT- VT+图7.2 施密特触发器逻辑符号 及电压传输特性 用555定时器构成的 施密特触发器 由施密特触发器的电压传输特性可以看出，它具有如下特点： （１） 有两个稳定状态。一个稳态输出为高电平ＶＯＨ，另一个稳态输出为低电平Ｖ ＯＬ。但是这两个稳态要靠输入信号电平来维持。 （２） 具有滞回电压传输特性。当输入信号高于ＶＴ＋时，电路处于一个稳定状态， ＶＴ＋称作上触发电平或正向阈值电压；当输入信号低于ＶＴ－时，电路处于 另一稳定状态，ＶＴ－称作下触发电平或负向阈值电压；而当输入信号处于两 触发电平之间时，其输出保持原状态不变。 施密特触发器可由多种 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 构成，下面介绍由５５５定时器构成的施密特触发器和集成 施密特触发器 7.2.1 用５５５定时器构成施密特触发器 1. 电路组成 只要把５Ｇ５５５的ＴＨ端（引脚２）连在一起作为信号输入端，即可构成篱密特 触发器，如图７。３（ａ）所示。 8 4 6 2 1 5 35G555 Vi Vcc Vo Vi Vo 2/3Vcc 1/3Vcc 0 0 图7.3 0.01uF １．工作原理 设输入信号如图７。３（ｂ）所示。 首先分析输入电压Ｖｉ由０逐渐升高的工作过程： 当Ｖｉ＜１／３ＶＣＣ时，ＵＣ１＝１，ＵＣ２＝０，故ＶＯ＝ＶＯＨ。 当１／３ＶＣＣ＜Ｖｉ＜２／３ＶＣＣ时，ＵＣ１＝ＵＣ２＝１，故＝ＶＯＨ不变。 当Ｖｉ＞２／３ＶＣＣ以后，ＵＣ１＝０，ＵＣ２＝１，故ＶＯ＝ＶＯＬ。 其次分析输入电压Ｖｉ从高于２／３ＶＣＣ开始下降的工作过程： 当１／３ＶＣＣ＜Ｖｉ＜２／３ＶＣＣ，ＵＣ１＝ＵＣ２＝１，故ＶＯ＝ＶＯＬ不变。 当Ｖｉ＜１／３ＶＣＣ以后，ＵＣ１＝１，ＵＣ２＝０，故ＶＯ＝ＶＯＨ。 根据以上分析，可以画出输入、输出波形，如图７。３（ｂ）所示。由此可得该施 密特触发器的ＶＴ＋＝２／３ＶＣＣ，ＶＴ－＝１／３ＶＣＣ，回差电压为： ΔＶＴ＝ＶＴ＋－ＶＴ－＝１／３ＶＣＣ 如果在定时器的控制电压输入端（ＣＯ端，引脚５），外接直流电压ＶＣＯ，则电路 的ＶＴ＋＝ＶＣＯ、ＶＴ－＝１／２ＶＣＯ，回差电压ΔＶＴ＝１／２ＶＣＯ，可见改变ＶＣＯ 数值，就能调节电路的回差电压。 如果在放电端（Ｄ端，引脚７）经一电阻接到另一个电源ＶＣＣ＇，则该端输出 电压ＶＯ＇的波形与ＶＯ相同，但ＶＯ＇的幅度可随ＶＣＣ＇而变，因此可作电平转换。 并有较大的驱动能力。 7.2.2 集成施密特触发器 集成施密特触发器产品的种类较多，属 TTL 电路的有 7413、7414、74132 等，属 CMOS 电路的有 CC40106、CC4583 等。 TTL 集成施密特触发器的上触发电平大约在 1.7V 左右，下触发电平V 大约在 0.8V 左 右，其回差电压大约在 0.9 V 左右。 _T CMOS 集成施密特触发器具有 CMOS 电路电压范围宽的特点，所以工作在不同的电源电 压情况下，所得V 、V 和 皆有一定的分散性。例如，CC40106 当电源电压V =15V 时，V ＝6.8V∼ 10.8V, V =4 7.4V, =1.6 5V。当V ＝5V 时，V ＝2.2∼ 3.6, =0.9∼ 2.8V, =0.3 1.6V。 T + ∆ _T T TV∆ _ ∼ ∼ CC T + T TV∆ ∼ CC T + _TV V 7.2.3 施密特触发器的应用 施密特触发器的主要应用是把缓慢变化的不规则信号变成良好的矩形波。 １．波形变换 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿化缓慢的周期性信号 变换为同频率的矩形脉冲。图７。４是把规则的正弦波变换成矩形波的例子。 V i V o t t0 0 V i V o 图 7.4 用施密特触发器实现波形变换 TV − TV + iV ２．脉冲整形 若输入信号是一个顶部和前后沿受干扰而发生畸变的不规则波形，我们可以适当调节施 密特触发器的回差电压，得到整齐的矩形脉冲，如图７。