第5單元脈沖信號產(chǎn)生和變換電路

第5單元脈沖信號產(chǎn)生和變換電路第一部分任務(wù)導(dǎo)入?在數(shù)字系統(tǒng)中，經(jīng)常要遇到脈沖信號的產(chǎn)生和變換等問題，實現(xiàn)這些功能的單元電路有單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等。?圖5-1就是由分立元器件多諧振蕩器構(gòu)成的低電壓土壤缺水告知電路。?該電路中的VT1、VT2及其外圍的有關(guān)元件組成的就是多諧振蕩器。圖5-1由分立元器件多諧振蕩器構(gòu)成的低電壓土壤缺水告知電路?圖5-2則是由集成塊雙穩(wěn)態(tài)電路與多諧振蕩器構(gòu)成的雙閃燈電路。?該電路中的IC1-1與IC1-2、RP1等組成了多諧振蕩器，IC2構(gòu)成了雙穩(wěn)態(tài)電路。圖5-2由集成塊雙穩(wěn)態(tài)電路與多諧振蕩器構(gòu)成的雙閃燈電路?除了以上兩種實際應(yīng)用外，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器電路還廣泛應(yīng)用于自動控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動檢測系統(tǒng)、汽車電子、電子儀表及其他各種數(shù)字電子電路等方面。第二部分相關(guān)知識

數(shù)字電路常用的脈沖信號5.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器5.2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器5.3多諧振蕩電路5.4時基集成電路5.5數(shù)字計數(shù)器4017構(gòu)成的波形產(chǎn)生電路5.65.1數(shù)字電路常用的脈沖信號5.1.1數(shù)字電路常用脈沖信號的類型?在模擬電路中，傳輸?shù)囊话愣际欠入S時間連續(xù)變化的電信號，又稱“連續(xù)信號”。?而在數(shù)字電路中，傳輸和處理的都是斷續(xù)的電壓或電流信號，又稱脈沖信號。?例如同時時序電路中控制觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的CP時鐘信號，對該信號要求較高，它的好壞將直接影響整個電路能否正常工作。?為了保證電路工作正常，要對脈沖信號以及衡量該信號的參數(shù)有所了解。?常見的脈沖波形如圖5-3所示。圖5-3各種常見的脈沖波形示意圖5.1.2矩形脈沖信號主要參數(shù)說明?在數(shù)字電路中，最常用的是矩形脈沖信號。?圖5-4為矩形脈沖信號實際波形，將其與圖5-3（b）所示的理想信號進行比較，實際矩形脈沖信號無理想的跳變，頂部也不平坦。圖5-4實際矩形脈沖信號波形特性?描述矩形脈沖波特性的幾個主要指標(biāo)是這樣定義的。1．脈沖幅度Um

?脈沖幅度是指脈沖信號的最大變化量，通常用Um來表示。2．脈沖周期T

?所謂脈沖周期是指周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖之間的時間間隔，用T來表示，并有以下的關(guān)系式

T=1/f或f=1/T 式中，f——信號的頻率，是單位時間內(nèi)脈沖信號的重復(fù)次數(shù)。3.上升時間tr

?上升時間是指脈沖前沿從0.1Um上升至0.9Um時所需要的時間，用tr來表示。4．下降時間tf

?下降時間是指脈沖后沿從0.9Um下降至0.1Um時所需要的時間，用tf來表示。5．脈沖寬度tW?脈沖寬度是指從脈沖前沿0.5Um處開始，到脈沖后沿下降到0.5Um為止的寬度，又稱為半值脈沖寬度，用tW來表示。?有時也可以用上升沿與下降沿0.1Um之間的寬度來表示脈沖寬度。6．脈寬比tW/T?脈寬比是指脈沖信號的寬度與周期之比，也稱為占空比。?描述矩形脈沖特性除了經(jīng)常要用的上述6種之外，還有脈沖信號前、后沿產(chǎn)生的振蕩過沖，信號幅度的穩(wěn)定性，信號沿與信號頻譜之間的關(guān)系等，應(yīng)根據(jù)具體情況具體考慮。5.1.3脈沖信號的獲取方法1．振蕩電路直接產(chǎn)生?它是利用振蕩電路直接產(chǎn)生出所需要的脈沖波形。?這類電路以多諧振蕩電路（也稱為多諧振蕩器）為主。?它不需要外加觸發(fā)電壓，只要供電電源和電路設(shè)定的參數(shù)滿足一定的要求，電路就會自動產(chǎn)生出所需要的波形信號。2．用脈沖信號進行變換得到?它是采用脈沖變換電路，將性能不符合要求的脈沖信號變換為符合要求的矩形脈沖信號。?這類電路常見的有單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器。?脈沖變換電路本身不產(chǎn)生脈沖信號，而是對已有不合要求的信號按要求進行變換。?脈沖變換電路多以整形為主，用于將波形變陡峭，以形成定寬、定幅的脈沖信號。5.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

5.2.1分立元件微分型單穩(wěn)電路?圖5-5是一種典型的分立元件集基耦合微分型單穩(wěn)電路。?該電路也是由兩級反相器交叉耦合而成的正反饋電路。圖5-5分立元件集基耦合微分型單穩(wěn)電路?它的一部分電路結(jié)構(gòu)與多諧振蕩器十分相似，另一部分電路結(jié)構(gòu)又和雙穩(wěn)電路十分相似，再加上該電路也有一個微分觸發(fā)電路。?由此可見，它是由半個無穩(wěn)態(tài)電路和半個雙穩(wěn)態(tài)電路組合而成的，所以該電路有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。?平時電路中的一只晶體管（VT1）飽和，另一只晶體管（VT2）截止。?這就是它的穩(wěn)態(tài)。?當(dāng)在ui端輸入一個觸發(fā)脈沖后，電路就會翻轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N工作狀態(tài)，但這種狀態(tài)只能維持不長的時間，很快電路又恢復(fù)到原來的狀態(tài)。?電路暫穩(wěn)態(tài)的時間是由延時元件R和電容C的數(shù)值確定，其值為

