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1、第六章 脉冲单元电路,6.2 单稳态触发器,6.3 施密特触发器,本章小结,概述,6.1 多谐振荡器,概 述 数字信号实质上就是矩形波信号。矩形波有 哪些技术指标?如何通过某些特定的电路获得不 同频率的矩形波?如何将其它波形转换成矩形 波?这些都是本章要讨论的内容。 本章重点讨论用“555定时器”组成的多谐振 荡器(矩形波产生)、单稳态触发器(定时、整形或 延迟)和施密特触发器(矩形波变换与整形) 。,二、555定时器,1、555 内部结构,由五大部分组成: 分压器; 电压比较器; 基本RS锁存器; 输出缓冲器; 晶体管开关。, 3脚:输出端uO;, 1脚:接地端;,2、555 芯片各引脚功能
2、, 2脚: 触发输入端 ;, 5脚: 控制输入端CO;, 4脚: 复位输入端 ;, 6脚:阈值电压输入端TH;, 7脚:电容放电端uD;, 8脚:供电电源端Vcc。,1,2,3,4,5,6,7,8,3、555 芯片内部功能, Vcc经过三个5K 的电阻分压之后, 在P点的基准电位 为: UP=2Vcc/3 在N点的基准电位 为: UN=Vcc/3,当 时: C2 输出低电平“0”。, 当 时: C1 输出高电平“1”;,当 时: C2 输出高电平“1”。, 当 时: C1 输出低电平“0”;,当 时: C2 输出高电平“1”。, 当 时: C1 输出高电平“1”;,,导致输出 电压uO为低电平
3、, TD管饱和导通。, 当 时:,返回,其功能表如下:,6.1 多谐振荡器,6.1.1 用门电路构成的多谐振荡器,一、电路组成,由两级CMOS非 门组成的、具有延迟 环节的、正反馈网络 的多谐振荡器。,二、内部结构,D1、D2、D3、D4均为保护二极管。,三、工作原理,假定门电路的传输特性为理想值,其开门电平UON 和关门电平UOFF近似相等,我们称其为门坎(阈值)电压 Uth,从上电路中可以看出Uth =VDD/2左右。,1、第一暂稳态及电路的自动翻转过程,假定uO1=UOH, uO2=uI=UOL为第一 暂稳态(G1截止,G2导通)。,C将会被充电, 充电路线如图所示:,随着C上的电压增加
4、,将出现一个正反馈过程:,当uI上升到Uth门坎电压时,电路发生翻转进入第二 暂稳态(G1导通,G2截止)。,uO1=UOL,uO2=UOH,电容开始反充电, 其路线如图所示:,2、第二暂稳态及电路的自动翻转过程,电容电压不能突 变,uI上的电压本应升 到Uth+VDD,由于D1的 导通uI被箝在VDD+U。,随着反充电时间的 延长,C上的电压也开 始反向增加,uI开始下 降,又出现一个正反馈 过程:,当uI下降到Uth门坎电压时,电路又发生翻转回到第 一暂稳态(G1截止,G2导通)。,uO1=UOH,uO2=UOL,四、多谐振荡器 的波形图,结论:电路在这两种状态中不断地重复,因此可以 在输
5、出端获得方波输出。,当 C 充 电时输出低 电平,反充 电时则输出 高电平。,五、振荡周期的估算,振荡周期 T 实际上就是这两个暂稳态时间的 叠加 ( T=T1+T2 ) ,可以根据三要素法则估算。,1、第一暂稳态的时间 T1 的估算,2、第二暂稳态的时间 T1 的估算,3、振荡周期 T,6.1.2 用555定时器构成的多谐振荡器,一、电路结构,1、R1、R2与C构成充电 回路(当TD截止时);,2、R2与C构成放电的回 路(当TD导通时);,3、6 脚与2 脚短接,两个 运放共用一个参考输入 电压 uc (这是分析电路 工作过程的关键点);,4、电路从3脚向外输出矩 形波uO 。,二、工作过
