第7章脈沖波形的變換與產(chǎn)生7.1概述7.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7.3施密特觸發(fā)器7.4多諧振蕩器7.5555定時器及其應(yīng)用7.1概述在數(shù)字系統(tǒng)中，常常要用到各種脈沖波形，例如計數(shù)器的輸入時鐘脈沖、控制過程中的定時信號等。這些脈沖波形的獲取通常有兩種方法:一種是采用脈沖產(chǎn)生電路直接得到，典型電路如多諧振蕩器;另一種是通過脈沖變換電路對已有的波形進(jìn)行整形和變換，獲得符合要求的時鐘脈沖，典型電路如施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是用途不同的兩種脈沖變換電路。施密特觸發(fā)器主要用以將變化緩慢的非矩形脈沖變換成邊沿陡峭的矩形脈沖;而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器主要用以將寬度不符合要求的脈沖變換成寬度符合要求的脈沖信號。在脈沖產(chǎn)生與變換電路中，常采用555集成定時器，只需在其外部配接少量電阻、電容等即可方便地構(gòu)成多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等。下一頁

返回7.1概述

脈沖信號的波形繁多，為表征脈沖波形的特性，這里以實際電壓矩形脈沖為例，描述脈沖波形的主要參數(shù)，如圖7.1.1所示。(1)脈沖幅度Um:脈沖波形變化的最大值。(2)脈沖上升時間tr:脈沖波形從0.1Um上升到0.9Um所需要的時間。(3)脈沖下降時間tf:脈沖波形從0.9Um下降到0.1所需要的時間。(4)脈沖寬度tw:脈沖波形從上升沿0.5Um到下降沿0.5Um所需要的時間。(5)脈沖周期T:兩個相鄰脈沖波形中，同一對應(yīng)點之間所需要的時間。若以f表示脈沖頻率，則有f=1/T。上一頁

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返回7.1概述(6)占空比σ:脈沖寬度tw與脈沖周期T之比。它是表征脈沖波形疏密的參數(shù)。上一頁

返回7.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種常見的脈沖變換電路，它只有一個穩(wěn)定狀態(tài)，還有一個暫穩(wěn)態(tài)。它的工作特點是:(1)電路沒有外加觸發(fā)脈沖時，電路保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)在外加觸發(fā)信號作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。但暫穩(wěn)態(tài)不能長久保持，經(jīng)過一段時間后，將自動返回穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)電路在暫穩(wěn)態(tài)保持的時間長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)信號無關(guān)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的這些特性被廣泛地應(yīng)用于脈沖的整形、延時和定時等。7.2.1用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器下一頁

返回7.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.電路組成及工作原理如圖7.2.1所示為由CMOS門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，因其阻容元件R,C構(gòu)成微分電路形式，故稱為微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。對于CMOS門電路，將其特性理想化，可設(shè)定輸出的低電平UOL≈0V,輸出的高電平UOH≈VDD，非門的闌值電壓UTH≈

VDD/2。下面分析單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理。(1)沒有觸發(fā)信號時，電路處于一種穩(wěn)定狀態(tài)。通電后，當(dāng)電路無外加觸發(fā)信號輸入時，設(shè)ui為低電平，由于G2輸入通過電阻R接VDD，輸出uO=0V。上一頁

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返回7.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器此時或非門G1的兩個輸入端全為0，其輸出uO1≈VDD。這時電容C上的電壓uC=0V，幾乎沒有電荷存儲，電容相當(dāng)于開路，電路處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)。只要沒有正脈沖觸發(fā)，電路就一直保持這一穩(wěn)定狀態(tài)不變。(2)外加觸發(fā)信號，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。如果在輸入端ui外加一個大于闌值電壓UTH正觸發(fā)脈沖，G1的輸出電壓uO1迅速由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑捎陔娙軨兩端的電壓不能突變，G2的輸入電壓ui2也隨之跳變?yōu)榈碗娖?，G2截止，輸出電壓uO跳變?yōu)楦唠娖健Ｍ瑫ruO反饋到G1的輸入端，此后即使ui的觸發(fā)信號消失，仍可維持G1低電平輸出。由于電路的這種狀態(tài)是不能長久保持的，故將此狀態(tài)稱為暫穩(wěn)態(tài)。上一頁