５所示。需要注意的是，将施 密特触发器作整形运用时，应当适当提高回差电压，才能收到较好的整形效果。如果回 差电压较小，例如ΔＶＴ小于顶部干扰信号的幅度，不但整形效果较差，而且可能产生 错误输出。但回差电压过大，又会降低触发灵敏度，所以应当根据具体情况灵活运用。 VO Vi t VT+ VT- 0VO 0 t图7.5 用施密特触发器实现脉冲整形 ３．幅度鉴别 当施密特触发器的输入信号是一串幅度不等的脉冲时，可以通过高速电路的ＶＴ＋和ＶＴ －，使只有当输入信号中幅度超过ＶＴ＋的脉冲才能使施密特触发器翻转，从而得到所需 要的矩形脉冲。即将输入信号中幅度超过ＶＴ＋的脉冲选出，幅度较小的脉冲消除，所以 具有幅度鉴别能力。图７。６是用施密特触发器实现幅度鉴别的例子。 Vi VO Vi VT+ VT- 0 t VO 0 t 图7.6 用施密特触发器实现幅度鉴别 此外，用施密特触发器还能构成单稳态触发器和多谐振荡器具体内容在下面两节中介 绍。 7.3 单稳态触发器 单稳态触发器的特点是：电路有两个工作状态――一个稳态，一个暂。在没有外界触发 信号作用时，电路牌稳态，并且能一直保持下去。在外界信号作用下，电路由稳态转换为暂 稳态。暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。。暂 稳态的持续时间，就是电路输出脉冲的宽度，它仅取决于电路本身的参数，而与触发脉冲无 关。 单稳态触发器常用于脉冲的整形、定时和延迟 。 7.3.1 用 555 定时器构成单稳态触发器 1.电路组成 用 5G555 定时器构成的痴，如图 7.7 所示。输入负触发脉冲加在低电平触发端（TR 端， 引脚 2）。R、C 是外接的定时元件。该电路用输入脉冲的下降沿触发。 OUT V0R 1 & & G3 Q Q G2 G1C1 C2 UC1 UC2 TD VCC 48 5 6 2 7 1 5KΩ 5KΩ Ω CO 0.01uF TH TR D UR2 UR1 + - + - ∞ ∞ 图7.7 由555定时器构成的单稳态触发器 5K Vi R 3 VC C 2.工作原理 （1）稳态 未加入负触发脉冲时，Vi 为高电平（大于 1/3Vcc）则 UC2=1,下面讨论 TH 端的电平。 不妨假设接通电源后定时器的输出 Vo＝VOH,若 Vo＝VOH,则门 G3 的输入必然为低电平，放电 管 DT 必然截止，D 端对外如同开路。这样，VCC通过 R 对电容 C 充电，使V 点电位升高当 V C C≥2/3VCC时，将使比较器C 的输出U 为低电平，即 U1 1C C1＝0，使Q＝1，V ＝VO OL。Q＝ 1 将使放电管 TD，电容 C 通过 TD迅速放电，使 VC回到低电平上，这时 UC1＝UC2＝1，RS 锁存器保持 0 状态不变，因而输出V 也保持 VO O＝VOL的稳定状态。 （2）暂稳态 当输入负触发脉冲的下降沿列达时，首选使比较器 C2 的输出 UC2＝0，由于触发器 UC1 ＝1，则 RS 锁存被放置 1，即 Q＝1，Q＝0，输出 由V 跳变为 VOV OL OH ，电路进入暂稳态。 在暂稳态期间，由于Q＝0，TD截止，VCC经过 R 向 C 充电。当 C 充电到V 略高于 2/3V 时，使 U C CC OL C1＝0。（要注意的是：输入负向触发脉冲必须是窄脉冲，在 C 充电到 2/3V 之前， 输入要提前回到高电平，使 U CC OC2＝1）。这样，RS 锁存器被放置 0，输出 Vo 又返回到V ＝V 的起始状态。同时，由于Q＝1，TD 导通，C 经过 TD 放电，直到 VC≈0，电路恢复到原来 的稳态。电路和工作波形如图 7.8 所示。 