1、2021-12-16內容提要內容提要 本章主要介紹矩形波的產生和整形電路。在矩形本章主要介紹矩形波的產生和整形電路。在矩形波產生電路中介紹幾種常用的多諧振蕩器對稱式和波產生電路中介紹幾種常用的多諧振蕩器對稱式和非對稱多諧振蕩器、環形振蕩器以及用施密特觸發器非對稱多諧振蕩器、環形振蕩器以及用施密特觸發器和和555定時器構成的多諧振蕩器等。此外對幾種不同定時器構成的多諧振蕩器等。此外對幾種不同類型的壓控振蕩器也做了介紹。在整形電路中，介紹類型的壓控振蕩器也做了介紹。在整形電路中，介紹了施密特觸發器和單穩態觸發器。本章也討論了最常了施密特觸發器和單穩態觸發器。本章也討論了最常用的用的555定時器及其

2、所構成的施密特觸發器、單穩態定時器及其所構成的施密特觸發器、單穩態觸發器及多諧振蕩器的電路及工作原理。觸發器及多諧振蕩器的電路及工作原理。10.1 概述概述10.2 施密特觸發器施密特觸發器10.3 單穩態觸發器單穩態觸發器10.4 多諧振蕩器多諧振蕩器10.5 555定時器及其應用定時器及其應用2021-12-1610.1 概述概述一、一、 產生矩形脈沖的途徑產生矩形脈沖的途徑1.利用各種形式的多諧振蕩器電路；利用各種形式的多諧振蕩器電路；2.通過各種整形電路把已有的周期性變化波形變換成通過各種整形電路把已有的周期性變化波形變換成符合要求的矩形脈沖。符合要求的矩形脈沖。二二 、矩形脈沖特性的

3、描述、矩形脈沖特性的描述 通常的通常的矩形脈沖波矩形脈沖波形如圖形如圖10.1.1所示。所示。圖圖10.1.1圖圖10.1.110.1 概述概述脈沖周期脈沖周期T ：周期行重復的脈沖序列中，兩個相鄰脈：周期行重復的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖之間的時間間隔。有時也用頻率沖之間的時間間隔。有時也用頻率f1/ T表示單位時表示單位時間內脈沖重復的次數間內脈沖重復的次數脈沖幅度脈沖幅度Vm：脈沖電壓的最大變化幅度。：脈沖電壓的最大變化幅度。2021-12-16 上升時間上升時間tr ：脈沖上升沿從：脈沖上升沿從0.1Vm上升到上升到 0.9Vm所需所需要的時間要的時間圖圖10.1.1 脈沖寬度脈沖寬度t

4、W：從脈沖前沿到達：從脈沖前沿到達0.5Vm起，到脈沖后沿起，到脈沖后沿到達到達0.5Vm為止的一段時間。為止的一段時間。 下降時間下降時間tf ：脈沖下降沿從：脈沖下降沿從0.9Vm 下降到下降到 0.1Vm所需所需要的時間要的時間10.1 概述概述占空比占空比q ：脈沖寬度與脈沖周期的比值，即：脈沖寬度與脈沖周期的比值，即q tw /T圖圖10.1.110.1 概述概述注：在脈沖整型或產生電路用于數字系統時，有時注：在脈沖整型或產生電路用于數字系統時，有時對脈沖有些特殊要求，如脈沖周期和幅度的穩定性對脈沖有些特殊要求，如脈沖周期和幅度的穩定性等，這時需要另增加一些參數來描述脈沖。等，這時需

5、要另增加一些參數來描述脈沖。2021-12-1610.2 施密特觸發器（施密特觸發器（Schmitt Trigger）第一第一 輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態轉輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態轉換時對應的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程換時對應的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應的輸入轉換電平不同；中對應的輸入轉換電平不同；第二第二 在電路狀態轉換時，通過電路內部的正反饋過在電路狀態轉換時，通過電路內部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。 注：利用這兩個特點不僅能將邊沿變化緩慢地信號波注：利用這兩個特點不僅能將邊沿變化緩慢地信號波

6、形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形波脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。波脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。 施密特觸發器是脈沖波形變換中經常使用的一種施密特觸發器是脈沖波形變換中經常使用的一種電路，它具有下面兩個性能特點：電路，它具有下面兩個性能特點：10.2.1 用門電路組成的施密特觸發器用門電路組成的施密特觸發器 將兩極反相器串接起來，通過分壓電阻把輸出端將兩極反相器串接起來，通過分壓電阻把輸出端的電壓反饋到輸入端就夠成施密特觸發器電路，其電的電壓反饋到輸入端就夠成施密特觸發器電路，其電路及其圖形符號如圖路及其圖形符號如圖10.2.