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返回7.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(3)電容器C充電，電路自動從暫穩(wěn)態(tài)返回穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)期間，由于uO1≈0V，電源VDD經(jīng)電阻R和G1門內(nèi)部導(dǎo)通的工作管對電容C充電，此時電容器上的電壓uC=ui2按指數(shù)規(guī)律升高，經(jīng)過tw時間后，ui2上升到非門G2的闌值電壓UTH,G2導(dǎo)通，輸出電壓uO跳變?yōu)榈碗娖剑瑫悍€(wěn)態(tài)結(jié)束。此后電容C通過電阻R和G2門的輸入保護(hù)回路放電，因G2門內(nèi)部的輸入保護(hù)二極管導(dǎo)通，放電速度很快，使電容C上的電壓很快恢復(fù)到初始狀態(tài)時的0V，電路從暫穩(wěn)態(tài)返回到穩(wěn)態(tài)。上述工作過程中單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器各點電壓的工作波形如圖7.2.2所示。上一頁

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返回7.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2.輸出脈沖寬度tw的計算由波形圖可知，RC充電過程決定了暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時間。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度實際上就是ui2從0V上升到闌值電壓UTH所需的時間。根據(jù)RC電路過渡過程的公式為:推導(dǎo)出RC電路過渡過程的時間間隔公式為:上一頁

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返回7.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3.CMOS微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器改進(jìn)電路在圖7.2.1電路中，輸入觸發(fā)脈沖ui的寬度tw1應(yīng)小于輸出脈沖的寬度tw即2tod<tw1<tw其中tod為CMOS門電路的傳輸延遲時間，否則電路不能正常工作。而在實際應(yīng)用中往往無法避免輸入的觸發(fā)脈沖寬度過大的情況，可在單穩(wěn)志觸發(fā)器輸入端加一個RC微分電路加以解決，如圖7.2.3所示。二、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖7.2.4所示為由CMOS門電路構(gòu)成的積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，圖中阻容元件R,C構(gòu)成積分電路形式ui=1時uO=0，電路處于穩(wěn)態(tài)。ui負(fù)跳變到0時，由于電容電壓不能突變，ui2仍為0，uO變?yōu)?，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。此后由于電容C放電使ui2逐漸升高，直到ui2=UTH=VDD/2使輸出電壓uO變?yōu)?，電路恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。上一頁

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返回7.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由分析可知，電路正常工作時觸發(fā)脈沖寬度應(yīng)大于輸出脈沖寬度。7.2.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用邏輯門組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雖然電路結(jié)構(gòu)簡單，但它存在觸發(fā)方式單一、輸出脈寬穩(wěn)定性差、調(diào)節(jié)范圍小等缺點。而集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)方式靈活，既可用輸入脈沖的正跳變觸發(fā)，又可用負(fù)跳變觸發(fā)，使用十分方便，且工作穩(wěn)定性好，因此得到廣泛應(yīng)用。常用的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有TTL和CMOS兩大系列產(chǎn)品，如CT74LS122、CT74LS121、74HC123、MC14098等。根據(jù)電路工作特性不同，集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)兩種，其邏輯符號如圖7.2.5(a),(b)所示。上一頁

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返回7.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器采用可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可方便的得到持續(xù)時間更長的輸出脈沖寬度。一、不可重復(fù)觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CT74LS121CT74LS121是一種典型的TTL型不可重復(fù)觸發(fā)的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其邏輯符號和引腳排列圖如圖7.2.7所示。圖中外引線上的“×”號表示非邏輯連接，常接外接電阻、電容和基準(zhǔn)電壓等;1A與2A端為下降沿觸發(fā)輸入端，B端為上升沿觸發(fā)輸入端。CT74LS121的功能表如表7.2.1所示。由功能表可知，在下述情況下，電路有正脈沖輸出:(1)當(dāng)1A,2A兩個輸入端中有1個或2個為低電平，B產(chǎn)生由0到1的正跳變時。上一頁

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返回7.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(2)當(dāng)B=1，1A,2A中有1個為高電平，另1個產(chǎn)生由1到0的負(fù)跳變;或者，當(dāng)B=1，1A,2A同時產(chǎn)生由1到。的負(fù)跳變時。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CT74LS121的輸出脈沖寬度tw:tw=0.7RextCext在輸出脈沖寬度不大時，可利用CT74LS121的內(nèi)部電阻Rint=2k歐姆取代Rext使用時將Rint端接電源VCC，不要將Rint端開路。根據(jù)CT74LS121的功能表，可畫出圖7.2.8所示的工作波形。二、可重復(fù)觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CC74HC123CC74HC123為CMOS系列的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，由兩個獨立可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成，其邏輯符號和引腳排列圖如圖7.2.9所示，其使用方法與CT74LS121相似。上一頁

