1、9 脈沖波形的產(chǎn)生與變換脈沖波形的產(chǎn)生與變換 9.1多謝振蕩器多謝振蕩器 引言引言 9.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 9.3 斯密特觸發(fā)器斯密特觸發(fā)器 9.4 555定時(shí)器及其應(yīng)用定時(shí)器及其應(yīng)用 在數(shù)字電路中，常常需要各種脈沖波形，例如時(shí)鐘脈沖、控制過(guò)程中的定時(shí)信號(hào)等。這些脈沖波形獲取，通常采用兩種方法：返回 對(duì)已有的信號(hào)進(jìn)行變換，使之滿足系統(tǒng)的要求 本章主要討論幾種脈沖信號(hào)產(chǎn)生器以及脈沖變換的基本 單元電路，如多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等。 并對(duì)它們的功能、特點(diǎn)及其主要應(yīng)用作簡(jiǎn)要的介紹。 利用脈沖信號(hào)產(chǎn)生器直接產(chǎn)生9.1多諧振蕩器多諧振蕩器門(mén)電路組成的多諧振蕩器 特點(diǎn)：電路中含有開(kāi)

2、關(guān)器件，如門(mén)電路、電壓比較器、BJT開(kāi)關(guān)等。 具有反饋網(wǎng)絡(luò)，將輸出電壓恰當(dāng)?shù)胤答伣o開(kāi)關(guān)器件使之改變輸出狀態(tài)。 還有延遲環(huán)節(jié)，利用RC電路的充、放電特特性可實(shí)現(xiàn)延時(shí)，以獲得所需要的振蕩頻率。 電路的組成 一種由CMOS門(mén)電路組成的多諧振蕩器如圖(1)所示：G11G21vIRCvO1vO2圖(1)下一頁(yè)返回由CMOS門(mén)電路組成的多諧振蕩器的原理圖為：工作波形圖為：(a)多諧振蕩原理圖(b)多諧振蕩器的波形上一頁(yè) 下一頁(yè)返回1.第一暫穩(wěn)態(tài)及電路自動(dòng)翻轉(zhuǎn)過(guò)程第一暫穩(wěn)態(tài)及電路自動(dòng)翻轉(zhuǎn)過(guò)程vI vO1 vO2 假定在t=0時(shí)接通電源，電容C尚未充電，電路初始狀態(tài)為vO1= vOH, v1 = vO2= v

3、OL狀態(tài)，即第一暫穩(wěn)態(tài)。此時(shí)，電源VDD經(jīng)G1的TP管、R和G2的TN管給電容C充電，如圖(1)所示。隨著充電時(shí)間的增加，v1值不數(shù)斷上升，當(dāng)v1達(dá)到vth時(shí)，電路發(fā)生下述反饋過(guò)程：上一頁(yè) 下一頁(yè)返回2.第二暫穩(wěn)態(tài)及電路自動(dòng)翻轉(zhuǎn)過(guò)程第二暫穩(wěn)態(tài)及電路自動(dòng)翻轉(zhuǎn)過(guò)程 電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)瞬間,Vo2由0V上跳至VDD,由于電容兩端電壓不能突變,則vI 也將上跳VDD+ Vth,但由于保護(hù)二極管的鉗作用, vI僅上跳至VDD+ V+.。隨后，電容C通過(guò)G2的 TP、電阻R和G1的TN管放電，使vI降至Vth后，電路又產(chǎn)生如下正反饋過(guò)程：vI vO1 vO2 從而使G1迅速截止， G2迅速導(dǎo)通，電路又回到第

4、一暫穩(wěn)態(tài)，Vo1= vOH, vO2= vOL。此后，電路重復(fù)上述過(guò)程，周南而復(fù)始地從一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在G2的輸出端得到方波。上一頁(yè) 下一頁(yè)返回二、振蕩周期的計(jì)算 1.T1的計(jì)算 對(duì)應(yīng)于第一暫穩(wěn)態(tài)，將圖中t1作為時(shí)間起點(diǎn)， T1= t2 -t1， v1(0+)=-V-0V， v1()=VDD， =RC。根據(jù)RC電路瞬態(tài)的分析，有: T1=RClnVDD/(VDD-Vth) 2. T2的計(jì)算 對(duì)應(yīng)于圖中，在第二暫穩(wěn)態(tài)，將t2作為時(shí)間的起點(diǎn)，則有: v1(0+)=VDD +V+VDD， v1()=0，=RC上一頁(yè) 下一頁(yè)返回由此可求出: T2 =RClnVDD/Vth所以 T= T1

