第十章-02 (2)

1、1第十章 脉冲波形的产生和整形数字电路与系统2北航 电子信息工程学院10.4 多谐振荡器n对称式多谐振荡器n非对称式多谐振荡器n环形多谐振荡器n用施密特触发器构成的多谐振荡器n石英晶体多谐振荡器Multi-Vibrator vaibreit数字电路与系统3北航 电子信息工程学院10.4 多谐振荡器n对称式多谐振荡器 为了产生自激振荡，电路不能有稳态 通过反馈电阻设定一定的偏置电压，使得G1，G2工作在放大状态，且电压放大倍数大于1，此时只要输入电压有微小的扰动，就会通过正反馈回路引起振荡 电路静态工作点：处于电压传输特性的转折区，是不稳定的OFBECCFFIvRRRVVRRRv111111)(

2、数字电路与系统4北航 电子信息工程学院10.4 多谐振荡器n对称式多谐振荡器（1）由于某种原因使得vI1有微小正跳变时，必然发生正反馈使得 vO1 低， vO2 高，进入第一个暂稳态（2）同时C1开始充电，C2开始放电，由于C1经过R1和RF2两条支路充电，所以充电速度较快(1) (2) (3) (4)(5)数字电路与系统5北航 电子信息工程学院10.4 多谐振荡器n对称式多谐振荡器（3）vI2首先到达G2的阈值VTH，引起了正反馈使得vO2低， vO1高，进入第二个暂稳态（4）同时C2开始充电，C1开始放电，由于电路的对称性，这一过程与前面的充放电过程完全对应（5）当vI1到达G1的阈值VT

3、H，电路返回到vO1低，vO2高，回到第一个暂稳态(1) (2) (3) (4)(5)数字电路与系统6北航 电子信息工程学院第一个暂稳态的持续时间 T1 等于 vI2从C1开始充电到上升到 VTH 的时间THVVcVcVcRCt)()0()(lnTHEIKEEVVVVCRT11111ln)(BEOHCC212OH1E21211EVVVRRRVVRRRRRFFFF由于电路完全对称，总振荡周期T=2T1n对称式多谐振荡器 振荡周期戴维南定理数字电路与系统7北航 电子信息工程学院10.4 多谐振荡器n非对称式多谐振荡器CMOS门电路构成的非对称式多谐振荡器电路静态工作点处于电压传输特性的转折区的中点

4、，是不稳定的G1被偏置在转折区，则其输出馈入G2的输入，也将G2偏置到转折区，并增加了保护电阻。211121IODDIOvvVvv数字电路与系统8北航 电子信息工程学院（3）随着C的放电，vI1下降，当vI1=VTH，引起：（1）由于某种原因使得vI1有微小正跳变时，必然发生正反馈使得vO1低，vO2高，进入第一个暂稳态（2）同时C开始放电使得vO2低，vO1高，进入第二个暂稳态（4）同时C开始充电, （5）当vI1=VTH电路返回到vO1低，vO2高，又回到第一个暂稳态n非对称式多谐振荡器(1) (2) (3)(4) (5)数字电路与系统9北航 电子信息工程学院充电时间放电时间3ln)(ln

5、1CRVVVVVCRTFTHDDDDTHDDF3ln0)(0ln2CRVVVCRTFTHDDTHF振荡周期CRCRTTTFF2 . 23ln221THRRRVVVVRCt)()0()(lnn非对称式多谐振荡器保护电阻RP：足够大，门电路输入电路可以忽略),()()(PONFNONFRRRR放放电的电的等效电路等效电路充电的充电的等效电路等效电路数字电路与系统10北航 电子信息工程学院戴维宁定理 任何一个有源二端线性网络有源二端线性网络都可以用一个电动势电动势E的理的理想电压源想电压源和一个内阻内阻R0串联的电源来等效代替。电动势电动势 E 的数值为有源二端网络的开路电压U0。a有源二端网络bU

