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1、第7 章 脉冲波形的产生和变换,7. 1 多谐振荡器 7. 2 单稳态触发器 7. 3 施密特触发器 7. 4 555 定时器及其应用,返回,7. 1 多谐振荡器,多谐振荡器可以产生连续的、周期性的脉冲波形。它是一种自激振荡电路, 直接产生矩形脉冲波形; 工作时不需要外来触发信号激励。多谐振荡器有两个暂稳态, 没有稳态, 工作过程中在两个暂稳态之间按照一定的周期周而复始地依次翻转, 从而产生连续的、周期性的脉冲波形, 因此也称为无稳态电路。 7. 1. 1 门电路组成的多谐振荡器 1. 电路组成及工作原理 由门电路组成的多谐振荡器具有以下特点: (1) 电路中含有开关器件, 用于产生高、低电平
2、。常用的开关器件有门电路、电压比较器、BJT 等。,下一页,返回,7. 1 多谐振荡器,(2) 具有合适的反馈网络, 将输出电压反馈到开关器件的输入端使之改变输出状态。 (3) 具有延时环节, 以获得所需要的振荡频率。一般情况下, 反馈网络兼有延时作用,由阻容元件构成, 利用RC 电路的充、放电特性实现延时。 1) 电路结构 由门电路组成的多谐振荡器有多种电路形式, 图7-1 所示为一种由CMOS 门电路组成的多谐振荡器。由于G1 和G2 的外部电路不对称, 所以又称为不对称多谐振荡器。,上一页,下一页,返回,7. 1 多谐振荡器,为了使电路能产生振荡, 必须使G1 和G2 工作在电压传输特性
3、的转折区, 即工作在放大区。在正常工作时, 无论G1 输入低电平还是高电平, MOS 管栅极输入的电流iG =0, 在电阻R 上不产生压降, 这时uO1 =uI 的直线与电压传输特性转折区的交点Q 便为G1 的静态工作点, 它处在转折区的中点。这时uO1 =uI =Uth =VDD /2, 因此, G2 也工作在电压传输特性的转折区。 2) 工作原理 为讨论方便起见, 设uO1 为低电平、uO2 为高电平时, 为第一暂稳态; uO1 为高电平、uO2 为低电平时, 为第二暂稳态。下面参照图7-2 所示波形讨论不对称多谐振荡的工作原理。,上一页,下一页,返回,7. 1 多谐振荡器,1) 第一暂稳
4、态及电路自动翻转的过程。 设接通电源后由于某种原因G1 的输入电压uI 产生一个小的正跃变时, 通过G1 放大后,其输出产生一个较大的负跃变, 使G2 输出一个更大的正跃变, 通过电容C 的耦合, 使uI 得到更大的正跃变, 于是电路产生如下正反馈过程: uIuO1uO2uI 正反馈的结果使G1 开通, 输出uO1 由高电平VDD 跃到低电平UOL; G2 关闭, 输出uO2 由低电平UOL 跃到高电平VDD, 电路进入第一暂稳态。这时, uO2 的高电平经C、R 和G1 的输出电阻对C 进行反向充电(即C 放电), uI 随之下降。,上一页,下一页,返回,7. 1 多谐振荡器,当uI 下到G
5、1 的阈值电压Uth 时, 电路又产生另一个正反馈过程: uIuO1uO2uI (2) 第二暂稳态及电路自动翻转的过程。 正反馈的结果使G1 关闭, 输出uO1 由低电平UOL 跃到高电平VDD; G2 开通, 输出uO2 由高电平VDD 跃到低电平UOL, 电路进入第二暂稳态。这时, uO1 的高电平VDD 经R、C、和G2的输出电阻对C 进行充电, uI 随之上升。当uI 上升到G1 的Uth 时, G1 开通, G2 关闭, 电路返回到第一暂稳态。 由上分析可知, 由于电容C 交替地进行充电和放电, 使两个暂稳态不断相互交换, 从而输出周期性的矩形脉冲。,上一页,下一页,返回,7. 1