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返回7.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CC74HC123的功能表如表7.2.2所示。由功能表可知，在下述情況下，電路有正脈沖輸出:(1)當(dāng)A=0時，和B中有1個為高電平，另1個產(chǎn)生由。到1的正跳變。(2)當(dāng)=B=1時，A產(chǎn)生由1到0的負(fù)跳變。根據(jù)CC74HC123的功能表，可畫出圖7.2.10所示的工作波形。從圖7.2.10可以看出，進(jìn)行一次觸發(fā)時，輸出脈沖寬度為tw;如電路觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)后再進(jìn)行觸發(fā)時，這時，輸出脈沖寬度為;如在暫穩(wěn)態(tài)期間在端上輸入低電平，則電路暫穩(wěn)態(tài)立刻終止。上一頁

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返回7.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7.3.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用很廣，主要用于脈沖整形、脈沖展寬、脈沖延時、脈沖定時等。一、脈沖展寬當(dāng)脈沖寬度較窄時，可用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行脈沖展寬，將其加在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端，合理選擇Rext和Cext的值，則在輸出端即可獲得較寬的脈沖波形。二、脈沖延時用兩片CT74L5121組成的脈沖延時電路和工作波形分別如圖7.2.1(a),(b)所示，從波形圖可以看出，uo脈沖的上升沿相對輸入信號ui的上升沿延遲了tw1時間。上一頁

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返回7.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器三、脈沖定時在圖7.2.12所示電路中，只有在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度的tw時間內(nèi)uA信號才通過與門，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的RC取值不同，與門開啟的時間就不同，通過與門的脈沖個數(shù)也就隨之而改變，達(dá)到定時的目的。除此以外，還可利用可重復(fù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)特點，作為失脈沖檢測電路，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療儀器中監(jiān)視病人的心跳，在電力系統(tǒng)中監(jiān)控發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速等。上一頁

返回7.3施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器在電子電路中常用來完成波形變換、幅度鑒別等工作，能夠?qū)⑦呇刈兓徛拿}沖信號波形變換為邊沿陡峭的矩形波。電路具有以下兩個工作特點:(1)觸發(fā)方式為電平觸發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)電路。對于緩慢變化的信號仍然適用，當(dāng)輸入電壓達(dá)到某一定值時，輸出電壓會發(fā)生突變，輸出電壓波形的邊沿很陡峭。(2)電路具有回差電壓的傳輸特性。在輸入信號正向或負(fù)向變化時，分別有不同的閥值電壓，即正向閥值電壓UT+和負(fù)向閥值電壓UT-。7.3.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器一、電路結(jié)構(gòu)下一頁

返回7.3施密特觸發(fā)器圖7.3.1所示為由G1和G2兩個CMOS反相器組成的施密特觸發(fā)器。分壓電R1、R2將輸出電壓反饋到G1門輸入端，工作時設(shè)反相器的闌值電壓UTH≈VDD/2,R1<R2。根據(jù)輸入相位和輸出相位關(guān)系的不同，施密特觸發(fā)器有同相輸出和反相輸出兩種電路形式，其邏輯符號分別如圖7.3.2(a),(b)所示。二、工作原理由電路圖可知，G1門的輸入電平ui1決定著電路的輸出狀態(tài)。因為G1門的i12=0，根據(jù)疊加原理有:設(shè)輸入信號ui為三角波，如圖7.3.3所示。上一頁

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返回7.3施密特觸發(fā)器(1)初始狀態(tài)。當(dāng)輸入電壓ui=0V時，ui1≈0V,G1門截止，uo1=UOH≈VDD,G2門導(dǎo)通，uo=UOL≈0V。(2)輸入信號上升，電路第一次翻轉(zhuǎn)。當(dāng)輸入電壓ui從0逐漸開始上升，ui1也隨之開始增大，只要ui1<UTH，電路保持uo≈0V不變。當(dāng)輸入電壓上升到使ui1=UTH時，G1門進(jìn)入其電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，因為正反饋的作用使電路的狀態(tài)在極短的時間內(nèi)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出電壓很快從低電平跳變?yōu)楦唠娖剑瑄o=VDD

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返回7.3施密特觸發(fā)器輸入電壓ui上升過程中，使電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)所對應(yīng)的輸入電壓稱為正向閥值電壓，用UT+表示。此后，如果輸入電壓ui繼續(xù)上升，由于ui1>UTH，輸出狀態(tài)維持不變。(3)輸入信號下降，電路第二次翻轉(zhuǎn)。當(dāng)輸入電壓ui從高電平逐漸開始下降，ui1也隨之開始下降，只要ui1>UTH，電路uo≈VDD保持不變。上一頁

