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数字电子技术基础 第7章


第7章 脉冲波形的产生与整形

第7章 脉冲波形的产生与整形 章
7.1 概述 7.2 555定时器及其应用 定时器及其应用 7.3 集成单稳态触发器 7.4 石英晶体振荡器

第7章 脉冲波形的产生与整形

7.1 概 述
7.1.1 脉冲产生电路和整形电路的特点
获得矩形脉冲的方法通常有两种:一种是用脉冲产生 电路直接产生;另一种是对已有的信号进行整形,然后将 它变换成所需要的脉冲信号。? 脉冲产生电路能够直接产生矩形脉冲或方波,它由开 关元件和惰性电路组成,开关元件的通断使电路实现不同 状态的转换,而惰性电路则用来控制暂态变化过程的快慢。 典型的矩形脉冲产生电路有双稳态触发电路、单稳态触 发电路和多谐振荡电路三种类型。?

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双稳态触发电路具有两个稳定状态,两个稳定状态的 转换都需要在外加触发脉冲的推动下才能完成。 单稳态触发电路只有一个稳定状态,另一个是暂时稳 定状态,从稳定状态转换到暂稳态时必须由外加触发信号 触发,从暂稳态转换到稳态是由电路自身完成的,暂稳态 的持续时间取决于电路本身的参数。? 多谐振荡电路能够自激产生脉冲波形,它的状态转换 不需要外加触发信号触发,而完全由电路自身完成。因此 它没有稳定状态,只有两个暂稳态。

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脉冲整形电路能够将其它形状的信号,如正弦波、 三角波和一些不规则的波形变换成矩形脉冲。施密特触 发器就是常用的整形电路,它有两个特点:① 能把变化 非常缓慢的输入波形整形成数字电路所需要的矩形脉冲; ② 有两个触发电平,当输入信号达到某一额定值时,电 路状态就会转换,因此它属于电平触发的双稳态电路。

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7.1.2 脉冲电路的基本分析方法

图 7.1.1 RC开关电路

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① 开关转换的一瞬间,电容器上电压不能突变,满足 开关定理UC(0+)=UC(0-)。? ② 暂态过程结束后,流过电容器的电流iC(∞)为0,即电 容器相当于开路。? ③ 电路的时常数τ=RC, τ决定了暂态时间的长短。根据 三要素公式,可以得到电压(或电流)随时间变化的方程为

x (t ) = x (∞ ) + [ x (0+ ) ? x ( ∞)]e ? t /τ
如果U(tM)=UT,它是U(0+)和U(∞)之间的某一转换值, 那么从暂态过程的起始值U(0+)变到UT所经历的时间tM(见图 8-2)可用下式计算:

U ( ∞) ? U (0+ ) tM = RC1n U (∞) ? U T

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图7.1.2 从U(0+)到UT所经历的时间tM

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7.2 555 定时器及其应用
7.2.1 555 定时器的组成与功能

图7.2.1 555 定时器

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图7.2.1(a)中,比较器C1的输入端U6(接引脚 6)称为阈值 输入端,手册上用TH标注,比较器C2 的输入端U2(接引脚2) 称触发输入端,手册上用TR标注。C1 和C2 的参考电压(电压 比较的基准)UR1 和UR2 由电源UCC 经三个5k?的电阻分压给出。 当控制电压输入端UCO悬空时, R1 = U 若UCO外接固定电压,则

2 1 ,U R 2 = U CC ?; U CC 3 3

1 。 U R1 = U CO ,U R? U CO = 2 2 RD为异步置 0 端,只要在RD端加入低电平,则基本RS触发

器就置 0,平时RD处于高电平。

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定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RS触发器 和放电管V1状态的控制。

2 1 U 当? 6 > U CC、U 2 > U CC 时,比较器C1输出为 0,C2 3 3 输出为 1,基本RS触发器被置 0,V1导通,Uo输出为低电
平。

2 1 当?? U CC、U 2 < U CC 时,C1输出为 1,C2 输出为 U6 < 3 3 0,基本RS触发器被置 1,V1截止,Uo输出高电平。?
当 U 6 < 2 U CC、U 2 > 1 U CC 时,C1和C2输出均为 1,则 3 3 基本RS触发器的状态保持不变,因而V1和Uo输出状态也维 持不变。