5、+ T2=RClnV2DD/(VDD-Vth)Vth將Vth=VDD/2代入上式變?yōu)椋?T=RCln41.4RC 如圖所示是一種最簡(jiǎn)型多諧振蕩器，式T=RCln41.4RC僅適用RRON(P)+RON(N) RON(P)、 RON(P)分別為CMOS門(mén)中NMOS、PMOS管的導(dǎo)通電阻、C遠(yuǎn)大于電路分布電容情況。當(dāng)電源電壓波支時(shí)，會(huì)使振蕩頻率不穩(wěn)定，在Vth VDD/2時(shí)，影響尤為嚴(yán)重。 一般可在圖中增加一個(gè)補(bǔ)償電阻Rs,如圖所示。 Rs可減小電源電壓變化對(duì)振蕩頻率的影響。 當(dāng)Vth= VDD/2時(shí)，取Rs R(一般Rs=10R)。11vIRCvORs加補(bǔ)嘗電阻的CMOS多諧振蕩器上一頁(yè) 下一頁(yè)

6、返回石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器石英晶體的電路符號(hào)及阻抗頻率特性如下圖所示：電路符號(hào)XOs電容性電容性電感性上一頁(yè) 下一頁(yè)返回石英晶體振蕩器電路圖如圖所示：11G1G2C1C2RRVO 圖中，并聯(lián)在兩個(gè)反相器輸入、輸出間的電阻R的作用是使反相器工作在線性放大區(qū)。R的阻值，對(duì)于TTL門(mén)電路通常在0.72K之間；對(duì)于CMOS門(mén)則常在10100M 之間。電路中,電容C1用于兩個(gè)反相器間的耦合，而C2的選擇應(yīng)20RC11,從而使RC2并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在fs處產(chǎn)生極點(diǎn)，以減少諧振信號(hào)損失。 C1的選擇應(yīng)使C1在頻率為fs時(shí)的容抗可以忽略不計(jì)。 上圖中所示電

7、路的振蕩頻率僅取決于石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fs，而與電路中的R、C的數(shù)值無(wú)關(guān)。這是因?yàn)殡娐穼?duì)fs頻率所形成正反饋?zhàn)顝?qiáng)而易于維持振蕩。9.1.5 石英晶體振蕩器上一頁(yè) 下一頁(yè)返回 為了改善輸出波形，增強(qiáng)帶負(fù)載能力，通常在振蕩器的輸出端再加一級(jí)反相器。作為一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，兩相時(shí)鐘產(chǎn)生電路及其波形如圖所示：111&1JC11KA211QQ(a)邏輯圖(b)波形圖圖9.1.6 雙時(shí)鐘發(fā)生器上一頁(yè) 下一頁(yè)返回 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(diǎn)： 電路有一個(gè)穩(wěn)態(tài)、一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。 在外來(lái)觸發(fā)信號(hào)作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。 暫穩(wěn)態(tài)是一個(gè)不能長(zhǎng)久保持的狀態(tài)，由于電路中RC延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，電路會(huì)自動(dòng)返

8、回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間取決于RC電路的參數(shù)值。 門(mén)電路組成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1.電路的組成（如圖(a)、(b)所示分別為由與非門(mén)和或非門(mén)構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。)vO1vO2&v1RvDDC圖(a)下一頁(yè)返回圖(b)11v1RvDDCvO1vO2G1G2-vc+ 2.電路的工作原理 (1) 沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，電路處于一種穩(wěn)態(tài) 沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，vI為低電平。由于門(mén)G2的輸入端經(jīng)電阻R接至VDD，因此vO2為低電平； G1的兩個(gè)輸入均為高電平，電容兩端的電壓接近0V，這是電路的“穩(wěn)態(tài)”。在觸發(fā)信號(hào)到來(lái)之前，電路一直處于這個(gè)狀態(tài):vO1= VOH， vO2 =VOL 。上一頁(yè) 下一頁(yè)返回

9、(2) 外加觸發(fā)信號(hào)，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài) 當(dāng)vI正跳變時(shí)，G1的輸出vO1由高變低，經(jīng)電容耠合，使vR為低電平，于是G2的輸出vO2變?yōu)楦唠娖健?vO2的高電平接至G1門(mén)的輸入端，從而在此瞬間導(dǎo)致如下反饋過(guò)程：vI vO1 vR vO2 這樣G1導(dǎo)通， G2截止在瞬間完成。此時(shí)，即使觸發(fā)信號(hào)v1撤除(vI變?yōu)榈碗娖?,由于vO2的作用， vO1仍維持低電平。然而，電路這種狀態(tài)是不能長(zhǎng)久保持的，故稱之為暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，vO1= VOL， vO2 =VOH。上一頁(yè) 下一頁(yè)返回 (3) 電容充電,電路由暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)返回至穩(wěn)態(tài) 在暫穩(wěn)態(tài)期間,電源經(jīng)電阻R和門(mén)G1的導(dǎo)通工作對(duì)電容C充電，隨著充電時(shí)間