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返回7.3施密特觸發(fā)器當(dāng)輸入電壓下降到使ui1=UTH時，因為正反饋的作用使電路的狀態(tài)在極短的時間內(nèi)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出電壓很快從高電平跳變?yōu)榈碗娖?，uo=0V。輸入電壓ui下降過程中，使電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)所對應(yīng)的輸入電壓稱為負(fù)向闌值電壓，用UT-表示。此后，如果輸入電壓ui繼續(xù)下降，由于ui1<UTH,輸出狀態(tài)維持不變。上一頁

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返回7.3施密特觸發(fā)器由上分析可知，施密特觸發(fā)器輸出狀態(tài)完全取決于輸入電壓的大小，當(dāng)輸入電壓ui上升到UT+或下降到UT-時，施密特觸發(fā)器的狀態(tài)才會迅速翻轉(zhuǎn)，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。三、工作波形及電壓傳輸特性根據(jù)以上分析，可畫出對應(yīng)的工作波形和電壓傳輸特性如圖7.3.3所示。從圖7.3.3(a)中可知:以uo端作為電路的輸出，電路為同相輸出施密特觸發(fā)器;如果以uo1作為電路的輸出，電路為反相輸出施密特觸發(fā)器;它們的電壓傳輸特性曲線分別如圖7.3.3(b)、(c)所示。施密特觸發(fā)器正向闌值電壓與負(fù)向闌值電壓之差，稱為回差電壓，用△UT表示。上一頁

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返回7.3施密特觸發(fā)器表明，電路的回差電壓與成正比，改變R1,R2的比值即可調(diào)節(jié)回差電壓的大小。7.2.2集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器性能穩(wěn)定，有較強的帶負(fù)載能力和抗干擾能力強，使用方便，故應(yīng)用十分廣泛。代表性產(chǎn)品如CMOS集成施密特觸發(fā)器CC40106(六反相器)、CC4093,TTL集成施密特觸發(fā)器如CT74LS13,CT74LS132,CT74LS14等。上一頁

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返回7.3施密特觸發(fā)器圖7.3.4所示為TTL集成施密特觸發(fā)器CT74LS132的邏輯符號和引腳排列圖，其內(nèi)部包括4個互相獨立的2輸入施密特觸發(fā)器，都是在基本施密特觸發(fā)電路的基礎(chǔ)上，在輸入端增加了與邏輯功能，在輸出端增加了反相器。因此稱為施密特觸發(fā)器與非門，其兩個輸入變量必須同時高于施密特觸發(fā)器的正向闌值電壓，輸出才是低電平。7.3.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用施密特觸發(fā)器的應(yīng)用較廣，下面介紹幾個典型應(yīng)用。一、波形變換施密特觸發(fā)器常用于將正弦波、三角波及變化緩慢的波形變換成矩形脈沖，可將需要變換的波形加到施密特觸發(fā)器的輸入端，其輸出端可變?yōu)橥l率的矩形波，如圖7.3.5所示。上一頁

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返回7.3施密特觸發(fā)器二、波形整形與抗干擾脈沖信號經(jīng)過傳輸后常常會因為傳輸線的電容、傳輸端與接收端的阻抗不匹配使其上升沿和下降沿都將明顯變壞，這種信號在傳輸過程中產(chǎn)生的畸變或干擾，可用施密特觸發(fā)器對波形進(jìn)行整形。如圖7.3.6所示。注意，應(yīng)合理選擇回差電壓的大小，方可達(dá)到良好的整形效果。三、幅度鑒別當(dāng)輸入為一串幅度不等的信號而要求去掉幅度較小的信號時，可用施密特觸發(fā)器進(jìn)行幅度鑒別。只有幅度大于施密特觸發(fā)器的正向闌值電壓UT+時，才能引起輸出翻轉(zhuǎn)，uo有相應(yīng)的脈沖輸出;而對于幅度小于UT+的脈沖，輸出不翻轉(zhuǎn)，uo就沒有相應(yīng)的脈沖輸出。從而達(dá)到幅度鑒別的目的，如圖7.3.7所示。上一頁

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返回7.3施密特觸發(fā)器四、構(gòu)成多諧振蕩器用施密特觸發(fā)反相器可構(gòu)成多諧振蕩器。具體電路見本章下一節(jié)內(nèi)容。上一頁

