第8章振荡电路

1、2022-4-2918.1 单稳态触发器单稳态触发器8.2 施密特触发器施密特触发器8.3 多器多器谐振荡谐振荡8.4 555定时器及其应用定时器及其应用8 脉冲波形的变换与产生脉冲波形的变换与产生2022-4-2921 1、正确理解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触、正确理解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的电路组成及工作原理。发器的电路组成及工作原理。2 2、掌握多谐、单稳、施密特触发器、掌握多谐、单稳、施密特触发器MSIMSI器件的逻辑器件的逻辑功能及主要指标计算。功能及主要指标计算。3 3、掌握、掌握555555定时器的工作原理及其应用。定时器的工作原理及其应用。教学基本要求教学

2、基本要求2022-4-293 电路在没有触发信号作用时处于一种稳定状态。电路在没有触发信号作用时处于一种稳定状态。单稳态触发器的工作特点：单稳态触发器的工作特点： 在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态; ; 由于电路中由于电路中RC延时环节的作用，暂稳态不能长保持延时环节的作用，暂稳态不能长保持,经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间仅取与持续时间仅取与RC参数值有关。参数值有关。8.1单稳态触发器单稳态触发器2022-4-294 门电路组成的单稳态触发器门电路组成的单稳态触发器M

3、SI集成单稳态触发器集成单稳态触发器不可重复触发不可重复触发单稳态触发器单稳态触发器可重复触发可重复触发单稳态触发器单稳态触发器用用555定时器组成的单稳态触发器定时器组成的单稳态触发器按电路形式不同按电路形式不同单稳态触发器的单稳态触发器的分类分类工作特点划分工作特点划分2022-4-2951;p)1(tRC 2、波形、波形1uTtU0tpV0)0(_ CuCR1u2u+_+_iRu+_t2Utt12utt2t1Uu12022-4-2961utt1UtpOt2uOV0)0(_ CuCR1u2u+_+_iCu+_电路参数使时间常数电路参数使时间常数=RCtp（矩形脉冲的脉宽）。（矩形脉冲的脉宽

4、）。由于电容器的充放电进行得很快，由于电容器的充放电进行得很快，因此电容器因此电容器C上的电压上的电压uc(t)接近等接近等于输入电压于输入电压u1(t).2022-4-2978.1.1 用用CMOS门电路组成的微分型单稳态触发器门电路组成的微分型单稳态触发器 1. 1. 电路电路CMOS与非门构成的微分型与非门构成的微分型单稳态触发器单稳态触发器 CMOS或非门构成的微分型或非门构成的微分型单稳态触发器单稳态触发器 稳态为稳态为1稳态为稳态为0 R vO G2 & C D vI2 vC 1 Rd vI Cd G1 vd vO11 1 vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI

5、 vI2 vC 1 Rd Cd vd 2022-4-298电路处于一种稳态：电路处于一种稳态： 1 vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 1 Rd Cd vd 0 00 01 11 10 0 o =0 c =0a)没有触发信号时，没有触发信号时， I=0设定设定CMOS反相器的阈值电压反相器的阈值电压2THDDVV 工作原理：工作原理：2022-4-299b)b)外加触发信号外加触发信号 d d =VTH产生如下正反馈过程：产生如下正反馈过程： vO vI vO1 vI2 迅速使迅速使 o1 = 0 o =1 vI 0 t vd 0 t vO1 vO vI2 0 t

6、 t t 0 VTH VDD t1 t2 0 电路进入暂稳态电路进入暂稳态 电容充电电容充电 I21 10 0 1 vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 1 Rd Cd vd 2022-4-2910c)c)电容充电电容充电, ,电路由暂稳态自动返回到稳态电路由暂稳态自动返回到稳态 1 vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 1 Rd Cd vd 0 01 1 I2 I2 =VTH产生如下正反馈过程：产生如下正反馈过程： vI2 vO vO1 迅速使迅速使 o1 = 1 o =0vo2 vO1 vR vI 0 t vd 0 t vO11 vO