10、的增加,vc增加,使vR升高,當(dāng)vR達(dá)到閾值電壓Vth時(shí),電路發(fā)生下述反饋過(guò)程（設(shè)此時(shí)觸發(fā)器脈沖已消失):C充電 vR vO2 vO1 于是,G1門(mén)迅速截止,G2門(mén)很快導(dǎo)通,最后使電路由暫穩(wěn)態(tài)返回至穩(wěn)態(tài)，vO1= VOH， vO2 =VOL。 暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后,電容將通過(guò)電阻R放電,使C的電壓恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的初始值。在整個(gè)過(guò)程中，電路各點(diǎn)工作波形如圖所示：上一頁(yè) 下一頁(yè)返回ttpivI0ttt000vOIvDDvRVDD+VthvDDvO2t1t2twvth上一頁(yè) 下一頁(yè)返回 主要參數(shù)的計(jì)算 (1)輸出脈沖寬度tw 輸出脈沖寬度tw，也就是暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間,可以根據(jù)vR的波形進(jìn)行計(jì)算。為了計(jì)算方

11、便對(duì)于圖9.2.2的vR的波形，將觸發(fā)脈沖作用的起始時(shí)刻t1作為時(shí)間起點(diǎn)，于是有vR(0+)=0 vR()= VDD =RC根據(jù)RC電路瞬態(tài)過(guò)程的分析，可得到 vR= VR()+vR(0+)- VR()e-t/上一頁(yè) 下一頁(yè)返回當(dāng)t=tw時(shí)， VR(tw)=Vth，代入上式可求得vR(tw)= Vth= VDD(1-e- tw/RC) tw=RClnthDDDDVVV當(dāng)Vth= VDD/2，則 tw0.7RC (2) 恢復(fù)時(shí)間tre 暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，還暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，還需要一段恢復(fù)時(shí)間，以便電容C在暫穩(wěn)態(tài)期間所充的電荷釋放完，使電路恢復(fù)到初始狀態(tài)。一般要經(jīng)過(guò)3d（ d為放電時(shí)間常數(shù))的時(shí)間，放電才

12、基本結(jié)束，故tre約為3d。 上一頁(yè) 下一頁(yè)返回 (3) 設(shè)觸發(fā)信號(hào)vI的時(shí)間間隔為T(mén)，為了使單穩(wěn)態(tài)電路能正常工作，應(yīng)滿足Ttw+tre的條件，即最小時(shí)間間隔Tmin= tw+tre。因此，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的最高工作頻率為： 3.討論 （1）如下頁(yè)圖所示，在暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束(t=t2)瞬間，門(mén)G2的輸入電壓vR達(dá)到VDD+Vth，這么高的輸入電壓可能損壞CMOS門(mén)。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，在CMOS器件內(nèi)部設(shè)有保護(hù)二極管D，如下頁(yè)圖中的虛線所示。在電容C充電期間，二極管D開(kāi)路。而當(dāng)t=t2時(shí)，二極管D導(dǎo)通，于是vR被鉗制在VDD+0.6V的電位上（見(jiàn)下頁(yè)圖中的虛線）。同時(shí)，在恢復(fù)期間，電容C放電的時(shí)間常數(shù)

13、d=(R| Rf)C(Rf為二極管D的正向電阻)，由于RfR，因此電容放電的時(shí)間很短。 fmax=1/TminTW時(shí)，則在VO2變?yōu)楦吆螅珿1沒(méi)有響應(yīng)， 不能形成前述的正反饋過(guò)程，使VO2的輸出邊沿變緩。因此，當(dāng)輸入脈沖寬度TPI很寬時(shí)，可在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端加入RD、CD組成的微分電路。同時(shí)為了改善輸出波形，可在圖中G2的輸出端再加上一級(jí)反相器G3，如圖所示。 (3) 若采用TTL與非門(mén)構(gòu)成如圖所示的單穩(wěn)電路時(shí)，由于TTL門(mén)存在輸入電流，因此，為了保證穩(wěn)態(tài)時(shí)G2的輸入為低電平，電阻R要小于0.7HH。如果輸入端采用RD，CD微分電路時(shí)，RD的數(shù)值應(yīng)大于2KK，使得穩(wěn)態(tài)時(shí)VD大于門(mén)G1的開(kāi)門(mén)

