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

(版權(quán)所有)

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(hào)實(shí)質(zhì)上就是矩形波信號(hào)。矩形波有哪些技術(shù)指標(biāo)？如何通過(guò)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(diǎn)討論用“555定時(shí)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(shí)、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(shí)器1、555內(nèi)部結(jié)構(gòu)555定時(shí)器屬中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當(dāng)?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(kāi)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(fù)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(guò)三個(gè)5KΩ

的電阻分壓之后，在P點(diǎn)的基準(zhǔn)電位為：UP=2Vcc/3

在N點(diǎn)的基準(zhǔn)電位為：UN=Vcc/3當(dāng)時(shí)：C2輸出低電平“0”。⑵當(dāng)時(shí)：C1輸出高電平“1”；此時(shí)RS鎖存器，導(dǎo)致TD管截止。當(dāng)時(shí)：C2輸出高電平“1”。⑷當(dāng)時(shí)：C1輸出高電平“1”；RS觸發(fā)器，狀態(tài)不變。不變導(dǎo)通截止導(dǎo)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U(xiǎn)TH1110復(fù)位，導(dǎo)致輸出電壓uO為低電平，

TD管飽和導(dǎo)通。⑸當(dāng)時(shí)：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(jiǎn)稱多諧振蕩器。一、電路組成由兩級(jí)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(dòng)翻轉(zhuǎn)過(guò)程假定uO1=UOH，uO2=uI=UOL為第一暫穩(wěn)態(tài)(G1截止，G2導(dǎo)通)。C將會(huì)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(gè)正反饋過(guò)程：10+_當(dāng)uI上升到Uth門坎電壓時(shí)，電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)(G1導(dǎo)通，G2截止)。uO1=UOL，uO2=UOH+_電容開(kāi)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(dòng)翻轉(zhuǎn)過(guò)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(dǎo)通uI被箝在VDD+?U。01隨著反充電時(shí)間的延長(zhǎng)，C上的電壓也開(kāi)始反向增加，uI開(kāi)始下降，又出現(xiàn)一個(gè)正反饋過(guò)程：+_當(dāng)uI下降到Uth門坎電壓時(shí)，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)回到第一暫穩(wěn)態(tài)(G1截止，G2導(dǎo)通)。uO1=UOH，uO2=UOL10五、振蕩周期的估算振蕩周期T實(shí)際上就是這兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)時(shí)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(shí)間T1的估算2、第二暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間T1的估算3、振蕩周期T6.1.2用555定時(shí)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(dāng)TD截止時(shí))；2、R2與C構(gòu)成放電的回路(當(dāng)TD導(dǎo)通時(shí))；充電時(shí)間常數(shù)為：如果沒(méi)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(dāng)C上的電壓充電到時(shí)(見(jiàn)下表)不變導(dǎo)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U(xiǎn)TH11復(fù)位可看出uO為0，TD管導(dǎo)通，電路出現(xiàn)了一條放電回路。放電時(shí)間常數(shù)為：電路進(jìn)入了第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)TL過(guò)程。C上的電壓將朝0的終值按指數(shù)規(guī)律減小。3、當(dāng)C上的電壓放電到時(shí)(見(jiàn)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U(xiǎn)TH11復(fù)位充電時(shí)間常數(shù)為：電路又回到了第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)TH，如此周而復(fù)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(shí)輸出高電平，放電時(shí)則輸出低電平。第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)整理得：再根據(jù)電路分析課程中RC過(guò)渡過(guò)程三要素公式得：第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)第二個(gè)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(gè)暫穩(wěn)態(tài)第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)四、多諧振蕩器的占空比q(對(duì)稱性)的估算我們將脈沖寬度與重復(fù)周期的比值定義為占空比。當(dāng)占空比等于0.5