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表7.2.1

555定时器的功能表 定时器的功能表

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7.2.2 555 定时器的典型应用
1. 单稳态触发器

图7.2.2

用555定时器构成的单稳态触发器 定时器构成的单稳态触发器

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1) 工作原理? ① 静止期:触发信号没有来到,Ui为高电平。电源 刚接通时,电路有一个暂态过程,即电源通过电阻R向电 2 容C充电, 当UC上升到 U CC 时,RS触发器置 0,Uo=0, 3 V1 导通,因此电容C又通过导电管V1 迅速放电,直到 UC=0,电路进入稳态。这时如果Ui一直没有触发信号来 到,电路就一直处于Uo=0 的稳定状态。

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② 暂稳态:外加触发信号Ui的下降沿到达时,由于

1 U 2 < U CC、U 6 (U C ) = 0 ,RS触发器Q端置 1,因此Uo=1, ? 3 V1 截止,UCC 开始通过电阻R向电容C充电。随着电容C充
电的进行,UC不断上升,趋向值UC(∞)=UCC。? Ui的触发负脉冲消失后,U2回到高电平,在 U 2 > 1 U CC、 ? 3 2 U 6 < U CC 期间,RS触发器状态保持不变,因此,Uo? 3 一直保持高电平不变,电路维持在暂稳态。但当电容C上 的电压上升到 U 6 ≥ 2 U CC 时,RS触发器置 0,电路输出 3 Uo=0,V1导通,此时暂稳态便结束,电路将返回到初始的 稳态。

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③ 恢复期:V1导通后,电容C通过V1迅速放电,使 UC≈0,电路又恢复到稳态,第二个触发信号到来时, 又重复上述过程。? 输出电压Uo和电容C上电压UC的工作波形如图 7.2.2(b)所示。

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2) 输出脉冲宽度TW?? 输出脉冲宽度TW是暂稳态的停留时间,根据电容C的充 电过程可知: C (0+ ) = 0,U C ( ∞) = U CC ,U T = U C (TW ) = 2 U CC ,τ = RC , U 3 + U (∞) ? U (0 ) 因而代入式 tM = RC 1n 可得 U (∞ ) ? U T

U C ( ∞) ? U C (0+ ) TW = RC1n = RC1n3 = 1.1RC U C (∞) ? U T
图7.2.2(a)所示电路对输入触发脉冲的宽度有一定要求, 它必须小于TW 。若输入触发脉冲宽度大于TW 时,应在U2 输 入端加RiCi微分电路。

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3) 单稳触发电路的用途? (1) 延时,将输入信号延迟一定时间(一般为脉宽 TW)后输出。? (2) 定时, 产生一定宽度的脉冲信号。

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2.多谐振荡器? .多谐振荡器? 用555定时器构成的多谐振荡器如图7.2.3(a)所 示。其中,R1、R2、C为外接定时元件,0.01?F为滤波电 容。该电路不需要外加触发信号,加电后就能产生周期性 的矩形脉冲或方波。

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图7.2.3

用555定时器构成的多谐振荡器 定时器构成的多谐振荡器

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1) 工作原理? 多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后, 1 电路处于某一暂稳态,电容C上电压UC略低于 U CC ,Uo 3 输出高电平,V1截止,电源UCC通过R1、R2 给电容C充电。 随着充电的进行UC逐渐增高,但只要 1U < U < 2??, U CC CC C 3 3 输出电压Uo 就一直保持高电平不变,这就是第一个暂稳 态。

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2 当电容C上的电压UC略微超过 U CC 时(即U6和U2均大于等 3 2 于 U CC 时), RS触发器置 0,使输出电压Uo从原来的高电平 3 翻转到低电平,即Uo=0,V1 导通饱和,此时电容C通过R2 和

V1放电。随着电容C放电,UC下降,但只要 2 1 Uo就一直保持低电平不变,这就是第二个暂稳态。? U CC > U C > U CC 3 3 当UC下降到略微低于