14、電平(VON)，而CMOS門(mén)由于不存在輸入電流，故不受此限制。1 11vIvO1vOG1CdvDRdCG2G3vO2RVDD上一頁(yè) 下一頁(yè)返回集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器根據(jù)電路及工作狀態(tài)不同分為可重復(fù)觸發(fā)器 和不可重復(fù)觸器兩種，如圖為兩種觸發(fā)器的工作波形。(b) 可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形vIvOttwtw(a) 不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形vIvOtwtw上一頁(yè) 下一頁(yè)返回 1.不可重復(fù)觸發(fā)的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 TTL集成器件74121是一種不可重復(fù)觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其邏輯圖和引腳分別如圖所示：A1A2BQQG1&G2&G3&G4&G91G8

15、1G71G61G5& 1aRintCextRextRext/CextRint觸發(fā)信號(hào)控制電路微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出緩沖電路上一頁(yè) 下一頁(yè)返回TTL器件引腳圖：TTL 集成器件74121引腳圖 1234567141312111098QNCA1A2BQGNDVCCNCNCRext/CextCextRintNC上一頁(yè) 下一頁(yè)返回 電路由觸發(fā)控制電路、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及輸出緩沖電路組成。將具有遲帶特性的非門(mén)G6與G5門(mén)合起來(lái)看成一個(gè)或非門(mén)，它與G7門(mén)及外接電阻Rext（或Rint）、電容Cext即組成微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其電路工作原理與9.2.1節(jié)介紹的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器基本相同。電路只有一

16、個(gè)穩(wěn)態(tài)Q=0，Q=1。當(dāng)圖中a點(diǎn)正脈沖觸發(fā)時(shí)，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)Q=1，Q=0，為低電平后使觸發(fā)信號(hào)控制電路中RS觸發(fā)器的G2門(mén)輸出低電平，將G4門(mén)封鎖，這樣即使有觸發(fā)信號(hào)輸入，在a點(diǎn)也不會(huì)產(chǎn)生微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)，只有等電路返回穩(wěn)態(tài)后，電路才會(huì)在輸入觸發(fā)信號(hào)作用下被再次觸發(fā)，根據(jù)上述分析，電路屬于不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 ( 1)電路的組成及工作原理：上一頁(yè) 下一頁(yè)返回 觸發(fā)方式 74121集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有3個(gè)觸發(fā)輸入端，由觸發(fā)信號(hào)控制電路分析可知，在下述情況下，電路可由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)： 若A1、A2兩個(gè)輸入中有一個(gè)或兩個(gè)為低電平，B發(fā)生由0到1的正跳變。若B和A1、A2中的一個(gè)為

17、高電平,輸入中有一個(gè)或兩個(gè)產(chǎn)生由1到0的負(fù)跳變。74121的功能如表所示。 (2) 觸發(fā)方式與定時(shí)輸 入輸 出A1 A2 B Q QLHHLLHHLHHLHHHLLLLHHHH上一頁(yè) 下一頁(yè)返回 采用外接定時(shí)電阻（阻值在1.440K之間），此時(shí)9腳應(yīng)懸空，電阻接在11、14腳之間。 74121的輸出脈沖寬度 tw =0.7RC 通常R的數(shù)值取在230KKK之間，C的數(shù)值取在10PF10UF之間，得到的tw的取值范圍可達(dá)到20ns200ms。 式（9.2.5）中的R可以是外接電阻 Rext，也可以是芯片內(nèi)部電阻Rint(約2K )，如希望得到較寬的輸出脈沖，一般使用外接電阻。 定時(shí) 單穩(wěn)電路的定

18、時(shí)取決于定時(shí)電阻和定時(shí)電容的數(shù)值。74121的定時(shí)電容連接在芯片的10、11引腳之間。若輸出脈沖寬度較寬，而采用電解電容時(shí)，電容C的正極接在Cext輸入端（10腳）。對(duì)于定時(shí) 電阻，使用者可以有兩種選擇： 利用外接定時(shí)電阻（2KKK），此時(shí)將9號(hào)引腳（Rint）接至電源Vcc(14腳)。上一頁(yè) 下一頁(yè)返回 (1) 穩(wěn)態(tài) 令RD=，無(wú)觸發(fā)信號(hào)時(shí)TR+=1，TR-=，設(shè)接通電源后電容還未充電，vc=0V，此時(shí)G4輸出VO4一定為高電平。若VO4為低電平，則在與VC=VOL的共同作用下，G9輸出低電平并使G7輸出高電平,G8輸出低電平，于是VO4被置為高電平，這樣圖中V10=VOL，V12=VOH，

