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1、第九章 脉冲单元电路,9. 1 概述,9. 2 单稳态触发器,9. 3 单脉冲的产生,9. 4 连续矩形脉冲波的产生,9. 5 555定时器的原理和应用,9. 1 概述,获得矩形脉冲的途径不外乎通过下述两种途径 ：,一种是利用各种形式的多谐振荡器电路，直接产生所需要的矩形脉冲；,另一种是通过整形电路把已有的周期性变化的波形变换为矩形脉冲。,实现这一变换功能的过程，称作“整形”。,完成这一功能的电路常选用“单稳态触发器” ，,另外，单稳态触发器还有延时功能 。,9. 2 单稳态触发器,什么叫 “单稳态触发器” ?,Q,这是双稳态触发器的运行结果,Q,稳 定 状 态,暂稳态,学习的重点 :,为什么
2、可以自动返回 ?,在“暂稳态”上停留的时间有多长 ? 该时间由什么决定 ?,9. 2. 1 积分型单稳态触发器的工作原理,t1,当输入的触发信号 ui 发生正跳变后，,0,1,1,1,?,?,0,uo1 应该产生负跳变。,1,它们应该怎么变化 ?,电容C应该放电:,UT,uo1,uo2,R,C,1,2,ui,A,1,1,1,0,只要 uA UT ，仍然有 A 1，,1,1,那么，uo2 应该由 1 变成 0。,0,那么，uo2 应该由 0 变成 1。,一旦 uA UT ，立即会有 A 0，,电容C继续放电:,那么电容C就不断地放电，,电路各点的逻辑状态如图所示。,只要 ui 仍为 1 状态，,
3、uo1 就会保持 0 状态，,当ui 由 1 变回 0 时，,0,1,从此，电容C将进入充电过程 ，,uo1 自然由 0 变到 1 ，,t3,波形如右图所示 ：,0,思考 ：,uo2 又该如何呢 ?,0,对与非门 2 来说 ，,它已有一个输入端为 0 了，,另一输入端 A的电位尽管在变化 ，,却不会影响其输出值 ，,uo2 继续保持为 1 。,电容C 的充电主要回路如右图示：,tw,“单稳态触发器”小结,学习的重点 :,为什么可以自动返回 ?,需要多少时间才能自动返回 ?,因为电容的充、放电过程所至 。,与 R、C 的乘积成正比。,9. 2. 2 集成单稳组件介绍,它的 管脚图 和 功能表分别
4、列写在后 ：,集成化的单稳组件的类型很多，以下以74LS123 为例，作为介绍对象。,74LS123管脚图,74LS123 包括两个独立的单稳，各管脚以字头 1、2 相区别。单稳输出脉冲的宽度，主要由外接的定时电阻 ( RT ) 和定时电容 ( CT ) 决定。 单稳的翻转时刻决定于 A、B、CLR 三个输入 相与的结果，具体参见它的功能表。,74LS123功能表,74LS123输出脉冲的宽度有三种控制方法:,1. 基本脉冲宽度由外接电阻 ( RT ) 、电容 ( CT ) 决定：当CT 1000PF 时，脉宽 tW 应为,t W = 0. 45 RT CT,74LS123,RT / CT,C
5、T,VCC,CT,RT,74LS123输出脉冲的宽度有三种控制方法:,2. 在清零端 ( CLR ) 加清 0 负脉冲，可提前终止输出脉冲，如下图所示 ：,CLR,Q,图中tW是由电路参数决定的暂稳态时间 ；,实线所表示的 Q 波形则是 CLR 作用的结果。,3. 通过在 A 端或 B 端加再触发脉冲， 可使输出脉冲的宽度加宽 ：,tW 为B的第一次触发所产生的暂稳态时间；,tW 为B的第二次触发所产生的暂稳态时间。,第一次触发尚未结束，又施加第二次触发信号，,其效果如 Q 的实线波形所示。,由于这种单稳可以通过加再触发脉冲增大输出脉冲的宽度，,所以，,它被称为可再触发式单稳 。,9. 2.
