脉冲信号的产生及波形变换

7.1 多谐振荡器
一、 由门电路构成的多谐振荡器 二、由555定时器构成的多谐振荡器 三、 多谐振荡器的应用
3
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
一、 由门电路构成的多谐振荡器
能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。
1、RC环形多谐振荡器
G1 ui1 &
G2 ui2 & uo2
R
C
G3 ui3 & RS
uo (ui1)
动翻转的工作过程
0 ui2
t1 t2 t3
t
(uo1)
G1
G2
ui1 & ui2 & uo2
G3 ui3 &
0 uo uo2
t
R
RS
0
t
ui3
C (a) 电路图
UT
t
0
(b) 波形图
在t2时刻，uo2变为低电平，电容C开始通过电阻R放电。随着放 电的进行，ui3逐渐下降。在t3时刻，ui3下降到UT，使uo（ui1）又 由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又 开始重复前面的过程。
24
第7章 脉冲信号的产V生DD及波形变换
ui
ui
号
发
生
器
FF1 Q1 FF2
Q2 FF14 Q14 FF15 Q15 分
C1
C1
C1
C1
频
电
f0
f1
f2
f14
f
路
32768Hz 16384Hz 8192Hz 2Hz
1Hz 17
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
模拟声响电路
VCC
R1
84
7
3 uo1
R2 6 555Ⅰ
2
5
R3
84
7
3
uo2 uo1
R4 6 555Ⅱ C
单稳态触发器在数字电路中一般用于定 时（产生一定宽度的矩形波）、整形（把不 规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形） 以及延时（把输入信号延迟一定时间后输出） 等。
单稳态触发器具有下列特点：
（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。 （2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻 转到暂稳态。 （3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经 过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳 态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路 本身的参数。
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
ui
0
t
VDD
VDD uo1
ui
1 G1
≥1
0C
R
G2 ≥1
1 uo2
0 VDD uA
t
uo1
uA
0
t
uo2
tP
(a) 电路
0
t
(b) 波形
（2）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态 当正触发脉冲ui到来时，门G1输出uo1由1变为0。由于电容电压不 能跃变，uA也随之跳变到低电平，使门G2的输出uO2变为1。这个 高电平反馈到门G1的输入端，此时即使ui的触发信号撤除，仍能 维持门G1的低电平输出。但是电路的这种状态是不能长久保持的， 所以称为暂稳态。暂稳态时，uo1＝0，uo2＝1。
第7章 脉冲信号的产2生、及由波5形5变5定换时器构成的多谐振荡器
VCC
uc
R1 R2
84
7
3
6 555
2VCC/3
uo
VCC/3
0
t
uc
2
5
uo
C
1
0.01μF
0 tP1 tP2
t
(a) 电路
(b) 工作波形
接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，T
导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0变
为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输
出端uo产生了连续的矩形脉冲。
15
第7章 脉冲信号的产VC生C及波形变换
uc
R1 R2
84
7
3
6 555
2VCC/3
uo
VCC/3
0
t
uc
2
5
uo
C
1
0.01μF
0 tP1 tP2
t
(a) 电路
(b) 工作波形
第一个暂稳态的脉冲宽度 tp1，即 uc从 VCC/3 充电上升到 2VCC/3 所需的时间：
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的 开关按键来实现功能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按
PCBA
键
开关 键
传统机械按键设计要点： 1.合理的选择按键的类型， 尽量选择平头类的按键，以 防按键下陷。 2.开关按键和塑胶按键设计 间隙建议留0.05~0.1mm，以 防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计 算累积公差，以防按键手感 不良。
R C
(a) 电路图
ui1
UT
t
0
(b) 波形图
在t2时刻，uo1变为高电平，这个高电平通过电阻R对电容C充电。 随着放电的进行，ui1逐渐上升。在t3时刻，ui1上升到UT，使uo （ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂 稳态，又开始重复前面的过程。
若 UT＝0.5VDD，振荡周期为：
21
第7章 脉冲信号的1产、生微及波分形变型uo1
ui
0 G1
≥1
1C
R 1 G2
≥1
0 uo2
0 VDD uA
t
uo1
uA
0
t
uo2
(a) 电路
0
tP
t
(b) 波形
（1）没有触发信号时电路工作在稳态
当没有触发信号时，ui为低电平。因为门G2的输入端经电阻R接 至VDD，VA为高电平，因此uo2为低电平；门G1的两个输入均为0， 其输出uo1为高电平，电容C两端的电压接近为0。这是电路的稳 态 ＝0，。在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：uo1＝12，2 uo2
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
7.1 多谐振荡器 7.2 单稳态触发器 7.3 施密特触发器
1
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
学习要点： • 555定时器的工作原理及逻辑功能 •由555定时器构成单稳、多谐、施密特 触 发器的方法
2
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由555定时 器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本RS触发器 在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。 RS触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以 又称为无稳电路。
在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂 稳态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电 提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡 周期与电路的阻容元件有关。
(a) 电路图
uo (ui1)
0 ui2 (uo1)
0 uo uo2
0 ui3
UT 0
t1 t2 t3 (b) 波形图
t t t t
4
