最好的數(shù)電第六章脈沖單元電路課件

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)物理與電子工程系

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第六章脈沖單元電路6.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.3施密特觸發(fā)器本章小結(jié)概述6.1多諧振蕩器概述數(shù)字信號實質(zhì)上就是矩形波信號。矩形波有哪些技術(shù)指標？如何通過某些特定的電路獲得不同頻率的矩形波？如何將其它波形轉(zhuǎn)換成矩形波？這些都是本章要討論的內(nèi)容。本章重點討論用“555定時器”組成的多諧振蕩器(矩形波產(chǎn)生)、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(定時、整形或延遲)和施密特觸發(fā)器(矩形波變換與整形)。二、555定時器1、555內(nèi)部結(jié)構(gòu)555定時器屬中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當?shù)淖枞菰?，就可組成各種脈沖單元電路。由五大部分組成：⑴分壓器；⑵電壓比較器；⑶基本RS鎖存器；⑷輸出緩沖器；⑸晶體管開關(guān)。⑶3腳：輸出端uO；⑴1腳：接地端；2、555芯片各引腳功能⑵2腳：觸發(fā)輸入端；⑸5腳：控制輸入端CO；⑷4腳：復位輸入端；⑹6腳：閾值電壓輸入端TH；⑺7腳：電容放電端uD；⑻8腳：供電電源端Vcc。123456783、555芯片內(nèi)部功能⑴Vcc經(jīng)過三個5KΩ

的電阻分壓之后，在P點的基準電位為：UP=2Vcc/3

在N點的基準電位為：UN=Vcc/3當時：C2輸出低電平“0”。⑵當時：C1輸出高電平“1”；此時RS鎖存器，導致TD管截止。當時：C2輸出高電平“1”。⑷當時：C1輸出高電平“1”；RS觸發(fā)器，狀態(tài)不變。不變導通截止導通放電管TD不變010輸出uO>Vcc/3(UN)>Vcc/3(UN)<Vcc/3(UN)×觸發(fā)輸入<2Vcc/3(UP)>2Vcc/3(UP)<2Vcc/3(UP)×閾值輸入UTH1110復位，導致輸出電壓uO為低電平，

