脈沖波形的產(chǎn)生與變換

./脈沖波形的產(chǎn)生與變換脈沖信號是數(shù)字電路中最常用的工作信號。脈沖信號的獲得經(jīng)常采用兩種方法：一是利用振蕩電路直接產(chǎn)生所需的矩形脈沖。這一類電路稱為多諧振蕩電路或多諧振蕩器；二是利用整形電路,將已有的脈沖信號變換為所需要的矩形脈沖。這一類電路包括單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器。這些脈沖單元電路可以由集成邏輯門構成,也可以用集成定時器構成。下面先來介紹由集成門構成的脈沖信號產(chǎn)生和整形電路。9.1多諧振蕩器自激多諧振蕩器是在接通電源以后,不需外加輸入信號,就能自動地產(chǎn)生矩形脈沖波。由于矩形波中除基波外,還含有豐富的高次諧波,所以習慣上又把矩形波振蕩器叫做多諧振蕩器。多諧振蕩器通常由門電路和基本的RC電路組成。多諧振蕩器一旦振蕩起來后,電路沒有穩(wěn)態(tài),只有兩個暫穩(wěn)態(tài),它們在作交替變化,輸出矩形波脈沖信號,因此它又被稱作無穩(wěn)態(tài)電路。門電路組成的多諧振蕩器多諧振蕩器常由TTL門電路和CMOS門電路組成。由于TTL門電路的速度比CMOS門電路的速度快,故TTL門電路適用于構成頻率較高的多諧振蕩器,而CMOS門電路適用于構成頻率較低的多諧振蕩器。<1>由TTL門電路組成的多諧振蕩器由TTL門電路組成的多諧振蕩器有兩種形式：一是由奇數(shù)個非門組成的簡單環(huán)形多諧振蕩器；二是由非門和RC延遲電路組成的改進環(huán)形多諧振蕩器。簡單環(huán)形多諧振蕩器uououo11G11G21G3uo1uo2uouo3uo2uo3Ttpd2tpd3tpd<a><b>圖9－1由非門構成的簡單環(huán)形多諧振蕩器把奇數(shù)個非門首尾相接成環(huán)狀,就組成了簡單環(huán)形多諧振蕩器。圖9－1〔ａ為由三個非門構成的多諧振蕩器。若uo的某個隨機狀態(tài)為高電平,經(jīng)過三級倒相后,uo跳轉為低電平,考慮到傳輸門電路的平均延遲時間tpd,uo輸出信號的周期為6tpd。圖9－1〔ｂ為各點波形圖。簡單環(huán)形多諧振蕩器的振蕩周期取決于tpd,此值較小且不可調(diào),所以,產(chǎn)生的脈沖信號頻率較高且無法控制,因而沒有實用價值。改進方法是通過附加一個RC延遲電路,不僅可以降低振蕩頻率,并能通過參數(shù)R、C控制振蕩頻率。②RC環(huán)形多諧振蕩器如圖9－2所示,RC環(huán)形多諧振蕩器由3個非門〔G1、G2、G3、兩個電阻〔R、RS和一個電容C組成。電阻RS是非門G3的限流保護電阻,一般為100Ω左右；R、C為定時器件,R的值要小于非門的關門電阻,一般在700Ω以下,否則,電路無常工作。此時,由于RC的值較大,從u2到u4的傳輸時間大大增加,基本上由RC的參數(shù)決定,門延遲時間tpd可以忽略不計。11G11G21G3u2u3uou4u1CRRS圖9－2RC環(huán)形多諧振蕩器ａ.工作原理設電源剛接通時,電路輸出端uo為高電平,由于此時電容器C尚未充電,其兩端電壓為零,則u2、u4為低電平。電路處于第1暫穩(wěn)態(tài)。隨著u3高電平通過電阻R對電容C充電,u4電位逐漸升高。當u4超過Ｇ3的輸入閥值電平UTH時,G3翻轉,u0＝u1變?yōu)榈碗娖?使G1也翻轉,u2變?yōu)楦唠娖?由于電容電壓不能突變,u4也有一個正突跳,保持G3輸出為低電平,此時電路進入第2暫穩(wěn)態(tài)。隨著u2高電平對電容C并經(jīng)電阻R的反向充電,u4電位逐漸下降,當u4低于UTH時,G3再次翻轉,電路又回到第1暫穩(wěn)態(tài)。如此循環(huán),形成連續(xù)振蕩。電路各點的工作波形如圖9－3所示。tt0uotu20tu30t0u4UTH-UTHUOLUOHUOH+UTH-UOHt1t2圖9－3RC環(huán)形多振蕩器工作波形b.