6、程,1、设第一个暂稳态TH为:,可看出TD管截止,电 路出现了一条充电回路。,充电时间常数为:,如果没有其它变化,C 上的电压将朝VCC的终值按 指数规律增加。,2、当C上的电压充电到 时(见下表),可看出uO为0 ,TD管导通,电路出现了一条放电回路。,放电时间常数为:,电路进入了第二个暂稳 态TL过程。C上的电压将朝 0的终值按指数规律减小。,3、当C上的电压放电到 时(见下表),可看出uO为1 ,TD管截止,电路又出现一条充电回路。,充电时间常数为:,电路又回到了第一个暂 稳态 TH,如此周而复始地 产生连续矩形波的输出。,4、工作波形分析:,三、多谐振荡器振荡周期 T 的估算,从工作波
7、形中可以看出:两个暂稳态的时间之和 就是矩形波的振荡周期 T=TH+TL 。,整理得:,整理得:,四、多谐振荡器的占空比 q (对称性)的估算,我们将脉冲宽度与重复周期的比值定义 为占空比。,电路不能 实现对称方波。,五、改进占空比(可调)的多谐振荡器,1、电路结构:,D1和D2的 作用就是将充 电与放电的回 路隔离开来。, 充电回路, 放电回路,2、振荡周期 T :,3、占空比 q :,所以调整电位器(改变R1和R2的比例)就可获得不同 占空比的矩形波输出。当R1=R2时,可输出对称方波。,6.1.2 用石英晶体构成的多谐振荡器,一、石英晶体振荡器的优点,振荡频率的稳定性极高,其振荡频率不受
8、温度、 电源和器件参数的变化而改变(见模电课件第九章 波形发生器),仅与石英晶体内部特性有关。,由石英晶体的电抗 频率特性可以看出,在 f等于fS时,其电抗为0, 在其它频率时,呈现较 大的容抗或感抗。,容性,容性,感 性,二、电路结构,1、R1、R2可以使两个非门(倒相器)工作在放大区域。,2、C1、C2起耦合作用(也可以不要,直接耦合方式)。,对于TTL型非门:,对于CMOS型非门:,三、工作原理,这是一个 典型的正反馈 电路,其振荡 频率仅由石英 晶体的谐振频 率 fS 决定,与电路中的R、C无关。,返回,6.2 单稳态触发器,6.2.1 用555定时器构成的单稳态触发器,电路只有一个稳
9、定的状态,当受到外来触发 脉冲时,变到了一个暂时稳定的状态。经过一段 时间后,电路自动回复到了原来稳定的状态。,一、电路结构,1、R与C构成充电回路(TD截止时);,2、C通过7脚构成放电回路 (TD导通时) ;,3、电路从3脚输出;,4、从2脚 端输入触发负 脉冲;,5、在 6 脚 TH端与地之间接 C ,所以UC的变化是分 析电路的关键点。,二、工作过程,1、当无负触发信号输入时 电路为稳定状态:,可以看出TD管导通, UC=0、 UD=0。,2、当有负触发信号输入 时,电路为暂稳态:,从下表可以看出 TD管截止,uO=1,C 被充电。充电时间常 数为RC。,只要UC上的充电电压小于2Vc
10、c/3,电路就维持 这个暂稳态不变。,3、当 C 充电使 UC 大于 2Vcc/3时,电路立即 回到原来的稳态。,从下表可以看出 TD管导通,uO=0,C 开始放电。,只要电路没有新的触发负脉冲输入,电路就一 直稳定在这个状态。,放电时间 常数趋于0,很快结束。,4、工作波形分析:,三、单稳态触发器输出脉冲宽度 TW 的估算,从工作波形中可以看出:输出脉冲宽度就是电 路的延迟时间。换句话说:就是暂稳态时电容从 0 充电至2Vcc/3所需的时间。,四、单稳态触发器恢复时间 TR 的估算,根据电路分析课程中 RC 过渡过程三要素公式可得:,整理得:,所以:,因为:,五、单稳态触发器最高工作频率 f
