常用基本数字集成电路应用设计

课程设计题目：常用基本数字集成电路应用设计

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常用基本数字集成电路应用设计

1.多谐振荡器概述

多谐振荡器是一种自激振荡器，它不需要输入触发信号，接通电源后就可自动输出矩形脉冲。由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，因此，常将矩形脉冲产生电路称为多谐振荡器。

1.1非门电路构成的多谐振荡器设计

1.1.1基本原理

门电路构成多谐振荡器

非门作为一个开关倒相器件，可用以构成各种脉冲波形的产生电路。电路的基本工作

原理是利用电容器的充放电，当输入电压达到与非门的阈值电压VT 时，门的输出状态即发生变化。因此，电路输出的脉冲波形参数直接取决于电路中阻容元件的数值。

（1）不对称多谐振荡器

非对称型多谐振荡器的输出波形是不对称的，当用TTL与非门组成时，输出脉冲宽度

tw1=RC, tw2=1.2RC, T=2.2RC

调节 R和C值，可改变输出信号的振荡频率，通常用改变C实现输出频率的粗调，改

变电位器R实现输出频率的细调。

图1为不对称多谐振荡器，为了使电路产生振荡，要求U1A和U1B两个反向器都工作在电压传输特性的转折区，即工作在放大区。

（2）对称型多谐振荡器

电路完全对称，电容器的充放电时间常数相同, 故输出为对称的方波。改变R和C的值，

可以改变输出振荡频率。非门3用于输出波形整形。

一般取R≤1KΩΩ,当R1＝R2=1KΩ，C1=C2＝100pf～100µf时，f可在几Hz～MHz 变化。

脉冲宽度tw1＝tw2＝0.7RC，T＝1.4RC.

图2中，U1A和U1B两个反向器之间经电容C1和C2耦合形成正反馈回路。

(3) 石英晶体稳频的多谐振荡器

当要求多谐振荡器的工作频率稳定性很高时，上述几种多谐振荡器的精度已不能满足要

求。为此常用石英晶体作为信号频率的基准。用石英晶体与门电路构成的多谐振荡器常用来

为微型计算机等提供时钟信号。

图3所示为常用的晶体稳频多谐振荡器。（a）、 (b)为TTL器件组成的晶体振荡电路；（c）、

(d)为CMOS器件组成的晶体振荡电路，一般用于电子表中，其中晶体的f0=32768Hz。

图3（c）中，门1用于振荡，门2用于缓冲整形。Rf是反馈电阻，通常在几十兆欧之

间选取，一般选22MΩ。R起稳定振荡作用，通常取十至几百千欧。C1是频率微调电容器，

C2用于温度特性校正。

图4 晶体振荡器

1.1.2电路仿真

（1）非门电路的模型如图5所示

5 非门电路模型

（2）不对称多谐振荡器

根据图 5，建立非门的模块电路，并搭建不对称仿真电路，如下图 6所示。完成电路仿

真。改变电阻 R9 和电容 C1 的数值，对输出的波形和频率有什么变化。根据电阻电容的数值，计算理论的输出频率，并与实测的频率进行比较。

图6 不对称仿真电路图

图7 仿真结果图

根据频率计算公式kHz C

R T f f 628.197)102302.2(12.211109

=⨯⨯⨯÷===

- 改变R9阻值和C1的容量，在一定范围内，增大R9阻值会使占空比发生改变，并且使频率减小，同样，增大C1容量，会使频率减小。 （3）对称多谐振器

根据电阻电容的数值，计算理论的输出频率，并与实测的频率进行比较。

图8 对称多谐振荡器

理论频率值

k H z

C

R T f f 42.70)101010004.1(14.1119=⨯⨯⨯÷===-

图9 仿真结果图

1.2 555定时器构成的多谐振荡器设计

1.2.1 555定时器内部电路构成如图10

由电阻分压器、电压比较器、基本 RS触发器、输出缓冲反相器、集电极开路输出三极管组成。

图10 555内部电路

555 功能表

1.2.2 555定时器原理

图11 555定时器电路图

电路如图11所示，将555定时器将TR端和TH端相连，对地接电容C1，对电源接电阻R1和R2，为C1提供充电回路。R2为C1放电回路中的电阻，C2起滤波作用，主要用于消除高频干扰，以保证内部比较器阈值电平的稳定，这样便组成了多谐振荡器。

1.2.3 555多谐振荡器参数计算 多谐振荡器的周期T 为21W W t t T +=

1W t 为Uc 由1/3V 充到2/3V 所需的时间，2W t 为Uc 由2/3V 下降到1/3V 所需的时间。它们的计算公式为

1211)(7.0C R R t W +≈ ， 1227.0C R t W = 所以有

121)2(7.0C R R T +≈

仿真电路图如图12所示

图12 仿真电路图

图13 仿真波形图 占空比：3

230201*********R2)C10.7(R1R2)C10.7(R11211==⨯++=++==+=k k T t t t t q w w w w ）（）（ 1.2.4 555定时器构成的占空比可调的多谐振荡器

12,117.07.0C R t C R t B w A w == R2

R1R1R2)C10.7(R10.7R1C11211+=+==+=T t t t t q w w w w

图14 555定时器构成的占空比可调的多谐振荡器

2． N 进制计数器与显示仿真设计