3.8 基准脉冲发生器的设计
3.8.1 基于555定时器的秒脉冲发生器
555定时器
555定时器内部是模拟—数字混合的中规模集成电路，只要外接少量的阻容元件，就可以很方便地构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器，因而它在信号的产生与变换、自动检测及控制、定时和报警，以及家用电器、电子玩具等方面得到了极为广泛的应用。
555定时器根据内部器件类型不同可分为双极型（TTL型）和单极型（CMOS型），它们均有单或双定时器电路。双极型定时器型号为555（单）和556（双），电源电压使用范围为5～16V，输出最大负载电流可达200mA。单极型定时器型号为7555（单）和7556（双），电源电压使用范围为3～18V，但输出最大负载电流为4mA。
如图3-73（a）、（b）所示分别为555定时器的逻辑符号和引脚图，各引脚功能如下。
（1）
：清零端，低电平有效。
（2）TH：阈值输入端。
（3）TR：触发输入端。
（4）DIS：放电端。
（5）VC：控制电压端。
（6）OUT：输出端。
图3-73 555定时器的逻辑符号和引脚图
如表3-25所示为VC端无外加固定电压时555定时器的功能表。
表3-25 555定时器的功能
如何理解555定时器的逻辑功能？我们需要看一下它的内部构造，如图3-74（a）所示对555定时器做了清楚的剖析。这里涉及到了两个模拟电路的器件——三极管和集成运算放大器，具体的结构在后续教学中将陆续学到，我们先简单了解一下这两个器件的特性。
三极管有基极（b）、集电极（c）、发射极（e）三个极，当基极接高电平时，集电极与发射极间将形成电流通路，电流方向如图3-74（b）所示；当基极接低电平时，集电极与发射极间将阻断，电流无法通过，如图3-74（c）所示。
图3-74 555定时器结构和三极管工作特性示意图
集成运算放大器（简称“运放”）有同相输入端“+”、反相输入端“-”两个输入端，有一个输出端，运放具有开环增益（放大倍数）极高、入端电阻极大的特性，在图3-74（a）中，运放工作在开环状态，因此，当同相输入端电压u+略大于反相输入端电压u-，运放输出端即输出高电平，如图3-75（a）所示；当同相输入端电压u+略小于反相输入端电压u-，运放输出端即输出低电平，如图3-75（b）所示。
图3-75 运算放大器工作特性示意图
我们再回到555定时器的内部，555的内部由两个独立的运放分别对②、⑥号脚输入信号进行判断，后续接一个RS触发器。由于运放的输入电阻极大，输入端可视为电流为零，分析电路可知，在⑤脚悬空的情况下，运放C1的同相输入端电位为
，运放C2的反相输入端电位为
，对运放C1而言，若⑥脚的电压大于
，uC1为低电平，若⑥脚的电压小于
，uC1为高电平；而对运放C2则正好相反，若②脚的电压大于
，uC2为高电平，若②脚的电压小于
，uC2为低电平。从前面对RS触发器的学习已知，与非门组成的RS触发器，输入端低电平有效。对三极管VT来说，当
端为高电平时，三极管可提供导电通道，当
端为低电平时，三极管将阻断，⑦脚与①脚间将完全隔离。现在我们再来看看表3-25中的功能。
当⑥脚的电压大于
、②脚的电压大于
时，uC1为低电平，uC2为高电平，
，三极管具备导通前提，而定时器输出端③脚为低电平；当⑥脚的电压小于
、②脚的电压大于
时，uC1为高电平，uC2也为高电平，触发器状态不翻转，三极管和定时器输出都将保持原态；当⑥脚的电压小于
、②脚的电压也小于
时，uC1为高电平，uC2则为低电平，此时
，三极管截止，而定时器输出端③脚则为高电平。
当然，如果⑥脚的电压大于
、②脚的电压小于
时，uC1为低电平，uC2也为低电平，此时也有
，三极管截止，而定时器输出端③脚为高电平，但是从外电路电压调整的角度来说较少使用这一电压组合。
到此为止，我们分析的前提都是⑤脚无外加固定电压的情况，仔细观察图3-74（a），若在⑤脚外加一个控制电压，由于运放的输入端电流几乎为零，此电压把运放C1的同相输入端电压钳制在VC，而运放C2的反相输入端电压则为
，由此可见，⑤脚加控制电压影响的仅是②、⑥脚的比较电压值。
从功能表可以看到，要想在输出端获得状态的周期性翻转，关键是在直流电源供电的前提下产生一个变化的波形，自然就可联想到电容的充放电特性。如果输入端输入大于
的电压，则输出电压持续为“0”态；如果输入小于
的电压，则输出电压持续为“1”态。电路如图3-76（a）所示，在电源送电瞬间，电容C上的电压为零，阈值输入端TH和触发输入端TR的电压均为零，OUT端输出“1”；随着电容充电过程的延续，电容电压逐渐升高，②脚、⑥脚上的电压大于
时，OUT端保持为“1”，同时放电管保持截止状态，直到电容充电电压超过
，OUT端输出置“0”，同时放电管导通。由于电路的特殊性，所以电容将通过DIS端放电；当电容端电压下降到低于
时，OUT端重新置为“1”，放电管重新截止，电容恢复充电过程。VC端通过耦合电容接地，不产生控制作用。可以看到，电容充电的速度由电容C2、电阻R1和R2的参数决定，而电容放电的过程则由电容C2和电阻R2决定。电容端电压（即②、⑥号引脚的电压）和输出电压波形图如图3-76（b）所示。
图3-76 由555定时器组成的多谐振荡器电路
多谐振荡器
图3-76所示的定时器电路在施加电源VCC后，在电容、电阻和555定时器的共同作用下，输出端产生了周期性的矩形波，此时，高电平状态和低电平状态都会在一定时间后自动转换，都属于“暂稳态”，因此，我们把该电路称为无稳态电路，又叫多谐振荡器。