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
第一暂稳态及其自
uo (ui1)
动翻转的工作过程
0 ui2
t1 t2 t3
t
(uo1)
G1
G2
ui1 & ui2 & uo2
G3 ui3 &
第7章 脉冲信号的产生及+波VC形C 变换
R
8
4
CO 5
TH 6
＜2VCC/3
TR 2
＞VCC/3
5kΩ
+ C1 1
－
5kΩ
+
1
－ 5kΩ C2
G1 Q
&
10
G2 01
&Q
G3 &
3
01
uO
7D T
1
①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。 ②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1， Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。 ③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1， Q、Q不变，uo不变，T状态不变。
tp1≈0.7(R1+R2)C
第二个暂稳态的脉冲宽度 tp2，即 uc从 2VCC/3 放电下降到 VCC/3 所需的时间： tp2≈0.7R2C
振荡周期：T＝tp1＋tp2≈0.7(R1＋2R2)C 16
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
三、 多谐振荡器的应用
R1
C2
R2
多
谐
秒 信
&
C1 &
振
&
荡 器
能跃变，故ui1跟随uo发生负跳变，于是ui2（uo1）由0变为1。这个
高电平保持uo为0。至此，第一个暂稳态结束 暂稳态。
，电路进入第二个 7
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
第二暂稳态及其自
uo
动翻转的工作过程
G1 ui1 & uo1
G2 ui2 &
0
ui2
uo
(uo1) 0
t1 t2 t3
t t
2
5
uo2
C1
1
0.01μF C2
1
0.01μF
(a) 电路
(b) 工作波形
将振荡器Ⅰ的输出电压uo1，接到振荡器Ⅱ中555定时器的复 位端（4脚），当uo1为高电平时振荡器Ⅱ振荡，为低电平时 555定时器复位，振荡器Ⅱ停止震荡。
18
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
多谐振荡器小结：
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。
逐渐上升。在t2时刻，ui3上升到门电路的阈值电压UT，使uo（ui1）
由1变为0，uo1（ui2）由0变为1，uo2由1变为0。同样由于电容电
压不能跃变，故ui3跟随ui2发生正跳变。这个高电平保持uo为0。至
此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。
5
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
第二暂稳态及其自
在t1时刻， uo由0变为1，由于电容电压不能跃变，故ui1必定跟随 uo发生正跳变，于是ui2（uo1）由1变为0。这个低电平保持uo为1， 以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，电容C通过电
阻R放电，使ui1逐渐下降。在t2时刻，ui1上升到门电路的开启电
压UT，使uo1（ui2）由0变为1，uo由1变为0。同样由于电容电压不
振荡频率等于石英晶体的谐振频率f0。 9
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
二、 由555定时器构成的多谐振荡器
4.5～16V
1、555定时器
电压 控制端
CO TH
高电平 触发端 TR
低电平 触发端
+VCC 8
5kΩ
5
+ C1
－
6
5kΩ
2
+
－ C2
5kΩ
1
R 4
G1 Q
&
G2 &Q
复位端 低电平有效
G3
TH 6
＞2VCC/3
TR 2
＞VCC/3
5kΩ
+ C1 0
－
5kΩ
+
1
－ 5kΩ C2
G1 Q
&
1
G2 0
&Q
G3 &
3
0
uO
7D T
1
①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。 ②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1， Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。
12
0 uo uo2
t
R
RS
0
t
ui3
C (a) 电路图
UT
t
0
(b) 波形图
在t1时刻，ui1（uo）由0变为1，于是uo1（ui2）由1变为0，uo2由0
变为1。由于电容电压不能跃变，故ui3必定跟随ui2发生负跳变。
这个低电平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。
在这个暂稳态期间，uo2（高电平）通过电阻R对电容C充电，使ui3
造成振荡器自动翻转的原因是电容 C 的充放电。
振荡周期为：T≈2.2RC
6
第7章 脉冲信号的产生及波形2、变C换MOS多谐振荡器
第一暂稳态及其自
uo
动翻转的工作过程
G1 ui1 & uo1
G2 ui2 &
0 ui2 uo (uo1)
0
t1 t2 t3
t t
R C
(a) 电路图
ui1
UT
t
0
(b) 波形图
&
3 uO
7D T
放电端10
第7章 脉冲信号的产生及+波VC形C 变换 8
5kΩ
CO 5 TH 6
+ C1 － 5kΩ
TR 2
+ － 5kΩ C2
R 4
0
G1 Q
&
1
G2 &Q
1
①R=0时，Q=1，uo=0，T导通。
G3
0
&
3 uO
7D T
11
第7章 脉冲信号的产生及+波VC形C 变换
R
8
4
CO 5
13
第7章 脉冲信号的产生及+波VC形C 变换
R
8
4
CO 5
TH 6
＜2VCC/3
TR 2
＜VCC/3
5kΩ
+ C1 1
－
5kΩ
+
0
－ 5kΩ C2
G1 Q
&
0
G2 1
&Q
G3 &
3
1
uO
7D T
1
①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。 ②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1， Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。 ③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1， Q、Q不变，uo不变，T状态不变。 ④R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＜VCC/3时，C1=1、C2=0， 14 Q=0、Q=1，uo=1，T截止。
T≈1.4RC
8
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
3、石英晶体多谐振荡器
X
电
R1
C2
R2
感
f0
性
&
C1 &
0电
uo
容 性
f
(a) 石英晶体多谐振荡器
(b) 石英晶体阻抗频率特性
电阻R1、R2的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性 放大区。对TTL反相器，常取R1＝R2＝R＝0.7 kΩ～2kΩ，而对 于CMOS门，则常取R1＝R2＝R＝10kΩ～100kΩ；C1＝C2＝C是耦 合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率f0时可以忽略不计； 石英晶体构成选频环节。
555定时器是一种应用广泛、使用灵活的集成器件， 多用于脉冲产生、整形及定时等。