第十章-02 (2)

1、1第十章 脈沖波形的產(chǎn)生和整形數(shù)字電路與系統(tǒng)2北航 電子信息工程學(xué)院10.4 多諧振蕩器n對稱式多諧振蕩器n非對稱式多諧振蕩器n環(huán)形多諧振蕩器n用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器n石英晶體多諧振蕩器Multi-Vibrator vaibreit數(shù)字電路與系統(tǒng)3北航 電子信息工程學(xué)院10.4 多諧振蕩器n對稱式多諧振蕩器 為了產(chǎn)生自激振蕩，電路不能有穩(wěn)態(tài) 通過反饋電阻設(shè)定一定的偏置電壓，使得G1，G2工作在放大狀態(tài)，且電壓放大倍數(shù)大于1，此時只要輸入電壓有微小的擾動，就會通過正反饋回路引起振蕩 電路靜態(tài)工作點：處于電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，是不穩(wěn)定的OFBECCFFIvRRRVVRRRv111111)(

2、數(shù)字電路與系統(tǒng)4北航 電子信息工程學(xué)院10.4 多諧振蕩器n對稱式多諧振蕩器（1）由于某種原因使得vI1有微小正跳變時，必然發(fā)生正反饋使得 vO1 低， vO2 高，進(jìn)入第一個暫穩(wěn)態(tài)（2）同時C1開始充電，C2開始放電，由于C1經(jīng)過R1和RF2兩條支路充電，所以充電速度較快(1) (2) (3) (4)(5)數(shù)字電路與系統(tǒng)5北航 電子信息工程學(xué)院10.4 多諧振蕩器n對稱式多諧振蕩器（3）vI2首先到達(dá)G2的閾值VTH，引起了正反饋使得vO2低， vO1高，進(jìn)入第二個暫穩(wěn)態(tài)（4）同時C2開始充電，C1開始放電，由于電路的對稱性，這一過程與前面的充放電過程完全對應(yīng)（5）當(dāng)vI1到達(dá)G1的閾值VT

3、H，電路返回到vO1低，vO2高，回到第一個暫穩(wěn)態(tài)(1) (2) (3) (4)(5)數(shù)字電路與系統(tǒng)6北航 電子信息工程學(xué)院第一個暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間 T1 等于 vI2從C1開始充電到上升到 VTH 的時間THVVcVcVcRCt)()0()(lnTHEIKEEVVVVCRT11111ln)(BEOHCC212OH1E21211EVVVRRRVVRRRRRFFFF由于電路完全對稱，總振蕩周期T=2T1n對稱式多諧振蕩器 振蕩周期戴維南定理數(shù)字電路與系統(tǒng)7北航 電子信息工程學(xué)院10.4 多諧振蕩器n非對稱式多諧振蕩器CMOS門電路構(gòu)成的非對稱式多諧振蕩器電路靜態(tài)工作點處于電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)的中點

4、，是不穩(wěn)定的G1被偏置在轉(zhuǎn)折區(qū)，則其輸出饋入G2的輸入，也將G2偏置到轉(zhuǎn)折區(qū)，并增加了保護(hù)電阻。211121IODDIOvvVvv數(shù)字電路與系統(tǒng)8北航 電子信息工程學(xué)院（3）隨著C的放電，vI1下降，當(dāng)vI1=VTH，引起：（1）由于某種原因使得vI1有微小正跳變時，必然發(fā)生正反饋使得vO1低，vO2高，進(jìn)入第一個暫穩(wěn)態(tài)（2）同時C開始放電使得vO2低，vO1高，進(jìn)入第二個暫穩(wěn)態(tài)（4）同時C開始充電, （5）當(dāng)vI1=VTH電路返回到vO1低，vO2高，又回到第一個暫穩(wěn)態(tài)n非對稱式多諧振蕩器(1) (2) (3)(4) (5)數(shù)字電路與系統(tǒng)9北航 電子信息工程學(xué)院充電時間放電時間3ln)(ln