与之对应的“单稳态电路”指的是该电路的输出信号只能在一种状态（逻辑高或低）下是稳定的，而当电路的输出处在另一种状态下时不能稳定地保持住，会自动地回到稳定的状态。该电路一般用作固定脉冲宽度整形。
而“双稳态电路”则有两个稳定状态，在没有外来触发信号的作用下。电路始终处于原来的稳定状态。在外加输入触发信号作用下，双稳态电路从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。双稳态电路在自动化控制中有着广泛的应用。RS触发器、JK触发器、D触发器等都属于双稳态触发器。
从电容充放电回路可以确定输出波形的脉宽，其中充电时间（即tWH）为：
放电时间（即tWL）为：
因此，振荡频率为：
由式（3-17）和式（3-18）可知，电容充电时间必定始终大于放电时间，因此矩形波的占空比为：
若要与CMOS电路的输入高电平相匹配，可在输出端和电源间连接一个1kΩ的上拉电阻。
若需要实现秒脉冲发生器，由式（3-19）如何获得R1、R2和C的参数？如果在充放电回路中串入可调电位器，有什么发现？你能列出相应的输出波形的tWH、tWL、f吗？尝试一下把R1=R2=51kΩ、C=10μF这组参数代入电路，并在R1、R2和⑦号脚之间加一个RP=100kΩ的电位器后，再来看看？
3.8.2基于施密特触发器的多谐振荡器
集成施密特触发器
在了解集成施密特触发器之前，先来了解两个概念：电压传输特性和阈值电压。
在一开始使用门电路芯片时，我们就了解到这样一个常识：门电路有一个临界电压，当输入电压从低电平上升到临界电压或从高电平下降到临界电压时电路的状态将发生变化。下面先看一下CMOS反相器的电压传输特性和阈值电压。
图3-77 CMOS反相器的电压传输特性曲线
电压传输特性是指输出电压随输入电压变化的曲线，即uO=f（uI）。CMOS反相器的电压传输特性曲线如图3-77所示。可以看到，当输入电压
VDD时，输出电压uO为高电平VDD（即10V）；当输入电压uI
时，输出电压uO≈0V，输出电压的高低电平转折区中点所对应的输入电压称为阈值电压UTH。阈值电压可以说是输出电压电平翻转的临界点。
施密特触发器是一种特殊的门电路。与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中，使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压UT+；在输入信号从高电平下降到低电平的过程中，使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压UT-。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压ΔUH。如图3-78（a）所示为用CMOS反相器构成的施密特触发器，根据不同引出端可分别获得同相输出和反相输出的施密特触发器，其图形符号如图3-78（b）、（c）所示，对应的电压传输特性曲线如图3-79（a）、（b）所示。
图3-78 用CMOS组成的施密特触发器
图3-79 施密特触发器的传输特性
利用施密特触发器可轻松组成多谐振荡器。这里选择了40106六施密特触发器，其逻辑符号和传输特性分别如图3-80（a）、（b）所示。值得注意的是，器件在加不同电源电压时传输特性存在差异，且正向阈值电压UT+、负向阈值电压UT-和回差电压均有一定的变化范围，如表3-26所示，因此，在选定集成芯片后需通过实测来确定UT+、UT-的具体数值。多谐振荡电路如图3-81（a）所示，图3-81（b）所示为电容端电压uC和输出电压uO的波形。
图3-80 40106六施密特触发器
图3-81 由施密特触发器组成的多谐振荡器
根据施密特触发器的迟滞特性和电容的充放电特性，当电源合上时，因电容电压uC=0V，则输出电压uO输出高电平UOH，该电压通过电阻R对电容充电，电容电压按指数规律上升，当uC＞UT+时，uO翻转为低电平UOL，因UOL＜UT+，电容开始通过电阻放电，当uC下降至小于UT-时，uO又翻转为高电平，此时，充放电过程开始周期性重复，从而产生了振荡信号。
表3-26 40106施密特触发器的阈值电压
40106是基于CMOS电路的施密特触发器，因此有UOH≈VDD，UOL≈0V。
根据对RC电路过渡过程的分析可以计算出电容的充放电时长和振荡周期，公式如下。在这里重点结合计算结果进行分析。
振荡周期为：
改变RC即可调节振荡周期。
3.8.3基于石英晶体振荡器的秒脉冲信号发生电路
石英晶体振荡器
由于石英晶体振荡频率的稳定性高，选频特性好，所以由石英晶体器件组成的多谐振荡器具有很高的频率稳定性。它在电子手表、计算机中常用于产生高精度的时间节拍信号。如图3-82（a）、（b）所示为石英晶体的符号和电抗频率特性。分析电抗频率特性可知，若使晶体工作在略高于fS的呈感性的频段，石英晶体可以与电容配合组成LC并联谐振电路，如图3-82（c）所示，此时振荡频率取决于晶体的谐振频率，其值约在fS和fP之间。而石英晶体的fS≈fP，可用电容CS微调振荡频率使其接近于fS。
图3-82 石英晶体的符号、电抗频率特性和石英晶体振荡器
当选择谐振频率为f=32.768kHz的石英晶体（又称晶振）与CD4060十四级二进制计数/分频/振荡器芯片配合时，可获得高精度和稳定性较高的秒脉冲时基信号。其秒脉冲发生电路如图3-83所示，CD4060芯片的引脚图如图3-84所示。
图3-83 秒脉冲发生电路
图3-84 CD4060芯片的引脚排列图