TD管飽和導通。⑸當時：返回其功能表如下：6.1多諧振蕩器6.1.1用門電路構(gòu)成的多諧振蕩器由于矩形波中除基波分量外還含有極豐富的高次諧波，因此常將產(chǎn)生矩形波的電路稱為多諧波振蕩器。簡稱多諧振蕩器。一、電路組成由兩級CMOS非門組成的、具有延遲環(huán)節(jié)的、正反饋網(wǎng)絡(luò)的多諧振蕩器。1、第一暫穩(wěn)態(tài)及電路的自動翻轉(zhuǎn)過程假定uO1=UOH，uO2=uI=UOL為第一暫穩(wěn)態(tài)(G1截止，G2導通)。C將會被充電，充電路線如圖所示：+_隨著C上的電壓增加，將出現(xiàn)一個正反饋過程：10+_當uI上升到Uth門坎電壓時，電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)進入第二暫穩(wěn)態(tài)(G1導通，G2截止)。uO1=UOL，uO2=UOH+_電容開始反充電，其路線如圖所示：2、第二暫穩(wěn)態(tài)及電路的自動翻轉(zhuǎn)過程+_∵電容電壓不能突變，uI上的電壓本應(yīng)升到Uth+VDD，由于D1的導通uI被箝在VDD+?U。01隨著反充電時間的延長，C上的電壓也開始反向增加，uI開始下降，又出現(xiàn)一個正反饋過程：+_當uI下降到Uth門坎電壓時，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)回到第一暫穩(wěn)態(tài)(G1截止，G2導通)。uO1=UOH，uO2=UOL10五、振蕩周期的估算振蕩周期T實際上就是這兩個暫穩(wěn)態(tài)時間的疊加(T=T1+T2)，可以根據(jù)三要素法則估算。1、第一暫穩(wěn)態(tài)的時間T1的估算2、第二暫穩(wěn)態(tài)的時間T1的估算3、振蕩周期T6.1.2用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器一、電路結(jié)構(gòu)1、R1、R2與C構(gòu)成充電回路(當TD截止時)；2、R2與C構(gòu)成放電的回路(當TD導通時)；充電時間常數(shù)為：如果沒有其它變化，C上的電壓將朝VCC的終值按指數(shù)規(guī)律增加。2、當C上的電壓充電到時(見下表)不變導通放電管TD不變0輸出uO>Vcc/3(UN)>Vcc/3(UN)觸發(fā)輸入<2Vcc/3(UP)>2Vcc/3(UP)閾值輸入UTH11復位可看出uO為0，TD管導通，電路出現(xiàn)了一條放電回路。放電時間常數(shù)為：電路進入了第二個暫穩(wěn)態(tài)TL過程。C上的電壓將朝0的終值按指數(shù)規(guī)律減小。3、當C上的電壓放電到時(見下表)可看出uO為1，TD管截止，電路又出現(xiàn)一條充電回路。不變截止放電管TD不變1輸出uO>Vcc/3(UN)<Vcc/3(UN)觸發(fā)輸入<2Vcc/3(UP)<2Vcc/3(UP)閾值輸入UTH11復位充電時間常數(shù)為：電路又回到了第一個暫穩(wěn)態(tài)TH，如此周而復始地產(chǎn)生連續(xù)矩形波的輸出。4、工作波形分析：注意：充電時輸出高電平，放電時則輸出低電平。第一個暫穩(wěn)態(tài)第二個暫穩(wěn)態(tài)整理得：再根據(jù)電路分析課程中RC過渡過程三要素公式得：第一個暫穩(wěn)態(tài)第二個暫穩(wěn)態(tài)整理得：最后將TH與TL相加即可得振蕩周期T。其倒數(shù)就是振蕩頻率f。第一個暫穩(wěn)態(tài)第二個暫穩(wěn)態(tài)四、多諧振蕩器的占空比q(對稱性)的估算我們將脈沖寬度與重復周期的比值定義為占空比。當占空比等于0.5

時，矩形波為對稱方波，反之矩形波為不對稱方波。第一個暫穩(wěn)態(tài)第二個暫穩(wěn)態(tài)電路不能實現(xiàn)對稱方波。2、振蕩周期T：3、占空比q：所以調(diào)整電位器(改變R1和R2的比例)就可獲得不同占空比的矩形波輸出。當R1=R2時，可輸出對稱方波。6.1.2用石英晶體構(gòu)成的多諧振蕩器一、石英晶體振蕩器的優(yōu)點振蕩頻率的穩(wěn)定性極高，其振蕩頻率不受溫度、電源和器件參數(shù)的變化而改變（見模電課件第九章波形發(fā)生器），僅與石英晶體內(nèi)部特性有關(guān)。由石英晶體的電抗頻率特性可以看出，在f等于fS時，其電抗為0，在其它頻率時，呈現(xiàn)較大的容抗或感抗。容性容性感性二、電路結(jié)構(gòu)1、R1、R2可以使兩個非門(倒相器)工作在放大區(qū)域。2、C1、C2起耦合作用(也可以不要，直接耦合方式)。對于TTL型非門：對于CMOS型非門：三、工作原理這是一個典型的正反饋電路，其振蕩頻率僅由石英晶體的諧振頻率fS

決定，與電路中的R、C無關(guān)。返回6.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.2.1用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路只有一個穩(wěn)定的狀態(tài)，當受到外來觸發(fā)脈沖時，變到了一個暫時穩(wěn)定的狀態(tài)。經(jīng)過一段時間后，電路自動回復到了原來穩(wěn)定的狀態(tài)。一、電路結(jié)構(gòu)1、R與C構(gòu)成充電回路(TD截止時)；2、C通過7腳構(gòu)成放電回路(TD導通時)；3、電路從3腳輸出；4、從2腳端輸入觸發(fā)負脈沖；5、在