6、多谐振荡器,2. 振荡周期的计算 振荡周期可用下式估算: T1. 4RC。 7. 1. 2 石英晶体多谐振荡器 为得到频率稳定性很高的脉冲波形, 多采用由石英晶体组成的石英晶体振荡器, 石英晶体的电路符号和阻抗频率特性如图7-3 所示。 由阻抗频率特性曲线可知, 石英晶体的选频特性非常好, 它有一个极为稳定的串联谐振频率(固有频率) fS, 且等效品质因数Q 值很高。,上一页,下一页,返回,7. 1 多谐振荡器,当频率等于fS 时, 石英晶体的电抗为0,而当频率偏离fS 时, 石英晶体的电抗急剧增大, 因此, 在串联谐振电路中, 只有频率为fS的信号最容易通过, 而其他频率的信号均会被晶体所衰
7、减。振荡频率只取决于固有频率fS,而与RC 无关。 fP 是石英晶体的并联谐振频率。石英晶体的串联谐振频率fS 和并联谐振频率fP 仅仅取决于石英晶体的几何尺寸, 通过加工成不同尺寸的晶片, 即可得到不同频率的石英晶体, 并且串联谐振频率fS 和并联谐振频率fP 的值非常接近。用石英晶体组成的多谐振荡器分为串联型和并联型两种形式。为了改善输出波形的前沿、后沿和提高负载能力, 一般在石英晶体振荡器的输出端加一级反相器。,上一页,返回,7. 2 单稳态触发器,7. 2. 1 门电路组成的单稳态触发器 1. 微分型单稳态触发器 1) 电路组成及工作原理 电路结构: 微分型单稳态触发器可由与非门或者或
8、非门电路构成, 图7-6 (a)、(b)分别为由与非门和或非门构成的单稳态触发器, RC 电路是一个微分延时环节。 图7-6 (b) 的工作原理: 对于CMOS 门电路, 可以认为输出的高电平UOH =VDD, 输出的低电平UOL0, 两个或非门的阈值电压Uth 都为VDD /2。,下一页,返回,7. 2 单稳态触发器,(1) 稳定的状态。 当输入电压uI 为低电平时, 由于G2 输入通过电阻R 接VDD, 因此, G2 输出低电平UOL0, G1 输入全0, 输出uO1 为高电平时UOHVDD。这时, 电容C 上的电压UC0。电路处于UO1 为高电平VDD、uO2 为低电平0 的稳定状态。
9、(2) 触发进入暂稳态。 当输入uI 为低电平正跃到大于G1 的阈值电压Uth 时, 使G1 输出电压uO1 产生负跃变,由于电容C 两端的电压不能突变, G2 的输入电压uA 产生负跃变, 这又促使G2 的输出电压uO2 产生正跃变, 它再反馈到G1 的输入端, 于是, 电路产生如下正反馈过程: uIuO1uAuO2uI,上一页,下一页,返回,7. 2 单稳态触发器,正反馈的结果使G1 开通, 输出uO1 迅速跃到低电平, 由于电容两端的电压不能突变,uA 产生同样的负跃变, G2 输出由低电平迅速跃到高电平VDD。于是, 电源VDD 经R、C 和G1的输出电阻开始对电容C 充电, 电路进入
10、暂稳态, 在此期间输入电压uI 回到低电平。 (3) 自动翻转。 随着电容C 的充电, 电容上的电压UC 升高, 电压uA 也逐渐升高。当uA 上升到G2 的Uth 时, uO2 下降, 使uO1 上升, 又使uA 进一步增大。电路又产生了另一个正反馈过程: uAuO2uO1uA 正反馈使G1 迅速关闭, 输出uO1 为高电平VDD, G2 迅速开通, 输出uO2 跃到低电平0。电路返回到初始的稳定状态。,上一页,下一页,返回,7. 2 单稳态触发器,(4) 恢复过程。 暂稳态结束后, 电容C 通过电阻R、G2 的输入保护回路向VDD 放电, 使C 上的电压恢复到初始状态时的0。 2) 输出脉
11、冲宽度的估算 单稳态触发器输出脉冲的宽度实际上是暂稳态维持的时间, 用tw 表示。它为电容C 上的电压由低电平0 充到G2 的Uth 所需的时间。其大小可用下式进行估算: tw0. 7RC,上一页,下一页,返回,7. 2 单稳态触发器,在使用微分型单稳态触发器时, 输入触发脉冲uI 的宽度twI 应小于输出脉冲的宽度tw,即twI tw 的情况时, 可在触发信号源uI 和G1 输入端之间接入一个RC 微分电路。 2. 积分型单稳态触发器 若采用RC 积分延时环节构成的单稳态触发器, 称为积分型单稳态触发器。电路和各级波形, 其分析方法和微分型单稳态触发器相同, 区别在于RC 延时环节的特性不同