19、TN、TP同時(shí)截止，VDD經(jīng)Rext向Cext充電，當(dāng)VC大于VTH13時(shí)，Q=0，Q=1，電路處于穩(wěn)態(tài)。同樣，當(dāng)RD=，輸入信號(hào)TR+=,TR-=0時(shí)，G5門(mén)輸出低電平,使G6、G7門(mén)組成的基本RS觸發(fā)器的VO7為低電平，經(jīng)G8反相后使VO4處于高電平。電路維持穩(wěn)態(tài)不變。 (2) 觸發(fā)與定時(shí) 以RD=1，TR+=1，TR-端加正觸發(fā)脈沖情況為例說(shuō)明電路觸發(fā)工作情況。在TR-端上升沿到來(lái)時(shí)VO4=VOL，由于VO7=VOL,于是G10輸出V10=VOH，TN導(dǎo)通，Cext開(kāi)始放電，當(dāng)VC下降至G13門(mén)的閾值電 2. 可重復(fù)觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 以常用CMOS集成器件MC14528為例，介紹可重

20、復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理。 上一頁(yè) 下一頁(yè)返回壓Vth13時(shí)，電路進(jìn)入暫態(tài)Q=1，Q=0。此暫態(tài)不級(jí)持續(xù)下去，當(dāng)VC進(jìn)一步下降至G9門(mén)的閾值電壓Vth9時(shí),G9門(mén)輸出低電平，經(jīng)G8使G3、G4組成的基本RS觸發(fā)器的G4輸出高電平,G10輸出為低電平，這樣TN又截止,C又重新開(kāi)始充電,當(dāng)VC值大于G13門(mén)的閾值電壓Vth13時(shí)，電路自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)，即Q=0，Q=1的狀態(tài),Cext繼續(xù)充電至VDD以后電路又恢復(fù)為穩(wěn)態(tài)。MC14528功能表如下所示：輸 入輸 出RDTR+TRQQLHHHHLLLLLHHH功 能清除禁止單穩(wěn)單穩(wěn)禁止上一頁(yè) 下一頁(yè)返回同理，電路工作波形如圖所示：TR+TR-VCQ00

21、00tttt上一頁(yè) 下一頁(yè)返回單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用 1. 定時(shí) 由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能產(chǎn)生一定寬度tw矩形輸出脈沖，如利用這個(gè)矩形脈沖作為定時(shí)信號(hào)去控制某電路，可使其在tw時(shí)間內(nèi)動(dòng)作(或不動(dòng)作)。例如，利用單穩(wěn)態(tài)輸出的脈沖波形作為與非門(mén)輸入的控制信號(hào)(如下圖)，則只有這個(gè)矩形波的tw時(shí)間內(nèi)，信號(hào)vA才有可能通過(guò)與門(mén)。TR+TR-VCQ0000tttt上一頁(yè) 下一頁(yè)返回 2. 延時(shí) 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時(shí)作用不難從如圖所示微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形可看出,圖中輸出聞風(fēng)而端vO1的上升沿相對(duì)輸入信號(hào)vI的上升沿延遲了tw一段時(shí)間。tpivI0tttt000vOIvDDvRVDD+VthvDDvO2t1t2

22、twvth上一頁(yè) 下一頁(yè)返回 3. 多諧振蕩器多諧振蕩器 由兩片74121集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的多諧振蕩器如圖所示，圖中開(kāi)關(guān)S為振蕩器控制開(kāi)關(guān)。 設(shè)當(dāng)電路處于Q1=0， Q2=0時(shí),將開(kāi)關(guān)S打開(kāi)，電路開(kāi)始振蕩，其工作過(guò)程如下：在起始時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器I的AI為低電平，開(kāi)關(guān)S打開(kāi)瞬間，B端產(chǎn)生正跳變，單穩(wěn)態(tài)I被觸發(fā)，Q1輸出正脈沖，其脈沖寬度0.7R1C1，當(dāng)單穩(wěn)I暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束時(shí)， Q1下跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)II, Q2端的輸出正脈沖，此后, Q2的下跳沿又觸發(fā)單穩(wěn)I，如此周而復(fù)始增生振蕩,其振蕩周期為： T=0.7(R1C1+ R2C2)由單穩(wěn)態(tài)構(gòu)成的多諧振蕩器Cext Rext/ CextA1A2BQ