0 2/3VCC 0 0 Vi t VC t VO t tw tw 图7.8 由555定时器构成的单稳态 触发器的工作波形 输出脉冲宽度估算 输出脉冲宽度 tw 即为暂稳期的持续时间，它等于电容电压V 从 0 上升到 2/3VC CC所需 时间，故 ln ln 3 1.12 3 CC w CC CC VC RC R V V ≈ = − t R C= 上式说明，该电路输出脉冲宽度仅取决于外接定时元件 R 和 C 的数值，而与电源电压 无关。通常外接电阻 R 的取值范围为几百欧到几兆欧，外接电容 C 的取值范围为几百皮法 到几百微法，相应 tw 为几微秒到几分钟。精度可达 0.1%。这种单稳态触发器要求输入触 发负脉冲的宽度小于输出脉冲的宽度 tw，否则应在 Vi 和触发器输入端（TR端）之间加接 RC 微分电路。 7.3.2 用施密特触发器构成单稳态触发器 图 7.9（a）所示是用 CMOS 集成施密特触发器构成的单稳态触发器。图中，触发脉冲 经 RC 微分电路加到施密特触发器的输入端，在输入脉冲作用下，使得施密特触发器的输入 电压依次经过V 和V 两个转换电平，从而在输出端得到一定宽度的矩形脉冲。具体工作 过程如下： T + _T Vi Vi C R VR V0 0 0 0 VR VO VT+ (a) (b) VT- 图7.9 用施密特触发器构成的单稳态触发器 稳态时，输入 Vi=0,VR=0,输出 VO＝VOH。当幅度为 VDD 的正触发脉冲加到电路输入端 时，VR跳变到 VDD。由于 VDD＞V ，所以电路状态翻转，VT + O＝VOL，进入暂稳态。在稳态 期间，随着电容 C 的充电，VR按指数规律下降，当 VR下降到略低于V 时，电路状态再次_T 翻转，返回到原来的稳态，输出 VO＝VOH。 电路各点的波形如图 7.9（b）所示。输出脉冲的宽度 tw 取决于 RC 微分电路中电阻 R 上的电压 VR从初始值 VDD下降到V 所需的时间。根据简单 RC 电路过渡过程分析的三要 素法，可得： _T ( ) ( ) ( ) ( ) 0 ln lnR R DDw R R w V V Vt RC RC V V t V + − ∞ − = = ∞ − T 7.3.3 集成单稳态触发器 单稳态触发器应用很广泛因而被制成集成器件。集成单稳态触发器产品有多种，属于 TTL 系列的有 74121、74122、74123 等，属于 CMOS 系列的有 CC4528、CC4098 等。这些 器件使用时只需外接少量定时元件即可。集成单稳态触发器一般都具有上升沿触发输入端和 下降沿触发输入端，使用时可以任意选取，并有互补输出端 Q（输出正脉冲）和Q（输出 久脉冲），使用极为方便。 图 7.10（a）是 74121 集成单稳态触发器的电路原理图。G1、G2 构成触发输入电路 G3～ G5 构成窄脉冲形成电路，G6、G7 以及虚线框中所示的外接电阻、电容组成单稳态触发器， G8、G9 构成输出电路。 1A 、 2A 、B 是触发输入，Q、Q是互补输出。 图 7.10（b）是 74121 的逻辑符号。 G9 Vcc A1 A2 B Q (a) 逻辑电路 5 3 4 6 1 Q& & > 1 & & > 1 1 1 1 G2 G5 G7 G8 Cext R RxexRext Rint G6 G3 G4 9 11 14 10 B A1 A2 Rext Cext Rxex Q 图7.10 74121集成单稳态 触发器 6 1 Q > 1 RI CX RX/CX & 1 (b) 逻辑符号 3 4 5 9 10 11 符号中打×的输入（管脚 9,10,11）表示“非逻辑连接”，用以表示没有任何逻辑信息的 连接，如外接电阻、电容或基准电压等。符号中的限定符 “1 ”非重复触发单稳“，单稳一旦被触发后，不管在此期间触发器输入有什么变化，输出 脉宽不变。若符 ” ”则表示“可重复触发单稳”。单稳被触发后，如果尚未回到稳态又 有触发信号输入，则输出固定脉宽要从最后一次触发输入算起。CC4098 就是可重复触发单 稳态触发器。 74121 的 1A 和 2A 为两个下降沿触发输入端，B 为上升沿触发输入端。