5、1CRVVVVVCRTFTHDDDDTHDDF3ln0)(0ln2CRVVVCRTFTHDDTHF振蕩周期CRCRTTTFF2 . 23ln221THRRRVVVVRCt)()0()(lnn非對稱式多諧振蕩器保護(hù)電阻RP：足夠大，門電路輸入電路可以忽略),()()(PONFNONFRRRR放放電的電的等效電路等效電路充電的充電的等效電路等效電路數(shù)字電路與系統(tǒng)10北航 電子信息工程學(xué)院戴維寧定理 任何一個有源二端線性網(wǎng)絡(luò)有源二端線性網(wǎng)絡(luò)都可以用一個電動勢電動勢E的理的理想電壓源想電壓源和一個內(nèi)阻內(nèi)阻R0串聯(lián)的電源來等效代替。電動勢電動勢 E 的數(shù)值為有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓U0。a有源二端網(wǎng)絡(luò)bU

6、oR0Eab+- 由線性電阻，線性受控源和獨由線性電阻，線性受控源和獨立源組成的線性單口網(wǎng)絡(luò)立源組成的線性單口網(wǎng)絡(luò)N，就其，就其端口來看，可等效為一個電壓源端口來看，可等效為一個電壓源串聯(lián)電阻支路。電壓源的電壓等串聯(lián)電阻支路。電壓源的電壓等于該網(wǎng)絡(luò)于該網(wǎng)絡(luò)N的開路電壓，其串聯(lián)電的開路電壓，其串聯(lián)電阻為該網(wǎng)絡(luò)中所有獨立源為零值阻為該網(wǎng)絡(luò)中所有獨立源為零值時的入端等效電阻。時的入端等效電阻。數(shù)字電路與系統(tǒng)11北航 電子信息工程學(xué)院戴維寧定理 任何一個有源二端線性網(wǎng)絡(luò)有源二端線性網(wǎng)絡(luò)都可以用一個電動勢電動勢E的理的理想電壓源想電壓源和一個內(nèi)阻內(nèi)阻R0串聯(lián)的電源來等效代替。a有源二端網(wǎng)絡(luò)bUo內(nèi)阻內(nèi)阻

7、 R0 的數(shù)值為有源二端網(wǎng)絡(luò)去源后的網(wǎng)絡(luò)電阻(令電動勢為零，用短路線代替；令恒流源為零，將其開路) 。R0Eab+-數(shù)字電路與系統(tǒng)12北航 電子信息工程學(xué)院 微分電路（高通濾波電路） RCtteVevvvtvIMOOOO0)()()()(三要素法：三要素法：電源電壓保持為恒定值的時間內(nèi)，元件電壓隨時間變化的波形v(t)，由它的起始值（記為v(0)）、它的穩(wěn)態(tài)終止值（記為v ()）和時間常數(shù) 決定，可以一般地表示為： RCteVVVtv)0()()()(CCCC數(shù)字電路與系統(tǒng)13北航 電子信息工程學(xué)院 微分電路（高通濾波電路） 當(dāng)微分電路輸入方波信號時，輸出波形應(yīng)如何？設(shè)當(dāng)微分電路輸入方波信號時

8、，輸出波形應(yīng)如何？設(shè)RCTW 數(shù)字電路與系統(tǒng)14北航 電子信息工程學(xué)院 積分電路)()()()()(RCtteVeVVVtv10IMOOOO數(shù)字電路與系統(tǒng)15北航 電子信息工程學(xué)院+VCCT1截止導(dǎo)通VOL+VCCT4T5驅(qū)動門負(fù)載門IILIOL+VCCT4T5R4導(dǎo)通截止VOH驅(qū)動門IIHIOH+VCCT1負(fù)載門n TTL輸入輸出內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)字電路與系統(tǒng)16北航 電子信息工程學(xué)院+VCCT1截止導(dǎo)通VOL+VCCT4T5+VCCT1驅(qū)動門負(fù)載門IILIILIOL輸出為低電平時輸出為低電平時由于T5管的導(dǎo)通電阻為RON，VOL=IOLRON為了保證 VOL0.4v，要限制負(fù)載門的數(shù)目NL。+VC