7、1所示。所示。圖圖10.2.1設反相器設反相器G1和和G2均為均為CMOS門，其閾值電壓為門，其閾值電壓為VTH VDD/2，輸出高低電平分別為，輸出高低電平分別為VOH VDD， VOL0，且，且R1VTH時，電路狀態時，電路狀態維持在維持在voVOH VDD不不變變10.2.1 用門電路組成的施密特觸發器用門電路組成的施密特觸發器當當vI從高電平從高電平VDD逐漸逐漸下降到下降到vAVTH時，由時，由于也存在正反饋，即于也存在正反饋，即使電路迅速跳變使電路迅速跳變到到voVOL 0此時施密特觸發器在此時施密特觸發器在vI下降時對應輸出電壓由高電平下降時對應輸出電壓由高電平轉為低電平時的輸入

8、電壓為轉為低電平時的輸入電壓為VT，稱為，稱為負向閾值電壓負向閾值電壓，此時此時voVDD， G1門的輸入電壓為門的輸入電壓為2021-12-16DD211T2120211I212THVVVRRRRRRvRRRvRRRvATH21TV)1VRR（10.2.1 用門電路組成的施密特觸發器用門電路組成的施密特觸發器0211212vRRRvRRRvIA由于由于VTH VDD / 2，故，故只要只要vIR.，VOL06.4.4 用施密特觸發器構成的多諧振蕩器用施密特觸發器構成的多諧振蕩器電路如圖電路如圖10.4.10所示。所示。其工作原理如下其工作原理如下電源接通若電容初始電壓為零)0Iv（為高電平o

9、v充電給通過CR0vIvTVIv為低電平ov放電通過RCIvTVIv其輸出波形如圖其輸出波形如圖10.4.11所示所示其振蕩周期的計算公式為其振蕩周期的計算公式為)VVVVVVRClnTTTTDDTDD（6.4.4 用施密特觸發器構成的多諧振蕩器用施密特觸發器構成的多諧振蕩器圖圖10.4.11為了可調節占空比，電路可為了可調節占空比，電路可修改為圖修改為圖10.4.12所示的電路。所示的電路。電容充電是通過電容充電是通過R2進行，電進行，電容放電是通過容放電是通過R1進行，故只進行，故只要改變要改變R1和和R2的比值即可改的比值即可改變占空比。變占空比。6.4.4 用施密特觸發器構成的多諧振蕩

10、器用施密特觸發器構成的多諧振蕩器圖圖10.4.12TDDTDDTDDTDDVVVVCRVVVVCRTTTlnln122110.4.5 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器 前面介紹的多諧振蕩器的振蕩周期或頻率不僅與前面介紹的多諧振蕩器的振蕩周期或頻率不僅與時間常數時間常數RC有關，而且還取決于門電路的閾值電壓有關，而且還取決于門電路的閾值電壓VTH。VTH容易受溫度、電源電壓及干擾的影響，故頻容易受溫度、電源電壓及干擾的影響，故頻率的穩定性很差，不能適應對頻率穩定性要求較高的率的穩定性很差，不能適應對頻率穩定性要求較高的場合。場合。年美國年美國 卡第提出用石英壓電效應調制電磁振卡第提出用石英壓

11、電效應調制電磁振蕩的頻率。巴黎廣播電臺首先用嚴濟慈制作的石英振蕩的頻率。巴黎廣播電臺首先用嚴濟慈制作的石英振蕩片實現了無線電播音中的穩頻，隨后各國相繼采用，蕩片實現了無線電播音中的穩頻，隨后各國相繼采用，使無線廣播振蕩電磁回路穩頻成為壓電晶體的最重要使無線廣播振蕩電磁回路穩頻成為壓電晶體的最重要應用之一。應用之一。 為了提高振蕩頻率的穩定性，目前普遍采用的一為了提高振蕩頻率的穩定性，目前普遍采用的一種穩頻方法是在多諧振蕩器電路中，接入石英晶體，種穩頻方法是在多諧振蕩器電路中，接入石英晶體，組成石英晶體多諧振蕩器組成石英晶體多諧振蕩器圖圖10.4.12給出了石英給出了石英晶體的外形、符號和晶體的

