第十五章 脉冲波形的产生和整形

第十五章脉冲波形的产生和整形 第十五章脉冲波形的产生和整形... 9 第一节概述... 9 5.. 脉冲电路的分析... 94 5.. 电路的应用... 95 第二节单稳态触发器... 98 5.. 用门电路组成的单稳态触发器... 98 5.. 集成单稳态触发器... 40 5.. 单稳态触发器的应用... 404 第三节多谐振荡器... 405 5.. 自激多谐振荡器... 405 5.. 环形振荡器... 407 5.. 石英晶体多谐振荡器... 409 第四节施密特触发器... 40 5.4. 用门电路组成的施密特触发器... 4 5.4. 集成施密特触发器... 4 5.4. 施密特触发器的应用... 4 第五节 555 定时器及其应用... 45 5.5. 555 定时器的电路结构与工作原理... 45 5.5. 555 定时器的典型应用... 47 习题... 4

第十五章脉冲波形的产生和整形 9 第十五章脉冲波形的产生和整形 5. 概述 数字电路又称为脉冲 (Pulse) 数字电路, 所以脉冲信号在数字电路中扮演着重要的角色 脉冲这个词包含着脉动和短促的意思, 在脉冲技术中, 我们的主要研究对象是一些具有间断矩形波性和突发性特点的 短暂出现的 周期或非周期性时间函数的电压或电流 尖顶波常见的一些脉冲波形如图 5- 所示 矩形波是最常用的脉冲波形 矩形波具有两个固定电平, 其电平转换时间与每个电平的持续锯齿波时间相比可以忽略 图 5- 所示为一个实际的矩形脉冲波的波形, 描述矩形波的主要参数有 : 钟形波 脉冲幅度 m : 矩形脉冲的高电平和低电平之 差, 它反映了脉冲信号的大小 脉宽 w ( 或称为脉冲持续时间 ): 矩形脉冲起始 梯形波 和终了时刻之间的时间间隔 若将脉冲前 后沿上瞬时值为 0.5 m 的对应点之间的时间间隔定为阶梯波脉宽, 则称为平均脉宽 此外, 还有顶部脉宽和底部脉宽 图 5- 脉冲波形举例重复周期 T: 相邻两个脉冲对应点之间的时间间隔 重复周期的倒数称为重复频率 f 脉冲占空系数 Q - ( 或称为脉冲占空比 ): 脉宽 w 和重复周期 T 的比值 Q - 的倒数 Q 称为空度比 顶部上升时间 r : 脉冲电压从 0. m 上升到脉宽 0.9 m 所需的时间 理想情况下 r 等于 0 下降时间 f : 脉冲电压从 0.9 m 下降到 0.9 m 0. m 所需的时间 理想情况下 f 等于 0 m w 0. 5m 幅度获取矩形脉冲波形的图形的途径主要平均脉宽 0. 有两种 : 一种是利用各种形式的多谐振荡器 m r f 电路直接产生所需要的矩形脉冲, 另一种则底部脉宽是通过各种整形电路把已有的周期性变化重复周期 T 波形变换为符合要求的矩形脉冲 在时序电路中, 矩形脉冲作为时钟信号图 5- 矩形脉冲波形参数控制和协调着整个系统的工作 因此, 其波形的特性直接关系到系统能否正常地工作

94 第三篇数字逻辑电路基础 5.. 脉冲电路的分析脉冲电路通常是指能产生和变换脉冲波形的电路 脉冲电路包含两个主要部分 : 开关电路与惰性电路 开关电路用来破坏电路的稳态, 使之产生暂态过程 ; 而惰性电路则用来控制暂态过程的变化情况 各种脉冲波形就是通过这两部分电路的工作而获得的 由于脉冲波形是在电路暂态过程中形成的, 因此, 脉冲电路的分析是在时域中按时间分段分析电路中的电压 电流的变化情况 由电阻 和电容 构成的 电路是脉冲电路中最常见的基本电路 由于电容的充放电有一个过程, 这一不断变化的过程称为暂态过程 暂态过程结束之后, 电路进入一个新的稳定状态 有关 电路的暂态过程的分析请参见第四章 例 5- 在图 5-(a) 电路中, 开关 K 在 的位置很久, 电路已处于稳定状态 在 =0 时, 开关由 突然转换到 位置, 画出 u c 的波形 0V a 0V K 0k 00pF b 6V (a) + u c u c 4V -6V (b) 图 5- 例 5- 的电路与波形 解 : 用求过渡过程的三要素法来解此题 () 求起始值 因为在 =0 以前, 电路处于稳定状态, 流过电容的电流等于 0A, 所以 u c (0 - )=- b = 6V 在 =0 时, 开关动作, 由于电容电压不能跃变, 所以 u c (0 + )=u c (0 - )= 6V () 求稳态值 暂态过程结束以后, 流过电容的电流为 0A, 电容相当于开路, 故 u c ( )= a - b =0-6=4(V) () 求时间常数 τ = = 0 0 00 0 = 0 ( s) = ( μs) 于是 : + / τ uc ( ) = uc ( ) + [ uc (0 ) uc ( )] e = 4 + [ 6 4]e = 4 0e 上式中 的单位是 μs 其波形图如图 5-(b) 所示 6 (V)

第十五章脉冲波形的产生和整形 95 5.. 电路的应用 5... 微分电路 微分电路如图 5-4 所示, 当输入信号 为 理想矩形脉冲, 且其宽度 w 远大于电路时间常 数 τ 时, 输出波形 如图 5-5 所示, 图中还给 出了电容 两端的电压 u c 的波形 由于输出电压 的波形形状与输入电压 du 对时间的微分 i 的曲线形状相近似, 故图 5-4 d 47p + + u c - + 5k - - 图 5-4 微分电路 E m T/ T/ u c w u c E (a) <<T/ E 平均值 u c 平均值 -E (b) >>T/ 图 5-5 微分波形 图 5-6 不同 时间常数的波形图

96 第三篇数字逻辑电路基础 电路有微分电路之称 事实上, du = c, 当时间常数 τ 很小时, 电容两端的电压 d u c 可以迅速地跟随输入电压 变化, 导致 u c d i u ui, uo d 如果 电路的时间常数 τ 远大于输入脉冲宽度 w, 则图 5-4 电路就成为耦合电路 所谓耦合电路就是电容隔离 的直流成份, 而不改变输入电压的波形频率和波形形状, 图 5-6(a) 是时间常数远远小于脉冲周期的情况, 图 5-6(b) 所示为时间常数远远大于脉冲周期时所对应输入波形的情况 ( 输入脉冲的周期为 T) 5... 积分电路积分电路如图 5-7 所示, 设电路的时间常数 τ 远大于输入信号脉冲宽度 输出波形 0V + 0k + 000p w w 趋向 0V - - 图 5-7 积分电路 图 5-8 积分波形图 趋向 0V 如图 5-8 所示 经计算可得到输出电压 的数学表达式为 : Q du i = d o u i du = d o + u o = ( ui uo) d 当 << 时 ( 因 时间常数较大, 电容充放电很缓慢 ) u d, 故图 5-7 电路我们称为积分电 i u o 路 利用积分电路可实现 :. 由矩形波得到锯齿波 ; 图 5-9 宽窄脉冲分离. 从宽窄不同的矩形脉冲的混合波形中选出宽脉冲 例如, 电视机中的行同步脉冲为窄脉冲, 帧同步脉冲为宽脉冲, 发射台发射时将

