第6章 数字电子广东文理学院

（2）RC环形振荡器 最简单的环形振荡器构成十分简单，但是并不 增加RC延迟环节，即可组成RC环形振荡器电路。 实用。因为集成门电路的延迟时间t pd 极短，而且振 荡周期不便调节。
RC环形振荡器
RS是限流电阻（ 保护G3），通常 选100Ω左右。
利用电容C的充放电，改变uI3的电平(因为RS 很小,在分析时往往忽略它。)来控制G3周期性的导 通和截止，在输出端产生矩形脉冲。
不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面讨论的 多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频率稳定度 很高的石英晶体多谐振荡器。
t 振荡频率与充放电元件值 R、C 及 VDD、UT+、UT- 有关。
UT+ 之前uO = UOH。
6.1.3 石英晶体振荡器
前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是振荡 频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC参数误
差的影响。
而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号
来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号频率
Y3 8
A & & B
& Y
1 A1
2 B1
3 Y1
4 A2 (a)
5 B2
6 Y2
7 GND (b)
集成施密特触发器74LS132 (a) 74LS132的引脚排列和内部逻辑图； (b) 施密特触发与非门的逻辑符号
74LS132的输出信号Y与输入信号A、B之间的逻辑关系为与 非。 A、B中只要有一个低于施密特触发器的负向阈值电平，输 出Y就是高电平；只有当A、 B同时高于正向阈值电平时，输出Y 才为低电平。在使用+5 V电源的条件下，集成施密特触发器 74LS132的正向阈值电平UT+=1.5～2.0 V，负向阈值电平U T-= 0.6～1.1 V，回差电压ΔUT的典型值为0.8 V。
(三)施密特触发器组成的多谐振荡器
R EN uC≤UTu ≥U
C
工作原理
充电 充电 u OL UO UOH UOH
T+ 0
当 uC 上升到 UT+ 时，施密特触发器 UC u 状态翻转，uO 跃变为低电平 UOL。这时 C 经 R 和施密特触发器的输出电阻 RO EN UT+ = 0 时，uO = 1，多谐振荡器不工作； EN = 1 时， 不影响振荡器电路工作，下面分析时省略它。 uC 下降。 放电，使
图6-2（a）
对称式多谐振荡器
（2）工作原理 假定接通电源后，由于某种原因使uI1有微小正跳 变，则必然会引起如下的正反馈过程 ：
使uO1迅速跳变为低电平、uO2迅速跳变为高电 平，电路进入第一暂稳态。 此后，uO2的高电平对C1电容充电使uI2升高， 电容C2放电使uI1降低。由于充电时间常数小于放电 时间常数，所以充电速度较快，uI2首先上升到G2的 阈值电压UTH，并引起如下的正反馈过程：
电路会迅速转换为G 1 导通、G 2 截止，输出为 UOH，即uO=VDD的状态（第二稳态）。此时的uI值 称为施密特触发器的上限触发转换电平U T+ 。显然 ，uI继续上升，电路的状态不会改变。
如果uI下降，uI1也会下降。当uI1下降到UTH时 ，电路又会产生以下的正反馈过程：
电路会迅速转换为G1截止、G2导通、输出为 UOL的第一稳态。此时的uI值称为施密特触发器的下 限触发转换电平UT－。uI再下降，电路将保持状态不 变。
(7)占空比q：脉冲宽度tw与脉冲重复周期T的比值。 0.9Um
0.5Um
tr tW T
tf
Um
0.1Um
T — 脉冲周期 Um— 脉冲幅度 tW — 脉冲宽度 tr — 上升时间 tf — 下降时间
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3、脉冲产生电路的暂态分析
脉冲波形产生与整形电路多是由RC充放电电路构成的。
C UC(t) S U R
随着电容C的不断充电，uI不断上升，当uI≥UTH 时，电路又迅速跳变为第一暂稳态。如此周而复始 ，电路不停地在两个暂稳态之间转换，电路将输出 矩形波。
CMOS反相器构成 多谐振荡器的工作波形
振荡周期为
T＝1.4RC
6.1.2 用施密特触发器构成的振荡器
施密特触发器
主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿陡峭的矩 形波。 特点： ⑴电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持和转换完 全取决于外加触发信号。触发方式：电平触发。 ⑵电压传输特性特殊，电路有两个转换电平（上限触发 转换电平UT+和下限触发转换电平UT－）。 ⑶状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形 脉冲，即电压传输特性转折时的上升与下降时间极短。
B3 9 &
Y3 8
A & & B