23、74121()Cext Rext/ CextA1A2BQ74121()Q1Q2R1R2VCCVCCVCCVCCVOSC1C2上一頁(yè) 下一頁(yè)返回 4. 噪聲的消除電路 利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以構(gòu)成噪聲消除電路，將輸出脈寬調(diào)節(jié)到大于噪聲寬度而小于信號(hào)脈寬，即可消除噪聲。由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的噪聲消除電路及波形如下圖所示：Cext Rext/ CextA1A2BQ74121R VCC1DR C1VO(a)邏輯圖噪聲(b)波形圖上一頁(yè) 下一頁(yè)返回 上圖中，輸入信號(hào)接對(duì)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)輸入端和D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端及直接置0端。由于有用信號(hào)大于單穩(wěn)態(tài)輸出脈寬，因此單穩(wěn)Q輸出上升沿D觸發(fā)器置1，而當(dāng)信號(hào)消失后，

24、D觸發(fā)器被清0。若輸入中含有噪聲,其噪聲前沿使單穩(wěn)觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，但由于單穩(wěn)輸出脈寬大于噪聲寬度，故單Q輸出上升沿時(shí)，噪聲已消失，從而在輸出信號(hào)中消除了噪聲成分。上一頁(yè) 下一頁(yè)返回ovoVOHVOLVTVT+圖9.3.1 施密特電路的傳輸特性v 施密特觸發(fā)器不同于前述各類(lèi)觸發(fā)器，它具有下述特點(diǎn)： 施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)器，對(duì)于緩慢變化的信號(hào)仍然適用，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到某一定電壓時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生突變。 輸入信號(hào)增加和減少時(shí)，電路有不同的閾值電壓，它具有如圖9.3.1所示的傳輸特性。返回9.3 斯密特觸發(fā)器斯密特觸發(fā)器 由CMOS門(mén)組成的施密特觸發(fā)器如圖9.3.2所示。電路中兩個(gè)CMOS反相器串接，分壓

25、電阻R1、R2將輸出端的電壓反饋到輸入端對(duì)電路產(chǎn)生影響。v11R1R2v1vo1voG1G2vvo1(a)(b)圖9.3.2 CMOS反相器組成的施密特觸發(fā)器（a）電路 （b）圖形符號(hào)返回9.3.1 門(mén)電路組成的斯密特觸發(fā)器門(mén)電路組成的斯密特觸發(fā)器 假定電路中CMOS反相器的閾值電壓VthVDD/2，R1VTN時(shí)，TN4先導(dǎo)通，由于TN5其源極電壓vs5較大，即使vVDD/2，TN5仍不能導(dǎo)通，直至v繼續(xù)升高直至TP1、TP2趨于截止時(shí)，隨著其內(nèi)阻增大，v0和vs5才開(kāi)始相應(yīng)減少。當(dāng)vvs5=VTN時(shí)，TN5導(dǎo)通，并引起如下正反饋過(guò)程：返回vovs5vGS5RON5(TN5導(dǎo)通電阻)于是TP1

26、、TP2迅速截止，v為低電平，電路輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換為vo=0。 Vo的低電平使TN6截止，TP3導(dǎo)通且工作于源極輸出器狀態(tài)，TP2的源極電壓VvTPs 02。 同理可分析，當(dāng)v逐漸下降時(shí)，電路工作過(guò)程與v上升過(guò)程類(lèi)似，只有 當(dāng)時(shí)，電路又轉(zhuǎn)換為vo為高電平，vo=VOH的狀態(tài)。VvvTPs21 在 VDDVTN+|VTP|的條件下，電路的正向閾值電VT+遠(yuǎn)大于VDD/2，且隨著VDD增加而增加。在v下降過(guò)程中的負(fù)向閾值電壓VT也要比VDD/2低得多。 由上述分析可知，電路在v上升和下降過(guò)程分別有不同的兩個(gè)閾值電壓，具有施密特電壓傳輸特性。其傳輸特性如圖9.3.4c所示。返回2. 整形級(jí)整形級(jí) 整形級(jí)

