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（ＣＭＯＳ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.
Vcc
D7
TH6
CO5
8
Vo
5G555
1GND
2TR
3OUT
4RD
Vo图7.1 5G555计时器
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。RD是锁存器的外部复位端，低电平有
效。当RD=0时，Q=1。使电路输出（ＯＵＴ端，引脚３）为０。正常工作时，RD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Q=0时，ＴＤ截止；当
Q=1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RD0111
①
Vi2(TH)＜Vcc＜Vcc
Vi2(TR)Vcc＜Vcc3Vcc
Vo(OUT)
001不变
TD(放电管）
导通导通截止不变
只要外部复位端RD=0，不管Ｖｉ１Ｖｉ２为何值，使Q=1，因此电路输出Ｖ０＝
０，放电管ＴＤ导能。正常工作时RD=1。 ②
当RD=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Q=1，Ｖ０＝０，ＴＤ导通。
③
当RD=1且Ｖｉ１＜２／３ＶＣＣ，Ｖｉ２＜１／３ＶＣＣ时，ＵＣ１＝１，ＵＣ２＝０，
Q=0，Ｖ０＝１，ＴＤ截止。
④
且Ｖｉ１＜２／３ＶＣＣ，Ｖｉ２＞１／３ＶＣＣ时，两个比较器输出均为１，当RD=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RD=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。５～１８Ｖ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
VOL
VOHVOL
T-T+
Vi
图7.2
施密特触发器逻辑符号及电压传输特性
T-T+
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。
Vcc
8
4
2/3V1/3VVi
6
5G5553
21
5
0.01uF
Vo
图7.3
用555定时器构成的施密特触发器
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VT_大约在0.8V左右，其回差电压大约在0.9 V左右。
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VT+、VT_和∆VT皆有一定的分散性。例如，CC40106当电源电压VCC=15V时，VT+＝6.8V∼10.8V, VT_=4∼7.4V, ∆VT=1.6∼5V。当VCC＝5V时，VT+＝2.2∼3.6,
VT_=0.9∼2.8V, ∆VT=0.3∼1.6V。
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。
VT+VT−
Vo
图7.4
用施密特触发器实现波形变换
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。
Vi
VO
VVV0t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
ViVO
V
V
VO
0t
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。
图7.7 由555定时器构成的单稳态触发器
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TD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VC点电位升高当VC≥2/3VCC时，将使比较器C1的输出UC1为低电平，即UC1＝0，使Q＝1，VO＝VOL。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VO也保持VO＝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VO由VOL跳变为VOH ，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VC略高于2/3VCC时，使UC1＝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2/3VCC之前，输入要提前回到高电平，使UC2＝1）。这样，RS锁存器被放置0，输出Vo又返回到VO＝VOL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。
2/3VCC
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VC从0上升到2/3VCC所需时间，故tw≈RCln
VCC
=RCln3=1.1RC VCC−VCC
3
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VT+和VT
_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：
0VV
V(a)
(b)
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＞VT+，所以电路状态翻转，VO＝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VT_时，电路状态再次
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VT_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：
tw=RCln
VR(∞)−VR(0+)VR∞−VRtw=RCln
VDD
VT−
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。A1、A2、B是触发输入，Q、Q是互补输出。
图7.10（b）是74121的逻辑符号。
B
A1
Q
Q
(a) 逻辑电路
Q
Q
(b) 逻辑符号
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
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1和2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于Q=0和Q=1的状态，
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。
图7.10 74121集成单稳态
触发器
表7.2 7412１功能表
1
2B
Q12BQ01
10
0000
1111
11
1
11
11
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R
ext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
Vcc
(a) 利用内部Rint的连接图
(b) 外接R,C的连接图
1
图7.11
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。
(a)
图7.12 用单稳态触发器实
现脉冲整形
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C1和R1所决定的暂稳时间tw1，且VO的脉冲宽度tW2可由74121（2）的C2和R2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。
Vc
Vo
Vi
Q1(b)
图7.13 用74121构成脉冲延时电路
t
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。
Vcc
Vi
VB
VA
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.
V0
成的多谐振荡器
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,=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.
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
τ1=(R1+R2)C故:
1VCC−VCC
=(R1+R2)Cln2 T1=(R1+R2)Cln
VCC−VCC
3
T2为从2/3Vcc 下降到1/3Vcc所需时间,放电时间常数τ2=R2C,故:
20−VCC
=R2Cln2 T2=R2Cln
0−VCC
3
因此，T=T1+T2=(R1+2R2)ln2≈0.7(R1+2R2)C正脉宽T1与周期T之比称作占空比，有q表示，则：
q=
T1R+R2
=1 T2R1+2R2
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RW,再用D1,D2两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RW,就可改变输出矩形波的占空比.
V图7.17
如果把RW 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τ1=R1·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τ2=R2·C;因此:
T1≈0.7R1·C T2≈0.7R2·C
q=
T1R1
=
T1+T2R1+R2
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Vi为低电平,故电路 输出Vo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。
Vi
V
V0
V0
C
(a)
(b)
图7.18用施密特触发器构成的多谐振荡器
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：
T=TVDD−VT0−V−VV1+T2=RCln
V+RClnVTV=RClnDDTiT
DD−VT+0−T−VDD−VT+VT−
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
t
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107，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
C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。
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（ＣＭＯＳ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.
