脉冲振荡电路及其输出波形形成电路结构简介

能够产生脉冲电压信号的电路有自激振荡和弛张振荡两种，本书第二章图2-57就是弛张振荡器。而自激脉冲振荡电路又与本书第三章介绍的正弦波振荡器有所不同。正弦波振荡器电路中的晶体管工作在放大状态，脉冲振荡器电路中的晶体管工作在开关状态。两种电路的共同点在于都含有正反馈和控制振荡频率的电路结构。

按输出波形划分，矩形脉冲信号发生器和锯齿波形形成电路是脉冲振荡电路的两种重要电路。其中，矩形脉冲信号发生器（多谐振荡器）结构较为简单。

不需外加信号就能产生矩形脉冲的电路，称为矩形脉冲信号发生器，由于矩形脉冲信号含有多种谐波分量，因此也称多谐振荡器。最简单的多谐振荡器可用两只晶体管构成，如图5-1所示。

图5-1 晶体管多谐振荡器及工作波形

a）电路结构 b）各点电压波形

电路中含有较强的正反馈，加电后能自然进入振荡状态，两只晶体管都工作在开关状态，从任一只晶体管的集电极都可以输出近似矩形波的脉冲电压。图5-1b所示的波形可以用示波器检测显示出来。

1.555集成电路定时器的结构和特性

555集成定时器是可开发应用性很强的集成电路产品，以它为主体，既可构成多种脉冲信号发生器，又可构成性能良好的波形变换电路。

555集成定时器（也称作三5时基电路）属于数字和模拟混合型的集成电路，在TTL和CMOS系列中都有定型产品，是一种应用广泛的典型电路。

（1）电路组成。图5-2为555定时器的内部结构和引脚信号（不同系列的555定时器内部结构会有差异，但外部功能和引脚分布相同）。

图5-2 555定时器内部结构和引脚信号

a）555定时器内部结构 b）555定时器引脚排列形式

555定时器的内部电路可分为五个部分，分别是两个电压比较器AC₁、AC₂，一个由两个与非门构成的基本R-S触发器，一个放电晶体管VT以及由三个5kΩ电阻组成的分压器和一个非门构成的输出缓冲器。

（2）各部分的作用

1）电压比较器：AC₁和AC₂的作用是将⑥脚（T_H）和②脚（T_L）的输入电压与参考电压进行比较，根据输入电压的不同，输出高电平或低电平，从而使基本R-S触发器置1或置0。

2）电阻分压器：由三个5kΩ电阻（555的名称来源）串联组成，接于+V_CC与地之间，其作用是为AC₁、AC₂提供参考电压。

3）基本R-S触发器：其作用有两个，一是Q端的状态就是整个电路的输出，二是端状态决定于晶体管VT的饱和导通或截止。

4）放电晶体管VT：其基极经电阻接触发器的端，发射极接地，集电极经⑦脚引出，称为放电端D。当基本R-S触发器的时，VT截止；时，VT饱和导通。

5）输出缓冲器：接在输出电路中的非门除起倒相作用，使U₀=Q外，还兼有隔离、缓冲和提高输出端带载能力的作用。

（3）各引脚功能

①脚为接地端。

②脚为低电平触发端。当②脚输入电压低于V_CC/3时，AC₂的输出为低电平，使基本R-S触发器置1；当输入电压高于V_CC/3时，AC₂的输出为高电平，基本R-S触发器维持原态。

⑥脚为高电平触发端。当输入电压高于2V_CC/3时，AC₁的输出为低电平，使基本R-S触发器置0；当输入电压低于V_CC/3时，AC₁的输出为高电平，基本R-S触发器维持原态。

④脚为基本R-S触发器的复位端，由此输入负脉冲，使触发器直接复位。

⑤脚为电压控制端，在此端可外加电压，以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01μF的电容接地，以旁路高频干扰。

⑦脚为放电端，当触发器时，放电晶体管VT导通，常用于给外接电容元件提供放电通路。

③脚为输出端。

⑧脚为电源端。

555定时器的功能见表5-1。

表5-1 555定时器功能表(www.xing528.com)

图5-1所示电路内部的触发器用与非门构成，有的产品用或非门构成。R-S触发器的结构不同只影响电路内部的接线方法，不影响电路的功能和使用接线。

2.用555定时器构成多谐振荡器

用555定时器构成的多谐振荡器如图5-3所示。

图5-3 用555定时器构成的多谐振荡器

电路中的R₂是为延长电容放电时间而设置的。电路的工作原理是，当R-S触发器处于1态时，输出U_o为高电平，，晶体管VT截止，电压V_CC通过R₁，R₂对电容C充电，T_H=T_L=U_C逐渐升高，电路处于高电平的暂稳态。当T_H=U_C=2V_CC/3时，比较器AC₁的输出跳为低电平，R-S触发器置0，输出U_o为低电平，，晶体管VT饱和导通，电容C通过R₂和晶体管放电，T_H=T_L=U_C逐渐降低，电路处于低电平的暂稳态。当T_L=U_C=V_CC/3时，比较器AC₂的输出跳为低电平，R-S触发器置1，输出U_o跳变为高电平。电路重复上述过程周而复始地变化，形成振荡，输出矩形脉冲信号，电路工作波形如图5-4所示，可用示波器检测显示。

图5-4 用555定时器多谐振荡器工作波形

高电平暂稳态的脉冲宽度T_W1，即U_C从V_CC/3充电上升到2V_CC/3所需的时间，

T_W1≈（R₁+R₂）Cln2=0.7（R₁+R₂）C

低电平暂稳态的脉冲宽度T_W2，即U_C从2V_CC/3放电下降到V_CC/3所需的时间

T_W2≈R₂Cln2=0.7R₂C

矩形波的振荡周期取决于充电时间常数T_W1和放电时间常数T_W2，改变R₁、R2和C的数值，就可以得到不同频率，不同宽度的矩形波，矩形波周期可用下式估算：

T=T_W1+T_W2=0.7（R₁+2R₂）C

由555定时器组成的振荡器，最高工作频率可达到300kHz。

输出波形的占空比：

3.用非门构成多谐振荡器

用三个非门和R、C元件组成的多谐振荡器如图5-5所示。

非门3为输出电路，非门1为反馈电路，由于电容C两端电压不能突变，E点电压突变的瞬间B点与E点电压相同，非门1构成正反馈。电阻R和非门2的存在，为电容C提供了充放电交替变化的条件（B点为高电平时，D点为低电平，电容C经过R放电，使E点电位降为低电平；B点为低电平时，D点为高电平，电容C充电，使E点电位升高）。振荡器的工作波形如图5-6所示，这些波形可以用示波器检测显示。

图5-5 RC定时多谐振荡器

图5-6 RC定时多谐振荡器的各点波形

图5-7 石英晶体多谐振荡器

4.石英晶体多谐振荡器

采用石英晶体作为定时元件，可使电路的振荡频率具有较高的准确性和稳定性。用非门和石英晶体组成的多谐振荡器如图5-7所示。石英晶体在电路中与电容C串联，等效为一只高精度的电容作为反馈电路，并与电阻R组成RC充放电定时器。电路的振荡与图5-5所示电路相似。

石英晶体振荡电路的振荡频率可以用频率计检测，频率较低的也可以用普通示波器检测。