時(shí)，矩形波為對(duì)稱方波，反之矩形波為不對(duì)稱方波。第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)電路不能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dāng)R1=R2時(shí)，可輸出對(duì)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(diǎn)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(jiàn)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(shí)，其電抗為0，在其它頻率時(shí)，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(gè)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(duì)于TTL型非門：對(duì)于CMOS型非門：三、工作原理這是一個(gè)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(wú)關(guān)。返回6.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.2.1用555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路只有一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)受到外來(lái)觸發(fā)脈沖時(shí)，變到了一個(gè)暫時(shí)穩(wěn)定的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，電路自動(dòng)回復(fù)到了原來(lái)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(shí))；2、C通過(guò)7腳構(gòu)成放電回路(TD導(dǎo)通時(shí))；3、電路從3腳輸出；4、從2腳端輸入觸發(fā)負(fù)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(diǎn)。二、工作過(guò)程1、當(dāng)無(wú)負(fù)觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)電路為穩(wěn)定狀態(tài)：可以看出TD管導(dǎo)通，UC=0、UD=0。2、當(dāng)有負(fù)觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)，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(shí)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U(xiǎn)TH11復(fù)位只要UC上的充電電壓小于2Vcc/3，電路就維持這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)不變。3、當(dāng)C充電使UC大于2Vcc/3時(shí)，電路立即回到原來(lái)的穩(wěn)態(tài)。從下表可以看出TD管導(dǎo)通，uO=0，C開(kāi)始放電。只要電路沒(méi)有新的觸發(fā)負(fù)脈沖輸入，電路就一直穩(wěn)定在這個(gè)狀態(tài)。不變導(dǎo)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U(xiǎn)TH11復(fù)位放電時(shí)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(shí)TD導(dǎo)通，輸出低電平，暫穩(wěn)態(tài)時(shí)TD截止，輸出高電平。輸入負(fù)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(shí)間。換句話說(shuō)：就是暫穩(wěn)態(tài)時(shí)電容從0充電至2Vcc/3所需的時(shí)間。暫穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)四、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器恢復(fù)時(shí)間TR

的估算根據(jù)電路分析課程中RC過(guò)渡過(guò)程三要素公式可得：整理得：所以：因?yàn)椋何?、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(gè)觸發(fā)負(fù)脈沖到來(lái)時(shí)，電路應(yīng)處在穩(wěn)定的狀態(tài)。觸發(fā)脈沖的周期：?jiǎn)畏€(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(shí)，又有新觸發(fā)負(fù)脈沖輸入，此時(shí)電路狀態(tài)將出現(xiàn)混亂。2、觸發(fā)負(fù)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(gè)問(wèn)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(fù)和非重復(fù)觸發(fā)兩大類：可重復(fù)觸發(fā)是在暫態(tài)期間允許新的觸發(fā)脈沖進(jìn)入；非重復(fù)觸發(fā)是在暫態(tài)期間不允許新的觸發(fā)脈沖進(jìn)入。一、非重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)集成電路(74121)1、芯片邏輯符號(hào)及引腳功能⑴TR-A、TR-B是兩個(gè)下降沿觸發(fā)信號(hào)的輸入端；⑵TR+是一個(gè)上升沿觸發(fā)信號(hào)的輸入端；⑶Q和是兩個(gè)互補(bǔ)輸出端；⑷Rext/Cext、Cext為外接定時(shí)電阻和電容的端口；⑸Rint為內(nèi)置2kΩ定時(shí)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(shí)用電路⑴當(dāng)觸發(fā)信號(hào)還沒(méi)有輸入時(shí)：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(dāng)有負(fù)觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)：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(shí)間由RC來(lái)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(shí)電阻R的取值范圍:⑤外接定時(shí)電容C的取值范圍:⑥若使用內(nèi)置的定時(shí)電阻時(shí)，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(hào)及引腳功能表示可重觸發(fā)⑴TR-A、TR-B