6

腳

TH端與地之間接C，所以UC的變化是分析電路的關(guān)鍵點。二、工作過程1、當無負觸發(fā)信號輸入時電路為穩(wěn)定狀態(tài)：可以看出TD管導通，UC=0、UD=0。2、當有負觸發(fā)信號輸入時，電路為暫穩(wěn)態(tài)：從下表可以看出TD管截止，uO=1，C被充電。充電時間常數(shù)為RC。不變截止放電管TD不變1輸出uO>Vcc/3(UN)<Vcc/3(UN)觸發(fā)輸入<2Vcc/3(UP)<2Vcc/3(UP)閾值輸入UTH11復位只要UC上的充電電壓小于2Vcc/3，電路就維持這個暫穩(wěn)態(tài)不變。3、當C充電使UC大于2Vcc/3時，電路立即回到原來的穩(wěn)態(tài)。從下表可以看出TD管導通，uO=0，C開始放電。只要電路沒有新的觸發(fā)負脈沖輸入，電路就一直穩(wěn)定在這個狀態(tài)。不變導通放電管TD不變0輸出uO>Vcc/3(UN)>Vcc/3(UN)觸發(fā)輸入<2Vcc/3(UP)>2Vcc/3(UP)閾值輸入UTH11復位放電時間常數(shù)趨于0，很快結(jié)束。4、工作波形分析：注意：穩(wěn)態(tài)時TD導通，輸出低電平，暫穩(wěn)態(tài)時TD截止，輸出高電平。輸入負脈沖的幅度低于Vcc/3(UN)為可靠觸發(fā)。暫穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)三、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度TW

的估算從工作波形中可以看出：輸出脈沖寬度就是電路的延遲時間。換句話說：就是暫穩(wěn)態(tài)時電容從0充電至2Vcc/3所需的時間。暫穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)四、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器恢復時間TR

的估算根據(jù)電路分析課程中RC過渡過程三要素公式可得：整理得：所以：因為：五、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器最高工作頻率fmax

的估算為了使電路能夠可靠觸發(fā)，即要保證在下一個觸發(fā)負脈沖到來時，電路應(yīng)處在穩(wěn)定的狀態(tài)。觸發(fā)脈沖的周期：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的最高工作頻率：暫穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)六、注意1、輸入脈沖之間的最小間隔

Tmin

≥TW+TR

，否則電路的暫穩(wěn)態(tài)還未結(jié)束時，又有新觸發(fā)負脈沖輸入，此時電路狀態(tài)將出現(xiàn)混亂。2、觸發(fā)負脈沖的寬度必須小于暫態(tài)寬度TW，一般常用微分電路解決這個問題。6.2.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器此觸發(fā)器分為可重復和非重復觸發(fā)兩大類：可重復觸發(fā)是在暫態(tài)期間允許新的觸發(fā)脈沖進入；非重復觸發(fā)是在暫態(tài)期間不允許新的觸發(fā)脈沖進入。一、非重復觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)集成電路(74121)1、芯片邏輯符號及引腳功能⑴TR-A、TR-B是兩個下降沿觸發(fā)信號的輸入端；⑵TR+是一個上升沿觸發(fā)信號的輸入端；⑶Q和是兩個互補輸出端；⑷Rext/Cext、Cext為外接定時電阻和電容的端口；⑸Rint為內(nèi)置2kΩ定時電阻的引出端口。表示非重觸發(fā)⑴只要TR不發(fā)生變化，電路就一直保持在穩(wěn)態(tài)。2、狀態(tài)功能表10×11↑0×上升沿觸發(fā)↑×01↓↓下降沿觸發(fā)1↓11010×100××11↓11TR+×TR-B0Q輸出TR-A保持穩(wěn)態(tài)備注0輸入⑵外部TR有三種下降沿的觸發(fā)方式，但內(nèi)部TR仍是上升沿觸發(fā)（