6、oR0Eab+- 由线性电阻，线性受控源和独由线性电阻，线性受控源和独立源组成的线性单口网络立源组成的线性单口网络N，就其，就其端口来看，可等效为一个电压源端口来看，可等效为一个电压源串联电阻支路。电压源的电压等串联电阻支路。电压源的电压等于该网络于该网络N的开路电压，其串联电的开路电压，其串联电阻为该网络中所有独立源为零值阻为该网络中所有独立源为零值时的入端等效电阻。时的入端等效电阻。数字电路与系统11北航 电子信息工程学院戴维宁定理 任何一个有源二端线性网络有源二端线性网络都可以用一个电动势电动势E的理的理想电压源想电压源和一个内阻内阻R0串联的电源来等效代替。a有源二端网络bUo内阻内阻

7、 R0 的数值为有源二端网络去源后的网络电阻(令电动势为零，用短路线代替；令恒流源为零，将其开路) 。R0Eab+-数字电路与系统12北航 电子信息工程学院 微分电路（高通滤波电路） RCtteVevvvtvIMOOOO0)()()()(三要素法：三要素法：电源电压保持为恒定值的时间内，元件电压随时间变化的波形v(t)，由它的起始值（记为v(0)）、它的稳态终止值（记为v ()）和时间常数 决定，可以一般地表示为： RCteVVVtv)0()()()(CCCC数字电路与系统13北航 电子信息工程学院 微分电路（高通滤波电路） 当微分电路输入方波信号时，输出波形应如何？设当微分电路输入方波信号时

8、，输出波形应如何？设RCTW 数字电路与系统14北航 电子信息工程学院 积分电路)()()()()(RCtteVeVVVtv10IMOOOO数字电路与系统15北航 电子信息工程学院+VCCT1截止导通VOL+VCCT4T5驱动门负载门IILIOL+VCCT4T5R4导通截止VOH驱动门IIHIOH+VCCT1负载门n TTL输入输出内部结构数字电路与系统16北航 电子信息工程学院+VCCT1截止导通VOL+VCCT4T5+VCCT1驱动门负载门IILIILIOL输出为低电平时输出为低电平时由于T5管的导通电阻为RON，VOL=IOLRON为了保证 VOL0.4v，要限制负载门的数目NL。+VC

9、CT4T5RC4导通截止VOH驱动门负载门IIHIIHIOH+VCCT1+VCCT1输出端为高电平时输出端为高电平时由于T4管的导通电阻为RON ，VOH VCC -IOH (RC4+RON)- 0.7v为了保证VOH2.4v，要限制负载门的数目NH。数字电路与系统17北航 电子信息工程学院+VCCT1be2 be5R1+VCCbe2 be5R1T1be2 be5+VCCR1T1be2 be5+VCCR1T1TTL与非门每个输入端电流的计算数字电路与系统18北航 电子信息工程学院多谐振荡器电容充放电的过程数字电路与系统19北航 电子信息工程学院数字电路与系统20北航 电子信息工程学院10.4

10、多谐振荡器n环形多谐振荡器利用延迟负反馈产生振荡 在静态（假定没有振荡时）下任何一个反相器的输入和输出只能处于高、低电平之间，处于放大状态。奇数个反相器首尾相连振荡周期为T=2 n tpd（n为奇数）传输延迟时间极短，振荡频率太高，而且不易调节t=tpdt=0t=2tpdt=3tpd3tpd6tpdvI1产生正跳变vI2产生负跳变vI3产生正跳变vo,vI1产生负跳变vI1跳变为低电平0 1 2 3 4 5 6tpd数字电路与系统21北航 电子信息工程学院附加RC充放电延迟环节将电容C 的接地端改接G1的输出端：加大了vI2到vI3的传输延迟时间保护电阻RS：防止vI3发生负跳变时流过反相器G