T=0.7RC5.2.2集成塊微分型單穩(wěn)電路1．由與非門電路構(gòu)成的單穩(wěn)電路?圖5-6是一種由與非門電路構(gòu)成的微分型單穩(wěn)電路，它用2個與非門交叉連接，門1輸出到門2是用微分電路耦合，門2輸出到門1是直接耦合，觸發(fā)脈沖加到門1的另一個信號輸入端ui。圖5-6由與非門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路?該電路的暫穩(wěn)態(tài)時間即定時時間為

T=（0.7～1.3）RC2．由或非門構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路?圖5-7是由或非門構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路。?平時第二個或非門（此處連接成非門狀態(tài)）的輸入端通過電阻R成為高電平，所以它的輸出是低電平。?該低電平又送到第一個或非門的一個輸入端B上。圖5-7由或非門構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路?根據(jù)上面的連接方法和通電以后電路所處的狀態(tài)，當(dāng)在A輸入端輸入低電平（即A=0）時，第一個或非門輸出端F1輸出為高電位，從而使電容C沒法充電（因為它兩端均為高電平）。?當(dāng)在A輸入端輸入高電平時，第一個或非門的輸出F1變?yōu)?電位，由于電容上的電壓不會突變，所以第二個或非門的輸入端也瞬時變?yōu)榈碗娖?，使得此時電路的輸出變?yōu)楦唠娢弧?但是，上述這種狀態(tài)不能持久，電源UDD要通過R電阻對電容C進行充電，當(dāng)電容上的電壓上升到超過了UDD的1/2時，電路的輸出就又將變?yōu)?電位，不管輸入端是否加著高電位。?這樣就實現(xiàn)了單穩(wěn)態(tài)電路的功能。?這一單穩(wěn)態(tài)電路輸出脈沖的持續(xù)時間是由RC的乘積（時間常數(shù)）決定的，時間常數(shù)越大，則輸出脈寬也越大；反之，則輸出脈寬就會變小。?可以通過調(diào)節(jié)該RC的時間常數(shù)，使F2輸出的脈沖寬度滿足要求。3．由雙D觸發(fā)器CD4013構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路（1）識圖指導(dǎo)?圖5-8是由CD4013中的一只D觸發(fā)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路。圖5-8CD4013構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路?該電路的特點是將CD4013Q端的電位狀態(tài)通過RC延時網(wǎng)絡(luò)和復(fù)位端R相連接，D端接VDD電源（即D端為高電平），S端接地。

（2）工作原理?圖5-8電路在沒有觸發(fā)信號時，R端的電位肯定是0，否則R端的高電位將迫使電路復(fù)位，其結(jié)果仍是Q=0、R=0。?當(dāng)觸發(fā)信號加在時鐘端CP時，Q將變?yōu)楦唠娖剑贿^，當(dāng)觸發(fā)脈沖離去后，Q端的電壓并不能持續(xù)保持高電位，因為Q端的高電位要通過電阻R2給電容C1充電，同時也就使R端的電位不斷升高。?當(dāng)R端上的電壓達到了能使D觸發(fā)器復(fù)位的電位時，Q端的電位就下跌到0。?此時，電容C1又通過電阻R1、CD4013的4腳（R端）及2腳（Q端）進行放電。5.2.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用1．脈沖的整形?由于脈沖的來源不同，它的波形也不同。?為了使脈沖信號變成（或恢復(fù)）具有一定寬度和幅度的波形，可以采用單穩(wěn)電路進行整形。?即將需要進行整形的脈沖波，如圖5-9（a）所示，作為單穩(wěn)電路的觸發(fā)輸入信號，而在單穩(wěn)電路的輸出端就獲得具有一定寬度和幅度的前后沿比較陡峭的矩形脈沖，如圖5-9（b）所示。圖5-9單穩(wěn)電路的整形作用示意圖2．脈沖的定時

?由于單穩(wěn)電路能產(chǎn)生一定寬度TW的矩形輸出脈沖，利用這個脈沖去控制某電路，使其在TW時間內(nèi)動作（或不動作），起到了定時的作用。?例如，利用脈寬為TW的正矩形脈沖作為與門輸入的信號之一，邏輯圖和波形如圖5-10所示。?即將單穩(wěn)電路的輸出接至與門的輸入，另一列脈沖序列信號同時接至與門的輸入端。圖5-10單穩(wěn)電路的定時作用示意圖?當(dāng)單穩(wěn)電路處于振蕩穩(wěn)態(tài)、輸出高電平時，與門打開，脈沖序列信號通過與門傳遞；當(dāng)單穩(wěn)電路回到穩(wěn)態(tài)、輸出變?yōu)榈碗娖綍r，與門關(guān)閉。?由此可見，只有矩形波uB為1的tW時間內(nèi)，信號uA才能通過與門。3．脈沖的延時

?利用圖5-11（a）的微分型單穩(wěn)電路的輸出uo1去觸發(fā)其他電路，其uo1的下降沿相對于單穩(wěn)電路輸入觸發(fā)脈沖ui的下降沿就滯后了tW時間，稱這個時間為延時，可用圖5-11（b）來表示。?也可以將兩級單穩(wěn)電路首尾相連以得到需要的脈沖信號的延時。圖5-11單穩(wěn)電路的延時作用示意圖5.3雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