脈沖寬度tW及周期T的估算脈沖寬度分為充電時間〔tW1和放電時間〔tW2兩部分,根據(jù)RC電路的基本工作原理,利用三要素法,可以得到充電時間tW1:tW1＝τln＝RCln同理,求得放電時間tW2:tW2＝τln＝RCln其中:τ＝RC,UOH和UOL分別為非門輸出的高電平電壓和低電平電壓。設UOH＝3V、UOL＝0.3V、UTH＝1.4V,故脈沖周期TT＝tW1＋tW2≈0.6RC＋1.3RC≈1.9RC從以上分析看出,要改變脈寬和周期,可以通過改變定時元件R和C來實現(xiàn)。c.改進形式1G11G21G3uoR1G11G21G3uoRCReT+VCC圖9－4改進的RC環(huán)形多諧振蕩器<2>CMOS門電路構成的多諧振蕩器由于CMOS門電路的輸入阻抗高<＞108Ω>,對電阻R的選擇基本上沒有限制,不需要大容量電容就能獲得較大的時間常數(shù),而且CMOS門電路的閥值電壓UTH比較穩(wěn)定,因此常用來構成振蕩電路,尤其適用于頻率穩(wěn)定度和準確度要求不太嚴格的低頻時鐘振蕩電路。①電路組成及工作原理圖9－5所示為一個由CMOS反相器與R、C元件構成的多諧振蕩器。接通電源VDD后,電路中將產(chǎn)生自激振蕩,因RC串聯(lián)電路中電容C上的電壓隨電容充放電過程不斷變化,從而使兩個反相器的狀態(tài)不斷發(fā)生翻轉。ui1ui1uo2uo11G11G2ui2RC圖9－5CMOS多諧振蕩器接通電源后,假設電路初始狀態(tài)ui1＝0,門G1截止,u01＝1,門G2導通,u02＝0,這一狀態(tài)稱為第1暫穩(wěn)態(tài)。此時,電阻R兩端的電位不相等,于是電源經(jīng)門G1、電阻R和門G2對電容C充電,使得ui1的電位按指數(shù)規(guī)律上升,當ui1達到門G1的閥值電壓UTH時,門G1由截止變?yōu)閷?電路發(fā)生如下正反饋過程:ui1ui1uo1uo2即門G1導通,門G2截止,u01＝0,u02＝1,這稱為電路的第2暫穩(wěn)態(tài)。這個暫穩(wěn)態(tài)也不能穩(wěn)定保持下去。電路進入該狀態(tài)的瞬間,門G2的輸出電位u02由0上跳ui1ui1uo1uo2至1,幅度約為VDD。由于電容兩極極間電位不能突變,使得ui1的電壓值也上跳VDD。由于CMOS門電路的輸入電路中二極管的鉗位作用,使ui1略高于VDD。此時電阻兩端電位不等,電容通過電阻R、門G1及門G2放電,使得ui1電位不斷下降,當ui1下降到UTH時,電路發(fā)生如下正反饋過程:使得門G1截止,門G2導通,即u01＝1,u02＝0,電路發(fā)生翻轉,又回到第1暫穩(wěn)態(tài)。此后,電容C重復充電、放電,在輸出端即獲得矩形波輸出。工作波形見圖9－6。00tuo10tui10UTHVDD+VF-VFtuo2Ttw1tw2t1圖9－6CMOS多諧振蕩器工作波形考慮到CMOS門電路輸入端鉗位二極管的限幅作用,門G1的ui1的值在發(fā)生正跳變時峰值不可能超過VDD＋VF〔其中VF為鉗位二極管的導通壓降,發(fā)生負跳變時峰值不可能超過－VF。②振蕩周期T和振蕩頻率f的計算在CMOS電路中,若VF≈0V,且UTH＝VDD,則第1暫穩(wěn)態(tài)時間和第2暫穩(wěn)態(tài)時間相等為t,門G2的輸出u02為方波。振蕩周期:T＝2t＝2RCln＝2RCln＝2RCln2≈1.4RC振蕩頻率f＝＝[例9－1]在圖9－5的CMOS多諧振蕩器中,已知VDD＝10V,UTH＝5V,VF＝1V,R＝100KΩ,C＝0.001μf,試計算電路的振蕩頻率。解:T＝tW1＋tW2＝RCln＋RCln＝100×103×0.001×10－6×ln＋100×103×0.001×10－6×ln＝1.577×10－4<S>振蕩頻率f＝＝6.3<KHz>石英晶體多諧振蕩器在多諧振蕩器中,輸出信號振蕩頻率的穩(wěn)定性主要由電路達到轉換電平的時間來決定。