11、3输入端钳位二极管的电流过大n环形多谐振荡器数字电路与系统22北航 电子信息工程学院n环形多谐振荡器充电电路放电电路数字电路与系统23北航 电子信息工程学院THEOLOHTHEE1)(lnVVVVVVCRTTHOLOLOHTHOL2)(lnVVVVVVRCT)2ln(THTHOHTHOHTHOH21VVVVVVVRCTTT充电时间放电时间振荡周期（简化后）另外，实际上，阈值由于Rs的存在而偏小一些。n环形多谐振荡器数字电路与系统24北航 电子信息工程学院频率可调范围：有限；对于TTL与非门，R一般 1k Ohm左右，不能过大；改进电路电路中增加一级射级输出；缓冲隔离，可扩大R的取值范围到10

12、k频率调节范围扩大10倍n环形多谐振荡器数字电路与系统25北航 电子信息工程学院10.4 多谐振荡器n用施密特触发器构成的多谐振荡器振荡周期THVVcVcVcRCt)()0()(ln积分器)ln(ln)ln(21TTTDDTDDTTTDDTDDVVVVVVRCVVRCVVVVRCTTT数字电路与系统26北航 电子信息工程学院10.4 多谐振荡器n用施密特触发器构成的多谐振荡器脉冲占空比可调的多谐振荡器充电放电 调节R、C，改变振荡频率 调节R1、R2比值，改变占空比数字电路与系统27北航 电子信息工程学院10.4 多谐振荡器n石英晶体多谐振荡器普通多谐波振荡器的问题：转换电平不稳定，转换电平微

13、小的变化或者轻微的干扰都会严重影响振荡周期，易受干扰频率稳定性不高 石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸决定，具有极高的频率稳定性，频率稳定度可达10101011（未考虑温度漂移）石英晶体的电抗频率特性石英晶体的电抗频率特性 石英晶体的选频特性： 有频率为石英晶体的固有谐振频率f0的信号最容易通过，而其他频率的信号均会被晶体所衰减 数字电路与系统28北航 电子信息工程学院10.4 多谐振荡器n石英晶体多谐振荡器 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波频率f0，而与外接电阻电容无关。数字电路与系统29北航 电子信息工程学院10.5 555定时器及其应用n 555定时器电

14、路结构及功能n 用555定时器接成施密特触发器n 用555定时器接成单稳态触发器n 用555定时器接成多谐振荡器数字电路与系统30北航 电子信息工程学院n 555电路结构及功能 三个5k的电阻组成分压器，提供基准电压，“555”得名 同相输出的OC电路（三极管TD），电流泄放回路，DISCharge 两个电压比较器C1和C2 vCO参考电压控制端 TH 被称为“阈值端” 被称为“触发端”n基本RS触发器TR10.5 555定时器及其应用数字电路与系统31北航 电子信息工程学院n 555电路结构及功能功能表UOTHTDVCOVCC12345678555TRRDGND电路符号vI2vI1RS1nQ

15、Qn+1VR1VR1VR2VR2VR2VR20Qn111vC1vC2数字电路与系统32北航 电子信息工程学院n555定时器接成施密特触发器5557628 45 13VCCvOvI3/2, 0, 1, 0:3/2, 1:3/23/, 1, 0, 1:3/212121CCTOLOCCICCOHOCCCCICCOHOCCCCIVVVvQvvvVVvvvVvVVvQvvVv保持3/, 1, 0, 1:3/, 1:3/23/2121CCTOHOCCCCIOLOCCCCICCVVVvQvvVvVvvvVvV保持 vI从0上升过程 vI从高于VCC2/3下降过程 数字电路与系统33北航 电子信息工程学院n5