5.3.1分立元器件集-基耦合雙穩(wěn)電路1．識圖指導(dǎo)?分立元器件組成的集-基耦合雙穩(wěn)電路典型結(jié)構(gòu)如圖5-12所示。圖5-12分立元器件集-基耦合雙穩(wěn)電路?它由一對用電阻交叉耦合的反相器組成。?它的兩個管子總是一管截止另一管飽和。?例如：當(dāng)VT1管飽和時VT2管就會截止，這時A點為低電平、B點為高電平。?如果沒有外來的觸發(fā)信號，該電路就會保持此狀態(tài)不變。?如用“1”表示高電平，“0”為低電平，此時就可以認(rèn)為雙穩(wěn)電路已經(jīng)將數(shù)字信號“1”寄存在B端了。?在圖5-12電路中，晶體管的基極分別加有微分電路。?如果在VT1管基極加上一個負(fù)脈沖（稱為觸發(fā)脈沖），就會使VT1基極電位下降，由于正反饋的作用，使VT1管很快從飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)換為截止，VT2管則從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為飽和狀態(tài)。?于是，雙穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)變?yōu)锳端為“1”，B端為“0”，且此狀態(tài)一直保持，當(dāng)再次有觸發(fā)脈沖到來時，該狀態(tài)才會改變。2．雙穩(wěn)觸發(fā)電路的觸發(fā)方式和極性?雙穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)方式和觸發(fā)脈沖的極性的選擇比較復(fù)雜。?從觸發(fā)方式上看，由于有直流觸發(fā)（電位觸發(fā)）和交流觸發(fā)（邊緣觸發(fā)）兩種方式，故觸發(fā)電路形式各有不同。?從脈沖極性上看，也是隨著晶體管極性、觸發(fā)脈沖加到哪個管子（飽和管還是截止管）上、哪個電極上（基極還是集電極）而變化的。?在實際應(yīng)用中，由于微分電路能很容易地得到尖脈沖，觸發(fā)效果較好，所以大都采用交流觸發(fā)方式。?在雙穩(wěn)態(tài)電路中，觸發(fā)脈沖所加的位置多數(shù)是加在飽和管的基極上，對于由NPN型管組成的雙穩(wěn)態(tài)電路，所加的為負(fù)脈沖；對于由PNP型管組成的雙穩(wěn)態(tài)電路，所加的為正脈沖。5.3.2集成電路施密特觸發(fā)器?圖5-13是由兩級TTL與非門組成的施密特觸發(fā)器。?

G1為與非門，G2為非門，兩者構(gòu)成了基本RS觸發(fā)器，VD1為電平偏移二極管，R1、R2構(gòu)成分壓電路。圖5-13兩級TTL與非門組成的施密特觸發(fā)器1．ui=0

?當(dāng)ui=0，無外觸發(fā)信號時，G1門截止、G2門導(dǎo)通，uo1=UOH（高電平）、uo2=UOL（低電平）。2．ui為一正脈沖?若輸入信號ui由零開始上升至UT（如圖5-14波形中所示）時，G1門仍然不導(dǎo)通，只有ui上升到EK，使ui1=UT時，G1門開始導(dǎo)通，引起如下正反饋?很快使G1門導(dǎo)通、G2門截止，電路進入到第二個穩(wěn)態(tài)。?只要維持ui＞UT，電路就維持此穩(wěn)態(tài)。3．ui下降?當(dāng)ui上升經(jīng)最大值后開始下降，下降到ui＜uT后，G1門開始截止，從而引起了如下的正反饋過程?很快使G1門截止，G2門導(dǎo)通，電路又回到第一個穩(wěn)態(tài)。ui與uo2的波形如圖5-14所示。圖5-14ui與uo2的波形示意圖4．回差特性

?上述在ui上升過程中，ui=EK后，電路由第一穩(wěn)態(tài)（G1門截止、G2門導(dǎo)通）轉(zhuǎn)換為第二穩(wěn)態(tài)（G1門導(dǎo)通、G2門截止）。?在ui經(jīng)最大值下降的過程中，ui=UT后，電路又翻轉(zhuǎn)到第一穩(wěn)態(tài)。?這說明兩次翻轉(zhuǎn)的電壓不一樣，EK＞UT，這種現(xiàn)象叫回差（滯后）特性。?將U=EK－UT叫回差電壓（滯后電壓）。?式中，UT=1.4V為定值，U越大，EK越大，可見，回差電壓越大，電路的動作電壓就越高，抗干擾能力越強。5.3.3集成施密特觸發(fā)器的應(yīng)用1．波形的變換?根據(jù)施密特觸發(fā)器的特點，可以將輸入變化平緩的脈沖波形（例如正弦波、三角波等）變換為理想的矩形波，如圖5-15所示。?其tW寬度由U調(diào)節(jié)。圖5-15施密特觸發(fā)器的波形變換作用波形圖2．波形的整形?施密特觸發(fā)器作為整形使用，可將不規(guī)則的波形經(jīng)整形后，輸出合乎要求的脈沖波，例如，數(shù)字系統(tǒng)中的矩形波經(jīng)傳輸后往往會發(fā)生失真，如圖5-16（a）所示，可將其接到施密特觸發(fā)電路的輸入端，如果電路中有圖中U+～的回差電壓時，則輸出波形如圖5-16（c）所示，得到了整形。圖5-16施密特觸發(fā)器的波形整形作用波形圖?如果電路的回差較小，為U+～時，則輸出波形如圖5-16（b）所示。?由該圖可看出，波形的寬度不一樣，這主要是由于頂部干擾造成的。?因此，在這種情況下，希望適當(dāng)增加回差，以提高電路的抗干擾能力。?施密特觸發(fā)電路作為整形電路時，對回差電壓的要求是希望U大些，以提高電路的抗干擾能力及工作可靠性。3．信號鑒幅

