在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中，控制和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的矩形脈沖信號(hào)源主要依靠無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器提供。構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路很多，其中由集成門電路構(gòu)成的無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。基于集成門電路的無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器種類較多，大致可分為積分型無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和非對(duì)稱式及對(duì)稱式微分型無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。但這些無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)：振蕩頻率的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確性不太高，其主要原因一是轉(zhuǎn)換電平由閾值電壓決定，而閾值電壓本身極容易受溫度、電源電壓變化的影響;二是電路的翻轉(zhuǎn)靠電容充放電電平逐漸趨于門限電壓，而充放電是按指數(shù)規(guī)律，變化較緩慢，因此轉(zhuǎn)換電平微小變化或干擾都會(huì)嚴(yán)重影響振蕩周期。根據(jù)以上情況，本文設(shè)計(jì)了一種振蕩頻率穩(wěn)定、性能可靠的無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。
1.石英晶體工作原理
石英晶體諧振器是利用石英晶體(二氧化硅的結(jié)晶體)的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，有極好的選頻特性。所謂壓電效應(yīng)即是：在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形;反之，在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常小，但當(dāng)外加交變電壓信號(hào)的頻率為某--特定值時(shí)，振幅會(huì)明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。所以，其內(nèi)部電路可用一組串聯(lián)的電阻R、電容C、電感L與電容C0并聯(lián)來等效，如圖1(a)所示，圖1(b)為其符號(hào)表示。當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容C0稱為靜電電容。當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來等效，晶片的彈性可用電容C來等效，晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗可用電阻R來等效。由于晶片的等效電感L很大，而電容C很小，電阻R也小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)104-106。
圖1 等效電路、符號(hào)和特性
石英晶體的電抗特性如圖1(c)所示，其中f0是電容C和電感L的的串聯(lián)諧振頻率，fp是石英晶體并聯(lián)諧振頻率。因?yàn)樵谑⒕w呈電感性所對(duì)應(yīng)的f0-fp內(nèi)，英晶體具有極陡峭的電抗特性曲線，對(duì)頻率變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力。所以石英晶體工作頻率常定在f0或f0—fp內(nèi)：工作頻率常為f0，晶體阻抗為零;工作頻率常在f0一fp內(nèi)，晶體呈電感性，此時(shí)還可通過串接一個(gè)電容來微調(diào)輸出頻率。一般來說，fp一f0之差很小，例如對(duì)f0為幾MHz的石英晶體，fp一f0不過幾十至幾百赫[茲]。即每一塊石英晶體的諧振頻率基本上是固定的。所以，晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式。幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得很精確，因此利用石英晶體組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度，完全可以滿足大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)對(duì)頻率穩(wěn)定度的要求。
2.無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設(shè)計(jì)
圖2 簡(jiǎn)單無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成
利用石英晶體構(gòu)成的振蕩器不僅頻率穩(wěn)定性好而且選擇性也很好，所以目前普遍采用在由集成門電路組成的無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中接入石英晶體，組成石英晶體無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，來實(shí)現(xiàn)高精度的頻率要求。其電路通常有串聯(lián)型石英晶體無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路和并聯(lián)型石英晶體無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路。在串聯(lián)型電路中，當(dāng)外加電壓的頻率fs等于石英晶體的固有頻率f0時(shí)，石英晶體的等效阻抗為零，電路的振蕩頻率取決于石英晶體的固有頻率，石英晶體相當(dāng)于作為放大電路的反饋網(wǎng)絡(luò)，并起選頻作用。以圖2(b)、圖2(c)所示的無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為例，在其電容C的輸入端串接一個(gè)石英晶體便構(gòu)成了微分型石英晶體無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器;在并聯(lián)型電路中，石英晶體的阻抗呈電感性，則將它與外接電容構(gòu)成電容三點(diǎn)式無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路。
由于石英晶體在工作中它的二極呈一交變壓電，這使之具有反相器的輸人信號(hào)與輸出信號(hào)之間的反相關(guān)系，因此由之產(chǎn)生一種把石英晶體與反相器并接的設(shè)計(jì)方案。此時(shí)只要給反相器并聯(lián)一個(gè)偏置電阻，使反相器工作在傳輸特性的線性放大區(qū)，就能組成了一個(gè)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的石英晶體無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如圖2(a)所示。該電路的輸出頻率與石英晶體的固有頻率完全相同，不可微調(diào)，為此可用與石英晶體并接、串接，或既并接又串接小電容的方法，通過改變電容的值來實(shí)現(xiàn)頻率的微調(diào)，如圖2(b)、圖2(e)所示。在這些電路圖中，可以發(fā)現(xiàn)，圖2(d)、圖2(e)與圖2(b)所示的“非對(duì)稱式微分型無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器"在結(jié)構(gòu)上相關(guān)。二者的區(qū)別是圖2(d)用石英晶體替代圖2(b)中的反相器G0，而圖2(e)則是用石英晶體取代圖2(b)中的反相器G1。
由此我們得到啟發(fā)：由于石英晶體在工作時(shí)，其二端的極性相反，具有選頻兼移相180°的作用，因此可用來替代圖2(b)所示的“非對(duì)稱式微分型無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器”中的反相器。這種替代法也同樣適用于對(duì)稱式微分型無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)際電路驗(yàn)證，如把圖2(c)所示的對(duì)稱式微分型無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中的任一反相器替換成石英晶體，即可實(shí)現(xiàn)石英晶體無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。但這一替代法對(duì)于圖2(a)所示的積分型無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就不適用，因?yàn)槭⒕w替代任何一個(gè)反相器后都不可能使它兩端的信號(hào)相位相差180°。
另一方面，由石英晶體的電抗頻率特性可知，石英晶體的振蕩頻率取決于石英晶體的固有頻率f0，與外接電阻、電容的參數(shù)無關(guān)，因此在選頻電路中，常將與晶體串聯(lián)的電容省去。如在圖2(a)中，雖不能用石英晶體取代任一反相器，但可把石英晶體與電容C串聯(lián)來選取穩(wěn)定可靠的頻率，而且還可通過電容C來適當(dāng)微調(diào)輸出頻率。考慮到石英晶體的振蕩足夠穩(wěn)定，可以將微調(diào)電容C省去，由此便可得到圖3所示的“積分型石英晶體環(huán)形多諧振蕩器”，蘇即積分型石英晶體無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。上述過程從形式上看是用石英晶體直接取代電容，實(shí)質(zhì)上是利用石英晶體的選頻作用和電抗頻率特性。同理，也可在圖2(b)、(c)所示的對(duì)稱式(或不對(duì)稱式)微分型無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，將其中的一個(gè)電容用石英晶體取代后實(shí)現(xiàn)另一種石英晶體微分型無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。
圖3 積分型石英晶體環(huán)形多諧振蕩器
結(jié)語(yǔ)
以上就是基于晶振的無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設(shè)計(jì)介紹了。本文將通過對(duì)石英晶體振蕩器和基于集成門電路構(gòu)成的無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理的深入研究，探索一系列電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的石英晶體無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，并運(yùn)用Elec-tronics Workbench EDA5.Q計(jì)算機(jī)軟件仿真技術(shù)和實(shí)際電路測(cè)試技術(shù)驗(yàn)證其結(jié)果的正確性。
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