由于轉換電平受溫度變化有一些影響,受外界干擾后,電路轉換時間發(fā)生變化的影響及電容充放電速度變緩后,轉換電平微小變化對振蕩周期的影響等原因,使電路振蕩頻率穩(wěn)定性較差,因此,在對頻率穩(wěn)定性要求較高的數(shù)字設備系統(tǒng)中,需要穩(wěn)頻措施。其常用方法是在多諧振蕩器的反饋回路中串進石英晶體,構成石英晶體振蕩器,如圖9－7所示。圖中,R1.、R2保證G1.、G2正常工作,電容器C1、C2起到頻率微調(diào)及耦合的作用。11G11G2R1R2C1C2uo圖9－7石英晶體多諧振蕩器石英晶體具有很好的選頻特性如圖9—8所示。把石英晶體對稱接入反饋回路后,只有當信號頻率為晶體固有的諧振頻率f0時,晶體的等效阻抗最小,信號最容易通過,而其他頻率的信號均被晶體嚴重衰減。因此,電路的振蕩頻率只取決于與晶體結構有關的諧振頻率f0,與R和C的大小無關,所以,它的輸出信號頻率穩(wěn)定度很高。在調(diào)試使用中,若因故停振,可以適當調(diào)節(jié)R1、R2。ffX0fo電容性電感性圖9－8石英晶體阻抗頻率特性9.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就是只有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器。所謂穩(wěn)態(tài)是在無外加信號的情況下,電路能長久保持的狀態(tài),穩(wěn)態(tài)時,電路中電流和電壓是不變的。暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長久保持的狀態(tài),暫穩(wěn)態(tài)期間,電路中一些電壓和電流會隨著電容器的充電和放電發(fā)生變化。單穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器的特點是：沒有外加觸發(fā)信號的作用,電路始終處于穩(wěn)態(tài)；在外加觸發(fā)器信號的作用下,電路能從穩(wěn)態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài),經(jīng)過一段時間后,又能自動返回原來所處的穩(wěn)態(tài)。電路處于暫穩(wěn)態(tài)的時間通常取決于RC電路的充、放電的時間,這個時間等于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖的寬度tW,與觸發(fā)信號無關。所以,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在外加觸發(fā)脈沖信號的作用下,能夠產(chǎn)生具有一定寬度和一定幅度的矩形脈沖信號。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器屬于脈沖整形電路,常用于脈沖波形的整形,定時和延時。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以由TTL或CMOS門電路與外接RC電路組成,也可以通過單片集成單穩(wěn)態(tài)電路外接RC電路來實現(xiàn)。其中RC電路稱為定時電路。根據(jù)RC電路的不同接法,可以將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為微分型和積分型兩種。CMOS門電路構成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器<1>電路的組成圖9－9所示為CMOS或非門組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路,由兩個或非門和RC電路連接而成。