7、 vI2 0 t t t 0 VTH VDD t1 t2 0 tw2022-4-2911 tw0.7RC （1） 输出脉冲宽度输出脉冲宽度tw(2) 恢复时间恢复时间tre tre 3 =3RC (3) 最高工作频率最高工作频率 fmax 3、 主要参数的计算主要参数的计算 vO1 vI vO vI2 0 0 t t t t tW 0 VTH VDD t1 t2 vd 0 t 0 TH0V)()()(tCCC l ln nW W R RC CvC(0+) = 0；vC( ) =VDD =RC, VTH = VDD /2THDDDDw0VVVlnRCt = RCln2rew11ttTfminma

8、x 2022-4-29124. 讨论讨论a)在暂稳态结束在暂稳态结束(t= t2)瞬间，门瞬间，门G2的输入电压的输入电压 I2达到达到VDD+VTH，可能损坏可能损坏G2门，怎么办？门，怎么办？ vO1 G1 1 1 G2 C vI R VDD vO Cd Rd vO 1 G3 VD 2022-4-29138.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器(a)v vO Ov vI It tw wt tw w(b)vOvItwtw不可重复触发不可重复触发可重复触发可重复触发被重复触发被重复触发没有被重复触发没有被重复触发2022-4-2914 1. 不可重复触发的集成单稳态触发器不可重复触发的集成

9、单稳态触发器 74121触发信号控制电路触发信号控制电路微分型单稳触发器微分型单稳触发器电路的连接：电路的连接：R：外接电阻或采用内部电阻：外接电阻或采用内部电阻C：外接电阻容：外接电阻容 B A1 A2 G1 & G2 & G3 & G4 & a G5 & 1 G6 & Cext Rext Rext/Cext Rint Rint G7 1 G8 1 G9 1 Q Q 触发信号控制电路触发信号控制电路 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 输出缓冲电路输出缓冲电路 (a) 逻辑图 2022-4-2915输出脉冲宽度：输出脉冲宽度： tw0.7RC

10、 电路的不可重复触发特性电路的不可重复触发特性 (1)工作原理工作原理在暂稳态期间即使有触发信号输入在暂稳态期间即使有触发信号输入,但由于但由于G4门在此期间关闭门在此期间关闭，不会被再次触发，电路属于不可重复触发单稳态触发器不会被再次触发，电路属于不可重复触发单稳态触发器暂稳态暂稳态: Q=1 Q=0 B A1 A2 G1 & G2 & G3 & G4 & a G5 & 1 G6 & Cext Rext Rext/Cext Rint Rint G7 1 G8 1 G9 1 Q Q 触触发发信信号号控控制制电电路路 微微分分型型单单稳稳态态触触发

11、发器器 输输出出缓缓冲冲电电路路 (a) 逻辑图 10002022-4-291674121功能表功能表 HHQA1A2BQL HL LHL LLHHH LHHHHHHL L逻辑功能表逻辑功能表不可触发，保持稳态不变不可触发，保持稳态不变A1、A2中有一个或两个为低电平，中有一个或两个为低电平，在在B端输入上升沿时电路被触发端输入上升沿时电路被触发B 和和A1、A2、 中有一个或两个为中有一个或两个为高电平，输入端有一个或两个下高电平，输入端有一个或两个下降沿时电路被触发降沿时电路被触发2022-4-29178.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用1. 定时定时 该电路可用于频率计该电路

12、可用于频率计 vO 与与门门 vA vB tW 单稳单稳态态 触发触发器器 vI vI O vB O vA O vO O tW t t t t 2022-4-2918 A1 Rext/ Cext VCC Cext A2 B Cext Rext/ Cext A1 A2 B Q Q VCC VCC vI vO R1 C1 R2 C2 74121 （1） 74121 （2） vO1 vI t t1 0 t tw1 tw1 vO1 0 t tw2 tw2 vO 0 2. 延时延时2022-4-29194. 组成噪声消除电路组成噪声消除电路 单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度而小于信号脉宽，才可单稳触发

13、器的输出脉宽应大于噪声宽度而小于信号脉宽，才可消除噪声。消除噪声。 如用如用 I作为下降沿触发的计数器触发脉冲作为下降沿触发的计数器触发脉冲,干扰加入干扰加入,就会造成就会造成计数错误计数错误. vI Q vO 噪声噪声 C R VCC Cext Rext/Cext 7412A1 A2 B vI Q 1D C1 R Q vO 2022-4-29208.2 施密特触发器施密特触发器8.2.1 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8.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器8.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 2022-4-29218.2 施密特触发器施密特触发器1 1