第十五章脉冲波形的产生和整形 97 行同步脉冲和帧同步脉冲混合在一起脉冲混合在一起 ( 如图 5-9 所示 ), 在接收机中再把它们分开 利用积分电路, 并使电路的时间常数远大于窄脉冲的宽度, 而小于宽脉冲的宽度, 从而可得到图 5-9 所示的 波形, 在 中, 对应于输入为窄脉冲的输出幅度很小, 经限幅电路处理后 ( 如图中 u o), 只剩下宽脉冲 同理, 可利用积分电路除去一些电路中的小毛刺或干扰脉冲 5... 分压器在示波器等仪器设备中, 常采用电阻分压的办法实现信号的衰减, 但由于各种分布电容的影响, 等效在衰减器输出端接入了一个分布电容 0 ( 见图 5-0(a)), 使得输出波形的上升沿变坏 ( 见图 5-0(b)) E + + 0 u o E - - + (a) 电路图 (b) 波形图图 5-0 分布电容对输出波形的影响 为了改善输出波形, 可在 电阻上并联一个加速电容 j ( 见图 5-), 并且 j 的电容量要选的合适 选择不同的 j 对输出的波形影响不同, 如图 5- 所示 : j 较小时, 输出波形仍然会出现边沿缓慢变化的情况 ; j 太大时, 输出波形出现尖顶过冲 ; 只有当 j 满足式 : + (0 ) ( ) j ( ) + + o u (0 + ) o - - 图 5- 利用加速电容改善输出波形 ( ) 5- 不同 j 时的输出波形图 (a) j 小 ( b) j 合适 (c) j 大

98 第三篇数字逻辑电路基础 = j 0 (5-) (0 + ) 才等于 ( ) 这是因为在输入信号跳变时, 电容好像短路一样, 其阻抗很低, 电流主要流过 j 和 o, 这时输出电压的大小取决于 j 和 o 的分压, 即 + j uo ( 0 ) = o + j 在暂态过程结束后, 电容犹如开路, 输出电压的大小取决于电阻的分压, 即 (5-) u o ( ) = ui + (5-) 由式 (5-) (5-) 不难得出 : 要使 (0 + )= ( ), j 应满足式 (5-) 应当指出, 在以上分析中, 我们假设信号源 的内阻等于 0Ω, 它在瞬间可以给出无穷大的电流, 因而电容上电压才可以跃变, 从而得出式 (5-) 实际中, 只要信号源的内阻比 和 小的多, 式 (5-) 是足够准确的 5. 单稳态触发器 单稳态触发器的工作特性具有以下三个特点 : 第一, 它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态 ; 第二, 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后, 可再自动返回到稳态 ; 第三, 暂稳态维持时间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 由于具备这些特点, 单稳态触发器被广泛用于实现脉冲整形电路 延时电路 ( 产生滞后于触发脉冲的输出脉冲 ) 以及定时电路 ( 产生固定时间宽度的脉冲信号 ) 等 5.. 用门电路组成的单稳态触发器单稳态触发器的暂稳态通常都是靠 电路的充 放电过程来维持的 根据 电路 的不同接法, 又可把单稳态触发器 分为微分型和积分型两种 DD d G 图 5- 是一个由 MOS 门电 u d G 路和 微分电路构成的微分型单 稳态触发器 对于 MOS 门电路, 我们可以近似地认为 OH DD OL 0, 且图 5- 微分型单稳态触发器 TH / DD 在稳态下, ui=0 = DD, 故 =0 = DD, 电容 上没有电压 当触发脉冲 加到输入端时, 在 d 和 d 组成的微分电路输出端得到很窄的正 负 d u o

脉冲 u d 当 u d 上升到 TH 以后, 将引发如下的正反馈过程 : 第十五章脉冲波形的产生和整形 99 u d 使 迅速变为低电平 由于电容中的电压不可能发生突变, 所以 也同时跳变至低电平, 并使 跳变为高电平, 电路进入暂稳态 这时, 既使 u d 回到低电平, 的高电 平仍将维持 与此同时, 电容 开始充电 随着充电过程的进行, 逐渐升高, 当升至 = TH 时, 又引发另外一个正反馈过程 如果这时触发脉冲已消失 (u d 已回到低电平 ), 则 迅速跳变为高电平, 并使输出返回 =0 的状态 同时, 电容 通过电阻 和门 G 的输入保护电路向 DD uo 放电, 直至电容上的电压为 0, 电路恢复到稳定状态 根据以上的分析, 可画出电路各点的电压波形, 如图 5-4 所示 由图 5-4 可见, 输出脉冲宽度 w 等于从电容 开 始充电到 上升至 TH 的这段时间 电容 充电的等效电路如图 5-5 所示 图中的 ON 是或非门 G 输出低电平时的输出电阻 在 ON << 的情况下, 等效电路可 uo 以简化为简单的 串联电路 由动态电路分析一章的分析可知, 对于 充 放电的过程中, 电容上的电压 u c 从充 放电开始到变化至某一数值 TH 所经过的时间可以用下式计算 : w uc ( ) uc (0) = ln u ( ) c TH (5-4) 其中 u c (0) 是电容电压的起始值,u c ( ) 是电容电压充 放电的终了值 由图 5-4 的波形图可见, 图 5-5 电路中电容电压从 0 充至 TH 的时间即 w 将 u c (0)=0 u c ( )= DD 代入式 (5-4) 得到 : DD 0 w = ln = ln = 0. 69 (5-5) 输出脉冲的幅度为 : DD TH u d w w TH 图 5-4 图 5- 电路的波形图

400 第三篇数字逻辑电路基础 m = OH - OL DD (5-6) 在 返回低电平以后, 还要等到电容 放电完毕电路才恢复为起始的稳态 通常情况经过 ~5 倍于电路时间常数的时间以后, 电路已基本达到稳态 图 5- 电路中电容 放电的等效电路如图 5-6 所示 图中的 D 是反相器 G 输入保护电路中的二极管 如果 D 的正向导通电阻比 和门 G 的输出电阻 ON 小得多, 则恢复时间为 : T re (~5) ON (5-7) DD DD DD G ON G ON D G G 图 5-5 图 5- 电路中电容 充电等效电路图 5-6 图 5- 电路中电容 放电等效电路分辨时间 T d 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, 故有 : T d = w +T re (5-8) 微分单稳态触发器可以用窄脉冲触发 在 u d 的脉冲宽度大于输出脉冲宽度的情况下, 电 路仍能工作, 但在此情况下, 输出脉冲的下降沿较差 因为在 返回低电平的过程中 输入的高电平还存在, 所以电路内部不能形成正反馈 图 5-7 是用 TTL 与非门 反相器和 积分电路组成的积分型单稳态触发器 为 了保证 u A 在 TH 以下, 的阻值不能取得很大 这个电路用正脉冲触发 u d 0 T T u A G u A & G TH u o T w 图 5-7 积分型单稳态触发器电路 图 5-8 图 5-7 电路的电压波形图