9、CT4T5RC4導(dǎo)通截止VOH驅(qū)動門負(fù)載門IIHIIHIOH+VCCT1+VCCT1輸出端為高電平時輸出端為高電平時由于T4管的導(dǎo)通電阻為RON ，VOH VCC -IOH (RC4+RON)- 0.7v為了保證VOH2.4v，要限制負(fù)載門的數(shù)目NH。數(shù)字電路與系統(tǒng)17北航 電子信息工程學(xué)院+VCCT1be2 be5R1+VCCbe2 be5R1T1be2 be5+VCCR1T1be2 be5+VCCR1T1TTL與非門每個輸入端電流的計算數(shù)字電路與系統(tǒng)18北航 電子信息工程學(xué)院多諧振蕩器電容充放電的過程數(shù)字電路與系統(tǒng)19北航 電子信息工程學(xué)院數(shù)字電路與系統(tǒng)20北航 電子信息工程學(xué)院10.4

10、多諧振蕩器n環(huán)形多諧振蕩器利用延遲負(fù)反饋產(chǎn)生振蕩 在靜態(tài)（假定沒有振蕩時）下任何一個反相器的輸入和輸出只能處于高、低電平之間，處于放大狀態(tài)。奇數(shù)個反相器首尾相連振蕩周期為T=2 n tpd（n為奇數(shù)）傳輸延遲時間極短，振蕩頻率太高，而且不易調(diào)節(jié)t=tpdt=0t=2tpdt=3tpd3tpd6tpdvI1產(chǎn)生正跳變vI2產(chǎn)生負(fù)跳變vI3產(chǎn)生正跳變vo,vI1產(chǎn)生負(fù)跳變vI1跳變?yōu)榈碗娖? 1 2 3 4 5 6tpd數(shù)字電路與系統(tǒng)21北航 電子信息工程學(xué)院附加RC充放電延遲環(huán)節(jié)將電容C 的接地端改接G1的輸出端：加大了vI2到vI3的傳輸延遲時間保護(hù)電阻RS：防止vI3發(fā)生負(fù)跳變時流過反相器G

11、3輸入端鉗位二極管的電流過大n環(huán)形多諧振蕩器數(shù)字電路與系統(tǒng)22北航 電子信息工程學(xué)院n環(huán)形多諧振蕩器充電電路放電電路數(shù)字電路與系統(tǒng)23北航 電子信息工程學(xué)院THEOLOHTHEE1)(lnVVVVVVCRTTHOLOLOHTHOL2)(lnVVVVVVRCT)2ln(THTHOHTHOHTHOH21VVVVVVVRCTTT充電時間放電時間振蕩周期（簡化后）另外，實際上，閾值由于Rs的存在而偏小一些。n環(huán)形多諧振蕩器數(shù)字電路與系統(tǒng)24北航 電子信息工程學(xué)院頻率可調(diào)范圍：有限；對于TTL與非門，R一般 1k Ohm左右，不能過大；改進(jìn)電路電路中增加一級射級輸出；緩沖隔離，可擴大R的取值范圍到10

12、k頻率調(diào)節(jié)范圍擴大10倍n環(huán)形多諧振蕩器數(shù)字電路與系統(tǒng)25北航 電子信息工程學(xué)院10.4 多諧振蕩器n用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器振蕩周期THVVcVcVcRCt)()0()(ln積分器)ln(ln)ln(21TTTDDTDDTTTDDTDDVVVVVVRCVVRCVVVVRCTTT數(shù)字電路與系統(tǒng)26北航 電子信息工程學(xué)院10.4 多諧振蕩器n用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器脈沖占空比可調(diào)的多諧振蕩器充電放電 調(diào)節(jié)R、C，改變振蕩頻率 調(diào)節(jié)R1、R2比值，改變占空比數(shù)字電路與系統(tǒng)27北航 電子信息工程學(xué)院10.4 多諧振蕩器n石英晶體多諧振蕩器普通多諧波振蕩器的問題：轉(zhuǎn)換電平不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換電平微

