ch08-3多谐振荡器

8.3.3． 石英晶体多谐振荡器
1.石英晶体的选频特性
有两个谐振频率。当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0； 由晶体本身的特性决定： fs≈ fp≈ f0（晶体的标称频率）
当f=fp时，为并联谐振，石英晶体的电抗无穷大。
石英晶体的选频特性极好，f0十分稳定，其稳定度可达10-10～10-11。 X 感性 电路符号 0 容性
多谐振荡器应用实例 例1：多谐振荡器构成水位监控报警电路 +U CC
R1
R2 C
. .u
7 8 4 + 6 3 2 1
C
.
5
水位正常情况下，电容C 被短接，扬声器不发音；水 位下降到探测器以下时，多谐振荡器开始工作，扬声器发 出报警。
例题:下图所示是一个水位监控器。当水位下降到与探测 电极脱离接触时，扬声器发出报警声响；当探测电极浸 在水中时，扬声器不报警。
I
vI
v O1
vO
迅速使G1导通、 G2截止
vO1 =0 vO2=1 电路进入第二暂态
G1 TP D1 vI D2 TN R vO1 D3 充电 vO2 D4 TN TP G2 VDD
v O 1=0
vI
VDD VTH 0
v O =1
t
vO
VDD
C
0
t
2. 工作原理
υo1 =0, υo =1 时,电容放电, υI下降;
vI
v I2
3
VCC
R1
VCC RA R1 7 R2 D1 6 RB R3 D2
8 7
4 3 vO
8 555 1 5 0.01 F 4 3 vO
R2
6 2 C
555
1
5 0.01F
vC
vC ＋ C －
2
本章小结
1．多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地 产生出矩形脉冲。用555定时器可以组成多谐振荡器，用石英晶体也定 时器可以组成多谐振荡器。石英晶体振荡器的特点是fo的稳定性极好。 2．施密特触发器和单稳态触发器，虽然不能自动地产生矩形脉冲，但却可 以把其它形状的信号变换成为矩形波，为数字系统提供标准的脉冲信号。
VCC RA R1 7 R2 RB R3 D2 D1 6 vC ＋ C － 2
tpH = RAC1n2≈0.7RAC tPL=RBC1n2≈0.7RBC
f 1 1.43 t pL ( R A R B )C
8 555 1
4 3 vO
5 0.01 F
t pH
RA q(% ) 100% RA RB
（2）第二暂稳态电容放电，电路自动翻转到第一暂稳态 电容放电
vC
vO
vI
当 v I =VTH 时，
vI
G1 TP D1
v O1
迅速使得G1截止、G2导通
υ O1 =1 υ
G2 VDD TP D3
O2 =0
电路返回第一暂稳态
vI
放电
VDD＋V＋
vI
D2
vO1
TN R D4 TN
vO2
VTH O vO2 VDD
（1）试分析其工作原理；说明该电路是由555定时器组 成的何种类型电路（单稳态触发器，施密特触发器，自激多谐振荡器）？ （2）定性画出报警时的uC和uo波形，
已知：R1 =1KΩ 、R2 =2KΩ 、C =1uF，计算振荡频率、占空比。
＋VCC ＝＋6 V R1 7 R2 uC C 6 2 1 C1 5 0.01 F 5G 555 8 4 3 C2
V CC
R1
10k Ω 7
V CC 8
RD 4
510Ω D
vx
100Ω
100kΩ RW
vI1 v I2
3 6 2 555 1 T 5
vO
DZ
vC
C 20μF
10k Ω 0.01μF
4.间歇振荡器
V (+12V) CC R1 10kΩ 7 R2 150kΩ 3 55 5 6 (A ) 2 1 C1 10μF 0.01 μF 5 R5 R3 10kΩ 100kΩ vI1 6 2 1 4 RD V CC 8 RD 4 7 55 5 3 (B ) R4 10kΩ V CC 8 100μF
O
t1
第一
第二 暂稳态