返回7.4多諧振蕩器多諧振蕩器是一種脈沖波形的產(chǎn)生電路，它無需外加觸發(fā)信號，在接通電源后，就能產(chǎn)生一定頻率和一定幅值矩形脈沖的自激振蕩器，常作為脈沖信號源。當(dāng)要求振蕩頻率很穩(wěn)定時，常采用石英晶體多諧振蕩器。因產(chǎn)生的矩形脈沖中含有豐富的高次諧波分量，故習(xí)慣稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器的特點是:(1)在工作過程中沒有穩(wěn)定的狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，所以又稱為無穩(wěn)態(tài)電路。(2)通過電容的充電和放電，使兩個暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，輸出周期性的矩形脈沖信號。下一頁

返回7.4多諧振蕩器7.4.1用門電路組成的多諧振蕩器一、不對稱式多諧振蕩器1.電路組成及工作原理由CMOS門電路和RC定時電路組成的不對稱式多諧振蕩器如圖7.4.1所示。由于G1和G2的外部電路不對稱，所以又稱為不對稱式多諧振蕩器。為了使電路產(chǎn)生振蕩，要求G1和G2都工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，即工作在放大區(qū)，ui1=ui2=UTH=VDD/2。其具體工作原理如下:(1)第一暫穩(wěn)態(tài)及電路自動翻轉(zhuǎn)過程上一頁

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返回7.4多諧振蕩器在接通電源后，由于G1和G2都工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，由于電源電壓變化和干擾等影響，假如使ui1有微小下降時，就會產(chǎn)生下列正反饋過程結(jié)果使G1迅速截止、G2迅速飽和，uo1迅速跳至高電平VDD,uo2迅速跳至低電平0V，即uo1=1,uo2=0，電路進(jìn)入第一暫穩(wěn)態(tài)。由于電容兩端的電壓不能突變，ui1也應(yīng)與uo2下跳同樣的幅度，ui1本應(yīng)降至UTH-VDD，但由于G1內(nèi)部下面保護(hù)二極管的鉗位作用，ui1實際僅上跳至-UD(on)=0V隨后，uo1的高電平經(jīng)RF、C和G2的輸出電阻(此時因?qū)ê苄?從左向右對電容C進(jìn)行充電，此時ui1=uc使ui1隨之按指數(shù)規(guī)律上升。上一頁

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返回7.4多諧振蕩器(2)第二暫穩(wěn)態(tài)及電路自動翻轉(zhuǎn)過程當(dāng)ui1上升到UTH時，會產(chǎn)生下列正反饋過程結(jié)果使G1迅速飽和、G2迅速截止，uo1迅速跳至低電平0V,uo2迅速跳至高電平VDD，即uo1=0,uo2=1，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)。由于電容兩端的電壓不能突變，ui1也應(yīng)與uo2上跳同樣的幅度，ui1本應(yīng)升至VDD+UTH，但由于G1內(nèi)部上面保護(hù)二極管的鉗位作用，ui1實際僅上跳至VDD+UD(on)=VDD。上一頁

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返回7.4多諧振蕩器隨后，uO2的高電平經(jīng)C,RF和G1的輸出電阻(此時因?qū)ê苄?從右向左對電容C進(jìn)行反向充電(即C放電)，此時ui1=VDD-uc,使ui1隨之按指數(shù)規(guī)律下降。(3)返回過程當(dāng)ui1下降到UTH時，G1迅速截止、G2迅速飽和，uo1=1,uo2=0，電路返回第一個暫穩(wěn)態(tài)。從分析不難看出，多諧振蕩器兩個暫穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)換過程是通過對電容C的充放電作用來實現(xiàn)的，電容的充、放電作用又集中體現(xiàn)在ui1的變化上。上述原理分析過程對應(yīng)的工作波形如圖7.4.2所示。上一頁

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返回7.4多諧振蕩器2.振蕩周期的計算多諧振蕩器的振蕩周期與兩個暫穩(wěn)態(tài)時間有關(guān)，兩個暫穩(wěn)態(tài)時間分別由電容的充、放電時間決定。設(shè)電路的第一暫穩(wěn)態(tài)和第二暫穩(wěn)態(tài)時間分別為T1,T2，根據(jù)上述原理分析和RC電路過渡過程的時間間隔公式可得:上一頁

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返回7.4多諧振蕩器二、對稱式多諧振蕩器1.電路組成及工作原理由TTL門電路和RC定時電路組成的對稱式多諧振蕩器如圖7.4.3所示。由于G1和G2的外部電路完全對稱，所以又稱為對稱式多諧振蕩器。合理選擇RF1，和RF2，使G1和G2都工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，即工作在放大區(qū)。其具體工作原理如下:(1)第一暫穩(wěn)態(tài)及電路自動翻轉(zhuǎn)過程。上一頁