13、小的變化或者輕微的干擾都會嚴(yán)重影響振蕩周期，易受干擾頻率穩(wěn)定性不高 石英晶體的諧振頻率由石英晶體的結(jié)晶方向和外形尺寸決定，具有極高的頻率穩(wěn)定性，頻率穩(wěn)定度可達(dá)10101011（未考慮溫度漂移）石英晶體的電抗頻率特性石英晶體的電抗頻率特性 石英晶體的選頻特性： 有頻率為石英晶體的固有諧振頻率f0的信號最容易通過，而其他頻率的信號均會被晶體所衰減 數(shù)字電路與系統(tǒng)28北航 電子信息工程學(xué)院10.4 多諧振蕩器n石英晶體多諧振蕩器 石英晶體多諧振蕩器的振蕩頻率取決于石英晶體的固有諧波頻率f0，而與外接電阻電容無關(guān)。數(shù)字電路與系統(tǒng)29北航 電子信息工程學(xué)院10.5 555定時器及其應(yīng)用n 555定時器電

14、路結(jié)構(gòu)及功能n 用555定時器接成施密特觸發(fā)器n 用555定時器接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器n 用555定時器接成多諧振蕩器數(shù)字電路與系統(tǒng)30北航 電子信息工程學(xué)院n 555電路結(jié)構(gòu)及功能 三個5k的電阻組成分壓器，提供基準(zhǔn)電壓，“555”得名 同相輸出的OC電路（三極管TD），電流泄放回路，DISCharge 兩個電壓比較器C1和C2 vCO參考電壓控制端 TH 被稱為“閾值端” 被稱為“觸發(fā)端”n基本RS觸發(fā)器TR10.5 555定時器及其應(yīng)用數(shù)字電路與系統(tǒng)31北航 電子信息工程學(xué)院n 555電路結(jié)構(gòu)及功能功能表UOTHTDVCOVCC12345678555TRRDGND電路符號vI2vI1RS1nQ

15、Qn+1VR1VR1VR2VR2VR2VR20Qn111vC1vC2數(shù)字電路與系統(tǒng)32北航 電子信息工程學(xué)院n555定時器接成施密特觸發(fā)器5557628 45 13VCCvOvI3/2, 0, 1, 0:3/2, 1:3/23/, 1, 0, 1:3/212121CCTOLOCCICCOHOCCCCICCOHOCCCCIVVVvQvvvVVvvvVvVVvQvvVv保持3/, 1, 0, 1:3/, 1:3/23/2121CCTOHOCCCCIOLOCCCCICCVVVvQvvVvVvvvVvV保持 vI從0上升過程 vI從高于VCC2/3下降過程 數(shù)字電路與系統(tǒng)33北航 電子信息工程學(xué)院n5

16、55定時器接成施密特觸發(fā)器如果參考電壓由外接電壓VCO供給，則VT+=VCO，VT-= 0.5VCO，VT= 0.5VCO，所以改變VCO可以調(diào)整回差電壓的大小加入濾波電容抗干擾 回差電壓 CCTTTVVVV31數(shù)字電路與系統(tǒng)34北航 電子信息工程學(xué)院n555電路接成單穩(wěn)觸發(fā)器v 穩(wěn)態(tài)： vI= 1, vC1= vC2= 1, Q= 0, vO= 0，TD導(dǎo)通（電源剛接通時Q= 0）。5557628 45 13VCCvOR1CvI平時vI1/3VCC，電源接通瞬間，電路有一個穩(wěn)定的過程，即電源通過電阻R向電容C 充電，當(dāng)vC上升到2/3VCC時，基本RS觸發(fā)器復(fù)位，vO為低電平，放電管T導(dǎo)通，