?施密特觸發(fā)電路輸出狀態(tài)決定于輸入信號ui的幅度，因此它可以作為幅度鑒別電路。?如圖5-17（a）所示，輸入信號ui為幅度不等的一串脈沖波，可利用施密特觸發(fā)電路的觸發(fā)門檻電平E+，將等于或大于E+幅度的脈沖保留，而把小于E+的消除，如圖5-17（b）所示。圖5-17施密特觸發(fā)器的信號鑒別作用波形圖?因為只有幅度超過E+的脈沖才能觸發(fā)施密特電路，使電路有脈沖uo輸出；而幅度小于E+的脈沖不能觸發(fā)電路，無脈沖輸出，從而實現(xiàn)了幅度鑒別的作用。4．脈沖展寬?施密特觸發(fā)電路用于脈沖展寬作用時的電路和波形如圖5-18所示。?電容C1與集電極開路反相器的輸出端并聯(lián)到施密特觸發(fā)器的輸入端。?當(dāng)輸入為高電平時，VT3管導(dǎo)通，C1不能充電，uC（電容兩端電壓）接近于0V。圖5-18施密特觸發(fā)器脈沖展寬電路及波形圖圖5-18施密特觸發(fā)器脈沖展寬電路及波形圖（續(xù)）?當(dāng)輸入ui為0V時，VT3管截止，C1充電，uC按指數(shù)曲線上升。?曲線上升的快慢與C1（t=RC1）有關(guān)，改變C1的大小可以改變輸出脈沖的寬度。?這種電路展寬的范圍非常大，甚至使輸出始終為高電平。5.4多諧振蕩電路

5.4.1分立元器件集-基耦合無穩(wěn)態(tài)振蕩電路1．基本電路?圖5-19（a）是一種集-基耦合無穩(wěn)態(tài)振蕩電路，該電路由兩級反相器首尾連接，級間采用電容進行耦合。?電路兩邊完全對稱。?

UC1與UC2的波形如圖5-19（b）所示。圖5-19集-基耦合無穩(wěn)態(tài)基本振蕩電路及波形?假定VT1截止、VT2導(dǎo)通。?這時，C1被很快充電到略小于電源值，極性如圖5-19（a）所示，充電電流通路為電源→RC1→C1→VT2管的b-e結(jié)間→地?與此同時，C2電容放電（C2上電壓為VT1導(dǎo)通，VT2截止所充），C2的左端為負(fù)，該端與VT1基極相連，故隨著C2的放電，VT1基極電位逐漸升高，當(dāng)C2放完電后，又被EC充電，此時VT1的基極電位為正，達到導(dǎo)通值后，在瞬間反轉(zhuǎn)為VT1導(dǎo)通，VT2截止，這是暫穩(wěn)態(tài)，VT2導(dǎo)通，VT1截止的過程又在進行。?如此，自動地輪番導(dǎo)通和截止，就形成了自激振蕩。2．改進后的集-基耦合無穩(wěn)態(tài)振蕩電路?圖5-20所示為一種采用校正二極管來縮短輸出脈沖上升時間的改進后的集-基耦合無穩(wěn)態(tài)振蕩電路。圖5-20改進的集-基耦合無穩(wěn)態(tài)振蕩電路?前面介紹的如圖5-19所示的無穩(wěn)態(tài)電路雖然簡單，但其輸出脈沖的上升沿不陡直。?當(dāng)然減小RC的值可改善上升沿，但RC的值太小會使晶體管飽和電流變得太大，使晶體管的工作不夠安全。?因此，在輸出脈沖上升沿要求較高時，通常采用圖5-20所示的電路。?在圖5-20電路中，假設(shè)VT1管剛轉(zhuǎn)為截止、VT2管飽和，由于二極管VD1的隔離作用，充電電流不能經(jīng)由Rc1提供，而只能經(jīng)由Rd1提供。?這樣，VT1管一旦轉(zhuǎn)為截止，其集電極Uc1立即上升為EC，于是改善了上升沿的陡直程度。?假如VT1管由截止變?yōu)轱柡蜁r，Uc1下降到0.3V以下時，VD1導(dǎo)通，故Uc1的負(fù)向跳變信號通過VD1、C2傳給VT2管基極，使VT2管截止。?同樣，二極管VD2改善了Uc2的上升沿。3．防不起振無穩(wěn)態(tài)電路?圖5-20所示的無穩(wěn)態(tài)電路，它有時還會因為晶體管飽和太深（例如

太大，R值太?。┏霈F(xiàn)電源接通時，兩只晶體管可能都處于飽和狀態(tài)而造成電路不起振。?為了防止以上現(xiàn)象的發(fā)生，可采用另一種改進的電路，如圖5-21所示的防不起振無穩(wěn)態(tài)電路。?在該電路中，假如VT1管飽和，則此時的基極電流不是直接從EC經(jīng)由Rb1供給，而是從截止管VT2的集電極經(jīng)由VD2和Rb1供給。?同樣，假如VT2管飽和時，基極電流從截止管VT1的集電極由VD1和Rb2供給。?也就是說，一管飽和必須以另一管截止為前提。?因此，這種電路是不可能出現(xiàn)兩只管子同時飽和的情況，因此它不會因過飽和而不起振。圖5-21防不起振無穩(wěn)態(tài)電路5.4.2集成電路與非門式多諧振蕩電路?由集成電路兩個與非門組成的多諧振蕩電路如圖5-22所示。?調(diào)節(jié)兩個與非門的接地電阻可以控制它們交替地導(dǎo)通和截止。圖5-22與非門組成的多諧振蕩電路?當(dāng)R1=R2=R，C1=C2=C時，可得到方波脈沖，該脈沖的周期T為T=2.2RC5.4.3集成電路非門式多諧振蕩電路?圖5-23是由兩個非門構(gòu)成的多諧振蕩器，該電路僅使用了一個6非門中的2個，外圍元件也只有3個。圖5-23由兩個非門構(gòu)成的多諧振蕩電路?改變電阻R2的值，就可以連續(xù)改變振蕩頻率，改變電容C的大小可以步進式地改變頻率范圍。?該振蕩器能夠產(chǎn)生的頻率較寬，從0.1Hz～1MHz之間都能滿意地工作。5.4.4集成電路或非門式多諧振蕩電路