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返回7.4多諧振蕩器在接通電源后，由于G1和G2都工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，由于電源電壓變化和干擾等影響，假如使ui1有微小上升時，就會產(chǎn)生下列正反饋過程結(jié)果使G1迅速飽和，uo1迅速跳至低電平UOL;由于電容C1兩端的電壓不能突，ui2也隨之下跳變，但由于G2內(nèi)部下面保護(hù)二極管的鉗位作用，ui2實際僅下跳至-UD(on)=-0.7V，使G2迅速截止，uo2迅速跳至高電平UOH;由于電容C2兩端的電壓不能突變，ui1跳變同樣的幅度，ui1=UTH+(UOH-UOL);即uo1=0,uo2=1，電路進(jìn)入第一暫穩(wěn)態(tài)。上一頁

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返回7.4多諧振蕩器隨后，uo2的高電平經(jīng)RF2、C1和G1的輸出電阻從右向左對電容C1進(jìn)行充電，且此時VCC通過G2內(nèi)部電阻對電容C1充電，此時ui2=uc1，使ui2隨之按指數(shù)規(guī)律很快上升。同時，uo2的高電平經(jīng)C2,RF1和G1的輸出電阻(此時因?qū)ê苄?從右向左對電容C2進(jìn)行反向充電(即放電)，此時ui1=UOH-uc2，使ui1隨之按指數(shù)規(guī)律下降。(2)第二暫穩(wěn)態(tài)及電路自動翻轉(zhuǎn)過程。由于集成門電路內(nèi)電路的影響，C1的充電比C2的放電快，當(dāng)ui2首先上升到UTH時，會產(chǎn)生另一個正反饋過程上一頁

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返回7.4多諧振蕩器結(jié)果使G2迅速飽和，uo2迅速跳至低電平UOL，由于電容C2兩端的電壓不能突變，ui1也隨之下跳變，但由于G1內(nèi)部保護(hù)二極管的鉗位作用，ui1實際僅下跳至-UD(on)=-0.7V;使G1迅速截止，uo迅速跳至高電平UOH;由于電容C1兩端的電壓不能突，ui2跳變同樣的幅度，ui2=UTH+(UOH-UOL);，即uo1=1,uo2=0,電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)。隨后，uo1的高電平經(jīng)RF1,C2和G2的輸出電阻(此時因?qū)ê苄?從左向右對電容C2進(jìn)行充電，且此時VCC通過G1內(nèi)部電阻對電容C2充電，ui1=ui2，使ui1隨之按指數(shù)規(guī)律很快上升。同時，uo1的高電平經(jīng)C1,RF2和G2的輸出電阻從左向右對電容C1進(jìn)行反向充電(即C1放電)，此時ui2=UOH-uc2

，使ui2隨之按指數(shù)規(guī)律下降。上一頁

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返回7.4多諧振蕩器(3)返回過程。同理，充電比放電快，ui1首先上升到UTH時，G1迅速飽和、G2迅速截止，即uo1=0,uo2=1，電路返回第一個暫穩(wěn)態(tài)。上述原理分析過程對應(yīng)的工作波形如圖7.4.4所示。2.振蕩周期的計算多諧振蕩器的振蕩周期與兩個暫穩(wěn)態(tài)時間有關(guān)，兩個暫穩(wěn)態(tài)時間分別由電容C1和C2的充、放電時間決定。設(shè)電路的第一暫穩(wěn)態(tài)和第二暫穩(wěn)態(tài)時間分別為T1、T2。當(dāng)取TTL電路的UOH=3.6V,UOL=0.3V、UTH=1.4V、RF1=RF2=RF、C1=C2=C,設(shè)內(nèi)部保護(hù)二極管的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V，根據(jù)上述原理分析和RC電路過渡過程的時間間隔公式可得:上一頁

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返回7.4多諧振蕩器7.4.2用施密特觸發(fā)器構(gòu)成多諧振蕩器一、電路組成用施密特觸發(fā)器構(gòu)成多諧振蕩器的電路如圖7.4.5所示，將施密特觸發(fā)器的輸出端經(jīng)RC積分電路接回其輸入端即可。上一頁

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返回7.4多諧振蕩器二、工作原理設(shè)接通電源瞬間，電容C上的初始電壓為0，則輸出電壓uo為高電平。此時uo通過對電容C充電，當(dāng)uc按指數(shù)規(guī)律上升到正向闌值電壓UT+時，施密特觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，uo變?yōu)榈碗娖?。此后，電容C通過電阻R開始放電，uc按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)uc下降到負(fù)向闌值電壓UT-時，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，uo又跳變?yōu)楦唠娖?，對電容C充電。如此周而復(fù)始，在電路輸出端，得到一定頻率的矩形脈沖。對應(yīng)的工作波形如圖7.4.6所示。其振蕩周期的計算請讀者自行分析。7.4.3石英晶體多諧振蕩器上一頁