暂稳态
8.3.2 用施密特触发器构成波形产生电路
vI
R
VT+ VT_
vI
1
vo
0 vo VOH VOL 0
T1 T2
t
C
t
T T1 T2 VDD VT VT+ VDD VT VT+ RC ln RC ln RC ln( ) VDD VT VTVDD VT VT-
例: 秒脉冲发生器
R 1 1 FF1
T 触发器
FF 2 FF14 FF15
Q1 C2
Q2 C14 f2 8192Hz
Q14 C15
Q 15 秒脉冲 f 1Hz
C1 f
C2
C1
0
f1 16384Hz
f 14 2Hz
32768Hz
CMOS石英晶体多谐振荡器产生f=32768Hz的基准信号，经T/ 触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒 信号。 这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源。
1
R
1
C
vO
D1
vI
D2 TN
v O1
TN R D4
vO
VC
组成的多谐振荡器
C
2. 工作原理
（1）第一暂稳态（初态）电容充电，电路自动翻转到第二暂稳态 电路初态： v O1 =1 v O =0 v C = 0V 假定 VTH＝ V0 N＝ VOFF＝VDD 2 当 v =V 时， vC 电容充电 v I TH
例:双相脉冲产生电路
石英 晶体 振荡器 vO 1 CP & 1J Q & Q 2 1
＞ C1
1K VCC
CP
Q 1 2
8.3.4 用555定时器组成多谐振荡器
1、电路组成
VCC (8) RD (4)
VCC
R1
8 7
4 3 vO
(VCC- )
R2
&
R1 -
5 k
(5) (6)
6 2 C
555
3．555定时器是一种用途很广的集成电路，除了能组成施密特触发器、单稳
态触发器和多谐振荡器以外，还可以接成各种灵活多变的应用电路。 4．除了555定时器外，目前还有556（双定时器）和558（四定时器）等。
阻抗频率特性
fs
f p
f
2. 石英晶体多谐振荡器
（1）串联式振荡器
C2
R1 R2
G1
1
C1
G1
1
vo
R1、R2：使两个反相器都工作在转折区，成为具有高放大倍数的放大 器 。 对 于 TTL 门 ， 常 取 R1=R2=0.7 ～ 2kΩ ， 对 于 CMOS 门 ， 常 取 R1=R2=10～100MΩ ；C1=C2是耦合电容。 石英晶体工作在串联谐振频率f0 下，只有频率为f0的信号才能通过， 满足振荡条件。因此，电路的振荡频率= f0，与外接元件R、C无关，所以 这种电路振荡频率的稳定度很高。
vO
vI1
vC
v I2
vC
C2 0.01 μF
v I2
5. 分析如图所示电路，简述其工作原理；画出555器件 的输出波形。若要求按键开关S按下作用后，扬声器以 1KHz的频率持续响15秒，试确定R1，R2，C1的值。
注意: 电容一般选择uF。
6.如图所示，555构成的施密特触发器，当输入信号为图示周 期性心电波形时，试画出经施密特触发器整形后的输出电压 波形。 V
RC延时环节 开 关 电 路
8.3.1 由CMOS门电路组成的多谐振荡器
1. 电路组成
υo1与υo反相,电容接在υo与υI之间: .υo1 =1, υo =0 时,电容充电, υI增加;
υo1 =0, υo =1 时,电容放电, υI下降;
G1 vI G2 vO1
G1 G2 TP D3 TP +VDD
1
5 0.01F
+ C1 5 k
R
vC
vo
R2 (2)
G
+
5 k
S
C2
&
&
1
(7)
T
C
(1)
2、工作原理
VCC (8) RD (4)
(VCC- )
&
R1 -
5 k
(5) 2/3VCC (6)
+ C1 5 k
R
vo
R2 -
1/3VCC
(2)
+
5 k
S
C2
&
&
VO1G1来自VOQT
(7)
C
(1)
8 7 6 2 1 5