?圖5-24是兩個或非門構(gòu)成的多諧振蕩器。?它與圖5-23不同的地方是可以在非門的一個輸入端，即圖5-24中的控制端，加入一個邏輯信號（0或1）來控制振蕩器的停止或啟動。?實際上圖中是把第二個或非門的兩個輸入端連接起來當(dāng)作非門使用的。圖5-24由兩個或非門構(gòu)成的多諧振蕩器5.4.5石英晶體多諧振蕩電路?前面介紹的多諧振蕩電路均采用RC來定時，在溫度變化、電源波動或更換元件時，都將對電路工作頻率產(chǎn)生影響，一般頻率的穩(wěn)定度較差，要得到頻率非常穩(wěn)定的信號，則需采用石英晶體來穩(wěn)頻，即在振蕩器的電路中串入石英晶體以構(gòu)成石英晶體多諧振蕩電路。?石英晶體的電路符號如圖5-25（a）所示，圖5-25（b）是石英晶體的阻抗頻率特性曲線，圖5-25（c）為石英晶體多諧振蕩電路。圖5-25石英晶體及其構(gòu)成的多諧振蕩電路?圖5-25（c）是在簡單的多諧振蕩器中串入一只石英晶體而形成的，電路中電阻R1用來調(diào)節(jié)與非門的靜態(tài)工作點，以保證其工作在放大區(qū)，電容C1只起耦合作用，與非門G2向石英晶體提供能量以便產(chǎn)生和維持振蕩。?石英晶體串聯(lián)在反饋回路之中，而且工作在串聯(lián)諧振頻率f0附近，對頻率f0電路呈現(xiàn)低阻抗如圖5-25（b）所示，這意味著正反饋最強，而對其他頻率呈現(xiàn)高阻抗阻止其電流通過，這就是晶體的選頻作用，因此振蕩器的頻率基本上就是石英晶體的串聯(lián)諧振頻率，所以頻率穩(wěn)定度較高。?石英晶體振蕩器在調(diào)試中若遇停振故障，可適當(dāng)減小R1的值，則就可起振。?若f0=1MHz，則可取R1=100～500Ω、C1=5600pF。?R1值的大小與TTL門電路特性有關(guān)，在保證可靠振蕩的前提下應(yīng)盡量選大些，以減輕門G1的負(fù)荷。5.5時基集成電路?555/556時基電路有雙極型（TTL）和互補金屬氧化物半導(dǎo)體型（CMOS）集成電路兩大類。?其中，555為單時基電路，556為雙時基電路，它的內(nèi)部含有與555完全相同的兩個獨立系統(tǒng)，僅公用電源和地線。5.5.1TTL型555集成電路內(nèi)電路方框圖?TTL型555電路內(nèi)部由二十幾個晶體三極管和二極管，十幾個電阻器等元器件構(gòu)成，大致可以分為分壓器、比較器、RS觸發(fā)器、輸出級及放電電子開關(guān)五部分，其內(nèi)電路方框圖如圖5-26所示。圖5-26TTL型555內(nèi)電路組成方框圖5.5.2CMOS型555集成電路內(nèi)電路方框圖

?CMOS型555電路由于工藝制造的原因，它的內(nèi)部電路和TTL型555電路是不同的，其內(nèi)電路方框圖如圖5-27所示。?它與TTL型555電路相比主要有以下幾個不同點。圖5-27CMOS型555內(nèi)電路方框圖1．RS觸發(fā)器的組成?基本RS觸發(fā)器是用2個或非門組成的。?或非門組成的基本RS觸發(fā)器是用高電平觸發(fā)的，輸入端用R和S表示，沒有小圓圈。2．比較器連接方式