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返回7.4多諧振蕩器用門電路組成的多諧振蕩器的振蕩周期不僅與時間常數(shù)RC有關(guān)，而且還取決于門電路的闌值電壓UTH，故容易受到溫度、電源電壓及干擾的影響，因此頻率穩(wěn)定性差，只能用在對頻率穩(wěn)定性要求不高的場合。如果要求產(chǎn)生頻率穩(wěn)定性很高的脈沖波形，需采用石英晶體多諧振蕩器。石英晶體的電路符號和阻抗頻率特性如圖7.4.7所示。石英晶體的選頻特性很好，它有一個極為穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率f0，只有頻率為f0的信號最容易通過，而其它頻率的信號均會被晶體所衰減。對稱式石英晶體多諧振蕩器是在對稱式多諧振蕩器的電容回路中串接石英晶體后組成，電路如圖7.4.8所示。在頻率為f0時，阻抗極小，可忽略不計。上一頁

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返回7.4多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器另一接法電路如圖7.4.9所示。上一頁

返回7.5555定時器及其應(yīng)用555定時器是一種集模擬、數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電路，其應(yīng)用極為廣泛。它不僅用于信號的產(chǎn)生和變換，還可方便地組成延時和定時電路用于控制與檢測系統(tǒng)中。目前生產(chǎn)的555定時器品種繁多，主要有TTL和COMS兩種類型，它們的電路結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。TTL型(以5G555為代表)的驅(qū)動能力較強，電源電壓范圍為5~16V,最大負(fù)載電流可達(dá)200mA;而CMOS(以CC7555為代表)型則具有功耗低、輸入電阻高等優(yōu)點，電源電壓范圍為3~18V,最大負(fù)載電流在20mA以下。產(chǎn)品型號尾數(shù)為555的是TTL型單定時器，雙定時器為556;型號尾數(shù)為7555的是CMOS型單定時器，雙定時器為7556。下一頁

返回7.5555定時器及其應(yīng)用7.5.1555定時器的電路結(jié)構(gòu)及功能一、電路結(jié)構(gòu)555定時器的內(nèi)部電路由電阻分壓器、電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電二極管及緩沖器G4組成，電路圖如圖7.5.1(a)所示，555定時器采用雙列直插式8引腳封裝，引腳排列圖如圖7.5.1(b)所示。G1和G2組成與非門基本RS觸發(fā)器，其邏輯功能為:“00不定，11保持，其余隨對方的輸入變”。G3和G4組成輸出緩沖級，它有較強的電流驅(qū)動能力，同時，G4還可隔離外接負(fù)載對定時器工作的影響。上一頁

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返回7.5555定時器及其應(yīng)用TH端是比較器C1的信號輸入端，稱為闌值輸入端;TR端是比較器C2的信號輸入端，稱為觸發(fā)輸入端。DIS端(7腳)為放電三極管V的集電極，為外接電路提供放電通路。電路功能時，無淪其他輸入端的狀態(tài)如何，G3的輸出為1，則輸出uo=0。當(dāng)，比較器C1和C2分別輸出，根據(jù)與非門基本RS觸發(fā)器的功能，Q=0，G3的輸出為1，放電三極管V飽和導(dǎo)通，輸出uo=0。當(dāng)，比較器C1和C2分別輸出，根據(jù)與非門基本RS觸發(fā)器的功能，Q=1，G3的輸出為0，放電三極管V飽和截止，輸出uo=1。上一頁

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返回7.5555定時器及其應(yīng)用當(dāng)，比較器C1和C2分別輸出，根據(jù)與非門基本RS觸發(fā)器的功能，Q保持原狀態(tài)不變，則輸出uo保持不變。綜合上述分析，可得555定時器的功能表，如表7.5.1所示。根據(jù)555定時器的功能，將TH和TR兩個輸入端與輸出端uo，的對應(yīng)關(guān)系總結(jié)規(guī)律，口訣化歸納為:“兩高出低，兩低出高，中間保持;T的狀態(tài)與輸出相反”。使用時注意:(1)TH電平高低是與相比較，電平高低是與1/3VCC相比較。(2)當(dāng)CO端外加控制電壓UCO時，此時TH和電平高低的比較值將分別變成UCO和1/2UCO。上一頁