Vcc
D7
TH6
CO5
8
Vo
5G555
1GND
2TR
3OUT
4RD
Vo图7.1 5G555计时器
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。RD是锁存器的外部复位端，低电平有
效。当RD=0时，Q=1。使电路输出（ＯＵＴ端，引脚３）为０。正常工作时，RD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Q=0时，ＴＤ截止；当
Q=1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RD0111
①
Vi2(TH)＜Vcc＜Vcc
Vi2(TR)Vcc＜Vcc3Vcc
Vo(OUT)
001不变
TD(放电管）
导通导通截止不变
只要外部复位端RD=0，不管Ｖｉ１Ｖｉ２为何值，使Q=1，因此电路输出Ｖ０＝
０，放电管ＴＤ导能。正常工作时RD=1。 ②
当RD=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Q=1，Ｖ０＝０，ＴＤ导通。
③
当RD=1且Ｖｉ１＜２／３ＶＣＣ，Ｖｉ２＜１／３ＶＣＣ时，ＵＣ１＝１，ＵＣ２＝０，
Q=0，Ｖ０＝１，ＴＤ截止。
④
且Ｖｉ１＜２／３ＶＣＣ，Ｖｉ２＞１／３ＶＣＣ时，两个比较器输出均为１，当RD=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RD=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。５～１８Ｖ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
VOL
VOHVOL
T-T+
Vi
图7.2
施密特触发器逻辑符号及电压传输特性
T-T+
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。
Vcc
8
4
2/3V1/3VVi
6
5G5553
21
5
0.01uF
Vo
图7.3
用555定时器构成的施密特触发器
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VT_大约在0.8V左右，其回差电压大约在0.9 V左右。
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VT+、VT_和∆VT皆有一定的分散性。例如，CC40106当电源电压VCC=15V时，VT+＝6.8V∼10.8V, VT_=4∼7.4V, ∆VT=1.6∼5V。当VCC＝5V时，VT+＝2.2∼3.6,
VT_=0.9∼2.8V, ∆VT=0.3∼1.6V。
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。
VT+VT−
Vo
图7.4
用施密特触发器实现波形变换
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。
Vi
VO
VVV0t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
ViVO
V
V
VO
0t
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。
图7.7 由555定时器构成的单稳态触发器
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TD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VC点电位升高当VC≥2/3VCC时，将使比较器C1的输出UC1为低电平，即UC1＝0，使Q＝1，VO＝VOL。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VO也保持VO＝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VO由VOL跳变为VOH ，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VC略高于2/3VCC时，使UC1＝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2/3VCC之前，输入要提前回到高电平，使UC2＝1）。这样，RS锁存器被放置0，输出Vo又返回到VO＝VOL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。
2/3VCC
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VC从0上升到2/3VCC所需时间，故tw≈RCln
VCC
=RCln3=1.1RC VCC−VCC
3
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VT+和VT
_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：
0VV
V(a)
(b)
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＞VT+，所以电路状态翻转，VO＝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VT_时，电路状态再次
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VT_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：
tw=RCln
VR(∞)−VR(0+)VR∞−VRtw=RCln
VDD
VT−
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。A1、A2、B是触发输入，Q、Q是互补输出。
图7.10（b）是74121的逻辑符号。
B
A1
Q
Q
(a) 逻辑电路
Q
Q
(b) 逻辑符号
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
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1和2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于Q=0和Q=1的状态，
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。
图7.10 74121集成单稳态
触发器
表7.2 7412１功能表
1
2B
Q12BQ01
10
0000
1111
11
1
11
11
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R
ext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
Vcc
(a) 利用内部Rint的连接图
(b) 外接R,C的连接图
1
图7.11
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。
(a)
图7.12 用单稳态触发器实
现脉冲整形
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C1和R1所决定的暂稳时间tw1，且VO的脉冲宽度tW2可由74121（2）的C2和R2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。
Vc
Vo
Vi
Q1(b)
图7.13 用74121构成脉冲延时电路
t
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。
Vcc
Vi
VB
VA
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.
V0
成的多谐振荡器
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,=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.
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
τ1=(R1+R2)C故:
1VCC−VCC
=(R1+R2)Cln2 T1=(R1+R2)Cln
VCC−VCC
3
T2为从2/3Vcc 下降到1/3Vcc所需时间,放电时间常数τ2=R2C,故:
20−VCC
=R2Cln2 T2=R2Cln
0−VCC
3
因此，T=T1+T2=(R1+2R2)ln2≈0.7(R1+2R2)C正脉宽T1与周期T之比称作占空比，有q表示，则：
q=
T1R+R2
=1 T2R1+2R2
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RW,再用D1,D2两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RW,就可改变输出矩形波的占空比.
V图7.17
如果把RW 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τ1=R1·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τ2=R2·C;因此:
T1≈0.7R1·C T2≈0.7R2·C
q=
T1R1
=
T1+T2R1+R2
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Vi为低电平,故电路 输出Vo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。
Vi
V
V0
V0
C
(a)
(b)
图7.18用施密特触发器构成的多谐振荡器
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：
T=TVDD−VT0−V−VV1+T2=RCln
V+RClnVTV=RClnDDTiT
DD−VT+0−T−VDD−VT+VT−
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
t
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107，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
C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。