时,RS触发器置 1,电路输

1 U CC 出又变为Uo=1,V1 截止,电容C再次充电,又重复上述过程, 3
电路输出便得到周期性的矩形脉冲。其工作波形如图7.2.3(b) 所示。

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2) 振荡周期T的计算? 多谐振荡器的振荡周期为两个暂稳态的持续时间, T=T1+T2。由图7.2.3(b)UC的波形求得电容C的充电时间T1和 放电时间T2各为
1 U CC ? U CC 3 T1 = ( R1 + R2 )C 1n = ( R1 + R2 )C 1n 2 = 0.7( R1 + R2 )C 2 U CC ? U CC 3 2 0 ? U CC 3 T2 = R2C 1n = R2C 1n 2 = 0.7 R2C 1 0 ? U CC 3

因而振荡周期

T = T1 + T2 = 0.7( R1 + 2 R2 )C

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图7.2.4 占空比可调的多谐振荡器

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3) 占空比可调的多谐振荡器 图7.2.3(a)所示多谐振荡器的T1≠T2,而占空比 (即脉冲宽度与周期之比T1/T)是固定不变的。实际 应用中常常需要频率固定而占空比可调,图7.2.4所示的 电路就是占空比可调的多谐振荡器。电容C的充放电通 路分别用二极管V1和V2隔离。RP为可调电位器。? 电容C的充电路径为UCC→R1→V1→C→地,因而T1 =0.7R1C。? 电容C的放电路径为C→V2→R2→7端放电管→地, 因而T2=0.7R2C。?

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振荡周期为

T = T1 + T2 = 0.7( R1 + R2 )C
占空比为

T1 R1 D= = T R1 + R2

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4) 多谐振荡器应用举例? 用两个多谐振荡器可以组成如图7.2.5 (a)所示的模拟声 响电路。适当选择定时元件,使振荡器A的振荡频率 fA=1Hz, 振荡器B的振荡频率 fB= 1kHz。由于低频振荡器 A的输出接至高频振荡器B的复位端(4脚),当Uo1输出高电 A B (4 ) U 平时,B振荡器才能振荡,Uo1输出低电平时, B振荡器被 复位,停止振荡,因此使扬声器发出 1kHz的间歇声响。 其工作波形如图7.2.5(b)所示。?

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图7.2.5 用 555 定时器构成的模拟声响发生器? (a) 电路图; (b) 波形图

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3.施密特触发器? 施密特触发器? 施密特触发器 1)施密特触发器的构成与工作原理? 用555定时器构成的施密特触发器如图7.2.6(a)所示, 图中,U6(TH)和U2(TR)直接连接在一起作为触发电平输入端。 若在输入端Ui加三角波,则可在输出端得到如图7.2.6(b) 所示的矩形脉冲。其工作过程如下: 1 U i 从 0 开始升高,当 U i ? U CC 时,RS 触发器置 1,故 3 1 2 U O = U 0 H ;当 U CC ?U i ? U CC 时,故 U O = U 0H 保持不变;当 3 3 2 U i ≥ U CC 时,电路发生翻转,RS 触发器置 0, U 0 从 U 0 H 变 3

2 为 U OL ,此时相应的 U i 幅值( U CC )称之为上触发电平U + 。 3

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图7.2.6 用555定时器构成的施密特触发器

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2 1 2 < 当 U i > U CC 时,Uo=UoL不变;当Ui下降,且 U CC < U i? U CC 3 3 3 时,由于RS触发器的RS=11,故Uo=UoL 保持不变;只有当Ui

下降到小于等于 U CC

从UoL变为UoH,此时相应的Ui幅值( 1 U CC )称为下触发电平U-。
3

1 3

时,RS触发器置 1,电路发生翻转,Uo

从以上分析可以看出,电路在Ui 上升和下降时,输出电 压Uo?翻转时所对应的输入电压值是不同的,一个为U+,另 一个为U-。 这是施密特电路所具有的滞后特性,称为回差。

1 回差电压?U = U + ? U ? = U CC 。电路的电压传输特性如图 ? 3
7.2.6(c)所示。改变电压控制端UCO(5脚)的电压值便可改变回

差电压,一般UCO越高,?U越大,抗干扰能力越强,但灵敏 度相应降低。

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2) 施密特触发器的应用? 施密特触发器应用很广, 主要有以下几方面:? ① 波形变换。可以将边沿变化缓慢的周期性信号变 换成矩形脉冲。? ② 脉冲整形。将不规则的电压波形整形为矩形波。 若 适 当增大回差电 压,可 提高电路 的抗干扰能 力。图 7.2.7(a)为顶部有干扰的输入信号,图7.2.7(b)为回差电压 较小的输出波形,图7.2.7(c)为回差电压大于顶部干扰时的 输出波形。?