12、外形、符號和電抗頻率特性。電抗頻率特性。10.4.5 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器由電抗頻率特性可知，由電抗頻率特性可知，當外加電壓頻率為當外加電壓頻率為fo 時，其阻抗最小，此時，其阻抗最小，此頻率的信號最易通過，頻率的信號最易通過，其他頻率被衰減，故其他頻率被衰減，故振蕩器的工作再頻率振蕩器的工作再頻率fo處。處。圖圖10.4.13為對稱式石英為對稱式石英晶體多諧振蕩器晶體多諧振蕩器 由于振蕩器的頻率只取決于石英晶體的固有頻率由于振蕩器的頻率只取決于石英晶體的固有頻率fo，與外接電容、電阻和門電路的閾值電壓無關，其固有與外接電容、電阻和門電路的閾值電壓無關，其固有頻率頻率fo是由石

13、英晶體本身特性決定，故石英晶體多諧振是由石英晶體本身特性決定，故石英晶體多諧振蕩器的頻率穩定性極高，到達蕩器的頻率穩定性極高，到達10-1010-11。目前石英晶。目前石英晶體已被制成標準化和系列化出售。體已被制成標準化和系列化出售。10.4.5 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器圖圖10.4.1310.5.1 555定時器的電路結構與功能定時器的電路結構與功能10.5 555定時器定時器 555定時器是一種多用途的數字模擬混合的集成定時器是一種多用途的數字模擬混合的集成電路。它可以很方便地構成多諧振蕩器、單穩態觸發電路。它可以很方便地構成多諧振蕩器、單穩態觸發器和多諧振蕩器。器和多諧振蕩器

14、。 555定時器為雙極型產品，定時器為雙極型產品，7555為為CMOS型的產品，型的產品，為了實際需求，又出現了雙極型為了實際需求，又出現了雙極型556和和CMOS型型7556.盡管廠家不同，但各種；類型的盡管廠家不同，但各種；類型的555定時器的功能及外定時器的功能及外部引腳排列都是相同的。部引腳排列都是相同的。一、電路結構一、電路結構其圖形符號和功能表如圖其圖形符號和功能表如圖10.5.2所示所示10.5.1 555定時器的電路結構與功能定時器的電路結構與功能1接地端接地端2低電平觸發端低電平觸發端3輸出端，輸輸出端，輸出電流可達出電流可達200mA，直接驅，直接驅動繼電器、發光動繼電器、

15、發光二極管、揚聲器、二極管、揚聲器、指示燈等，輸出指示燈等，輸出電壓約低于電源電壓約低于電源電壓電壓13V。10.5.1 555定時器的電路結構與功能定時器的電路結構與功能4復位端，若復位端，若此端輸入一負脈此端輸入一負脈沖，而使觸發器沖，而使觸發器直接復位。不用直接復位。不用時加以高電平。時加以高電平。5電壓控制端，電壓控制端，此端可外加一電此端可外加一電壓以改變比較器壓以改變比較器的參考電壓，不的參考電壓，不用是可懸空或通用是可懸空或通過過0.01F的電容的電容接地。接地。10.5.1 555定時器的電路結構與功能定時器的電路結構與功能8電源端，可電源端，可在在518V范圍范圍內使用。內使

16、用。6高電平觸發高電平觸發端端7放電端，當放電端，當觸發器的觸發器的Q0時，時，TD導通，外導通，外接電容接電容C通過此通過此管放電。管放電。10.5.1 555定時器的電路結構與功能定時器的電路結構與功能10.5.2 用用555定時器接成的施密特觸發器定時器接成的施密特觸發器電路如圖電路如圖10.5.3所示所示 其電壓傳輸特性如圖其電壓傳輸特性如圖10.5.4所示。由圖可知，這所示。由圖可知，這是個典型的反相輸出的施密特觸發器。是個典型的反相輸出的施密特觸發器。10.5.2 用用555定時器接成的施密特觸發器定時器接成的施密特觸發器工作原理：工作原理：10.5.2 用用555定時器接成的施密