74121 稳态时处 于 Q=0 和Q =1 的状态，一旦被触发，Q 端和Q端能分别输出一正脉冲和一个负脉冲。74121 功能表如表 7.2 所示。表的左侧是单稳不受触发（稳态）的情况，右侧是受触发的情况。 表 7.2 7412１功能表 A 1 A 2 B Q Q A 1 A 2 B Q Q 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 74121 电路内部有一个电阻 Rint，约 2K 左右。如果 Rint 作定时电阻，则只需外接定时电容 Cext 即可，电路连接如图 7.11（a）所示。通常的皎洁是外接电阻 Rext和电容 Cext作定时元 件，如图 7.11(b)所示。这时 Q 和Q端输出脉冲宽度 tw 可由下式确定： tw≈0.7RextCext > 1 RI CX RX/CX & 1 Q Q Vcc Cext - + (a) 利用内部Rint的连接图 3 4 5 9 10 11 1 6 > 1 RI CX RX/CX & 1 Cext - + Rext Vcc Q Q 图7.11 (b) 外接R,C的连接图 3 4 5 9 10 11 1 6 7.3.4 单稳态触发器的应用 单稳态触发器的应用很广，下面举几例说明其主要用途。 1.脉冲的整形 把不规则的脉冲波形输入到单稳态触发器，只要能使单稳态触发器工作状态翻转，输出 就成为具有一定宽度和一定幅度，而且边沿陡峭的矩形脉冲，从而起到脉冲整形作用。 图 7.12 为利用 74121 构成的脉冲整形电路及工作波形，调节 Rext 和 Cext,可改变输出脉 冲的宽度。 > 1 RI CX RX/CX & 1 Vi Cext Rext Vcc - + V0 0 0 Vi 图7.12 用单稳态触发器实 现脉冲整形 (a) (b) 3 4 5 9 10 11 6 1 74121 Q Q 2.脉冲的延时 在某些数字系统中，有时需要在一个脉冲信号到达后，延迟一段时间后再产生一个滞后 的脉冲信号以控制两个相继进行的操作。图 7.13（a）为两个单稳态触发器组成的脉冲延时 电路，图 7.13（b）为其工作波形。由工作波形可以看出，输出脉冲 Vo 滞后于输入脉冲 Vi 一段时间。延迟时间 td 恰好为由 74121(1)的 和1C 1R 所决定的暂稳时间 t ，且V 的脉冲宽 度 t 可由 74121（2）的 和 1w O 2W 2C 2R 来调节。由于延时电路的延迟时间是从 Vi 的上升沿算起。 故 Vi 应接在 74121（1）的 B 触发端。由于 74121（1）Q 端信号触发 74121（2），故应将 Q1 接在 74121（2）的下降沿触发端。 Vcc >1 1 74121 (1) RI CX RX/CXR1 C1 +-11 10 9 5 4 3 1 Q- 6 Q1 & Vi >1 1 74121 (2) RI CX RX/CXR2 C2 +-11 10 9 5 4 3 1 Q- 6 Q2 & Vcc Vo Vi Q1 td tw1 tw1 tw2 t t t 0 0 0 Vo (b) 图7.13 用74121构成脉冲延时电路 3．脉冲的定时 由于单稳态触发器能输出一定宽度的矩形脉冲，如果利用此脉冲去控制某一电路，使之 在有脉冲期间动作，这就起到了定时作用。图 7.14（a）所示为一测量电路示意图。利用单 稳态触发器产生的脉冲宽度为 tw 的正矩形脉冲来控制一个与门，与门的另一输入端加有待 测高频信号 VA，由于只有在这个矩形脉冲存在的时间 tw 内，信号 VA 才能通过与门。如 果调节 tw＝1s，则输出 Vo 脉冲的个数便是 VA的频率。 >1 1 74121RI CX RX/CX R C + - 11 10 9 5 4 3 1 Q- 6 Q &Vi 1 Vcc VB VA Vo & tw t t t 0 0 0 Vo t iV BV AV 7.4 多谐振荡器 在数字系统中，经常有到矩形脉冲作为时钟信号来控制和协调整个系统的工作，能自行 产生具有一定频率和一定脉宽的矩形波发生器。