14、、施密特触发器、施密特触发器电压传输特性电压传输特性及工作特点：及工作特点： 施密特触发器属于电平触发器件，当输入信号达到某一定电施密特触发器属于电平触发器件，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。压值时，输出电压会发生突变。 电路有两个阈值电压。电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时，电路的阈值输入信号增加和减少时，电路的阈值电压分别是正向阈值电压电压分别是正向阈值电压（VT+）和负阈值电压（）和负阈值电压（VT-） 。同相输出施密特触发器同相输出施密特触发器反相输出施密特触发器反相输出施密特触发器 1 vI vO 1 vI vO O vI vo VT VT+ VOH VOL

15、 oVT+ vO VOH VOL VT- - vI 2022-4-29221、电路组成、电路组成2、工作原理、工作原理 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 I18.2.1 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O11I212I1vRRRvRRRv2 R1 R2 I为三角波为三角波 假定：假定： 2THDDVV 2022-4-2923 108 6 4 2 0 vI/V 2 4 6 8 10 VOHVDD vO/V B 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI1O211I2121I RRRRRR00 1(1) I上升上升当当vI1=0， = 0VvO正

16、向阈值电压正向阈值电压 (VT+): I 值在增加值在增加过程中，使输出电压产生跳变时过程中，使输出电压产生跳变时所对应所对应 I 的值。的值。只要只要 I1 VTH，I1 (4)当当I下降下降, 也下降也下降则保持则保持 =VOHo当当 =VTH，电路产生如下正反馈，电路产生如下正反馈 ： I12022-4-2925 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI1 1 v vo ov vI I 传特性曲线传特性曲线 工作波形工作波形 vI VT VT O vO VDD O t t vO VDD O VT VT vI 2022-4-29268.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发

17、器 vI vO vO， VDD TP1 TP2 TP3 TN5 TN4 TN6 vS2 vS5 TP7 TN8 TP9 TN10 TN12 TP11 VDD 施施密密特特电电路路 整整形形电电路路 输输出出电电路路 1 vI vO 2022-4-29278.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 o vI vO1 VOH VOL VT+VT_ vO VOH VOL 0 t tWo vI t v vT+T+v vT-T- 1 vI vO 1. 1. 波形变换波形变换 2022-4-2928 vI VT+ VT 0 t vO VOH VOL 0 t (b) vO vI 1 2. 波形的整形波

18、形的整形 vO vI 1 vI VT+ VT 0 t vO VOH VOL 0 t (a) 2022-4-2929 1 v vo ov vI I o VT+ vO VOH VOL VT- 合理选择回差电压，可消除干扰信号。合理选择回差电压，可消除干扰信号。 vI O vO O vO O VT2 VT1 t t t 3.3.消除干扰信号消除干扰信号2022-4-2930 VT- vI 0 VT+ 0 t vO VO H VO L 0 1 o oI I4. 幅度鉴别幅度鉴别 o VT+ vO VOH VOL VT- - vI 2022-4-29318.3 多谐振荡器多谐振荡器8.3.1 由门电路组

19、成的多谐振荡器由门电路组成的多谐振荡器8.3.2 由门电路组成的多谐振荡器由门电路组成的多谐振荡器8.3.3 用施密特触发器构成波形产生电路用施密特触发器构成波形产生电路2022-4-2932 开开关关电电路路 RC延时环节延时环节多谐振荡器的基本组成：多谐振荡器的基本组成：开关器件：产生高、低电平开关器件：产生高、低电平反馈延迟环节（反馈延迟环节（ RC电路）：利用电路）：利用RC电路的充放电特性实现电路的充放电特性实现延时，输出电压经延时后延时，输出电压经延时后,反馈到开关器件输入端，改变电路反馈到开关器件输入端，改变电路的输出状态的输出状态,以获得所脉冲波形输出。以获得所脉冲波形输出。概