16、55定时器接成施密特触发器如果参考电压由外接电压VCO供给，则VT+=VCO，VT-= 0.5VCO，VT= 0.5VCO，所以改变VCO可以调整回差电压的大小加入滤波电容抗干扰 回差电压 CCTTTVVVV31数字电路与系统34北航 电子信息工程学院n555电路接成单稳触发器v 稳态： vI= 1, vC1= vC2= 1, Q= 0, vO= 0，TD导通（电源刚接通时Q= 0）。5557628 45 13VCCvOR1CvI平时vI1/3VCC，电源接通瞬间，电路有一个稳定的过程，即电源通过电阻R向电容C 充电，当vC上升到2/3VCC时，基本RS触发器复位，vO为低电平，放电管T导通，

17、电容放电，电路进入稳定状态。 数字电路与系统35北航 电子信息工程学院n555电路接成单稳触发器 充电至vC=2VCC/3时，vC1=0，若触发脉冲消失，则暂稳态结束：120(1),0,0CCOvvQvv 同时TD导通，C经TD放电至vC0，电路恢复到稳态v 脉冲下降沿触发，进入暂稳态：TD截止，VCC经R向C充电1, 1),1(0, 3/,122OCCCCIIvQvvVvv数字电路与系统36北航 电子信息工程学院n555电路接成单稳触发器RCRCVVVRCtCCCCCCW1 . 13ln320lnTHVVcVcVcRCt)()0()(ln 输出脉冲宽度：数字电路与系统37北航 电子信息工程学

18、院n555电路接成多谐振荡器 555定时器 施密特触发器 多谐振荡器 vI1和vI2连接在一起接成施密特触发器 TD与R1接成反相器，输出为vOD vOD经R2和C组成的积分电路接到施密特触发的输入端5557628 45 13VCCvOR1R2C数字电路与系统38北航 电子信息工程学院充电时间放电时间振荡周期TTVVCRT00ln222ln)2(2121CRRTTT振荡频率2ln)2(1121CRRTf11212()ln()ln2CCTCCTVVTRR CVVRR Cn555电路接成多谐振荡器数字电路与系统39北航 电子信息工程学院占空比可调的多谐振荡器充电电流只流经R1，放电电流只流经R22

19、11RRRq 输出脉冲的占空比n555电路接成多谐振荡器数字电路与系统40北航 电子信息工程学院占空比为2/3、振荡周期为1秒的多谐振荡器n555电路接成多谐振荡器数字电路与系统41北航 电子信息工程学院10.5 555定时器的其它应用555定时器应用举例：定时器应用举例：UO1UO2（1）（2）123468555VCC=12V1642385550.01F175K5K100F10F1MS+C1作业10.25：下图是用555定时器接成的延时报警器。当开关S断开后，经过一定的延迟时间后扬声器开始发出声音。试求延迟的时间TD和扬声器发出声音的频率f。数字电路与系统（2）片自激振荡，42北航 电子信息

20、工程学院555定时器应用举例：定时器应用举例：UO1UO2解：（1）（2）（1）片接成施密特触发器，U6=U2= UC1 的电压波形通过操纵开关S获得。（2）片不工作。（2）片的 RD=0，（2）片接成多谐振荡器。当UO1=1时；当UO1=0时；喇叭出声。123468555VCC=12V1642385550.01F175K5K100F10F1MS+C1数字电路与系统43北航 电子信息工程学院工作波形：工作波形：S闭合S断开23VCC13VCCS闭合VCC喇叭响TDTO2=0.69 (R1+2R2 ) C= 0.69 (5 +25 ) 103 0.0110-6103.5SfO2 9.66KHZU6、U2UO1tUO2ttUC1TO2VCC-0VCC -TD= RC ln =10610 10-6 ln 11（S）1212-823VCC 作业：10.9&1vICdG1G2RRdCvAvO1vI2vOIvAv1Ov2IvOv44北航 电子信息工程学院假设稳态时：OHOOLOTHATHIVvVvVvVv,12作业：10.9&1vICdG1G2RRdCvAvO1vI2vO(1)稳态OHOO