由于矩形波中包含有丰富的高级谐波，所以 又称为多谐振荡器，和单稳态触发器或施密特触发器不同，多谐振振荡器没有稳定状态，只 有两个暂稳态，两暂稳态之间的相互转换都不需要外加触发信号，而是靠电路本身；来完成 的。 7．4．1 用 555 定时器构成多谐振荡器 1.电路组成 用 5 G555 定时器构成的多谐振荡器如图 7.15 所示.图中 R1,R2 和 C 为外接定时元件. R2 R1 OUT V01 & & G3 Q Q G2 G1C1 C2 UC1 UC2 TD VCC 48 5 6 2 7 1 5KΩ 5KΩ Ω CO 0.01uF TH TR C D UR2 UR1 + - + - ∞ ∞ 图7.15 用555定时器构 成的多谐振荡器 5K 2.工作原理 在电路没加电源电压之前,定时电容 C 上的电压 Vc=0.下面讨论电路接通电源后的情况. 在电路刚接通电源的瞬间,由于电容两端电压不能突变,故 Vc 仍保持为 0,这时两比较器 的输出分别为 Uc1=1,Uc2=0,则Q =0,放电管 Td 截止,电路输出 Vo=Q=1,继而,电源 Vcc 经电阻 R1 和 R2 向电容 C 充电,电容上电压 Vc 按指数规律上升,当 Vc 上升到略大于 2/3Vcc 时,比较 器 C1 和 C2 的输出分别为 Uc1=0,Uc2=1,Rs 锁存器的状态翻转为 Q =0,Q =1,放电管 Td 导通,电 路输出 Vo 由 1 转换为 0. 放电管 Td 导通以后,电容 C 经电阻 R2 和放电管 Td放电,Vc 由 2/3Vcc开始呈指数规律下 降,当 Vc 下降到略低于 1/3Vcc时,比较器 C1 和 C2的输出分别为 Uc1=1,Uc2=0,RS 锁存器的状 态又翻转为 Q=1, Q =0,Vo=1,Td 截止.随后,Vcc又重新对 C 进行充电,如此周而复始形成振荡, 从而在输出端可以得到周期性矩形脉冲,其稳定后的工作波形如图 7.16 所示. T 1T 2T VO VC VCC VCC 0 0 图7.16 由555构成的多谐振荡器的工 作波形 3.振荡周期估算 由图 7.16 所示的波形可知,电路的振荡周期为: T=T1+T2 式中的 T1 为电容的电压 Vc 从 1/3Vcc 上升到 2/3Vcc 所需时间 ,充电时间常数 =(R1+R2)C 故: 1τ ( ) ( )1 1 2 1 2 1 3ln ln 22 3 CC CC CC CC V V T R R C R R C V V − = + = + − T2 为从 2/3Vcc 下降到 1/3Vcc所需时间,放电时间常数 =R2τ 2C,故: 2 2 2 20 3ln ln 210 3 CC CC V T R C R C V − = = − 因此，T T T 正脉宽 T( ) (1 2 1 2 1 22 ln 2 0.7 2R R R R C= + = + ≈ + ) 1 与周期 T 之比称作占 空比，有 q 表示，则： 1 1 2 1 2 T R Rq T R R + = = + 2 2 555 定时器中用两个运算放大器作为电压比较器,灵敏度非常高,因此用这种器件构成的 多谐振荡器频率较稳定,受电源电压及环境温度的影响很小,图7.15所示电路的缺点是占空比 的调节不灵活. 4.改进电路 在图 7.15 所示电路的基础上增加一个可调电位器 WR ,再用 , 两个二极管把充电回 路和放电回路完全分开,如图 7.17 所示,就构成了占空比可调的多谐振荡器,调节电位器 1D 2D WR , 就可改变输出矩形波的占空比. R2 OUT 1 & & G3 Q Q G2 G1 C1 C2 UC1 UC2 TD VCC 48 5 6 2 7 1 5KΩ 5KΩ Ω5K CO 0.01uF TH TR D UR2 UR1 + - + - ∞ ∞ RW D1 D2 图7.17 多谐振荡器改进电路 如果把 WR 分成两部分,把靠近 R1 一侧的部分归并到 R1,靠近 R2 一侧的部分归并到 R2, 那其充电回路是 Vcc经 R1,D1 对电容 C 充电,充电时间常数 =1τ 1R ·C;放电回路是电容通过 D2、 R2 和放电管 Td 放电,放电时间常数是 =R2τ 2·C;因此: T1≈0.7R1·C T2≈0.7R2·C 1 1 1 2 1 T Rq T T R R = = + + 2 由上式可知若 R1≥R2,T1≥T2,反之 T1≤T2。 