无稳态多谐振荡器电路

第八章 脉冲波形的产生与整形

在数字电路或系统中，常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、控制过程的定时信号等。这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种则是通过对已有信号进行变换，使之满足系统的要求。

本章以中规模集成电路555定时器为典型电路，主要讨论555定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器以及555定时器的典型应用。

8.1 集成555定时器

555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。

目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。通常，双极型产品型号最后的三位数码都是555，CMOS产品型号的最后四位数码都是7555，它们的结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。

一般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时电路具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压变化范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下。

一． 555定时器的电路结构与工作原理

1．555定时器内部结构：

（1）由三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器；

（2）两个电压比较器C1和C2：

v+＞v－，vo=1；

v+＜v－，vo=0。

（3）基本RS触发器；

（4）放电三极管T及缓冲器G。

2．工作原理。

当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为ccV32和ccV31。

（1）当vI1>ccV32，vI2>ccV31时，比较器 C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端vO为低电平。

无稳态多谐振荡器电路工作原理

无稳态多谐振荡器电路，也被称为自激多谐振荡器或无稳态振荡器，是一种能产生持续振荡的电子电路。它的工作原理主要基于电路中元件的非线性特性和正反馈机制。

在一个典型的无稳态多谐振荡器电路中，通常包含有放大器、电容器和电阻器等元件。电路被设计成在没有外部输入信号的情况下，能够自行产生周期性变化的电压或电流信号。这种自行产生的振荡是由于电路中的正反馈作用，使得电路中的信号不断被放大和反馈，从而形成持续的振荡。

具体来说，当电路中的电容器充电或放电时，会产生电压变化。这个电压变化被放大器放大后，再通过正反馈回路反馈到电容器的另一端，从而改变电容器的充电或放电状态。这个过程不断重复，就形成了周期性的振荡。

在无稳态多谐振荡器电路中，由于电容器的充放电过程和放大器的非线性特性，电路会产生多个不同的振荡频率。这些频率成分在电路中相互叠加，形成了复杂的振荡波形。因此，无稳态多谐振荡器电路产生的信号具有多个不同的频率成分，这也是它被称为“多谐”振荡器的原因。

无稳态多谐振荡器电路具有广泛的应用，例如在通信系统中用于产生载波信号、在数字电路中用于产生时钟信号等。此外，由于其产生的信号具有多个频率成分，还可以用于频率合成、解调等应用中。

多谐振荡器:

摘要：分析了各种多谐振荡器的电路结构及工作原理，并利用Multisiml0．0对部分电路进行了

仿真，重点介绍了单稳型多谐振荡器，讨论集成单稳态触发器74121定时元件RC对暂稳态的影

响以及单稳型多谐振荡器的应用。Multisim软件是一种形象化的虚拟仪器电路仿真软件，它能

比较快速地模拟、分析、验证所设计电路的性能，在课堂教学中引入EDA技术，使传统教学环

节与先进的仿真技术相结合，实现授课的生动性和灵活性，增强学生对基本概念的理解，激发学生的学习兴趣，培养并有效提高学生综合分析、应用及创新能力。

关键字：Multisiml0．O；多谐振荡器；555定时器；施密特触发器；环形振荡器

O 引言

在数字系统电路中经常用到多谐振荡器。多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，

不需要外加触发信号便能自行产生一定频率和一定宽度的矩形波，这一输出波形用于电路中的

时钟信号源。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又将矩形波振荡器称为多谐

振荡器。按照电路的工作原理，多谐振荡器大致分为无稳态多谐振荡器和单稳态多谐振荡器。

1 无稳态多谐振荡器

1．1 采用TTL门电路构成的对称式无稳态多谐振荡器

对称式多谐振荡器的典型电路如图1所示，它是由两个反相器Gl、G2经耦合电容C1、C2连接起来的正反馈振荡电路。电路中G1和G2采用SN74LS04N反相器，RFl=RF2=RF，C1=C2=C，振

荡周期T≈1．3RFC，输出波形的占空比约为50％。RF1、RF2的阻值对于LSTTL为470 Ω～3．9kΩ，

对于标准TTL为0．5～1．9kΩ之间。

1．2 采用CMOS门电路构成的非对称式无稳态多谐振荡器

如果把对称式多谐振荡器电路进一步简化，去掉C1和R2，在反馈环路中保留电容C2，电路

仍然没有稳定状态，只能在两个暂稳态之问往复振荡，电路如图2所示。

假定G2输出为1，电容C充电，在充电开始VI1也为1。因此，该电压经Rp力口到G1输入端，

由晶体振荡器控制的单稳态电路设计

单稳态多谐振荡器只有ONE稳定状态（因此它们的名称：“Mono”），并在外部触发时产生单个输出脉冲。单稳态多谐振荡器仅在 RC

耦合电路的时间常数确定的一段时间后才返回其初始且稳定状态。

考虑左侧的MOSFET电路。电阻 R 和电容 C 构成 RC

定时电路。 N沟道增强型MOSFET由于电容两端的电压而导通，漏极连接LED也“接通”。

当开关闭合时，电容器短路，因此放电同时MOSFET的栅极短路接地。 MOSFET和LED都切换为“OFF”。当开关闭合时，电路将始终处于“OFF”状态并处于“不稳定状态”。

当开关打开时，完全放电的电容器开始通过电阻器充电，

R

以由电阻 - 电容网络的 RC 时间常数确定的速率。一旦电容器充电电压达到MOSFET栅极的较低阈值电压电平，MOSFET就会“接通”并点亮LED，使电路恢复到稳定状态。

然后应用开关导致电路进入其不稳定状态，而 RC

网络的时间常数在预设的定时周期后将其恢复到稳定状态，从而产生一个非常简单的“一次性”或单稳态多谐振荡器MOSFET电路。

单稳态多谐振荡器或“单次多谐振荡器”，也称为“单稳态多谐振荡器”，用于生成指定宽度的单个输出脉冲，或者当应用合适的外部触发信号或脉冲 T 时，“HIGH”或“LOW”。该触发信号启动一个定时周期，使单稳态输出在定时周期开始时改变其状态，并保持在第二状态。

单稳态的定时周期由定时电容的时间常数， C T 和电阻

R T

直到它复位或返回到其原始（稳定）状态。然后单稳态多谐振荡器将无限期地保持在该原始稳定状态，直到接收到另一个输入脉冲或触发信号。然后，单稳态多谐振荡器仅具有ONE稳定状态，并且响应于单个触发输入脉冲经历完整周期。