12、, 微分型的RC 环节是快充快放, 故要求触发信号的脉冲宽度小于输出的脉冲宽度, 电路在翻转时才能形成正反馈; 积分型的RC 环节是慢充慢放, 而且电路翻转时没有正反馈作用, 所以要求触发信号的脉冲宽度大于输出的脉冲宽度, 才能使电路正常工作。,上一页,下一页,返回,7. 2 单稳态触发器,图7-8 所示为由或非门构成的积分型单稳态触发器及其各点的工作波形。 7. 2. 2 集成单稳态触发器 集成单稳态触发器分为可重复触发和不可重复触发单稳态触发器两种形式。两者最大的区别是: 不可重复触发单稳态触发器在进入暂稳态期间, 即使受到触发脉冲作用, 也不会影响电路既定的暂稳态过程, 输出脉冲宽度仅由
13、R、C 参数确定; 而可重复触发单稳态触发器在进入暂稳态期间, 若有触发脉冲作用, 电路又将被解触发, 重新开始暂稳态过程, 这样可使暂稳态总的时间延长, 直至触发脉冲的时间间隔超过电路输出的脉冲宽度, 才会回到稳态。,上一页,下一页,返回,7. 2 单稳态触发器,可重复触发单稳态触发器有74122、74LS122、74123、74LS123, 不可重复触发单稳态触发器有74121、74221、74LS221。 两种单稳态触发器的工作波形分别如图7-9 (a)、(b) 所示。 1. 不可重复触发的集成单稳态触发器 74121 是一种TTL 的不可重复触发集成单稳态触发器。 1) 触发方式 74
14、121 集成单稳态触发器有三个触发输入端, 在下列情况下, 电路可由稳态翻转到暂稳态:,上一页,下一页,返回,7. 2 单稳态触发器,(1) 在A1、A2 两个输入中有一个或两个为低电平的情况下, B 发生由0 到1 的正跳变。 (2) 在B 为高电平的情况下, A1、A2 中有一个为高电平而另一个发生由1 到0 的负跳变, 或者A1、A2 同时发生负跳变。 TTL 集成单稳态触发器74121 是在微分型单稳态触发器的基础上, 附加输入控制电路和输出缓冲电路而形成的, 1 脚Q 和6 脚Q 是脉冲输出端, 两端波形反相(互补)。3 脚A1、4脚A2、5 脚B 是触发方式控制端, 用于实现上升沿
15、触发或下降沿触发的方式控制。若需用上升沿触发时, 触发脉冲由B 输入, 同时A1 或A2 至少有一个接低电平; 若需用下降沿触发时, 触发脉冲由A1 或A2 输入, 若A1 或A2 有一端不作为脉冲输入端时应和B 端都接高电平。,上一页,下一页,返回,7. 2 单稳态触发器,9 脚Rint、10 脚Cext、11 脚Rext / Cext 是RC 微分环节的元件连接端, 其中Rint 是内部电阻连接端, 阻值约为2 k, 用它取代外接电阻Rext 时, 可简化外部连线。14 脚接正电源, 7脚接地端, 2 脚、8 脚、12 脚和13 脚都悬空。 2) 定时 74121 的定时时间取决于定时电阻
16、和定时电容的数值。定时电容Cext 连接在引脚Cext(10 脚) 和Rext / Cext (11 脚) 之间。如果使用有极性的电解电容, 电容的正极应接在Cext 引脚(10 脚)。对于定时电阻, 有两种选择: (1) 采用内部定时电阻Rint (Rint =2 k), 此时只需将Rint 引脚(9 脚) 接至电源VCC。,上一页,下一页,返回,7. 2 单稳态触发器,(2) 采用外部定时电阻(阻值应在1. 440 k),此时Rint 引脚(9 脚) 应悬空, 外部定时电阻接在引脚Rext / Cext (11 脚) 和VCC 之间。74121 的输出脉冲宽度为: tw0. 7RC。 通常R 的取值在2 30 k, C 的取值在10 pF 10 F, 得到的tw 在20 ns200 ms。 2. 可重复触发的集成单稳态触发器 CD4528 是一种CMOS 的可重复触发集成单稳态触发器, 其引脚图如图7-11 所示。,上一页,下一页,返回,7. 2 单稳态触发器,7. 2. 3 单稳