第十五章脉冲波形的产生和整形 40 有关积分型单稳态触发器的工作过程请大家自行分析, 其波形图参考图 5-8 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优点 因为数字电路中的噪声多为尖峰脉冲形式 ( 即幅度较大而宽度较窄的脉冲 ), 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 积分型单稳态触发器的缺点是输出波形边沿比较差, 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, 这种积分型单稳态触发器必须在触发脉冲的宽度大于输出脉冲宽度时才能正常工作 5.. 集成单稳态触发器由于单稳态触发器的应用十分普遍, 在 TTL 电路和 MOS 电路的产品中, 都生产了单片集成的单稳态触发器器件 ex 4 ex 0 9 B 5 G 4 G 5 in 5 G 6 & & u O6 A 4 G G & A & & Q G 7 Q & G 8 6 G G 9 o u 图 5-9 集成单稳态触发器 74 的逻辑图使用这些器件时只需要很少的外接元件和连线, 而且由于器件内部电路一般还附加了上升沿和下降沿触发的控制和置零功能, 使用极为方便 此外, 由于将元器件集成于同一芯片, 并且在电路上采取了温漂补偿措施, 所以, 电路的温度稳定性比较好 图 5-9 是 TTL 集成单稳态触发器 74 简化的原理逻辑图 它是在微分型单稳态触发器的基础上附加以输入控制电路和输出缓冲电路而形成的 门 G 5 G 6 G 7 和外接电阻 ex 外接电容 ex 组成微分型单稳态触发器 如果把 G 5 G 6 当作一个整体视为一个具有施密特特性的或非门, 则这个电路与图 5- 所讨论的微分型单稳态触发器基本相同 它用门 G 4 给出的正触发脉冲, 而输出脉冲的宽度由 ex 和 ex 的大小决定 门 G ~G 4 组成的输入控制电路用于实现上升沿触发或下降沿触发的控制 需要用上

40 第三篇数字逻辑电路基础 升沿触发时, 触发脉冲由 B 端输入, 同时 A 或 A 当中至少要有一个接至低电平 当触 发脉冲的上升沿到达时, 因为门 G 4 的其他三个输入端均处于高电平, 所以 5 也随之跳 变为高电平, 并触发单稳态电路使之进入暂稳态, 输出端跳变为 =0 = 与此同 表 5- 集成单稳态触发器 74 的功能表 输入输出 A A B 0 x 0 x 0 0 x x 0 0 X 0 0 x x 0 时, 的低电平立即将门 G 和 G 组成的触发器置零, 使 5 返回低电平 可见 5 的高 电平持续时间极短, 与触发脉冲的宽度无关 这就可以保证在触发脉冲宽度大于输出脉冲宽度时输出脉冲的下降沿仍然很陡 因此,74 具有边沿触发的性质 在需要用下降沿触发时, 触发脉冲则应由 A 或 A 输入 ( 另一个应接高电平 ), 同时将 B 端接高电平 触发后电路的工作过程和上升沿触发时相同 表 5- 是 74 的功能表, 图 5-0 A 是 74 在触发脉冲作用下的波形图 输出缓冲电路由反相器 G 8 和 G 9 组成, 用于提高电路的带负载能力 A 根据门 G 6 输出端的电路结构和门 G 7 输入端的电路结构可以求出计算脉冲宽度 公式 : B w ex ex ln=0.69 ex ex (5-9) 通常 ex 的取值在 kω~0kω 之间, 0 ex 的取值在 0pF~0μF 之间, 得到的 T w 范围可达 0ns~00ms 之间 另外, 还可以使用 74 内部设置的电 T w T w T w 阻 in 取代外接电阻 ex, 以简化外部接线 0 不过因 in 的阻值不太大 ( 约为 kω), 所以图 5-0 集成单稳态触发器 74 的工作波形图

第十五章脉冲波形的产生和整形 40 在希望得到较宽输出脉冲时, 仍需使用外接电阻 图 5- 所示为使用外接电阻和仅使用内部电阻时的两种电路的连接方法 目前使用的集成单稳态触发器有不可重复触发性和可重复触发性两种, 不可重复触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态之后, 再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程, 必须在暂稳态结束以后, 它才能接受下一个触发脉冲而转入暂稳态, 如图 5-(a) 所示 而可重复触发的单稳态触发器就不同了, 在电路被触发而进入暂稳态之后, 如果再次加入触发脉冲, 电路将重新被触发, 使输出脉冲再继续维持一个 w 宽度, 如图 5-(b) 所示 ex ex cc 0 9 4 ex ex / ex in cc 6 A 4 A 5 B u o GND 7 高电平 (a) 使用外接电阻 ex( 下降沿触发 ) ex ex cc 0 9 4 ex ex / ex in cc 6 A 4 A 5 B u o GND 7 (b) 使用内部电阻 in ( 下降沿触发 ) 图 5- 集成单稳态触发器 74 的外部连接方法 0 u 0 0 u i 0 u 0 T w (a) 不可重复触发型 T w 0 (b) 可重复触发型图 5- 两种类型单稳态触发器的工作波形 74 74 74LS 等都是不可重复触发的单稳态触发器, 而 74 74LS 74 74LS 等则是可重复触发的触发器 有些集成单稳态触发器上还设置有复位端 ( 例如 74 74 74 等 ) 通过在复位端加入低电平信号能够立即终止暂稳态过程, 使输出端返回低电平 u o 触发脉冲 u i 与门 控制方波 u B u A u B 单稳电路 0 待选方波 u A 0 输出方波 T w (a) 电路框图 (b) 工作波形图 5- 单稳态触发器组成的定时电路