20、述概述8.3 多谐振荡器多谐振荡器2022-4-29338.3.1 由由CMOS门门电路组成的多谐振荡器电路组成的多谐振荡器 1. 电路组成电路组成 vID1 D2 TP TN vO1 R C D4 D3 TP TN vOG1 G2 +VDD VC 1 1 vI vO1 vO C R G1 G2 组成的多谐振荡器组成的多谐振荡器.o1 =1, o =0 时时,电容充电电容充电, I增加增加;o1 =0, o =1 时时,电容放电电容放电, I下降下降;o1与与o2反相反相,电容接在电容接在o与与I之间之间:2022-4-2934 2. 工作原理工作原理DDTH0O 2NFFVVVV假定假定 电

21、路初态：电路初态：=1vO1=0vOvC= 0V电容充电电容充电vCvIvI当当=VTH 时，时，迅速使迅速使G1导通、导通、 G2截止截止电路进入第二暂态电路进入第二暂态vO2=1vO1=0=0vO 1=1vO（1）第一暂稳态（初态）电容充电，电路自动翻转到第二暂稳态）第一暂稳态（初态）电容充电，电路自动翻转到第二暂稳态vIvO1vO G1 G2 VDD TP D3 TP D1 充充 电电 vI D2 TN TN vO1 vO2 D4 R C vIVDDVTH0ttvOVDD02022-4-2935（2）第二暂稳态电容放电，电路自动翻转到第一暂稳态）第二暂稳态电容放电，电路自动翻转到第一暂稳

22、态电容放电电容放电vCvIvI当当=VTH 时时，迅速使得迅速使得G1截止、截止、G2导通导通电路返回第一暂稳态电路返回第一暂稳态O2=0 O1=12. 工作原理工作原理vIvO1vO G1 G2 VDD TP D3 TP D1 放放电电 vI D2 TN TN vO1 vO2 D4 R C vI VTH O VDD V V t vO2 VDD O T1 T2 t1 t2 第第一一 暂暂稳稳态态 第第二二 暂暂稳稳态态 t 2022-4-2936 TRC1n41.4RC 由门电路组成的多谐振荡器的振由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期荡周期T取决于取决于R、C电路和电路和 VTH，频率稳定性较差

23、。频率稳定性较差。 3. 振荡周期的计算振荡周期的计算THDDDD1lnVVVRCT THDD2n1VVRCT vI(0+) 0；vC( ) VDD =RC, t = t2-t1T1 :vI(0+) VDD ；vC( ) 0 =RC, t = t3-t2T2 : THTHDD2DD21n1V)VV(VRCTTT vI VTH O VDD V V t vO2 VDD O T1 T2 t1 t2 第第一一 暂暂稳稳态态 第第二二 暂暂稳稳态态 t 2022-4-2937v vo ov vI IV VT+T+V VT_T_V VOLOLV VOHOHT T1 1T T2 20 0t t0 0t t1

24、2DDTT+DDTTDDTT+DDTT-lnln()lnTTTVVVRCRCRVVVVVCVVVV C Cv vo ov vI IR R1 18.3.2 用施密特触发器构成波形产生电路用施密特触发器构成波形产生电路2022-4-29388.3.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器1、石英晶体电路符号和选频特性、石英晶体电路符号和选频特性电路符号电路符号 阻特性阻特性 fXf0电电感感性性电电容容性性电电容容性性当当 f = f0 时时,电抗电抗 X = 02022-4-29392、石英晶体振荡器、石英晶体振荡器R: 使使G1工作在线性区工作在线性区C1 : 耦合电容耦合电容C2 : 抑制高次谐波抑

25、制高次谐波 G1 1 G2 1 C1 R C2 R vO 2022-4-2940 1 2 1 & 石 英 晶 体 振 荡 器 1J 1K VCC CP vO Q Q & C1 CPQ123、双相脉冲产生电路双相脉冲产生电路2022-4-29418.4 555定时器及其应用定时器及其应用8.4.1 555定时器定时器8.4.2 用用555定时器组成施密特触发器定时器组成施密特触发器8.4.3 用用555定时器组成定时器组成单稳态触发器单稳态触发器 8.4.4 用用555定时器定时器组成组成多谐振荡器多谐振荡器2022-4-2942555定时器是一种应用方便的中规模集成电路定时器是