17、電容放電，電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。 數(shù)字電路與系統(tǒng)35北航 電子信息工程學(xué)院n555電路接成單穩(wěn)觸發(fā)器 充電至vC=2VCC/3時，vC1=0，若觸發(fā)脈沖消失，則暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束：120(1),0,0CCOvvQvv 同時TD導(dǎo)通，C經(jīng)TD放電至vC0，電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)v 脈沖下降沿觸發(fā)，進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)：TD截止，VCC經(jīng)R向C充電1, 1),1(0, 3/,122OCCCCIIvQvvVvv數(shù)字電路與系統(tǒng)36北航 電子信息工程學(xué)院n555電路接成單穩(wěn)觸發(fā)器RCRCVVVRCtCCCCCCW1 . 13ln320lnTHVVcVcVcRCt)()0()(ln 輸出脈沖寬度：數(shù)字電路與系統(tǒng)37北航 電子信息工程學(xué)

18、院n555電路接成多諧振蕩器 555定時器 施密特觸發(fā)器 多諧振蕩器 vI1和vI2連接在一起接成施密特觸發(fā)器 TD與R1接成反相器，輸出為vOD vOD經(jīng)R2和C組成的積分電路接到施密特觸發(fā)的輸入端5557628 45 13VCCvOR1R2C數(shù)字電路與系統(tǒng)38北航 電子信息工程學(xué)院充電時間放電時間振蕩周期TTVVCRT00ln222ln)2(2121CRRTTT振蕩頻率2ln)2(1121CRRTf11212()ln()ln2CCTCCTVVTRR CVVRR Cn555電路接成多諧振蕩器數(shù)字電路與系統(tǒng)39北航 電子信息工程學(xué)院占空比可調(diào)的多諧振蕩器充電電流只流經(jīng)R1，放電電流只流經(jīng)R22

19、11RRRq 輸出脈沖的占空比n555電路接成多諧振蕩器數(shù)字電路與系統(tǒng)40北航 電子信息工程學(xué)院占空比為2/3、振蕩周期為1秒的多諧振蕩器n555電路接成多諧振蕩器數(shù)字電路與系統(tǒng)41北航 電子信息工程學(xué)院10.5 555定時器的其它應(yīng)用555定時器應(yīng)用舉例：定時器應(yīng)用舉例：UO1UO2（1）（2）123468555VCC=12V1642385550.01F175K5K100F10F1MS+C1作業(yè)10.25：下圖是用555定時器接成的延時報警器。當(dāng)開關(guān)S斷開后，經(jīng)過一定的延遲時間后揚聲器開始發(fā)出聲音。試求延遲的時間TD和揚聲器發(fā)出聲音的頻率f。數(shù)字電路與系統(tǒng)（2）片自激振蕩，42北航 電子信息

20、工程學(xué)院555定時器應(yīng)用舉例：定時器應(yīng)用舉例：UO1UO2解：（1）（2）（1）片接成施密特觸發(fā)器，U6=U2= UC1 的電壓波形通過操縱開關(guān)S獲得。（2）片不工作。（2）片的 RD=0，（2）片接成多諧振蕩器。當(dāng)UO1=1時；當(dāng)UO1=0時；喇叭出聲。123468555VCC=12V1642385550.01F175K5K100F10F1MS+C1數(shù)字電路與系統(tǒng)43北航 電子信息工程學(xué)院工作波形：工作波形：S閉合S斷開23VCC13VCCS閉合VCC喇叭響TDTO2=0.69 (R1+2R2 ) C= 0.69 (5 +25 ) 103 0.0110-6103.5SfO2 9.66KHZU6、U2UO1tUO2ttUC1TO2VCC-0VCC -TD= RC ln =10610 10-6 ln 11（S）1212-823VCC 作業(yè)：10.9&1vICdG1G2RRdCvAvO1vI2vOIvAv1Ov2IvOv44北航 電子信息工程學(xué)院假設(shè)穩(wěn)態(tài)時：OHOOLOTHATHIVvVvVvVv,12作業(yè)：10.9&1vICdG1G2RRdCvAvO1vI2vO(1)穩(wěn)態(tài)OHOO