門G1的一個輸入端作為整個電路的信號輸入ui1,門G2的輸出端作為整個電路的信號輸出u02,RC環(huán)節(jié)構成微分電路,故稱為微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。+VDD+VDDui1uo2Ruo1≥1G1ui2C≥1G2圖9－9CMOS或非門微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器<2>工作原理假定CMOS或非門的電壓傳輸特性曲線為理想化折線,即開門電平VON和關門電平VOFF相等,這個理想化的開門電平或關門電平稱為閥值電壓UTH〔一般UTH＝VDD,當輸入ui≥UTH時,輸出uo＝0；當ui＜UTH時,uo＝VDD＝1。穩(wěn)態(tài)接通電源,無觸發(fā)信號〔ui1＝0,電路處于穩(wěn)態(tài),電源VDD通過電阻R對C充電達到穩(wěn)態(tài)值,故ui2＝VDD＝1,門G２導通,輸出uo2＝0,門G1截止,輸出uo1＝VDD＝1,電容C上的電壓為0。外加觸發(fā)信號到來,電路由穩(wěn)態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)當外加觸發(fā)信號ui1正跳變,使uo1由1跳到0時,由于RC電路中電容C上電壓不能突變,因此,ui2也由1跳變到0,使門G2輸出由0變1,并返送到門G1的輸入。這時輸入信號ui1高電平撤消后,uo1仍維持為低電平,這一過程可描述為:ui1ui1uo1uo2ui2然而,這種狀態(tài)是不能長久保持的,故稱為暫穩(wěn)態(tài)。由暫穩(wěn)態(tài)自動返回穩(wěn)態(tài)在暫穩(wěn)態(tài)期間,電源VDD通過電阻R和門G1的導通工作管對電容C充電。隨著充電的進行,ui2逐漸上升,當ui2＝UTH時,電路發(fā)生下述正反饋〔設此時觸發(fā)脈沖已消失:ui2ui2uo2uo1C充電這一正反饋過程使電路迅速返回到門G1截止、門G2導通的穩(wěn)定狀態(tài)。最后u01＝VDD,u02＝0,電路退出暫穩(wěn)態(tài),回到穩(wěn)態(tài)。值得注意的是,u01由0跳變到VDD,由于電容電壓不能突變,按理ui2也應由UTH上跳到UTH＋VDD,但CMOS門電路的部輸入端有二極管限幅保護電路,因此ui2只能躍升到VDD＋0.6V。暫穩(wěn)態(tài)結束后,電容C通過電阻R經(jīng)門G1的輸出端和門G2的輸入端保護二極管放電,使ui2恢復到穩(wěn)態(tài)時的初始值VDD。根據(jù)以上分析,畫出電路各點的工作波形如圖9－10所示。ttui10VDDVDDtuo10ui2VDD0UTHVDD+0.6Vtuo20t1t2tWtre圖9－10CMOS微分型單穩(wěn)態(tài)電路工作波形<3>主要參數(shù)計算輸出脈沖寬度tW從電路的工作過程可知,輸出脈寬tW是電容器C的充電時間。設電容C充電起點〔即t1時刻為0時刻,則有ui2<0+>＝0,ui2<∞>＝VDD,τ＝RC,ui2<tW>＝UTH＝VDD根據(jù)RC電路暫態(tài)過程全響應公式ui2<tW>＝ui2<∞>＋[ui2<0+>－ui2<∞>]e－可得tW＝τln＝RCln≈0.7RC恢復時間tre,從暫態(tài)結束到電路恢復到穩(wěn)態(tài)初始值所需時間,即電容C放電時間tre≈3τd式中:τd為電容C放電過程的時間常數(shù)。③最高工作頻率fmax,為保證單穩(wěn)態(tài)電路能正常工作,在第一個觸發(fā)脈沖作用后,必須等待電路恢復到穩(wěn)態(tài)初始值才能輸入第二個觸發(fā)脈沖。因此,觸發(fā)脈沖工作最小周期Tmin＞tW＋tre,則電路的最高工作頻率為fmax＝＜[例9－2]在圖9－9所示電路中,已知:R＝20kΩ,C＝0.01μF。試求輸出脈沖寬度tW。