26、一种应用方便的中规模集成电路, 广泛用于信号的产广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。生、变换、控制与检测。 8.4 555定时器及其应用定时器及其应用电阻分压器电阻分压器电压比较器电压比较器基本基本SR锁存器锁存器输出缓冲反相器输出缓冲反相器集电极开路输出三极管集电极开路输出三极管 TvovICvI1vI2voC1C2+-+(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)RS&5 k 5 k 5 k &1RDVCC (8)G1、电路 结构8.4.1 555定时器定时器2022-4-29432、工作原理、工作原理 VCC 5k vIC vI1 C1 5k vI2 C2 5k v O

27、T S R RD & & & 1 G vO 不变不变不变不变1导通导通01截止截止11导通导通00放电放电管管T输出输出(VO)复位复位(RD)触发输入触发输入(VI2)阈值输入阈值输入(VI1)输输 出出输输 入入CC31V CC31V CC31V CC32V CC32V CC32V 2022-4-2944 3、555定时器功能表定时器功能表不变不变不变不变1导通导通01截止截止11导通导通00放电管放电管T输出输出(VO)复位复位(RD)触发输入触发输入(VI2)阈值输入阈值输入(VI1)输输 出出输输 入入CC31V CC31V CC31V CC32V CC32V

28、 CC32V 2022-4-29458.4.2 用用555定时器组成施密特触发器定时器组成施密特触发器 VCC 5k vIC vI1 C1 5k vI2 C2 5k v O T S R RD & & & 1 G (3vvI如何改变电路的阈值电压和回差电压如何改变电路的阈值电压和回差电压? vI VCC 2 3 VCC 1 3 O vO O t t vO O VCC/3 vI 2VCC/3 2022-4-2946 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 VCC VCC1 8 4 555 6 2 vI R vO2 vO1 VIC 0.01 F 7 3 5 1 波形变换波形变换

29、 t 1 3 VCC 2 3 VCC vI 0 t vO 1 VO H 0 o vI vO1 VOH VOL VT+VT_电路的频率可变电路的频率可变?占空比可变占空比可变?如何改变占空比如何改变占空比?回差电压减小回差电压减小,占空比如何变化占空比如何变化?2022-4-2947 波形产生电路波形产生电路( (多谐振荡器多谐振荡器 ) C Cv vo ov vI IR R1 1 VCC 8 4 555 6 2 R 0.01 F 7 3 5 1 C 2022-4-2948v vo ov vI IV VT+T+V VT_T_V VOLOLV VOHOHT T1 1T T2 20 0t t0 0t

30、 t12DDTT+DDTTDDTT+DDTT-lnln()lnTTTVVVRCRCRVVVVVCVVVV C Cv vo ov vI IR R1 12022-4-29498.4.3 用用555定时器定时器组成组成单稳态触发器单稳态触发器 1、电路、电路VCC VCC vI R vO 0.01 F C vC 8 4 555 7 6 2 3 5 1 5k vIC vI1 C1 5k vI2 C2 5k v O T S R RD & & & 1 G vO vI2022-4-2950外加触发信号，电路转换到暂态，输出为外加触发信号，电路转换到暂态，输出为1触发信号消除后，电容充

31、电电路自动转换到稳态输出为触发信号消除后，电容充电电路自动转换到稳态输出为0没有触发信号时没有触发信号时( i )电路处于稳态，电路处于稳态，输出为输出为0 0 13VCCVCC 5k vIC vI1 C1 5k vI2 C2 5k v O T S R RD & & & 1 G vO vI2022-4-2951 VCC vI R vO 0.01 F C vC 8 4 555 7 6 2 3 5 1 tw=RC1n31.1RC 4 4、）工作波形及输出脉宽的计算、）工作波形及输出脉宽的计算电路是可重复触发的单稳电路是可重复触发的单稳? ?如将如将5脚接电压脚接电压V,电路的脉宽会改变吗电路的脉宽会改变吗?V增加增加,脉宽脉宽如何改变如何改变?减小减小? vI O vC O vO O 2 3 VCC tW