404 第三篇数字逻辑电路基础 5.. 单稳态触发器的应用下面列举几例来说明单稳态触发器的一些实际应用 5... 定时应用由于单稳态触发器能产生一定宽度的矩形输出脉冲, 利用这个矩形脉冲去控制某个电路, 则可使其在 w 宽度内动作 ( 或不动作 ) 例如, 利用宽度为 w 的正矩形脉冲作为与门输入信号之一, 见图 5-, 则只有在 w 高电平期间内, 与门的另一个信号才能有效地通过与门 5... 脉冲展宽应用如图 5-4 所示为一个输入脉冲展宽电路 单稳态触发器输入一个窄脉冲, 输出一个宽脉冲 输出脉冲宽度可由外接元件 调节 cc cc B ex ex Q 74 A L B ex ex A 74 A Q P Q D D 噪声 d T w Q 图 5-4 脉冲展宽电路及波形图 图 5-5 噪声消除电路 5... 噪声消除电路利用单稳态触发器可构成噪声消除电路 ( 或称为脉宽鉴别电路 ) 通常噪声多表现为尖脉冲, 宽度较窄, 而有用的信号都具有一定的宽度 因此, 利用单稳态触发电路, 将输出脉宽调节到大于噪声宽度而小于信号脉宽, 即可消除噪声 图 5-5 中, 输入信号接至单稳态触发器的输入端和 D 触发器的数据输入端以及直接置 0 端 由于有用信号 ( 图中的 的宽脉冲 ) 大于单稳输出脉宽 ( 图中的 Q ), 因此, 单稳 Q 的上升沿使 D 触发器置, 而当信号消失后,D 触发器被清 0 若输入中含有噪声, 其噪声前沿使单稳触发器翻转, 但由于单稳输出脉宽大于噪声宽度, 故单稳 Q 输出上升沿时, 噪声已消失 ( 因为 同时接在 D 触发器的输入端, 此时,D=0), 从而在输出信号中消除了噪声成分

5. 多谐振荡器 第十五章脉冲波形的产生和整形 405 多谐振荡器是一种自激振荡器 在接通电源以后, 不需外加触发信号, 便能自动地产生矩形脉冲 由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量, 所以习惯上把矩形波振荡器叫做多谐振荡器 多谐振荡器也称无稳电路, 主要用于产生各种方波或时钟脉冲信号 根据组成多谐振荡器电路的结构不同, 可把多谐振荡器分为对称式多谐振荡器 [ 如图 5-6(a) G G G G P F F F (a) 对称式多谐振荡器电路 (b) 非对称式多谐振荡器电路图 5-6 不同结构的多谐振荡器所示 ] 非对称式多谐振荡器[ 如图 5-6(b) 所示 ] 和环形振荡器等 下面分析几种典型多谐振荡器电路的工作过程 5.. 自激多谐振荡器图 5-7 为一个由 MOS 反相器构成的自激多谐振荡器 在分析单稳态触发器时, 电路由暂稳态返回稳态是由电容 充放电来实现的 对于图 5-7 所示的多谐振荡器, 控制状态的翻转仍然是由于电容 的充放电作用, 而其中最关键的一点又集中体现在 的电位变化 因此, 在分析中要重点注意 的波形 u 5... 第一暂稳态及其自动翻转的工作过程 i G G 假定在接通电源后, 电路最初处于 =, =0 的状态, 即第一暂稳态 此时, 电源经 G 的 P 管 和 G 的 N 管给电容 充电, 如图 5-8 所示 随着充电时间的增加, 的电位不断上升, 当 达到 TH 时, 电路发生下述正反馈 5-7 自激多谐振荡器 过程 : 结果使 G 迅速导通,G 迅速截止, 电路进入第二暂稳态, 即 =0, = 5... 第二暂稳态及其自动翻转过程电路进入第二暂稳态瞬间, 由 0 上跳至 DD, 则 也将上跳, 升至 DD + TH, 但由于保护二极管 D 的钳位作用, 使 略高于 DD 此后, 电容 通过 G P 管,G N 管和电阻 放电, 使 下降, 当 降至 TH 后, 电路产生下列正反馈过程 :

406 第三篇数字逻辑电路基础 从而使 G 迅速截止,G 迅速导通, 电路又回到第一暂稳态, =, =0 此后, 电路重复上述过程, 在输出端可获得方波输出 电路各点的波形如图 5-9 所示 cc G 保护二极管 G 充 放 电 电 在振荡过程中, 电路状态的转换主要取决于电容 的充 放电, 何时转换则取决于 的数值 因此, 根据 的几个特征值, 就 可以将图 5-9 中的 T T 计算出来.T 的计算 对应于第一暂稳态, 将图 5-9 中 作 为时间起点, 则有 : (0 + )= 0.6V 0V ( )= DD τ= 根据 电路暂态过程分析有 : T = ln DD DD TH 图 5-8 振荡器充放电原理图 DD T T DD TH DD DD +0.6V T 0-0.6V (5-0).T 的计算 对应于图 5-9, 在第二暂稳态, 将 作为时间起点, 则有 : (0 + )= DD +0.6 DD (V) ( )=0 τ= 0 第一第二 暂稳态暂稳态图 5-9 振荡器波形图

第十五章脉冲波形的产生和整形 407 DD T = (5-) ln TH 所以 DD T = T + T = ln (5-) ( DD TH ) TH 若 TH = DD /, 上式变为 : T=ln4.4 (5-) 5.. 环形振荡器 环形振荡器是利用门电路的传输延迟时间, 将奇数个反相器首尾相接而构成的 它 是利用延迟负反馈产生振荡的 图 5-0 所示电路是一个最简单的环形振荡器, 它由三个反相器首尾相连而组成 不难看出, 这个 电路是没有稳定状态的 因为在静态 ( 假定没有振荡 G G G 时 ) 下, 任何一个反相器的输入和输出都不可能稳定 图 5-0 最简单的环形振荡器 在高电平或低电平, 而只能处于高 低电平之间, 所以处于放大状态 假定由于某种原因 产生了微小的正跳变, 则经过 G 的传输延迟时间 pd 之后, 产生一个幅度更大的负跳变, 再经过 G 的传输延迟时 间 pd 使 得到更大的正跳变 然后又经过 G 的传输延 ( ) 迟时间 pd 在输出端 产生一个更大的负跳变, 并反馈 pd 到 G 的输入端 因此, 经过 pd 的时间以后, 又自 动跳变为低电平 可以推想, 再经过 pd 以后, 又将 pd 跳变为高电平 如此周而复始, 就产生了自激振荡 0 图 5- 是根据以上分析得到的图 5-0 电路的工 作波形图 由图可见, 振荡周期为 T=6 pd 基于上述原理可知, 将任何 的奇数个反相器首 pd 0 尾相连接成环形电路, 都能产生自激振荡, 而且振荡周 图 5- 图 5-0 电路的工作波形 期为 : T=n pd (5-4) 其中 n 为串联反相器的个数 G G G ( pd ) s G G G (a) 原理性电路 (b) 实用的改进电路图 5- 带 延迟电路的环形振荡器