4 555 3
R 7
8 6
4 3 555
v O2
1
vO
vI
v O1
T C
2 1 5 D1 D2
vI
V CC
VCC R 7 vC vI C 6 2 1 8 4 3 vO
V CC2 RD
V CC 8
4 7
R
vIC vI1
555
5 0.01F
5 6 555 2 1
vO 2 vO1
－V－ t
T1
T2
t2
C
O
t1
第一
第二 暂稳态
t
暂稳态
3. 振荡周期的计算 T1 : vI(0+) 0；vC() VDD =RC, t = t2-t1 VDD T1 RCln VDD VTH vI(0+) VDD ；vC() 0 =RC, t = t3-t2
V DD T2 RC 1n VTH
uo
＋
水
探测电极
例2：下图是一个防盗报警电路，a、b两端被一细铜丝接通， 此铜丝置于认为盗窃者必经之处。当盗窃者闯入室内将铜丝 碰断后，扬声器即发出报警声。 (1) 试问555定时器接成何种电路？ (2) 说明本报警电路的工作原理。
3.一过压监视电路如图所示，试说明当监视电压vx超过一定值 时，发光二极管D将发出闪烁的信号。 提示：当晶体管T饱和时，555的管脚1端可认为处于地电位。
f
VCC R1 R2 vC C 8 7 6 2 555 5 1 0.01F 4 3 v
O
vC 2V 3 CC 1 3 VCC O vO t
tPL O
tPH t
4、用555定时器组成占空比可调的多谐振荡器
利用二极管的单向导电性，把电容C充电和放电回路隔离开，再 加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。
CC (+5V)
8 7 6 2 1 5
4 555 3
vO
vI
vI
vO
7.（8.4.3 ）图题8.4.3为一心律失常报警电路，图中vI是经过 放大后的心电信号，其幅值vIm=4V。 （1）对应vI分别画出图中vo1、vo2、vo三点的电压波形； （2）说明电路的组成及工作原理。
V (+5V) CC V (+5V) CC
vI VTH O vO2 VDD
－V－ t VDD＋V＋
2 V DD T T1 T2 RC 1n ( V DD V TH ) V TH
T2 :
T＝RC1n4≈1.4RC 由门电路组成的多谐振荡器的振 频率稳定性较差。
t
T1
T2
t2
荡周期T取决于R、C电路和 VTH，
1）电路第一暂态，输出为1。电容充电，电路转换到第 二暂态,输出为0 2）电路第二暂稳态，电容放电，电路转换到第一暂态
3、工作波形与振荡频率计算 tPL=R2C1n2≈0.7R2C tpH = (R1+R2)C1n2≈0.7(R1+R2)C
1 1.43 tPL tPH ( R1 2 R2 )C
8.3 多谐振荡器
8.3.1 由门电路组成的多谐振荡器
8.3.2用施密特触发器构成波形产生电路
8.3.3 石英晶体振荡器
8.3.4 用定时器构成的多谐振荡器
8.3 多谐振荡器
1.多谐振荡器(无稳态电路)——是一种自激振荡电路，在接通电 源后，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。 2.多谐振荡器的基本组成： (1)开关器件：产生高、低电平 (2)反馈延迟环节（ RC电路）：利用RC电路的充放电特性实 现延时，输出电压经延时后,反馈到开关器件输入端，改变电 路的输出状态,以获得所脉冲波形输出。
（2）并联式振荡器
RF
10MΩ G2
1
G1
1
vo
C2 20pF
C1 5～50pF
RF是偏置电阻，保证在静态时使G1工作转折区，构成一个反相放大器。 晶体工作在略大于fS与 fP之间，等效一电感，与C1、C2共同构成电容三点式 振荡电路。电路的振荡频率= f0。 反相器G2起整形缓冲作用，同时G2还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。