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(3) 脉冲鉴幅。图7.2.8是将一系列幅度不同的脉冲信 号加到施密特触发器输入端的波形,只有那些幅度大于 上触发电平U+的脉冲才在输出端产生输出信号。因此, 通过这一方法可以选出幅度大于U+的脉冲, 即对幅度可 以进行鉴别。 此外,施密特触发器还可以构成多谐振荡器等,是 应用较广泛的脉冲电路。

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图7.2.7 波形整形

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图7.2.8 幅度鉴别

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7.3 集成单稳态触发器
1.74LS121非重触发单稳态触发器 非重触发单稳态触发器 74LS121单稳态触发器的引脚图和逻辑符号如图7.3.1 (a)、(b)所示,其功能表如表7.3.1所示。该集成电路内部 采用了施密特触发器的输入结构,因此,对于边沿较差的输 入信号也能输出一个宽度和幅度恒定的矩形脉冲。输出脉宽 为

TW ≈ 0.7 RT CT

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图7.3.1 集成触发器74LS121

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表7.3.1 集成单稳态触发器74LS121的功能表

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式中,RT 和CT 是外接定时元件,RT(Rext)范围为2k?~40 k?, CT(Cext)为 10pF~1000?F。CT接在 10、11脚之间,RT接在 11、14 脚之间。如果不外接RT,也可以直接使用阻值为2k? 的内部定时电阻Rin,则将Rin接UCC,即9、14 脚相接。外接 RT时 9 脚开路。 74LS121的主要性能如下:? ① 电路在输入信号A1、A2 、B的所有静态组合下均处于 稳态Q=0,Q=1。? ② 有两种边沿触发方式。输入A1或A2是下降沿触发,输 入B是上升沿触发。从功能表可见,当A1、A2或B中的任一端 输入相应的触发脉冲,则在Q端可以输出一个正向定时脉冲, Q端输出一个负向脉冲。例如当A1或A2为低,B端有上升沿触 发时,其输出波形如图 7.3.2(a)所示。

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④ 电路工作中存在死区时间。在定时时间TW 结束 之后,定时电容CT有一段充电恢复时间,如果在此恢复 时间内又输入触发脉冲,则输出脉冲宽度就会小于规定 的定时时间TW。因此CT的恢复时间就是死区时间,记作 TD。若要得到精确的定时,则两个触发脉冲之间的最小 间隔应大于TW+TD,如图7.3.2(c)所示。死区时间TD的存 在,限制了这种单稳的应用场合。

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图7.3.2?74LS121的工作波形

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2.

74LS123可重触发单稳态触发器 可重触发单稳态触发器

74LS123是具有复位、可重触发的集成单稳态触发器, 而且在同一芯片上集成了两个相同的单稳电路。其引脚图 和逻辑符号如图7.3.3(a)、(b)所示,功能表如表7.3.2所示。

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图7.3.3 集成触发器74LS123

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集成单稳态触发器74LS123的功能表 表7.3.2 集成单稳态触发器 的功能表

RD L × × H H ↑

A × H × L ↓ L

B × × L ↑ H H

Q L L L

Q H H H

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74LS123对于输入触发脉冲的要求和74LS121基本相同。 其外接定时电阻RT(即Rext)取值范围为5 k?~50 k?,对外接 定时电容CT(即Cext)通常没有限制。输出脉宽

0.7 TW = 0.28 RT CT (1 + ) RT
当CT≤1000 pF时,TW可通过查找有关图表求得。 单稳态触发器74LS123具有可重触发功能,并带有复位 输入端RD。所谓可重触发,是指该电路在输出定时时间TW 内, 可被输入脉冲重新触发。