解:根據(jù)式〔6.36tW＝0.7RC＝0.7×20×103×0.01×10－6＝140<μS>CMOS門電路構成的積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器<1>電路組成積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖9－11所示,是由兩個CMOS或非門組成。門G1和門G2采用RC積分電路耦合,ui1加至門G1和門G2輸入端。ui1ui1+VDDRCuo2uo1≥1G1ui2≥1G2圖9－11CMOS或非門積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器<2>工作原理穩(wěn)態(tài)當電路的輸入ui1為高電平時,電路處于穩(wěn)態(tài),門G1、G2均導通,uo1、ui2、uO2均為低電平。暫穩(wěn)態(tài)當輸入信號ui1下跳為低電平時,門G1截止,uO1則跳變?yōu)楦唠娖?但由于電容C上電壓不能突變,ui2仍為低電平,故門G2亦截止,u02正跳變到高電平,電路進入暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)自動恢復到穩(wěn)態(tài)在門G1、門G2截止時,由于電阻R兩端電位不等,電容C通過R0〔門G1的輸出電阻和R放電,ui2逐漸上升,當升高到該門的閥值電壓UTH時〔假定ui1仍為電平,門G2導通,u02變?yōu)榈碗娖?。當ui1回到高電平后,門G1導通,uO1為低電平,此時電容充電,電路恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。電路各點的工作波形如圖9－12所示<3>參數(shù)計算脈沖寬度tWtW的估算公式和微分型電路相同tW＝RCln≈0.7RC這種電路要求輸入信號ui1的脈沖寬度〔低電平時間應大于輸出脈寬tW。恢復時間tretre≈3RC微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器要求窄脈沖觸發(fā),具有展寬脈沖寬度的作用,而積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器則相反,需要寬脈沖觸發(fā),輸出窄脈沖,故有壓縮脈沖寬度的作用。在積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路中,由于電容C對高頻干擾信號有旁路濾波作用,故與微分型電路相比,抗干擾能力較強。由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字系統(tǒng)中的應用日益廣泛,所以有集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)品,同上面介紹的CMOS單穩(wěn)態(tài)電路一樣,其正常工作時,需外接阻容元件。在此不再詳細介紹。uui1t0tuo10tuo20twtui20UTH圖9－12CMOS積分型單穩(wěn)態(tài)電路工作波形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可用于脈沖信號的:定時<即產(chǎn)生一定寬度的矩形脈沖波>、整形<即把不規(guī)則的波形轉換成寬度、幅度都相等的脈沖>、延時<即將輸入信號延遲一定的時間之后輸出>。<1>定時由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能產(chǎn)生一定寬度tW的矩形脈沖,利用它可定時開、閉門電路,也可定時控制某電路的動作。如圖9－13所示,ui1只有在矩形波ui3存在的時間tW才能通過。