27、由TP7、TN8、TP9、TN10組成，電路為兩個(gè)首尾相連的反相器。在vo上升和下降過(guò)程中，利用兩級(jí)反相器的正反饋?zhàn)饔每墒馆敵霾ㄐ斡卸钢钡纳仙睾拖陆笛亍?. 輸出級(jí)輸出級(jí) 輸出級(jí)為T(mén)P11和TN12組成的反相器，它不僅能起到與負(fù)載隔離的作用，而且提高了電路帶負(fù)載級(jí)力。返回 (1) 波形的整形及變換(2) 幅度鑒別(3) 多諧振蕩器返回9.3.3 斯密特觸發(fā)器的應(yīng)用斯密特觸發(fā)器的應(yīng)用 通常由測(cè)量裝置來(lái)的信號(hào)，經(jīng)放大后可能是不規(guī)則的波形，必須經(jīng)施密特觸發(fā)器整形。作為整形電路時(shí)，如果要求輸入與輸出同相，則可在上述集成施密特反相器后再加一級(jí)反相器。整形電路對(duì)回差電壓又有什么要求呢？ (a)(b)(c

28、)0v00tvovott圖9.3.5 利用回差電壓抗干擾(a)具有頂部干擾的輸入信號(hào)(b)回差電壓小時(shí)的輸出波形(c)回差電壓大于頂部干擾時(shí)輸出波形返回 如果輸入信號(hào)具有如圖9.3.5a所示的干擾，而又希望得到如圖9.3.5c所示的波形，若回差電壓較小，將出現(xiàn)如圖9.3.5b所示的波形，頂部干擾造成了不良影響。此時(shí)，應(yīng)選擇回差電壓較大的施密特觸發(fā)器，以提高電路的抗干擾性能。返回 利用施密特觸發(fā)器輸出狀態(tài)取決于輸入信號(hào)v幅度的工作特點(diǎn)，可以用它來(lái)作為幅度鑒別電路。例如，輸入信號(hào)為幅度不等的一串脈沖，需要消除幅度較小的脈沖，而保留幅度大于Vth(見(jiàn)圖9.3.6)的脈沖，只要將施密特觸發(fā)器的正向閾值

29、電壓VT+調(diào)整到規(guī)定的幅度Vth，這樣，幅度超過(guò)Vth的脈沖就使電路動(dòng)作，有脈沖輸出；而對(duì)于幅度小于Vth的脈沖，電路則無(wú)脈沖輸出，從而達(dá)到幅度鑒別的目的。 vo0tv0tVth返回（2）幅度鑒別）幅度鑒別 利用施密特觸發(fā)器也可以構(gòu)成多諧振蕩器。其電路如圖9.3.7所示 接通電源瞬間，電容C上的電壓為0V，輸出vO為高電平。vO通過(guò)電阻R對(duì)電容C充電，當(dāng)v達(dá)到VT+時(shí)，施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出為低電平，此后電容C又開(kāi)始放電，v下降，當(dāng)v下降到VT時(shí)，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始地形成振蕩。其輸入、輸出波形如圖右所示。CRvvo1 圖9.3.7 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器t0VOHVOLvov

30、0tVT+VT-返回（3）多謝振蕩器）多謝振蕩器 若在圖9.3.7中采用的是CMOS施密特觸發(fā)器，且VOHVDD，VOL0，根據(jù)圖9.3.8的電壓波形得到振蕩周期計(jì)算公式為 (9.3.6)返回 當(dāng)采用TTL施密特觸發(fā)器(例如7414)時(shí)，電阻R不能大于470，以保證輸入端能夠達(dá)到負(fù)向閾值電平。R的最小值由門(mén)的扇出數(shù)在確定(不得小于100)。對(duì)于典型的參數(shù)值(VT-=0.8V，VT+=1.6V，輸出電壓擺幅為3V)，其輸出的振蕩頻率為 最大可能的振蕩頻率為10MHZ。 (9.3.7)返回 555定時(shí)器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便就，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)

31、、多諧和施密特觸發(fā)器。因而廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測(cè)。9.4 555定時(shí)器及其應(yīng)用返回 目前產(chǎn)生的定時(shí)器有雙極型和CMOS定時(shí)器兩種類(lèi)型，其型號(hào)分別有NE555（或5G555） 和C7555等多種。它們的結(jié)構(gòu)及工作原理基本相同。通常，雙極型定時(shí)器具有較大的驅(qū)動(dòng)能力，而CMOS定時(shí)器電路具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)。555定時(shí)器工作的電源電壓很寬，并可承受較大的負(fù)載電流。雙極型定時(shí)器電源電壓范圍為5-16V，最大的負(fù)載電流可達(dá)200mA；CMOS定時(shí)器電源電壓范圍為318V，最大負(fù)載電流在4 mA以下。 定時(shí)器的主要功能取決于比較器，比較器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電BJT T的狀態(tài)。圖