& Y
1 A1
2 B1
3 Y1
4 A2 (a)
5 B2
6 Y2
7 GND (b)
集成施密特触发器74LS132 (a) 74LS132的引脚排列和内部逻辑图； (b) 施密特触发与非门的逻辑符 号
UCC 14
A4 13
B4 12 &
Y4 11
A3 10
B3 9 &
使uO2迅速跳变为低电平、uO1迅速跳变为高电 平，电路进入第二暂稳态。 此后，C1放电、C2充电，C2充电使uI1上升，会 引起又一次正反馈过程，电路又回到第一暂稳态。 这样，周而复始，电路不停地在两个暂稳态之 间振荡，输出端产生了矩形脉冲。
图6-2（b） 对称式多谐振荡器的工作波形
（3）主要参数
二极管 与门
施密特电路
电平偏移
推拉式输出
+Vcc
R1
4KΩ
R2
2KΩ
R3
1.5KΩ
R5
R7
R9
VT6
uc1 VD1 A VD2 uI VT1
iB2 VT2 iC1
uc2
VT3
iC2 VD3 VT4
uB1 uE R4
500Ω
VD4 uO
R6
VT5
R8
UCC 14
A4 13
B4 12 &
Y4 11
A3 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0
RC环形振荡器的工作波形
电路的振荡周期为 T≈2.2RC R不能选得太大（一般1kΩ左右），否则电路不 能正常振荡。 。
（3）CMOS反相器构成的多谐振荡器
CMOS反相器构成的多谐振荡器
R的选择应使G1工作在电压传输特性的转折区。 此时，由于uO1即为uI2，G2也工作在电压传输特性的转 折区，若uI有正向扰动，必然引起下述正反馈过程：
6.1.1 门电路构成的振荡器
1．多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。 2．通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互 交替，从而产生自激振荡，无需外触发。 3．输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富 的谐波分量，故称作多谐振荡器。
1、对称式多谐振荡器
（1） 电路组成 由两个TTL反相器经电容交叉耦合而成。 通常令C1=C2=C，R1=R2=RF。 为了使静态时反相器工作在转折区，具有较强的 放大能力，应满足ROFF＜RF＜RON的条件。
3、用门电路构成的施密特触发器
（1）电路组成 两个CMOS反相器，两个分压电阻。
用集成门电路构成的施密特触发器 （a） 电路 （b）逻辑符号
（2）工作原理
工作过程 设CMOS反相器的阈值电压UTH=VDD/2，输入 信号uI为三角波。
当uI=0V时， G1截止、G2导通，输出为UOL， 即uO=0V。只要满足uI1＜UTH，电路就会处于这种 状态（第一稳态）。 当uI上升，使得uI1 =UTH时，电路会产生如下正 反馈过程：
U C(0 +) 0 UT
U C(t ) U C(∞ )
t
M
t
① 开关闭合的一瞬间，电容器上电压不能突变，满足开关定 理UC(0+)=UC(0-)。 ② 充电暂态过程结束后，流过电容器的电流iC(∞)为0，即电 容器相当于开路。
U C(t ) UT U C(0 +) 0 t U C(∞ )
W
t
③ 电路的时间常数τ =RC，τ 决定了暂态时间的长短。根据三 要素公式，可以得到电压随时间变化的方程为
工作波形与电压传输特性 施密特触发器将三角波uI变换成矩形波uO。 下限触发转 换电平UT－ 上限触发转 换电平UT+
回差ΔUT = UT+－UT－（通常UT+＞UT－） 3. 重要参数 改变R1和R2的大小可以改变回差ΔUT
施密特触发器的工作波形及电压传输特性 （a）工作波形 （b）电压传输特性
uC ( t ) U C ( ) [U C (0 ) U C ( )]e t /
④令uC(tW)=UT，则从暂态过程的起始值UC(0+)变到UT所经历的时
间tW（脉冲宽度）可用下式计算：
tW RC 1n
U C ( ) U C (0 ) U C ( ) U T
第6章 脉冲产生与变换
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 基本RC电路 施密特触发器 单稳态触发器 多谐振荡器 555定时器及其应用
数字电路常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿 的脉冲信号，如触发器就需要时钟脉冲（CP）。 脉冲信号：指突然变化的电压或电流。 脉冲电路的研究重点：波形分析。 数字电路的研究重点：逻辑功能。
获得脉冲波形的方法主要有两种： 1．利用脉冲振荡电路产生； 2．是通过整形电路对已有的波形进行整形、变换，使之 符合系统的要求。
6. 1 矩形脉冲的产生
常见脉冲及参数
1.常见脉冲波形
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非周期性和周期性矩形波
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2.矩形脉冲及参数
(1)脉冲幅度Um：脉冲电压波形变化的最大值。