uui2uoui1&單穩(wěn)態(tài)電路ui3tui20tui30tWtui10tuo0圖9－13單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時作用<2>整形假設有一列不規(guī)則的脈沖信號,將這一列信號直接加至單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)輸入端,在其輸出端就可以得到一組定寬、定幅較規(guī)則的矩形脈沖信號,如圖9－14所示。<3>延時:單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在輸入信號ui觸發(fā)下,輸出u0產(chǎn)生一個比ui延遲tW的脈沖波,這個延時作用可被適當?shù)貞糜谛盘杺鬏數(shù)臅r間配合上。ttuo0tui0圖9－14單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的整形作用9.3施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路,輸出有兩個穩(wěn)定的狀態(tài),但與一般觸發(fā)器不同的是:施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)；對于正向增加和減小的輸入信號,電路有不同的閥值電壓UT＋和UT－,也就是引起輸出電平兩次翻轉<1→0和0→1>的輸入電壓不同,具有如圖6－26〔a、<c>所示的滯后電壓傳輸特性,此特性又稱回差特性。所以,凡輸出和輸入信號電壓具有滯后電壓傳輸特性的電路均稱為施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器有同相輸出和反相輸出兩種類型。同相輸出的施密特觸發(fā)器是當輸入信號正向增加到UT＋時,輸出由0態(tài)翻轉到1態(tài),而當輸入信號正向減小到UT－時,輸出由1態(tài)翻轉到0態(tài)；反相輸出只是輸出狀態(tài)轉換時與上述相反。它們的回差特性和邏輯符號如圖9－15所示。11uiuouiuo0uoHuoLUU〔a同相輸出的回差特性〔b同相輸出的邏輯符號11uiuouiuo0uoHuoLUU<c>反相輸出的回差特性〔d反相輸出的邏輯信號圖9－15施密特觸發(fā)器的回差特性和邏輯符號施密特觸發(fā)器具有很強的抗干擾性,廣泛用于波形的變換與整形。門電路、555定時器、運算放大器等均可構成施密特觸發(fā)器,此外還有集成化的施密特觸發(fā)器。下面介紹由門電路構成的同相輸出的施密特觸發(fā)器。CMOS門電路構成的施密特觸發(fā)器電路組成如圖9－16所示,由二個CMOS反相器及兩個電阻R1和R2構成一個施密特觸發(fā)器。R1R1ui1uouo11G11G2R2ui圖9－16CMOS門構成的施密特觸發(fā)器工作原理設電路輸入端ui輸入一個三角波,其波形如圖6－28所示。當ui＝0時,門G1截止,輸出高電平,門G2導通,輸出低電平,此低電平通過電阻R2反饋到輸入端,使門G1輸入端ui1保持低電平,此時施密特觸發(fā)器保持輸出信號uo為低電平的穩(wěn)態(tài),電路進入第Ⅰ穩(wěn)態(tài)。Ui逐漸上升,ui1也隨著上升,但只要其小于CMOS門電路的開啟電壓UT,電路就保持在第Ⅰ穩(wěn)態(tài)。當ui上升到使ui1等于UT時,在電路中引起如下正反饋連鎖反應uiuiui1uouo1在此連鎖反應的作用下,門電路的狀態(tài)發(fā)生翻轉,使門G1導通,輸出低電平,G2截止,輸出高電平,電路進入第Ⅱ穩(wěn)態(tài)。以后,即使ui繼續(xù)上升,只要滿足ui1大于CMOS門電路的開啟電壓UT,電路就保持在第Ⅱ穩(wěn)態(tài)。若ui由VDD下降,ui1也下降,當ui1降至UT時,在電路中再次發(fā)生正反饋連鎖反應uiuiui1uouo1在此連鎖反應的作用下,電路重新進入門G1截止、門G2導通的狀態(tài),電路輸出為低電平,再次翻轉到第Ⅰ穩(wěn)態(tài)。