408 第三篇数字逻辑电路基础 用这种方法构成的振荡器虽然很简单, 但不实用 因为门电路的传输延迟时间极短, TTL 电路只有几十纳秒,MOS 电路也不过一二百纳秒, 所以想获得稍低一些的振荡频 率是很困难的, 而且频率不易调节 为了克服上述缺点, 可以在图 5-0 电路的基础上附 加 延迟环节, 组成带 延迟电路的环形振荡器, 如图 5-(a) 所示 接入 电路以后不仅增加了门 G 的传输延迟时间 pd, 有助于获得较低的振荡频率, 而且通过改变 和 的数值可以很容易实现对振荡频率的调节 为了进一步加大 G 和 延迟电路的传输 延迟时间, 在实用的环形振荡器电路中, 将电 ( ) 容 的接地端改接到 G 的输出端上, 如图 5-(b) 所示 例如, 当 处发生负跳变时, 经过电容 使 首先跳变到一个负电平 ( 电容 两端电压不能跳变 ), 然后再从这个负电平开始对电容 充电, 这就加长了 从开始充电到 上升为 TH 的时间, 等于加大了 到 的传输延迟时间 通常 电路产生的延迟时间远远大于门 电路本身的传输延迟时间, 所以, 在计算振荡 周期时, 可以只考虑 电路的作用, 而将门电路固有的传输延迟时间忽略不计 另外, 为防止 发生负跳变时流过反相器 TH+( OH- OL) TH G 输入端钳位二极管的电流过大, 还在 G 输入端串接了保护电阻 s 电路中各点的电压波形如图 5- 所示 图 5-4 中画出了电容 充 放电的等效 TH -( OH - OL ) 图 5- 图 5-(b) 电路的工作波形图 电路 利用式 5-4 求得电容 的充电时间 T 和放电时间 T 各为 : T = ln T E ln E [ TH ( + ( E OH TH ) OL )] ln + (5-5) TH OH OL OL OH TH OL = = (5-6) TH OL TH OL 其中 : E = OH + ( be OL) + + s E = ( + s ) + + s 若 + S >>, OL 0, 则 E OH, E, 这时式 (5-5) 和式 (5-6) 可简化

第十五章脉冲波形的产生和整形 409 E E OL OH s G (a) 充电时的等效电路 OL OH OH OL s T ln OH TH (5-7) OH TH T ln + OH TH (5-8) TH G OL (b) 放电时的等效电路图 5-4 图 5-(b) 电路中电容 充 放电等效电路 故图 5-(b) 电路的振荡周期近似等于 : OH TH OH + TH T = T + T ln (5-9) OH TH TH 若取 OH =V TH =.4V, 代入上式得 : T. (5-0) 式 (5-0) 可用于近似估算振荡周期 但使用时应注意它的假定条件是否满足, 否则计算结果会有较大误差 5.. 石英晶体多谐振荡器在实际应用中, 往往对多谐振荡器的振荡频率的稳定性有严格的要求 例如, 在将多谐振荡器作为数字钟的脉冲源使用 ( 像计算机中的主时钟频率 ) 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, 前面所讲的几种多谐振荡器电路难以满足要求, 因为在这些多谐振荡器中, 振荡频率主要取决于电路输入电压在充 放电过程中, 达到

40 第三篇数字逻辑电路基础 转换电平所需的时间, 所以频率稳定性不可能很高 X 电感性 G G f 0 0 f 符号 电容性 F F 图 5-5 石英晶体的电抗频率特性和符号图 5-6 石英晶体多谐振荡器目前, 普遍采用的一种稳频方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体, 组成石英晶体多谐振荡器 图 5-5 给出了石英晶体的符号和电抗的频率特性 把石英晶体与对称式多谐振荡器中的耦合电容串联起来, 就组成了如图 5-6 所示的石英多谐振荡器 由石英晶体电抗频率特性可知, 当外加电压的频率为 f 0 时, 它的阻抗最小, 所以把它接入多谐振荡器的正反馈环路后, 频率为 f 0 的电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体时被衰减 因此, 振荡器的工作频率也必然是 f 0 由此可见, 石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率 f 0, 而与外接电阻 电容无关 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, 具有极高的频率稳定性 它的频率稳定度 (Δf 0 /f 0 ) 可达 0-0 ~0 -, 足以满足大多数数字系统对频率稳定度的要求 具有各种谐振频率的石英晶体已被制成标准化和系列化的产品出售 在图 5-6 电路中, 若用 TTL 电路 7404 作 G 和 G 两个反相器, F =kω,=0.05 μf, 则其工作频率可达几十兆赫 在非对称式多谐振荡器电路中, 也可以接入石英晶体构成石英晶体多谐振荡器, 以达到稳定频率的目的 电路的振荡频率同样也等于石英晶体的谐振频率, 与外接电阻和电容的参数无关 5.4 施密特触发器 施密特触发器 (Schmi Trigger) 是脉冲波形变换中经常使用的一种电路 它在性能上有两个重要的特点 : 第一, 输入信号从低电平上升的过程中电路状态发生转换所对应的输入电平, 与输入信号从高电平下降的过程中电路状态发生转换所对应的输入电平不同 第二, 在电路状态转换时, 通过电路内部的正反馈过程, 使输出电压波形的边沿变得很陡 利用这两个特点, 不仅可将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波, 而且还可以将叠加在矩形脉冲高 低电平上的噪声有效地清除

第十五章脉冲波形的产生和整形 4 5.4. 用门电路组成的施密特触发器 用 TTL 门电路构成的施密特触发器如图 5-7(a) 所示 G G 组成基本 S 触发器, 二极管 D 起电平偏移作用 Q Q (V) G & & G.4 TH S 0.7 TL G D Q OH (a) 图 5-7 施密特触发器及工作波形 OL (b) 设输入触发信号 为三角波, 如图 5-7(b) 所示 当 =0V 时, = D =0.7V< T =.4V, 故 S= =0 因此, 基本 S 触发器清 0,Q=0, Q =, 这是第一稳态 由于触发器处于 0 态, 端的信号改变不会影响触发器的状态, 因此, 当 升高 时, 只要 < T =.4V, 则 S 保持 不变, 触发器维持 0 态不变 但 继续上升到 高于 T 时,S=0,= 因此, 基本 S 触发器置于, 即电路翻转到第二稳态 (Q=, Q =0) 此时, 又由于触发器处于 态,S 端的信号改变不会影响触发器的状态, 因此, 当 继续升高, 而后下降时, 只要 >0.7V, 则 >.4V, 维持 =, 触发器维持状态 不变 但 继续下降到低于 0.7V 时, 使 低于 T, 则 =0,S= 因此, 基本 S 触发器清 0, 电路又翻转到第一稳态 由上面分析可见, 当 从低电平上升时的触发翻转电平为 TH =.4V; 而当 从高电平下降时的触发翻转电平为 TL =0.7V TH 称为上限触发电平 ( 或接通电平 ), TL 为下限触发电平 ( 或断开电平 ) 它们之间的差值称为回差电压, 简称回差, 用 Δ 表示, 即 Δ= TH - TL 回差特性是施密特触发器的固有特性 在不同的应用场合对回差的大小要求不同, 有时希望回差越小越好 ; 而有时又希望有合适的回差 5.4. 集成施密特触发器 由于施密特触发器的应用非常广泛, 所以, 无论是在 TTL 电路中还是在 MOS 电路中, 都有单片集成的施密特触发器产品