32、中RD為復(fù)位輸入端，當(dāng)RD為低電平時(shí)，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出VO為低電平。因此在正常工作時(shí)，應(yīng)將其接高電平。9.4.1 555定時(shí)器 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化原理圖如圖9.4.1所示。它由3個(gè)阻值為5K的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電BJT T以及緩沖器G組成。返回由圖可知，當(dāng)5腳懸空時(shí)，比較器C1和C2的比較電壓分別為2/3VCC和1/3VCC。控制電壓閾值輸入觸發(fā)輸入放電端VCC電源RD復(fù)位VOG1(3)(1)(7)(2)(6)VIC(5)(8)(4)&C1-+C2+-T5k5k5kV1OvI1VI2SR圖9.4.1 555定時(shí)器原理圖返

33、回 當(dāng)VI12/3VCC，VI21/3VCC時(shí)，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器被置0，放電三極管T導(dǎo)通，輸出端VO為低電平。綜合上述分析，可的555的功能表如表9.4.1所示 1輸入輸出閾值輸入（VI1）觸發(fā)輸入（VI2）復(fù)位（RD）輸出（VO）放電管TXX00導(dǎo)通2/3VCC2/3VCC1/3VCC1/3VCC110不變導(dǎo)通截止不變1 當(dāng)VI11/3VCC時(shí)，基本RS觸發(fā)器R=0、S=0，觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路保持原狀態(tài)不變。 當(dāng)VI12/3VCC，VI21/3VCC時(shí)，比較器C1輸出低電平，C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器置1，放電三極管截止，輸出端VO為高電平。返

34、回一、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器二、多諧振蕩器三、施密特觸發(fā)器9.4.2 定時(shí)器應(yīng)用舉例返回一、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及工作波形如下圖所示。 RVIVCCVOC84762153555（a）電路圖VOVI0VC00ttttw(b)工作波形圖9.4.2 由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器返回 電源接通瞬間，電路有一個(gè)穩(wěn)定的過(guò)程，即電源通過(guò)電阻R向電容C充電當(dāng)VC上升到2/3VCC時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，VO為低電平，放電BJT T導(dǎo)通電容C放電，電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。若觸發(fā)輸入端施加觸發(fā)信號(hào)（VI1/3VCC），觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，VO輸出高電平，且BJT T截止。此后電容C充電至VC=2/3VC

35、C時(shí)，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，VO為低電平，T導(dǎo)通，電容C放電，電路恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。返回 如果忽略T的飽和壓降，則VC從零電平上升到2/3VCC的時(shí)間，即為輸出電壓VO的脈寬 Tw=RCln31.1RC這種電路產(chǎn)生的脈沖寬度可以從幾個(gè)微秒到數(shù)分鐘，精度可達(dá)0.1%。 通常R的取值在幾百歐姆到幾兆歐姆之間，電容取值為幾百皮法到幾百微法。由圖9.4.2可知，如果在電路的暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，加入新的觸發(fā)脈沖，如圖9.4.2b中的虛線所示，則該脈沖不起作用，電路為不可觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)。由555定時(shí)器構(gòu)成的可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路如圖9.4.3所示。 當(dāng)VI輸入負(fù)向脈沖后，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，同時(shí)BJT T導(dǎo)通，電容C放電。輸

36、入脈沖撤除后，電容C充電，在VC為充到2/3VCC之前，電路處于暫穩(wěn)態(tài)。如果在此期間，又加入新的觸發(fā)脈沖，BJT T又導(dǎo)通，電容C放電，輸出仍然維持在暫穩(wěn)態(tài)。只有在觸發(fā)脈沖撤除后且在輸出脈寬TW時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有新的觸發(fā)脈沖，電路才返回到穩(wěn)定狀態(tài)。這種電路可作為失落脈沖檢出電路，對(duì)機(jī)器的轉(zhuǎn)速或人體的心律進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)機(jī)器轉(zhuǎn)速降到一定限度或人體的心律不齊時(shí)就發(fā)出報(bào)警信號(hào)。如果在控制電壓端（5腳）施加一個(gè)變化電壓，由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路可作為脈沖寬度調(diào)制器，如圖9.4.4所示。由555構(gòu)成的可重復(fù)觸發(fā)器電路（a）電路圖 （b）工作波形返回9.4.4 脈沖寬度調(diào)制器（a）邏輯圖（b）波形圖當(dāng)控制電壓升高時(shí)，電路的閾值電壓也升高，輸出的脈沖寬度隨之減小。因此，若控制電壓如圖b所示的三角波時(shí)，在單穩(wěn)的輸出端便得