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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