是兩個(gè)下降沿觸發(fā)信號(hào)的輸入端；⑵TR+A、TR+B是兩個(gè)上升沿觸發(fā)信號(hào)的輸入端；⑶Q和是兩個(gè)互補(bǔ)輸出端；⑷是直接復(fù)位輸入端；⑸Rext/Cext、Cext為外接定時(shí)電阻和電容的端口；⑹Rint為內(nèi)置2kΩ定時(shí)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(fù)位備注111↑↑1111×××0輸入⑴只要無(wú)論有否觸發(fā)輸入，電路都復(fù)位。1×TR+B×TR+A×TR-B×TR-A0輸出復(fù)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(fù)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(dāng)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(hào)。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(shí)用知識(shí)⑴輸出脈沖寬度由外接定時(shí)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(zhǎng)時(shí)間的延時(shí)用途。(電路連接圖與74121相同)當(dāng)C>1000pF時(shí)：111TR+B111TR+A1↓↓TR-B↓↓1TR-A輸出下降沿觸發(fā)備注111輸入⑵恢復(fù)時(shí)間tre，與74121相同，電路也需要一段恢復(fù)時(shí)間后才能從暫穩(wěn)態(tài)返回到穩(wěn)態(tài)。優(yōu)點(diǎn)1、利用可重觸發(fā)功能，可以增加脈沖的寬度和延遲時(shí)間。換句話說(shuō)：在下一個(gè)觸發(fā)脈沖的作用下原暫穩(wěn)態(tài)被中止，又開(kāi)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(diǎn)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(jià)值得到提升；3、器件內(nèi)部設(shè)有補(bǔ)償電路，因此脈寬的穩(wěn)定性高，Vcc及環(huán)境溫度的變化對(duì)TW的影響較小。因此單穩(wěn)態(tài)電路可以做波形整形、定時(shí)及延遲電路。返回6.3施密特觸發(fā)器6.3.1用555定時(shí)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(shí)，具有兩個(gè)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(gè)運(yùn)放共用一個(gè)輸入電壓；2、VDD對(duì)7腳TD管提供集流，TD管截止時(shí)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(kāi)路，電路的閾值電壓就是555電路原始閾值電壓。1、當(dāng)uI

=0時(shí)：相當(dāng)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(dāng)uI由0增加，但小于

2Vcc/3(P點(diǎn)電位)時(shí)：電路狀態(tài)同1所述，不發(fā)生變化。3、當(dāng)uI大于2Vcc/3時(shí)：相當(dāng)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(dāng)uI由大于2Vcc/3且繼續(xù)增加時(shí)：電路狀態(tài)同3所述，不發(fā)生變化。5、當(dāng)uI

開(kāi)始下降，處于2Vcc/3>uI>Vcc/3(在N點(diǎn)電位以上)時(shí)：電路狀態(tài)同4所述，不發(fā)生變化。6、當(dāng)uI小于Vcc/3時(shí)：相當(dāng)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(dāng)uI由小于Vcc/3，且繼續(xù)下降時(shí)：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(dāng)輸出Q由UOH跳到UOL時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓稱為UT+(上限閾值電壓)；當(dāng)輸出Q由UOL跳到UOH時(shí)，所對(duì)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(lái)描述。1、定義2、電壓傳輸特性曲線（UCO開(kāi)路）3、回差電壓的調(diào)整若給

5

腳輸入一個(gè)控制電壓US

，則改變了P和N點(diǎn)的電位。因此可以調(diào)整回差電壓的大小。在P點(diǎn)：在N點(diǎn)：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(hào)1、由兩級(jí)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(gè)三角波形）1、當(dāng)uI=0時(shí)：G1門截止，G2門導(dǎo)通，uO=0V，這是第一個(gè)穩(wěn)態(tài)。2、當(dāng)uI繼續(xù)上升，但未到CMOS門開(kāi)門的閾值電壓UT時(shí)：由于uO=0V，所以：電路仍在第一個(gè)穩(wěn)態(tài)。結(jié)果導(dǎo)致G1門導(dǎo)通，G2門截止，uO1=0V，uO=VDD，電路翻轉(zhuǎn)到第二個(gè)穩(wěn)態(tài)并維持下去。3、當(dāng)uI

繼續(xù)上升，到了CM