4 第三篇数字逻辑电路基础图 5-8 是 TTL 电路集成施密特触发器 74 的电路图 因为在电路的输入部分附加了与的逻辑功能, 同时在输出端附加了反相器, 所以也把这个电路叫做施密特触发的与非门 在集成电路手册中把它归入与非门一类中 5 7 9 4k k.4k 0Ω i B D i c T T 6 A u T i c B T D 5 D 6 T 4 u E D A 4 6 T 5 D 4 480Ω B 8 D 二极管与门施密特电路电平偏移输出电路 图 5-8 四输入与非门的 TTL 集成施密特触发器 & 图形符号 Y 这个电路包含二极管与门 施密特电路 电平偏移电路和输出电路四个部分 其中核心部分是 T T 和 4 组成的施密特电路 施密特电路是通过公共发射极电阻耦合的两级正反馈放大器 假定三极管发射结的导通压降和二极管的正向导通压降均为 0.7V, 那么, 当输入端的电压使得 : u u E =u BE <0.7V 则 T 将截止,T 饱和导通 若 有如下的正反馈过程发生 : u 逐步升高, 当 u BE >0.7V 时,T 进入导通状态, 并 u i c u c i c u BE 从而使电路迅速转为 T 饱和导通 T 截止的状态 若 u 从高电平逐渐下降, 并且降到 u BE 只有 0.7V 左右时,i c 开始减小, 于是又引发了另一个正反馈过程 : u i c u c i c u E 使电路迅速返回 T 截止 T 饱和导通的状态 可见, 无论 T 由导通变为截止还是由截止变为导通, 都伴随有正反馈过程发生, 使 T 输出端电压 的上升沿和下降沿很陡 u BE u E 同时, 由于 >, 所以,T 饱和导通时的 u E 值必然低于 T 饱和导通时的 u E 值 因

第十五章脉冲波形的产生和整形 4 此,T 由截止变为导通的输入电压高于 T 由导通变为截止时的输入电压, 这样 就得到了施密特触发特性 若以 和分别表示和相对应的输入电压, 则 T+ T 同样也一定高于 T+ T+ T T+ T 由于 T 导通时, 施密特电路输出的低电平较高 ( 约为.9V), 若直接将 相连, 将无法使 T 截止, 所以必须在 得.9V 时, 电平偏移电路的输出仅为 0.5V 左右, 保证 T 4 能可靠截止 为了降低输出电阻, 以提高电路的驱动能力, 在整个电路的输出部分设置了倒相级和推拉式输出级电路 T 与 T 4 的基极 与 T 4 的基极之间串进电平偏移电路 这样就使 T+ 5.4. 施密特触发器的应用 T- 5.4.. 用于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, 可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号 在图 5-9 的例子中, 输入信号是由 直流分量和正弦分量叠加而成的, 只要输入信号幅度大于 输出端得到同频率的矩形脉冲信号 图 5-9 用施密特触发器实现波形变换 T+, 即可在施密特触发器的 T+ T+ T+ T- T- T- (a) (b) (c) 图 5-40 用施密特触发器对脉冲整形 5.4.. 用于脉冲整形 在数字系统中, 矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变, 图 5-40 给出了几种常见的情 况 当传输线上的电容较大时, 波形的上升沿和下降沿将明显变坏, 如图 5-40(a) 所示 当传输线较长, 而且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时, 在波形的上升沿和下降沿

44 第三篇数字逻辑电路基础将产生振荡现象, 如图 5-40(b) 所示 当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时, 信号上将出现附加的噪声, 如图 5-40(c) 所示 无论出现上述的哪一种情况, 都可以通过用施密特触发器整形, 获得比较理想的矩形脉冲波形 由图 5-40 可见, 只要施密特触发器的 T+ 和 T- 设置的合适, 均能收到满意的整形效果 5.4.. 用于脉冲鉴幅由图 5-4 可见, 若将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端时, 只有那些幅度大于 T+ 的脉冲才会在输出端产生输出信号 因此, 施密特触发器能将幅度大于 T+ 的脉冲选出, 具有脉冲鉴幅的能力 T+ T- 图 5-4 用施密特触发器实现脉冲鉴幅 图 5-4 用施密特触发器构成的多谐振荡器 5.4..4 用于构成多谐振荡器利用施密特触发器的回差特性还能构成多谐振荡器 实现电路很简单, 只要将施密特触发器的反相输出端, 经 积分电路接回输入端即可 如图 5-4 所示 当接通电源后, 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 向电容 充电 当充到施密特触发器的输入端电压为 = T+ 时, 输出跳变为低电平, 电容 又经过电阻 开始放电 T+ T- 图 5-4 图 5-4 电路的电压波形图 图 5-44 脉冲占空比可调的多谐振荡器 当放电到 = T- 时, 输出电位又跳变成高电平, 电容 重新开始充电 如此周而复始, 电路便不停地振荡 和 的电压波形如图 5-4 所示

第十五章脉冲波形的产生和整形 45 若使用的是 MOS 施密特触发器, 而且 OH DD, OL 0, 则依据图 5-4 的电压波形得到计算振荡周期的公式为 : T = T + T ( = ln ( = ln DD DD T T+ DD DD ) ) T+ T T T + + ln T+ T (5-) 通过调节 和 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输出脉冲占空比的调节, 电路的接法如图 5-44 所示 在这个电路中, 因为电容的充电和放电分别经过两个电阻 和, 所以只要改变 和 的比值, 就能改变占空比 如果使用 TTL 施密特触发器构成多谐振荡器, 在计算振荡周期时应考虑到施密特触发器输入电路对电容充 放电的影响, 因此, 得到的计算公式要比式 (5-) 稍微复杂一些 例 5- 已知图 5-4 电路中的施密特触发器为 MOS 电路 4006, DD =0V, =0kΩ,=0.0μF, 试求该电路的振荡频率 解 : 由 4006 的电压传输特性可查到 T+ =6.V, T- =.7V 将 T+ T- 及给定的 DD 数值代入式 (5-) 后得 : T DD T T+ 8 7. 6. = ln = 0 0 0 ln = 0.5(ms) DD T T.7.7 s + 5.5 555 定时器及其应用 555 定时器是一种多用途单片集成电路, 利用它能极方便地构成施密特触发器 单稳态触发器和多谐振荡器 555 定时器使用灵活 方便, 所以在波形产生与变换 测量与控制 家用电器 电子玩具等许多领域中都得到广泛应用 正因如此, 自从 Signeics 公司于 97 年推出这种产品之后, 国际上各主要电子器件公司也都相继地生产了各自的 555 定时器产品 尽管产品型号繁多, 但所有双极型产品型号最后的 位数码都是 555, 所有 MOS 产品型号最后 4 位数码都是 7555 而且, 它们的功能和外部引脚的排列完全相同 为了提高集成度, 其后又生产了双定时器产品 556( 双极型 ) 和 7556(MOS 型 ) 5.5. 555 定时器的电路结构与工作原理图 5-45 是 555 定时器的内部结构图 它由三个精度极高的 5kΩ 精密电阻 比较器 和 基本 S 触发器和集电极开路的放电三极管 T D 等部分组成 555 定时器正是因为其内部含有三个 5kΩ 精密电阻而得名 是比较器 的输入端 ( 也称阈值端, 用 TH 标注 ), 是比较器 的输入端 ( 也称