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图7.3.4 74LS123的工作波形

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7.4 石英晶体振荡器
7.4.1 石英晶体? 石英晶体? 石英晶体是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电 效应制成的一种谐振器件,因此也称石英晶体谐振器。石英 晶体的固有谐振频率十分稳定,在外加电压的作用下,它会 产生压电效应,并产生机械振动。当外加电压的频率与晶体 固有振荡频率相同时,晶体的机械振幅最大,产生的交变电 场也最大,形成压电谐振。石英晶体的符号及电抗频率特性 分别如图7.4.1(a)、(b)所示。

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从图(b)所示的电抗频率特性可以看出,它有两个相当接 近的谐振额率,一个为串联谐振频率fs,另一个为并联谐振 频率fp,当处于这两个频率范围之间时,石英晶体呈电感性, 当游离这两个频率之外时,石英晶体呈容性。当频率为串联 谐振频率fs时,石英晶体的等效阻抗最小,信号最容易通过; 当频率偏离串联谐振频率fs时,石英晶体的等效阻抗接近无 穷大,其他频率信号均被衰减掉。因此振荡电路的工作频率 仅取决于石英晶体的谐振频率fs ,而与电路中的R、C?数值 无关。它的频率稳定度(?fs/fs)可达10-10~10-11,足以满足 大多数数字系统对频率稳定度的要求。现已有标准化和系列 化的各种谐振频率的石英晶体产品出售。图7.4.2(a)、(b) 是石英晶体的两种封装实物图片。

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图7.4.1 石英晶体

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图7.4.2 石英晶体的两种封装实物图片

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7.4.2

石英晶体多谐振荡器? 石英晶体多谐振荡器? 1.晶体串联振荡电路 晶体串联振荡电路 工作于晶体串联谐振状态的门电路振荡器如图7.4.3(a)

所示。当电路频率为串联谐振频率时,晶体的等效电抗接近 零(发生串联谐振),串联谐振频率信号最容易通过反相器 G1、G2组成的闭环回路,其等效电路如图7.4.3(b)所示,信号 通过两级反相后形成正反馈振荡,晶体同时也起着选频作用, 串联振荡电路的频率取决于晶体本身的参数。为了改善输出 波形和增强带负载能力,实际应用中通常在Uo′输出端再加一 级反相器G3。

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图7.4.3 晶体串联振荡电路

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晶体串联谐振电路的工作过程如下:

(1)设非门 N2 输出为高, VO=VOH=3.6V,V11=VIL, V13=VO,V12=VOL=0.3V, 电 容 C9 充电,充电回路:VO=VOH →R4→C9→V12=VOL ,V11 从 VIL-3.3V 充到 VT。 (2) 当 V11 ≥ VT 时 , 非 门 N2 输 出 为 低 : VO=VOL=0.3V,V11=VT, V13=VO,V12=VOH=3.6V, 电容 C9 放电,放电回路:V12=VOH→C9→R4→VO=VOL,V11 从 VT+3.3V 放到 VT,当 V11 ≤VT 时转到(1) 电容 C9 充电的过程。晶体串联振荡 电路的工作波形如图 7.4.4 所示。

第7章 脉冲波形的产生与整形

图7.4.4 晶体串联振荡电路的工作波形

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2.晶体并联谐振电路? .晶体并联谐振电路? 工作于晶体并联谐振状态的门电路振荡器如图7.4.5(a) 所示。该电路常用于微处理器的时钟产生电路。晶体可等效 为电感(晶体工作于串联谐振频率与并联谐振频率之间时呈 电感性)与外接的电容构成三点式LC振荡器,通过外接的 电容可对频率进行微调。电阻R接在反相器G1的输入与输出 端,其目的是将G1偏置在线性放大区,构成放大器。

第7章 脉冲波形的产生与整形

图7.4.5 晶体并联谐振电路

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图7.4.6为常用的几种石英晶体振荡器,其中图(a)是 将图8-18(b)对称多谐振荡器中的耦合电容C与晶体串接构 成的晶体多谐振荡器。图(b)是将图(a)中的耦合电容改换 成耦合电阻, 晶体振荡频率可在 1MHz~20 MHz内选择。 图(c)、(d)为两种实用晶体多谐振荡器。图7.4.6 (c)中C2的 作用是防止寄生振荡,R1、R2可在 0.7k?~2 k?之间选择。