6、3 单稳态触发器的应用举例,单稳的应用多种多样，如 ：整形、延时控制、定时顺序控制等等。,例如 “ 延时控制 ”,利用单稳可以取得延时作用，延长的时间可以通过 R、C调节。请看下例 ：,S0 = 1,74 LS194: 除了清零， 就是右移。,用波形图表示如下:,注意 右移输入 R = 1,如果没有单稳延时，,八个发光二极管的显示效果为 “右移逐个亮”，并且一直亮下去 。,电路中插进单稳态触发器以后，情况就变化了：,t0,t1,右移逐个亮,t2,全亮,t3,全灭,循环往复,9. 3 单脉冲的产生,按钮 S 按放一次，便产生一个单脉冲。,但是，由于按钮 S 机械动作经常伴有抖动现象，使得输出的方
7、波很不理想，毛刺很大。这样的方波用到数字系统中很容易引起误动作。因此，这个电路没有实用价值。,正常时，不按按钮，Q0 ；,按下按钮时，锁定器翻转，,Q = 1,松开按钮后，回到Q0 。,9. 4 连续矩形脉冲波的产生,矩形波发生器又称多谐振荡器。,它可以由分立元件构成，也可以由集成电路构成，本节只讨论后一种电路。,6. 4. 1 环形振荡器,利用逻辑门电路的传输延迟时间，将奇数个与非门首尾相接，就可以构成一个简单的环形振荡器:,设 uo3 的初始状态为0:,0,1,0,1,0,1,用波形图来表示,则为:,优点: 电路结构简单,所用元件少而精。,缺点: 频率太高,并且不可调整。,在原电路的基础上
8、添加RC延时电路,便可以克服上图的先天不足:,下面将结合它的工作波形说明其工作原理:,设 uo 的初始状态为 0:,0,0,1,电容C的两个极板分别连接到不同的电位上，,必然会发生充放电的过程。,下面结合与非门的内部电路来分析这个过程 ：,改画成, , ,电容C两端的电压极性为左正右负。,1,A点的初始值为 1,UT,但是，只要 uA UT ，,就有 A1，,1,电路中其它各点的状态就不会 变化！,1,一旦出现 uA UT ，,立即有 A0，,0,电路中其它各点的状态也会跟着变化 。,1,0,1,A点的电位如何变化 ?,电容电压不突变 !,再怎么变?,在如图所示的电路状态下，电容C会放电并被反
9、充电，,必然使得A点的电位越来越高 。,只要 uA UT ，,仍有 A = 0 ，一切照常。,一旦 uA UT ，,A = 1 ，,1,瞬息万变 !,0,1,0,输出信号的周期近似为 ：,T = 2. 2 RC,电路有关各点的波形如右图所示,石英晶体振荡器常用作数字系统的基准信号。,为获得稳定的振荡频率， 可在振荡电路中串接石英晶体，组成石英晶体振荡器，如下图所示。,9. 4. 2 石英晶体振荡器,石英晶体振荡器的频率由石英晶体本身的固有频率所决定。,使用了石英晶体以后，其频率稳定度可达 10-6 10-8 左右，甚至可达 1010 10-11 量级，因而得到广泛的应用。,分析石英晶体振荡器的
10、工作原理 ：,石英晶体的基本特性和等效电路,a. 压电效应,若在石英晶体两极加一电场，晶片会产生机械变形。,相反，若在晶片上施加机械外力，则在晶片相应的方向上会产生一定的电场，,这种物理现象称为“压电效应”。,因此，当晶片的两极加上交变电压时，晶片就会产生机械变形振动；,同时，晶片的机械振动又会产生交变电场。,一般情况下，晶片的机械振动的振幅和交变电场的振幅都非常小。,只有在某个特定的频率下，它才会突然变得大很多，,此现象称为压电谐振。,而这个特定频率称为晶体的固有频率或谐振频率。,b. 符号和等效电路,容性,感性,容性,当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器 C0 ，称为静电容，其值约为几
11、个到几十皮法 ；,电阻性,电阻性,而当晶体振动时，有一个机械振动的惯性，用电感L来等效，其值约为 103 102 亨 ；,晶片的弹性一般用电容C来等效，C值在 102 10-1 皮法 ；,晶片振动时因摩擦而造成的损耗则用R来等效，它的数值约为 102 欧。,电阻性,从石英振荡器的等效电路可知，这个电路有两个谐振频率：,串联谐振时，,并联谐振时，,电阻性,由于 C C0，因此，fS 和 fP 非常接近，近似认为二者相等，并且用 f0 表示。,这个 f0 就是通常标志在石英晶体产品表面的固有振荡频率值。,需要强调：只有在 f0 处，这个石英晶体才相当于一个电阻，表现出电阻的特性。,(2). 再分析
12、电阻 Rf 为什么,要和与非门并联 ?,因为石英晶体振荡器的工作原理完全不同于环形振荡器，它工作原理则基于电路的正反馈过程。,这就需要将与非门转变成反相放大器，才可以构成模拟量的正反馈环路，从而产生自激振荡。,1.4,与非门的电压传输特性,如何使与非门成为反相放大器 ?,线性区,转折区,欲实现这一目标，必须给门电路设置适当的输入偏置电压，使工作点位于电压传输特性的转折区 ( 或线性区 ) ，,而这个偏置,电阻的伏安特性如左图所示，,它与传输特性的交点即为电路的工作点。,电压可以通过在输入端和输出 端之间接入反馈电阻 Rf 来得到 。,电阻 Rf 的数值在什么范围内，才能使交点位于转折区内呢 ?