?在內(nèi)部比較器的連接上，它的上比較器A1輸入端是連接在同相信號輸入端（+）上，下比較器A2輸入端是連接在反相信號輸入端（?）上。?這種接法正好和TTL型555電路相反。3．放電管?CMOS型555電路中放電管VTD的3個極分別是MOS管的柵極、源極和漏極。?但從放電作用和開關(guān)控制作用上講是相同的。4．輸入阻抗?由于CMOS型555集成電路具有極高的輸入阻抗，因此，它的3個分壓電阻不是5kΩ而是100kΩ或更高，但對分析它們的邏輯功能影響不大。5.5.3555/556時基集成電路的類型1．雙極型產(chǎn)品?雙極型產(chǎn)品單時基電路的最后三位均為555；雙時基電路的最后三位均為556。?而且，它們的功能和外引腳排列完全一致。?雙極型單時基電路常見型號有：NE555、CB555、SG555、SE555、CA555、LM555、FX555、FD555、μA555、LH555、YF555、ICM555、5G1555等，它們之間均可以直接互換。?雙極型雙時基電路常見型號有：NE556、CB556、SG556、SE556、CA556、LM556、FX556、FD556、μA556、5G1556等，它們之間均可以直接互換。2．CMOS型產(chǎn)品?CMOS型產(chǎn)品的單時基電路的最后4位均為7555；雙時基電路的最后4位均為7556，而且，它們的功能和外引腳排列完全一致。?CMOS型單時基電路常見型號有：5G7555、ICM7555、μA7555、LM7555、LH7555、μPD7555、CH7555、CB7555等，它們之間均可以直接互換。?CMOS型雙時基電路常見型號有：5G7556、ICM7556、μA7556、LM7556、LH7556、NE7556、YF7556、HA7556、μPC7556、CB7556、CH7556、μPD7556等，它們之間均可直接互換。3．四時基電路NE558?NE558四時基集成電路具有比555或556更廣泛的應(yīng)用范圍，因為NE558實現(xiàn)了四組555單穩(wěn)態(tài)時基電路封裝集成化，這就使許多的電路設(shè)計變得更為方便靈活。?NE558為雙極型四時基集成電路，工作電壓范圍為4.5～18V，其中一個時基集成電路的內(nèi)電路方框圖如圖5-28所示，由其組成的單穩(wěn)態(tài)延時時間可由以下公式計算得到。T=1.1R1C1圖5-28NE558四時基集成電路中一個時基集成電路的內(nèi)電路方框圖?NE558的各個部分如串接起來，可產(chǎn)生比單個555或556長許多倍的延時時間，也可利用串接進行分段延時。?NE558可組成兩組獨立的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。?必須說明的是：由于NE558中4個單穩(wěn)態(tài)時基電路輸出端內(nèi)部為OC門形式，故外電路一般應(yīng)連接上拉電阻R2；同時也不能將其5腳、12腳電源正、負(fù)極性接反；觸發(fā)輸入端和總復(fù)位應(yīng)通過上拉電阻接電源正極抗干擾；控制電壓端與地之間一般接入一只0.01～0.1μF的電容。?由于CMOS型7555/7556電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)與TTL型的555/556不同，故在選用時應(yīng)根據(jù)具體需要選用。①在負(fù)載輕、要求功耗低和定時時間長的場合，選用CMOS型的7555/7556時基集成電路比較合適。②若需要用555/556時基集成電路直接來驅(qū)動繼電器、揚聲器、微電機、指示燈等時，則選用TTL型的555/556時基集成電路比較合適。5.5.4時基電路的封裝?555單時基集成電路的封裝有8腳圓形和8腳雙列直插型兩種。?雙時基集成電路封裝多采用雙列14腳直插式封裝方式。?四時基集成電路封裝多采用雙列16腳封裝方式。1．555單時基電路?555單時基圓形封裝的集成電路引腳的編號方法是將引腳朝下，帶標(biāo)志的引腳置于上側(cè)，從帶標(biāo)志的引腳左邊開始按逆時針方向順序編號，其引腳排列方式如圖5-29（a）所示。?555單時基雙列直插型集成電路的引腳編號方法是把集成塊平放，從帶標(biāo)志的引腳開始按逆時針方向順序編號，其引腳排列方式如圖5-29（b）所示。圖5-29單時基電路引腳排列方式2．556雙時基電路?556（或7556）雙時基集成電路的引腳按雙列直插型集成電路的統(tǒng)一方法編號，其引腳排列方式如圖5-30（a）所示。3．558四時基電路?558四時基集成電路引腳按雙列直插型集成電路的統(tǒng)一方法編號，其引腳排列方式如圖5-30（b）所示。圖5-30雙時基與四時基電路引腳排列方式5.5.5時基電路引腳功能?555（7555）單時基集成電路各引腳功能如表5-1所示：556（7556）雙時基集成電路各引腳功能如表5-2所示。?558四時基集成電路各引腳功能如表5-3所示。?必須說明的是：雙極型和CMOS型555/556電路的內(nèi)部電路和結(jié)構(gòu)雖然不同，但它們的引腳編號和功能是完全相同的。?時基電路在各種場合應(yīng)用相當(dāng)廣泛，其中很多電路都是在基本應(yīng)用電路的基礎(chǔ)上加以改進、擴展、變型以后得到的。?時基電路構(gòu)成的常見基本電路有單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、無穩(wěn)態(tài)工作電路等。5.5.6時基電路單穩(wěn)工作方式?由時基電路單穩(wěn)態(tài)工作方式構(gòu)成的照明燈延時開關(guān)電路如圖5-31所示。圖5-31由555單穩(wěn)態(tài)工作方式構(gòu)成的

照明燈延時開關(guān)電路1．未按SAN開關(guān)

?靜態(tài)時，電容器C1充滿電荷，其上電壓約等于6V，所以IC1的3腳輸出為低電平，繼電器KA釋放，觸點斷開，照明燈泡HLZD不亮。

2．按動SAN開關(guān)

?按動開關(guān)SAN，電容C1快速放電，其上電壓降為零，觸發(fā)IC1使其輸出由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，?qū)動繼電器KA吸合，觸點接通，燈泡HLZD點亮。3．松開SAN開關(guān)

?當(dāng)松開SAN開關(guān)以后，電源便通過電阻R1給電容C1充電，當(dāng)電容上電壓達到UCC即4V時，觸發(fā)IC1輸出由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，繼電器KA又變?yōu)獒尫艩顟B(tài)，燈泡HLZD熄滅。?這段延時時間由電阻R1、電容C1的數(shù)值決定，按圖5-31中所給數(shù)值延時時間大約有110s。提示：?圖5-31電路稍加變型就可作為其他用途，如增加多擋電容，電阻用電位器代替就可以用于印相曝光定時控制等；調(diào)整延時時間還可用于高壓延時電路，此時還應(yīng)在KA繼電器線圈的兩端并接一只續(xù)流二極管，二極管正極接地。5.5.7時基電路雙穩(wěn)工作方式?由555構(gòu)成的施密特波形變換與整形電路及波形如圖5-32所示。圖5-32由555構(gòu)成的施密特波形變換與整形電路及波形1．識圖指導(dǎo)