第7章 脉冲波形的产生与整形

图7.4.6

几种常见的石英晶体振荡电路

第7章 脉冲波形的产生与整形

7.4.3

石英晶体振荡器

石英晶体振荡器是集成了晶体和振荡电路的产品,使 用时只需外接电源就可产生振荡。它的特点是电气性能规 范,产品种类多,用户可根据要求选择不同的石英晶体振荡 器。国际电工委员会(IEC)将石英晶体谐振器分为4类: 普通晶体振荡器(SPXO)、电压控制式晶体振荡器 (VCXO)、温度补偿式晶体振荡器(TCXO)和恒温控制 式晶体振荡器(OCXO)。目前发展中的还有数字补偿式 晶体振荡器(DCXO)等品种。

第7章 脉冲波形的产生与整形

普通晶体振荡器(SPXO)的频率精度为10-5~10-4,可 产生的标准频率为1~160MHz,频率温度稳定性为(±10~ ±100)×10-6。SPXO没有采用任何温度频率补偿措施,价格 低廉,通常用作微处理器的时钟器件。? 电压控制式晶体振荡器(VCXO)的频率精度为10-6~ 10-5,频率范围为1~160MHz。低容差振荡器的频率温度稳定 度为(10~±50)×10-6,通常用于锁相环路。? 温度补偿式晶体振荡器(TCXO)采用温度敏感器件进 行温度频率补偿,频率精度达到10-7~10-6量级,频率范围 为1~60MHz,频率稳定度为(±1~±2.5)×10-6。通常用于 手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。

第7章 脉冲波形的产生与整形

恒温控制式晶体振荡器(OCXO)将晶体和振荡电路置 于恒温箱中,以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO的 频率精度是10-10~10-8量级,对某些特殊应用甚至可达到更高。 频率稳定度在四种类型振荡器中最高。? 表7.4.1给出了几种晶体振荡器的封装图片及电气性能 指标,读者还可查找相关资料和网站获得符合要求的产品。

第7章 脉冲波形的产生与整形

表7.4.1
产品

几种晶体谐振器的封装图片及电气性能指标
型号 频率 特征 温度稳定性:±10ppm— ±100ppm 工作电压:5.0V or 3.3V XO14 0.252MHz-160MHz 输出形式:TTL/COMS 对称性:45%-55% 外型尺寸:全尺寸 DIP14 20.8x13.2x5.08

普通晶体振荡器 (SPXO)

普通晶体振荡器 (SPXO) XO08

温度稳定性:±10—±100ppm 工作电压:5.0V or 3.3V 0.252MHz-160MHz 输出形式:TTL/COMS 对称性:45%-55% 外型尺寸:半尺寸 DIP08 13.21x13.21x5.08

第7章 脉冲波形的产生与整形
普通晶体振荡器 (SPXO) XO75 1.5MHz-150MHz 温度稳定性:±10ppm—±100ppm 工作电压:5.0V or 3.3V 输出形式:TTL/COMS 对称性:45%-55% 外型尺寸:SMD 7.0x5.0x1.7 压控晶体振荡器 (VCXO) VC14 1.544MHz-50MHz 温度稳定性:±10ppm—±50ppm 工作电压:3.3V or 5V 输出形式:TTL/COMS 压控范围:±50PPM—±200PPM 封装形式:全尺寸 DIP14 20.8x13.08x5.08 压控晶体振荡器 (VCXO) VC08 温度稳定性:±10PPM—±50PPM 工作电压:3.3V or 5V 输出形式:TTL/COMS 1.544MHz-50MHz 压控范围:±50PPM—±200PPM 封装形式:半尺寸 DIP08 13.21x13.21x5.08

第7章 脉冲波形的产生与整形

压控晶体振荡器 (VCXO) VC75 1.5MHz-52MHz 温度稳定性:±10PPM—±50PPM 工作电压:3.3V or 5V 输出形式:COMS 压控范围:±50PPM—±100PPM 型尺寸:SMD 7.0x5.0x1.8

第7章 脉冲波形的产生与整形

图7.4.7 晶体振荡器的测试电路


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