11、max 的估算,为了使电路能够可靠触发,即要保证在下一个 触发负脉冲到来时,电路应处在稳定的状态。,触发脉冲 的周期:,单稳态触 发器的最高工 作频率:,六、注意,1、输入脉冲之间的最小间隔 Tmin TW+TR ,否则电路 的暂稳态还未结束时,又 有新触发负脉冲输入,此 时电路状态将出现混乱。 2、触发负脉冲的宽度必须小 于暂态宽度TW,一般常用 微分电路解决这个问题。,6.2.2 集成单稳态触发器,此触发器分为可重复和非重复触发两大类:可 重复触发是在暂态期间允许新的触发脉冲进入;非 重复触发是在暂态期间不允许新的触发脉冲进入。,一、非重复触发的单稳态集成电路(74121),1、芯片逻辑符
12、号及引脚功能, TR-A、TR-B是两个下降沿触发信号的输入端;, TR+是一个上升沿触发信号的输入端;, Q 和 是两个互补输出端;, Rext/Cext、Cext为外接定时电阻和电容的端口;, Rint为内置2k定时电阻的引出端口。,表示非重触发, 只要TR不发生变化,电路就一直保持在稳态。,2、状态功能表, 外部TR有三种下降沿的触发方式,但内部TR仍是 上升沿触发( )。, 外部TR有两种上升沿的触发方式,内部TR也是上 升沿触发( )。,3、实用电路, 当触发信号还没 有输入时: 由状态功能 表得知电路处于 稳态,uO=0。, 当有负触发信号 输入时:,由状态功能表得 知电路变到暂稳
13、态, uO=1。暂稳态的时间 由RC来确定。, 电路相关参数:, 输入脉冲最小 周期Tmin:, 最大占空比 qmax :, 输出脉冲宽度TW:, 外接定时电阻R的取值范围 :, 外接定时电容C的取值范围 :, 若使用内置的定时电阻时,9脚直接接电源。,二、可重触发的单稳态集成电路(74122/74LS122),1、芯片逻辑符号及引脚功能,表示可重触发, TR-A、TR-B 是两个下降沿触发信号的输入端;, TR+A、TR+B是两个上升沿触发信号的输入端;, Q 和 是两个互补输出端;, 是直接复位输入端;, Rext/Cext、Cext为外接定时电阻和电容的端口;, Rint为内置2k定时电
14、阻的引出端口。,2、状态功能表, 只要 无论有否触发输入,电路都复位。, 只要TR不发生变化,电路就一直保持在稳态。此稳 态与复位后的状态相同。, 外部TR有六种上升沿的触发方式,内部TR也是上 升沿触发( )。,注意:当 清0后若回到1,这就有可能给单稳态电 路发出触发信号。为了避免这种情况,可采用 改变上表中最后两行其它条件的方法。, 外部TR有三种下降沿的触发方式,但内部TR仍然是 上升沿触发( )。,3、实用知识, 输出脉冲宽度由外接定时元件确定。R 的选取范围 为:550k;C的选取范围为:10pF以上。常用于 较长时间的延时用途。(电路连接图与74121相同) 当C1000pF时:
15、, 恢复时间tre,与74121相同,电路也需要一段恢复 时间后才能从暂稳态返回到稳态。,优 点 1、利用可重触发功能,可以增加 脉冲的宽度和延迟时间。换句 话说:在下一个触发脉冲的作 用下原暂稳态被中止,又开始 新的暂稳态 (在数控系统中常 用于硬件“看门狗”技术) ;,优 点 2、利用异步清 0 功能还可以缩短 输出脉冲的宽度,使单稳态触 发器的应用价值得到提升; 3、器件内部设有补偿电路,因此 脉宽的稳定性高,Vcc 及环境 温度的变化对TW的影响较小。 因此单稳态电路可以做波 形整形、定时及延迟电路。,返回,6.3 施密特触发器,6.3.1 用555定时器构成的施密特触发器,施密特电路在受到不同电平的触发脉冲作用 时,具有两个稳定的状态。另外施密特电路的阈 值电压不相等,具有滞后特性(回差现象)。,一、电路结构,1、2 和 6 短接,两个运放 共用一个输入电压;,2、VDD对7脚TD管提供集 流, TD管截止时输出 的高电位由VDD确定