7.4.2 用施密特触发器构成多谐振振荡器 1.电路组成和工作原理 图 7.18(a)所示电路是用施密特触发器构成的多谐振荡器 .它是将施密特触发器的反相 输出端经 RC 积分电路回到输入端构成的. 接通电源的瞬间,由于电容 C 的初始电压为零,即施密特触发器的输入电压V 为低电平, 故电路 输出 V i o 为高电平,电路进入第一个暂稳态,在此期间,输出高电平经电阻 R 向电容 C 充电，使 Vi 以指数规律增加。当电容 C 上的电压增加到略大于施密特触发器的上触发电平 VT+时，施密特触发器输出从高电平跳变到高电平，电路从第二暂稳态又返回到第一暂稳态。 电路如此周而复始地改变状态，产生自激振荡。电路的工作波形如图 7.18（b）所示。 V0 R Vc Vi C (a) VT- VT+ t0 (b) 图7.18用施密特触发器构成的多谐振荡器 Vi V0 0 t T1 T2 2.振荡周期估算 若使用的是 CMOS 施密特触发器，而且 VOH≈VDD,VOL≈0,则由图 7。18（b）所示波形 可得电路的振荡周期为： 1 2 0ln ln ln 0 DD T T DD T T DD T T DD T T V V V V V VT T T RC RC RC V V V V V V − + − + − +   − − − = + = + =   − − − i + − 7.4.3 石英晶体多谐振荡器 前面介绍的多谐振荡器具有工作可靠，电路简单，调节方便等优点。但缺点是振荡频率 不能太高，一般不超过几百 kHz，另外，由于这些电路的振荡频率取决于时间常数 RC、转 换电平及电源电压等参数。所以，当受环境温度变化、电源电压波动等外界条件影响时，决 定振荡频率的参数的变化，将导致振荡频率的不稳定。所以，在频率要求高、对频率要求十 分稳定的场合，常采用石英晶体多谐振荡器。 图 7.19 所示是石英晶体的符号和阻抗频率特性。由图可以看出，石英晶体对频率特别 敏感，在石英晶体两端加不同频率的信号时，石英晶体呈不同的阻抗特性和不同的阻抗值。 当信号频率为 fo 时，石英晶体呈纯电阻特性，且阻抗值最小（接近于 0）；当信号频率大于 或小于 fo 时石英晶体分别呈电感性和电容性，且阻抗值随偏离 fo 的距离的增加而迅速增大。 fo 称为石英晶体的固有频率或谐振频率，它只与石英晶体的切割方向、外形和尺寸有关，不 受外围电路参数的影响。石英晶体的固有频率的稳定度可达 10＿7，足以满足数字系统对脉 冲频率稳定度的要求。 图7.19石英晶体的符号和阻抗频率特性 0 f x 电 感 性 电 容 性 电 容 性 f0 1 1 G1 G2 Rr V0 f0 C1 C2 图7.20 CMOS石英晶体多谐振荡器 图 7.20 所示电路是用 CMOS 反相器和石英晶体构成的多谐振荡器。图中反相器 G1 用 于产生振荡；Rf是反馈电阻（约为 10～100MΩ），其作用是为 G1 提供适当的偏置，使之工 作在放大区，以增强电路的稳定性和改善振荡器的输出波形；振荡器的振荡频率取决于石英 晶体的固有频率 Fo；C1 是温度特性校正电容（一般取 20～40pF）；C2 是频率微调电容（调 节范围一般为 5～35pF）。反相器 G2 的作用是对输出信号整形和缓冲，以便得到较为理想的 矩形波和增加电路的驱动能力。 石英晶体多谐振荡器的突出优点是有极高的频率稳定度，多用于要求高精度时基的数字 系统中。