13、,这得结合与非门内部电路来分析才行。,UI =,其斜率为：,忽略门电路的输出电阻，利用叠加定理可从外电路求出输入电压为：,而且，在 UO = 0时与传输特性横轴相交于,电阻 Rf 的数值在什么范围内，才能使交点位于转折区内呢 ?,计算结果表明 R1 应在,0.5K 2K 之间 。,(3). 分析左下图所示电路的工作情况,假定由于某种原因 ( 例如电源波动或外界干扰 ) 使 ui1 有微小的正跳变，,则必然会引起如下的正反馈过程 ：,ui1,ui2,uo1,uo,最终使得门1迅速饱和导通而门2迅速截止，,电路进入第一个暂稳态，,此时 uo1 = 0.3V，uo = 3.4V，,同时，电容 C2
14、开始充电而 C1 开始放电，,0.3V,3.4V,充电回路,+,-,放电回路,+,-,充 、放电的等效电路如后图所示。,充电的等效电路如下图所示,随着充电时间的延续，,电位 ui2 转而不断升高，,uo 就不断降低 。,在 f0 时，石英晶体呈电阻性,现略去不画,随着放电时间的延续，,电位 ui1 转而不断降低 ，,uo1 就不断升高 。,充电的结果使得 ui2 升高，,放电的结果使得 ui1 降低，,必将引起 另一个正反馈 !,这两个过程同时进行，,ui1,ui2,uo1,uo,(3). 分析左下图所示电路的工作情况,充电的结果使得 ui2 升高 ，,放电的结果使得 ui1 降低 ，,这两个
15、过程同时进行，,必将引起另一个正反馈 !,最终使得门2迅速饱和导通而门1迅速截止，,电路进入第二个暂稳态，,此时 uo = 0.3V，uo1 = 3.4V，,0.3V,3.4V,电路处于 和 的对比,3.4V,0.3V,充电,放电,第一个暂稳态,第二个暂稳态,3.4V,0.3V,放电,充电,利用此时的电容的充放电过程，,使电路由第一 个暂稳态变为第二个暂稳态。,同样，利用这时的电容的充放电过程，,也必然能使电路由第二 个暂稳态回到第一个暂稳态。,由第二个暂稳态如何回到第一个暂稳态的工作过程，,留给同学们课后自行讨论分析。,(4). 石英晶体振荡器的输出波形,振荡信号的频率完全由石英晶体的固有频率决定。,6. 5 555定时器的原理和应用,555定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件，,由于使用灵活、方便，因而 555定时器在波形的产生与变换、信号的测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到广泛的应用。,它是一种多用途的单片集成电路，,利用它能极方便地接成单稳态触发器和多谐振荡器及其它实用电路。,9. 5. 1 555定时器的工作原理,555定时器的内部电路包括以下几部分 ：,(1). 555定时器的电路组成,两个模拟电压比较器 A1、A2 ；,一个 RS 触发器 ；,一个集电极开路输出的三极管 。,555 定时器的内部电路,电