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返回7.5555定時器及其應(yīng)用7.5.2用555定時器組成施密特觸發(fā)器一、電路組成將555定時器的闌值輸入端TH和觸發(fā)輸入端相接在一起，作為觸發(fā)信號u1的輸入端，即組成施密特觸發(fā)器，電路如圖7.5.2(a)所示。二、工作原理下面參照圖7.5.4(b)所示的波形討淪用555定時器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理。1.穩(wěn)定狀態(tài)上一頁

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返回7.5555定時器及其應(yīng)用當(dāng)輸入沒有負(fù)躍變的觸發(fā)信號時，u1為高電平。接通電源后，如果Q=0，uo=0，放電管V導(dǎo)通，電容通過放電管V放電，使uc=0。此時輸入端TH為低電平，而為高電平，根據(jù)555定時器的功能，uo保持低電平不變。如果接通電源后Q=1,uo=1，放電管V就會截止，此時電源通過電阻R向電容C充電，當(dāng)uc按指數(shù)規(guī)律上升到2/3VCC時，此時兩個輸入端TH和均為高電平，根據(jù)555定時器的功能:“兩高出低”，uo=0，同時，放電管V導(dǎo)通，電容通過放電管V放電，使uc=0，故uo保持低電平不變。因此，電路通電后，在沒有觸發(fā)信號時，無淪電路原來的狀態(tài)如何，最終電路只有一種穩(wěn)定狀態(tài)uo=0，且此時uc=0上一頁

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返回7.5555定時器及其應(yīng)用2.輸入觸發(fā)信號進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)輸入端u1施加負(fù)躍變的觸發(fā)信號時，由于穩(wěn)態(tài)時uc=0，此時兩個輸入端TH和均為低電平，根據(jù)555定時器的功能:“兩低出高”，uo=1,同時，放電管V截止，電源VCC經(jīng)電阻R對電容C進(jìn)行充電，充電時間常數(shù)σ=RC，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。3.自動返回穩(wěn)態(tài)隨著C的充電，uC按指數(shù)規(guī)律上升，在此期間，輸入端u1回到高電平。當(dāng)uc上升到2/3VCC時，根據(jù)“兩高出低”，uo=0，同時，放電管V導(dǎo)通，電容通過放電管V迅速放電，使uc=0，uo保持低電平不變。電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)。上一頁

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返回7.5555定時器及其應(yīng)用三、輸出脈沖寬度tw的計算如果忽略放電三極管V的飽和壓降，則電容uc從0V上升到2/3VCC所需的時間，即為輸出電壓uo的脈沖寬度tw。四、輸入具有RC微分電路的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由上述分析可知，圖7.5.4所示電路只有在輸入信號u1，的負(fù)脈沖寬度小于輸出脈沖寬度tw時，才能正常工作。上一頁

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返回7.5555定時器及其應(yīng)用如果輸入u1的負(fù)脈沖寬度大于輸出脈沖寬度，需在端和輸入端之間接入RdCd微分電路，如圖7.5.5所示，電路才能正常工作。7.5.4用555定時器組成多諧振蕩器一、電路組成用555定時器組成多諧振蕩器如圖7.5.6(a)所示，將555定時器的闌值輸入端TH和觸發(fā)輸入端相連后對地接電容C，電源稱:通過電阻R1,R2與電容連接，放電端DIS和定時元件R1、R2、C相接。二、工作原理設(shè)電容C上的初始電壓值為0V。上一頁

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返回7.5555定時器及其應(yīng)用接通電源后，根據(jù)555定時器的功能:“兩低出高”，uo=1，這時，放電管V截止。電源VCC通過電阻R1和R2對電容C充電，uc按指數(shù)規(guī)律上升，充電時間常數(shù)σ=(R1+R2)C。當(dāng)時，根據(jù)555定時器的功能:“兩高出低”，uo=0。同時，放電管V導(dǎo)通，電容通過電阻R2和放電管V放電，uc按指數(shù)規(guī)律下降，忽略放電管的導(dǎo)通內(nèi)阻，放電時間常數(shù)σ=R2C。當(dāng)時，輸出保持不變。當(dāng)時，根據(jù)555定時器的功能:“兩低出高”，uo=1，這時，放電管V截止，電源VCC又通過電阻R1和R2對電容C充電。上一頁

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返回7.5555定時器及其應(yīng)用當(dāng)時，電路狀態(tài)再一次翻轉(zhuǎn)。如此周而復(fù)始地又對電容C充電和放輸出一個一定頻率的矩形脈沖。上述分析過程對應(yīng)的工作波形如圖7.5.6(b)所示。三、振蕩周期T的計算多諧振蕩器的振蕩周期T為