?在圖5-32（a）電路中，555時基電路的輸入端用2只10kΩ的電阻R1與R2分壓為UCC后加到555的2腳與6腳上，C1為耦合電容，用于將Ui電壓耦合后加到IC1的兩個輸入端，這兩個輸入端的閾值電壓分別為2．波形變換工作原理

?用施密特觸發(fā)器可以將正弦波變換成矩形脈沖，如圖5-32（b）所示。?當(dāng)交流正弦信號加到圖5-32（a）Ui輸入端時，在波形上升時，Uo在UT+處翻轉(zhuǎn)；在波形下降時，Uo在UT?處翻轉(zhuǎn)。

?由于輸入端的直流電壓被設(shè)置在UCC上，故在IC1的3腳上可以獲得較為規(guī)則的矩形脈沖。?這就是圖5-32（a）電路的波形變換功能。3．波形整形工作原理?在脈沖數(shù)字電路中，矩形脈沖在進行遠距離傳輸后，往往會出現(xiàn)波形畸變現(xiàn)象。?矩形脈沖經(jīng)遠距離傳輸失真的波形如圖5-33所示。?其原因主要有以下兩方面。（1）傳輸線較長?由于傳輸線較長，兩根線之間相當(dāng)于一只較大的電容，該電容的充放電作用會使原來直上直下的矩形脈沖產(chǎn)生失真，而變成了鋸齒狀的脈沖，如圖5-33（a）所示。（2）阻抗不匹配?當(dāng)傳輸線較長而且在連接部分阻抗不匹配時，就會導(dǎo)致波形的前后沿出現(xiàn)顫抖現(xiàn)象，如圖5-33（b）所示。圖5-33矩形脈沖經(jīng)遠距離傳輸失真的波形?上述這兩種情況造成的波形失真如果不加以處理而直接利用，則會導(dǎo)致不良后果。?如果將這種略變的波形送入圖5-32（a）施密特觸發(fā)電路進行處理以后，從IC1的輸出端3腳就可以得到原來的規(guī)則矩形脈沖，這就是555時基電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的整形功能。?圖5-32（a）電路輸入端的兩個閾值電壓分別為：?故它的回差電壓為：?如需要有較大的回差電壓，可以在電壓控制端UC（5腳）加一個直流電壓。?控制電壓UC的值越大，得到的回差電壓也越大。5.5.8時基電路無穩(wěn)工作方式1．無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器構(gòu)成的“叮咚”門鈴電路?圖5-34所示是一種由555無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路構(gòu)成的“叮咚”門鈴電路，其音質(zhì)優(yōu)美。圖5-34由555無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路構(gòu)成的

“叮咚”門鈴電路（1）電路組成?圖5-34中的R2、R3、R4、C2、IC1、C3共同構(gòu)成了間接反饋式555無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路；SA1為門鈴按鈕開關(guān)，VD1、VD2、R1、C1配合SA1完成門鈴控制功能。（2）工作原理?當(dāng)按下門鈴開關(guān)SA1后，電源電壓UCC經(jīng)VD1對C1進行快速充電，使IC1電路的4腳電壓大于0.7V，總復(fù)位狀態(tài)消失，IC1電路與R2、R3、R4、C2等組成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路起振，其充電時間常數(shù)為t1=0.693（R3+R4）×C2放電時間常數(shù)為

t2=0.693R4×C2?揚聲器發(fā)出“?！甭暋?隨著SA1開關(guān)的松開，電容C1上的電荷通過R1放電，但4腳電位最初仍大于0.7V，故此時555多諧振蕩器通過R2、R3、R4對C2充電，通過R4、IC1的7腳內(nèi)放電開關(guān)進行放電，振蕩頻率降低，揚聲器發(fā)出“咚……”聲。?最后，電容C1上的電位放電至小于0.7V時，IC1強行復(fù)位，電路處于靜態(tài)，為下一次工作做好準(zhǔn)備。2．無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器構(gòu)成的救護車警笛聲電路

?救護車的警笛聲是高低兩種音調(diào)交替出現(xiàn)的結(jié)果，交替的周期大約是1～1.5s。?圖5-35所示是用兩塊555時基電路構(gòu)成的模擬救護車警笛聲的電路。（1）電路組成?在圖5-35所示電路中，兩只555時基電路均連接成多諧振蕩器方式，只是振蕩頻率不同。?其中，IC1的振蕩頻率約為1Hz；IC2的振蕩頻率約為幾百赫。圖5-35由555時基電路構(gòu)成的模擬救護車警笛聲電路?IC1的輸出經(jīng)R3接到IC2的5腳，所以IC2實際上是一個壓控振蕩器，其工作狀態(tài)受IC1輸出1Hz方波電壓的控制。（2）工作原理

?當(dāng)IC1輸出為高電平時，IC2的基準(zhǔn)電壓變高，充放電時間延長，電路的振蕩頻率變低；當(dāng)IC1輸出為低電平時，IC2的基準(zhǔn)電壓變低，電容充放電時間縮短，電路的振蕩頻率變高。?于是揚聲器發(fā)出“嘀-嘟，嘀-嘟……”的聲音。提示：?圖5-35是利用IC1的輸出方波去調(diào)制IC2的振蕩頻率，從而形成了救護車警笛聲的效果。?如果用三角波去調(diào)制IC2的振蕩頻率，則可以形成公安警車聲效果。圖5-36由555無穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成的