46 第三篇数字逻辑电路基础 触发端, 用 T 标注 ) 和 的参考电压 ( 电压比较的基准 ) 和 由 经三个 5k Ω 精密电阻分压给出 在控制电压输入 O 悬空时, D 8 4 =, 5kΩ G O 5 + u c Q & 如果 O 外接固定电压, 则 6 - (TH) 5kΩ = O, u = i O + & ( T ) & u c Q G G - 4 G D 是置零输入端 只有 5kΩ u 7 在 D 端加上低电平, 输出端 o T D (DIS) 便立即被置成低电平, 不 受其他输入状态的影响 正常工作时, 必须使 D 处于高 图 5-45 B555 定时器的电路结构图 电平 图中的数码 ~8 为器件引脚的编号 D 表 5-555 定时器的功能表输入输出 T D 状态 x x 0 > > 低 低 导通 导通 < > 不变 不变 高截止 < < 高截止由图可知, 当 > > 时, 比较器 的输出 u c =0 比较器 的输出 u c =, 基本 S 触发器被置 0,T D 导通, 同时 为低电平 当 < > 时,u c = u c =, 触发器的状态保持不变, 因而,T D 和输出的状态也维持不变 当 < < 时,u c = u c =0, 故触发器被置, 为高电平, 同时 T D 截止

第十五章脉冲波形的产生和整形 47 当 > < 时,u c =0 u c =0, 触发器处于 Q = Q = 的状态, 处于高电平, 同时 T D 截止 这样就得到了表 5- 所示的 555 定时器的功能表 为了提高电路的带负载能力, 还在输出端设置了缓冲器 G 4 如果 电源上, 那么, 只要这个电阻的阻值足够大, 为高电平时, 低电平时, 端经过电阻接到 也一定为高电平 ; 为 也一定为低电平 555 定时器能在很宽的电源电压范围内工作, 并可承受 较大的负载电流 双极型 555 定时器的电源电压范围为 5~6V, 最大负载电流达 00mA MOS 型 7555 定时器的电源电压范围为 ~8V, 但最大负载电流在 4mA 以下 5.5. 555 定时器的典型应用 5.5.. 用 555 定时器实现单稳态触发器 压 若以 555 定时器 端作为触发信号的输入端, 并将由 T D 和 组成的反相器输出电 接至, 同时在 对地接入电容, 就构成了如图 5-46 所示的单稳态触发器 如果没有触发信号时, 处于高电平, 那么稳态时这个电路一定处于 u c =u c = Q=0 =0 的状态 假定接通电源后, 触发器停 在 Q=0 的状态, 则 T D 导通,u c 0 故 u c =u c =,Q=0 及 =0 的状态将稳定地维 持不变 如果接通电源后, 触发器停在 Q= 的 状态, 这时 T D 一定截止, 便经 向 充电 当充到 u c = 时,u c 变为 0, 0.0μF 于是将触发器置 0 同时,T D 导通, 电 容 经 T D 迅速放电, 使 0 此后, 由 于 u c =u c =, 触发器保持 0 状态不变, 输出也相应地稳定在 =0 的状态 因此, 通电后电路便自动地停在 的稳态 O (5) (6) () (7) () (8) D (4) () 图 5-46 用 555 定时器构成的单稳态触发器 当触发脉冲的下降沿到达, 跳变到 以下时, 使 u c =0( 此时 u c =), 触发器被 置, 跳变为高电平, 电路进入暂稳态 与此同时 T D 截止, 经 开始向电容 充电 当充至 u = 时,u c 变成 0, 如果此时输入端的触发脉冲已消失, 回到高电

48 第三篇数字逻辑电路基础平, 则触发器将被置 0, 于是, 输出返回 =0 的状态 同时 T D 又变为导通状态, 电容 经 T D 迅速放电, 直至 u c 0, 电路恢复到稳态 图 5-47 画出了在触发信号作用下的 u c 和 相应的波形 输出脉冲宽度 w 等于暂稳态持续时间, 而暂稳态持续时间取决于外接电阻 和电容 的大小 由图 5-47 可知, w 等于电容电压在充电 过程中从 0 上升到 所需要的时间, 因此得到 : 0 w = ln = ln =. 通常 的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间, 电容 的取值范围为几百皮法到几百微法, w 的范围为几微 秒到几分钟 必须注意的是, 随着 w 的宽度增加, u c 它的精度和稳定度则将下降 5.5.. 用 555 定时器实现施密特触发器 w 将 555 定时器的 和 两个输入端连在一起作图 5-47 单稳态触发器工作波形为信号输入端, 如图 5-48 所示, 即可得到施密特触发器 由于比较器 和 的参考电压不同, 因而, 基本 S 触发器的置 0 信号 (u c =0) 和置 信号 (u c =0) 必然发生在输入信号 的不同电平 因此, 输出电压 由高电平变为低电平或由低电平变为高电平对应的 值也不相同, 这样就形成了施密特触发特性 为提高比较器参考电压 和 的稳定性, 通常在 O 端接有 0.0μF 左右的滤波电容 首先分析 从 0 逐渐升高的过程 : 当 u i < 时,u c = u c =0 Q=, 故 =u OH ; 当 < ui < 时,u c =u c =, 故 =u OH 保持不变 ; 当 u i > 以后,u c =0 u c = Q=0, 故 =u OL 因此, T = + 其次, 再看 从高于 开始下降的过程 :

第十五章脉冲波形的产生和整形 49 当 < ui < 时,u c =u c =, 故 =u OL 不变 ; 当 u i < 以后,u c = u c =0 Q=, 故 =u OH 因此, T = 由此得到电路的回差电压为 : Δ T = T+ T = 图 5-49 是图 5-48 电路电压传输特性, 它是一个典型的反相输出施密特触发特性 O (5) (8) D (4) (6) () () 0.0μF (7) () 图 5-48 用 555 定时器接成的施密特触发器 0 图 5-49 图 5-48 电路电压传输特性 如果参考电压由外接电压 O 供给, 则不难看出, 这时 T+ = O T _ = O Δ T = O 通过改变 O 值可以调节回差电压大小 5.5.. 用 555 定时器实现多谐振荡器前面已经讲到, 只要把施密特触发器的反相输出端经 积分电路接回到它的输入端, 就可以构成多谐振荡器 因此, 只要将 555 定时器的 和 连在一起接成施密特触发器, 然后再将 经 积分电路接回输入端就同样可构成一个多谐振荡器