17、特觸發器定時器接成的施密特觸發器（1）當）當vI vI VCC/3，Q=1，Q =0，觸發器保持原態；，觸發器保持原態；當當 vI2VCC/3時，時， Q=0 （voVOL），），Q =1。10.5.2 用用555定時器接成的施密特觸發器定時器接成的施密特觸發器（2）當）當 vI2VCC/3時，時， Q=0 ，Q =1；當；當vI 減少時，減少時，2VCC/3 vI VCC/3，Q=0，Q =1，觸發器保持原態；，觸發器保持原態；當當vI 減少到減少到vIVCC/3，Q=1（voVOH），），Q =0； 故其正向閾值電壓為故其正向閾值電壓為VT2VCC/3，負向閾值電壓，負向閾值電壓為為 VT

18、VCC/3，故電路的回差電壓為，故電路的回差電壓為VT VCC/3。若改變回差電壓的大小，則可通過若改變回差電壓的大小，則可通過5腳外接電壓腳外接電壓VCO來來改變。改變。10.5.2 用用555定時器接成的施密特觸發器定時器接成的施密特觸發器10.4.3 用用555定時器接成的單穩態觸發器定時器接成的單穩態觸發器其電路如圖其電路如圖10.5.5所示所示R波形如圖波形如圖10.5.6所示其工作過程如下所示其工作過程如下10.4.3 用用555定時器接成的單穩態觸發器定時器接成的單穩態觸發器當當vI處于高電平時，電路的穩定狀態為處于高電平時，電路的穩定狀態為vo0當當vI脈沖下降沿到達時，脈沖下

19、降沿到達時，Q1， Q 0，此時放電管，此時放電管TD截止，截止，VCC通過通過R給給C充電，充電，vC增加。當增加。當vC2VCC/3時，時， Q0 （v00 ），）， Q 1， C 通過通過TD放電。放電。vI變成高電變成高電平，此時平，此時vC1和和vC2輸出均為高電平，電路保持輸出均為高電平，電路保持v00 10.4.3 用用555定時器接成的單穩態觸發器定時器接成的單穩態觸發器其輸出脈寬為其輸出脈寬為RC1 . 1RCln3 Wt注：通常注：通常R的取值在幾百歐的取值在幾百歐姆到幾兆歐之間，電容的取姆到幾兆歐之間，電容的取值范圍為幾百皮法到幾百微值范圍為幾百皮法到幾百微法，法，tW的

20、范圍為幾微妙到幾的范圍為幾微妙到幾分鐘。但分鐘。但tW越大，其精度和越大，其精度和穩定度也要下降。穩定度也要下降。10.4.3 用用555定時器接成的單穩態觸發器定時器接成的單穩態觸發器10.5.4 用用555定時器接成的多諧振蕩器定時器接成的多諧振蕩器其構成電路如圖其構成電路如圖10.5.7所示所示對應的波形如圖對應的波形如圖10.5.8所示所示電路的振蕩周期為電路的振蕩周期為10.5.4 用用555定時器接成的多諧振蕩器定時器接成的多諧振蕩器圖圖10.5.8)2(69. 02ln)2(2121RRRRT振蕩頻率為振蕩頻率為2004-11-29CRRTf)2(69. 01121上式標明，改變上式標明，改變R和和C就可就可改變振蕩頻率。用改變振蕩頻率。用CB555組組成的多諧振蕩器最高頻率為成的多諧振蕩器最高頻率為500KHz，用，用CB7555組成的組成的多諧振蕩器最高頻率可達多諧振蕩器最高頻率可達1MHz。為了改變占空比，。為了改變占空比，可采用圖可采用圖10.5.9所示電路。所示電路。10.5.4 用用555定時器接成的多諧振蕩器定時器接成的多諧振蕩器212RRRq例例6.5.1 圖圖6.5.10為由為由555定時器構成的簡易觸摸開關，定時器構成的簡易觸摸