最簡單的信號發(fā)生器電路?因為多諧振蕩器產(chǎn)生振蕩的基本原理是利用電容的充放電，而電容的充放電波形近似為三角形，所以在圖5-35中，如將IC12腳、6腳上的電壓（實際上是電容C1上的電壓）經(jīng)一級三極管放大后加至IC2的5腳，便可形成公安警車聲。

3．無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器構(gòu)成的音頻信號發(fā)生電路

?圖5-36所示是由555無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路構(gòu)成的最簡單的信號發(fā)生器電路。?它的振蕩頻率為f=1.443/（R1+2R2+2RP）×C1?調(diào)整電位器RP的電阻值，可能使振蕩頻率在300Hz～10kHz之間變化。?根據(jù)圖5-36中的數(shù)據(jù)制成的電路可作為測試收音機的音頻信號源。5.5.9時基電路壓控振蕩器1．壓控振蕩器基本知識?壓控振蕩器是一種輸出頻率隨輸入電壓變化而改變的特殊振蕩器電路；也就是說，壓控振蕩器電路是一種輸出頻率受輸入電壓控制的振蕩器電路，通常將這種電路稱為電壓控制振蕩器電路，簡稱為壓控振蕩器電路（VCO）。?壓控振蕩器在鎖相技術(shù)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、脈沖調(diào)制等方面應(yīng)用較廣泛，是一種很重要的部件。?當(dāng)壓控振蕩器應(yīng)用在不同的場合時，根據(jù)它在實際電路中作用的不同還被分別稱為壓頻變換器電路（VFC），脈寬調(diào)制電路（PWM）和脈沖位置調(diào)制電路（PPM）等。?可以組成壓控振蕩電路的元器件較多，如運算放大電路、數(shù)字門電路、變?nèi)荻O管、場效應(yīng)管等，也有專用的集成化壓控振蕩器產(chǎn)品。?由555時基電路構(gòu)成的壓控振蕩器電路，具有價格低廉、線性度好、電路結(jié)構(gòu)簡單等特點。2．由無穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成的壓控振蕩器

?由555無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路構(gòu)成的壓控振蕩器電路如圖5-37（a）所示，該電路與555時基電路的無穩(wěn)態(tài)工作方式電路相比，是將后者電路中555時基電路芯片電壓控制端UC（5腳）加上一個變化的直流電壓后得到的，由此就可以使其閾值電壓隨輸入電壓變化而成為一個壓控振蕩器。?由于單獨在555時基電路的UC（5腳）端加一變化的直流電壓十分不方便，實際應(yīng)用時，通常用分壓的方式，將提供給555芯片的供電電壓UCC分壓后加到5腳上，并用一只可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)加到5腳上的電壓UCT，具體應(yīng)用電路如圖5-37（b）所示。圖5-37由555無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路構(gòu)成的壓控振蕩器電路5.6數(shù)字計數(shù)器4017構(gòu)成的波形產(chǎn)生電路

5.6.1數(shù)字計數(shù)器4017構(gòu)成的50Hz方波發(fā)生電路?圖5-38是由十進制計數(shù)/該電路對需要50Hz方波驅(qū)動的觸發(fā)電路是很有用的，適用于現(xiàn)代示波器或波形發(fā)生器及其他需要50Hz方波信號的場合。圖5-38由CD4017B構(gòu)成的50Hz方波發(fā)生器?由于電路結(jié)構(gòu)緊湊、元器件少，故所有元器件均可安裝在一塊電路板上，可用于對老式示波器進行改造，但信號源必須與主設(shè)備完全隔離，可采用光電耦合器。1．電路組成?圖5-38電路主要由比較電路、計數(shù)電路、輸出驅(qū)動和顯示電路、供電電路幾個部分共同構(gòu)成。2．比較電路

?IC1的型號為LM741，是一塊運算放大器，在電路中做比較器使用。?IC1的3腳為同相輸入端，作為基準(zhǔn)電壓輸入端，基準(zhǔn)電壓是由RP1調(diào)整經(jīng)R4后得到的。?由IC1組成的比較器，將變壓器T1輸出的經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)送來的50Hz頻率信號整形成為方波信號后，由R6電阻和二極管VD1組成的限幅電路，去掉信號中負(fù)的部分，得到的正的信號加到IC2的14腳，作為計數(shù)器電路時鐘脈沖信號。?電源變壓器T1的次級輸出的6V交流低壓，經(jīng)R1

、R2、C1與R3處理后加到IC1的反相輸入端2腳，作為比較信號。3．計數(shù)電路

?IC2的型號為CD4017B，是一塊十進制計數(shù)/分配器。?IC2的1腳（Q5）與復(fù)位端15腳（R）相連，第13腳接地線。?這樣，IC2的3腳（Q0端）輸出的信號經(jīng)處理以后，就會輸出一個無畸變的50Hz方波。4．輸出驅(qū)動和顯示電路

?VT1、VT2、R9、LED1、R10、R8、R7可共同構(gòu)成輸出驅(qū)動和顯示電路，用于將IC2的3腳輸出信號經(jīng)進一步處理后從插座輸出，供使用。?R9是發(fā)光二極管LED1的限流電阻，兩者構(gòu)成了指示燈顯示電路，用于顯示50Hz方波的輸出情況。5．供電電路

?由于數(shù)字電路IC2的工作電壓只有5V，故電路中設(shè)置了IC3三端固定穩(wěn)壓集成電路，用于將＋12V電壓穩(wěn)壓為5V后加到IC2的16腳上作為IC2的工作電源。?如果該電路應(yīng)用于某一設(shè)備中，如該設(shè)備中本身有5V電壓電路，可不用IC