）。1↓↓下降沿觸發(fā)1↓111↓TR+TR-BQ輸出TR-A備注輸入↑0×上升沿觸發(fā)↑×0TR+TR-BQ輸出TR-A備注輸入⑶外部TR有兩種上升沿的觸發(fā)方式，內(nèi)部TR也是上升沿觸發(fā)（）。3、實用電路⑴當觸發(fā)信號還沒有輸入時：由狀態(tài)功能表得知電路處于穩(wěn)態(tài)，uO=0。10×111010×100××11TR+×TR-B0Q輸出TR-A保持穩(wěn)態(tài)備注0輸入⑵當有負觸發(fā)信號輸入時：1↓↓下降沿觸發(fā)1↓111↓TR+TR-BQ輸出TR-A備注輸入由狀態(tài)功能表得知電路變到暫穩(wěn)態(tài)，uO=1。暫穩(wěn)態(tài)的時間由RC來確定。⑶電路相關(guān)參數(shù)：②輸入脈沖最小周期Tmin:③最大占空比qmax:①輸出脈沖寬度TW:④外接定時電阻R的取值范圍:⑤外接定時電容C的取值范圍:⑥若使用內(nèi)置的定時電阻時，9腳直接接電源。二、可重觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)集成電路(74122/74LS122)1、芯片邏輯符號及引腳功能表示可重觸發(fā)⑴TR-A、TR-B

是兩個下降沿觸發(fā)信號的輸入端；⑵TR+A、TR+B是兩個上升沿觸發(fā)信號的輸入端；⑶Q和是兩個互補輸出端；⑷是直接復位輸入端；⑸Rext/Cext、Cext為外接定時電阻和電容的端口；⑹Rint為內(nèi)置2kΩ定時電阻的引出端口。2、狀態(tài)功能表保持穩(wěn)定111111111↑1↑10×××TR+B111111↑1↑×0××TR+A1↓↓0×00××××1×TR-B↓↓1×0××00××1×TR-A0000輸出下降沿觸發(fā)上升沿觸發(fā)復位備注111↑↑1111×××0輸入⑴只要無論有否觸發(fā)輸入，電路都復位。1×TR+B×TR+A×TR-B×TR-A0輸出復位備注0輸入⑵只要TR不發(fā)生變化，電路就一直保持在穩(wěn)態(tài)。此穩(wěn)態(tài)與復位后的狀態(tài)相同。保持穩(wěn)定1110××TR+B×0×TR+A××1TR-B××1TR-A000輸出備注×××輸入⑶外部TR有六種上升沿的觸發(fā)方式，內(nèi)部TR也是上升沿觸發(fā)（