40 第三篇数字逻辑电路基础 0.0μF O (5) (6) () (7) (8) () D (4) () 图 5-50 用 555 定时器组成的多谐触发器 u c T T T 图 5-5 图 5-50 电路电压波形图 为了减轻门 G 4 的负载, 在电容 的容量较大时不宜直接由 G 4 提供电容充 放电电 流 为此, 在图 5-50 电路中将 T D 与 接成一个反相器, 它的输出 平状态上完全相同 将 与 在高 低电 经 和 组成积分电路接到施密特触发器的输入端同样也能构 成多谐振荡器 根据前面的分析得知, 电容上的电压 u c 将在 T+ 与 T- 之间往复振荡,u c 和 的波形如图 5-5 所示 由图 5-5 中 u c 的波形可求得电容 的充电时间 T 和放电时间 T 各为 : T T = ( + ) ln = ( + ) ln T+ (5-) 0 T+ T = ln = 0 T ln (5-) 振荡频率为 : 故电路的振荡周期为 : T = T + T = + ) ln (5-4) ( f = = T ( + ) ln (5-5) 通过改变 和 参数, 即可改变振荡频率 用 TTL 型 555 定时器组成的多谐振荡器最高振荡频率达 500kHz, 用 MOS 型 555 定时器组成的多谐振荡器最高频率可达 MHz 由式 (5-) 和式 (5-4) 可求出输出脉冲的占空比为 : q T T + + = = (5-6)

第十五章脉冲波形的产生和整形 4 上式说明, 图 5-50 电路输出脉冲的占空比始终大于 50% 为了得到小于或等于 50% 的占空比, 可以采用 5-5 所示的改进电路 由于接入二极管 D 和 D, 电容的充电电流 和放电电流经不同路径, 充电电流只流经, 放电电流只流经, 因此, 电容 的充电 时间为 : T = ln 而放电时间为 T = ln 故得输出脉冲占空比为 : q = (5-7) + 若取 =, 则 q=50% 成 : 图 5-5 电路的振荡周期也相应地变 T=T +T =( + )ln (5-8) 例 5- 试用 555 定时器设计一个多 谐振荡器, 要求振荡周期为 秒, 输出脉 冲幅度大于 V 而小于 5V, 输出脉冲的占空比 q=/ 解 : 由 555 定时器的特性参数可知, 当 电源电压取 5V 时, 在 00mA 的输出电流下 输出电压的典型值为.V, 所以取 =5V 可以满足对输出脉冲的幅度要求 若采用图 5-50 电路, 则根据式 (5-6) 可知 : q = 故得 = 由式 (5-4) 知 + = + T=( + )ln = ln= 若取 =0μF, 则代入上式得 : = = = 48(kΩ) 5 ln 0 0.69 因为 =, 所以取两只 47kΩ 电阻与 kω 的电位器串联, 便得到图 5-5 所示的设 计结果 D (6) () () D O (5) (7) () (8) D (4) 图 5-5 用 555 定时器组成占空比可调多谐振荡器 47k +5V 8 7 6 5 k B555 47k 0.0 4 μf 0μF 图 5-5 例 5- 设计的多谐振荡器

4 第三篇数字逻辑电路基础 习题 5- 一阶 电路如题图 5- 所示 当 =0 时将开关合上, 分别写出下列三种情况下, 电容 上的电压 u () 的函数表达式 ()E 为 0, 在 =0 时电容上的初始电压 u () ()E 为常数, 在 =0 时电容上的初始电压为 0 S + + E u () - - 题图 5- 习题 5- 电路图题图 5- 习题 5- 电路图 ()E 为常数, 在 =0 时电容上的初始电压为 u (0) 5- 电路如题图 5- 所示 输入为方波, H =5V, L =0V, 频率 f=0khz, 根据信号频率和电路时间常数 τ 的关系, 定性画出下列三种情况下 o 的波形 ()=0kΩ,=0.5μF; ()=kω,=0.05μf; ()=00Ω,=500pF; u 5- TTL 与非 门组成的积分型单稳态电路 A & 如题图 5- 所示 G () 和微分型电路相比, 有何特点? G () 说明稳态情况下, 的电平值 题图 5- 习题 5- 电路图 () 电阻 的取值有何限制? (4) 在触发信号作用下, 画出电路的充 放电回路, 并导出输出脉冲宽度 T w 的计算公式 (5) 电路对输入脉冲宽度有何要求? 若输入脉宽不满足要求, 可采用什么办法解决? 5-4 用 555 定时器接成的施密特触发器电路如图 5-48 所示, 试问 : () 当 =V, 没有外接控制电压时, T+ T- 及 Δ T 各为多少伏? () 当 =V, 控制电压 O =5V 时, T+ T- 及 Δ T 各为多少伏? 5-5 比较题图 5-4(a) 和 (b) 所示的多谐振荡器电路 () 说明图 (a) 电路的振荡频率和哪些参量有关? () 图 (b) 电路有何特点? 振荡频率和哪些因素有关?

第十五章脉冲波形的产生和整形 4 (a) 题图 5-4 习题 5-5 电路图 (b) 5-6 试用 555 定时器设计一个振荡周期 T 为 00ms 的方波脉冲发生器 给定电容 =0.47μF, 试确定电路的形式和电阻大小 5-7 试用 555 定时器芯片设计一个占空比可.5V 调试的多谐振荡器 电路的振荡频率为 0kHz, 占空.75V 比 q=0. 若取电容 =0.0μF, 试确定电阻阻值 5-8 试用 555 定时器构成一个施密特触发器, 以实现题图 5-5 所示的鉴幅功能 画出芯片接线图 并表明有关参数值 5-9 题图 5-6 是一个简易电子琴电路 当琴键 S ~S n 均未按下时, 三极管 T 接近饱和导通,u E 约为 0V, 使 555 定时器组成的振荡器停振 当按下 题图 5-5 习题 5-8 电路图 不同的琴键时, 因 ~ n 的阻值不等, 使得输出信号的频率不同, 导致扬声器发出不同 声音

44 第三篇数字逻辑电路基础 0k 8 4 n E 7 u E 6 S S S n 0k T 5 0.μ B V 00μ b a 题图 5-6 习题 5-9 电路图 题图 5-7 习题 5-0 电路图 若 B =0kΩ, =0kΩ, E =kω, 三极管的电流放大倍数 β=50, =V, 振荡器外接电阻 电容参数如图所示, 试计算按下琴键 S 时扬声器发出声音的频率 5-0 题图 5-7 所示为反相器构成的多谐振荡器, 试分析其工作原理, 画出 a b 点及 的工作波形, 求出振荡周期的公式