）。11↑1↑1TR+B111↑1↑TR+A0×00××TR-B×0××00TR-A輸出上升沿觸發(fā)備注↑↑1111輸入注意：當清0后若回到1，這就有可能給單穩(wěn)態(tài)電路發(fā)出觸發(fā)信號。為了避免這種情況，可采用改變上表中最后兩行其它條件的方法。⑷外部TR有三種下降沿的觸發(fā)方式，但內(nèi)部TR仍然是上升沿觸發(fā)（）。3、實用知識⑴輸出脈沖寬度由外接定時元件確定。R的選取范圍為：5~50kΩ；C的選取范圍為：10pF以上。常用于較長時間的延時用途。(電路連接圖與74121相同)當C>1000pF時：111TR+B111TR+A1↓↓TR-B↓↓1TR-A輸出下降沿觸發(fā)備注111輸入⑵恢復時間tre，與74121相同，電路也需要一段恢復時間后才能從暫穩(wěn)態(tài)返回到穩(wěn)態(tài)。優(yōu)點1、利用可重觸發(fā)功能，可以增加脈沖的寬度和延遲時間。換句話說：在下一個觸發(fā)脈沖的作用下原暫穩(wěn)態(tài)被中止，又開始新的暫穩(wěn)態(tài)(在數(shù)控系統(tǒng)中常用于硬件“看門狗”技術(shù))；優(yōu)點2、利用異步清0功能還可以縮短輸出脈沖的寬度，使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用價值得到提升；3、器件內(nèi)部設(shè)有補償電路，因此脈寬的穩(wěn)定性高，Vcc及環(huán)境溫度的變化對TW的影響較小。因此單穩(wěn)態(tài)電路可以做波形整形、定時及延遲電路。返回6.3施密特觸發(fā)器6.3.1用555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器施密特電路在受到不同電平的觸發(fā)脈沖作用時，具有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)。另外施密特電路的閾值電壓不相等，具有滯后特性（回差現(xiàn)象）。一、電路結(jié)構(gòu)1、2和6短接，兩個運放共用一個輸入電壓；2、VDD對7腳TD管提供集流，TD管截止時輸出的高電位由VDD確定；3、3腳輸出端Q(uO2)與7腳uO1的相位相同；二、工作原理4、5腳UCO端若開路，電路的閾值電壓就是555電路原始閾值電壓。1、當uI

=0時：相當于

2

腳和

6

腳都輸入了低電平，則

3

腳和7

腳都輸出高電平。2、當uI由0增加，但小于

2Vcc/3(P點電位)時：電路狀態(tài)同1所述，不發(fā)生變化。3、當uI大于2Vcc/3時：相當于

2

腳和

6

腳都輸入高電平，則

3

腳和7

腳都輸出低電平。4、當uI由大于2Vcc/3且繼續(xù)增加時：電路狀態(tài)同3所述，不發(fā)生變化。5、當uI

開始下降，處于2Vcc/3>uI>Vcc/3(在N點電位以上)時：電路狀態(tài)同4所述，不發(fā)生變化。6、當uI小于Vcc/3時：相當于

2

腳和

6

腳都輸入低電平，則

3

腳和7

腳都輸出高電平。7、當uI由小于Vcc/3，且繼續(xù)下降時：電路狀態(tài)同6所述，不發(fā)生變化。三、工作波形四、滯回特性我們規(guī)定當輸出Q由UOH跳到UOL時，所對應(yīng)的輸入電壓稱為UT+(上限閾值電壓)；當輸出Q由UOL跳到UOH時，所對應(yīng)的輸入電壓稱為UT-(下限閾值電壓)

。它們的差值叫回差電壓?UT

。一般常用電壓傳輸特性曲線來描述。1、定義2、電壓傳輸特性曲線（UCO開路）3、回差電壓的調(diào)整若給

5

腳輸入一個控制電壓US

，則改變了P和N點的電位。因此可以調(diào)整回差電壓的大小。在P點：在N點：所以：今后我們只要改變US就可以任意調(diào)整回差。一、電路結(jié)構(gòu)及表示符號1、由兩級CMOS反相器構(gòu)成；6.3.2由CMOS構(gòu)成的施密特觸發(fā)器2、R1為限流電阻，R2為反饋電阻，且R1<<R2

；3、CMOS門輸出的高電平為VDD，低電平為0；4、CMOS門的閾值電壓UT≈VDD/2。二、工作原理（若給下電路輸入一個三角波形）1、當uI=0時：G1門截止，G2門導通，uO=0V，這是第一個穩(wěn)態(tài)。2、當uI繼續(xù)上升，但未到CMOS門開門的閾值電壓UT時：由于uO=0V，所以：電路仍在第一個穩(wěn)態(tài)。結(jié)果導致G1門導通，G2門截止，uO1=0V，uO=VDD，電路翻轉(zhuǎn)到第二個穩(wěn)態(tài)并維持下去。3、當uI

繼續(xù)上升，到了CM