若電路已處于第Ⅰ穩(wěn)態(tài),則ui繼續(xù)下降,施密特觸發(fā)器仍維持第Ⅰ穩(wěn)態(tài)不變。在輸入ui三角波形的作用下,門G1輸出波形uo1及門G2輸出波形uo如圖9－17所示。ttui0UUVDDtuo10tuo0穩(wěn)態(tài)Ⅰ穩(wěn)態(tài)Ⅱ穩(wěn)態(tài)Ⅰ圖9－17施密特觸發(fā)器工作波形回差特性通過以上的工作原理分析可以看到有一個重要的現(xiàn)象,即在輸入電壓上升過程中,電路由第Ⅰ穩(wěn)態(tài)翻轉到第Ⅱ穩(wěn)態(tài)所要求的輸入電壓UT＋與輸入電壓下降過程中電路由第Ⅱ穩(wěn)態(tài)回到第Ⅰ穩(wěn)態(tài)所要求的輸入電壓UT－是不相同的,這種現(xiàn)象稱回差〔或滯后現(xiàn)象,稱UT＋為正向閥值電壓〔或稱接通電平,UT－為負向閥值電壓〔或稱斷開電平,它們之間的差值ΔU＝UT＋–UT－稱作回差電壓〔或稱滯后電壓,簡稱回差。①UT＋的計算在ui上升過程中,由下面的計算式可求得能使施密特觸發(fā)器翻轉的輸入電壓ui,也就可求得UT＋:ui1＝×R2＋uo＝×R2＝UT∵CMOS門輸出低電平約為0V,∴uo＝0V,UT＋就是符合上式要求的ui值:UT＋＝ui＝<1＋>UT②UT－的計算在ui下降過程中,由下面的計算式可求得能使施密特觸發(fā)器翻轉的輸入電壓ui,也就可求得UT－:ui1＝×R2＋uo＝×R2＋VDD＝＝UT∵CMOS門輸出高電平約為VDD,∴uo＝VDD,UT－就是符合上式要求的ui值:UT－＝ui＝<1＋>UT－VDDΔU的計算ΔU＝UT＋－UT－＝VDD>根據(jù)上面的分析,可以知道施密特觸發(fā)器的回差ΔU,可以通過改變R1、R2阻值來調(diào)節(jié)。施密特觸發(fā)器的應用施密特觸發(fā)器的應用十分廣泛,不僅可以應用于波形的變換、整形、展寬,還可應用于鑒別脈沖幅度、構成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等。<1>波形的變換施密特觸發(fā)器能夠將變化平緩的信號波形變換為較理想的矩形脈沖信號波形,即可將正弦波或三角波變換成矩形波。圖9－18所示為將輸入的正弦波轉換為矩形波,其輸出脈寬tW可由回差ΔU調(diào)節(jié)。ttui0Utuo0U圖9－18施密特觸發(fā)器的波形變換作用<2>波形的整形在數(shù)字系統(tǒng)中,矩形脈沖信號經(jīng)過傳輸之后往往會發(fā)生失真現(xiàn)象或帶有干擾信號。利用施密特觸發(fā)器可以有效的將波形整形和去除干擾信號〔要求回差ΔU大于干擾信號的幅度。如圖9－19所示.tt0tui0UUuotw圖9－19施密特觸發(fā)器的波形整形作用<3>幅度鑒別如果有一串幅度不相等的脈沖信號,我們要剔除其中幅度不夠大的脈沖,可利用施密特觸發(fā)器構成脈沖幅度鑒別器,如圖9－20所示,可以鑒別幅度大于UT＋的脈沖信號。ttui0tuo0UU圖9－20施密特觸發(fā)器的鑒幅作用<4>構成多諧振蕩器施密特觸發(fā)器的特點是電壓傳輸具有滯后特性。如果能使它的輸入電壓在UT＋與UT－之間不停地往復變化,在輸出端即可得到矩形脈沖,因此,利用施密特觸發(fā)器外接RC電路就可以構成多諧振蕩器,電路如圖9－21〔a所示。<a><b>圖6－21反相輸出的施密特觸發(fā)器構成多諧振蕩器及其工作波形工作過程:接通電源后,電容C上的電壓為0,輸出u0為高電平,u0的高電平通過電阻R對C充電,使uc上升,當uc到達UT＋時,觸發(fā)器翻轉,輸出u0由高電平變?yōu)榈碗娖健Ｈ缓驝經(jīng)R到u0放電,使uc下降,當uc下降到UT－時,電路又發(fā)生翻轉,輸出u0變?yōu)楦唠娖?u0再次通過R對C充電,如此反復,形成振蕩。工作波形如9－21〔b所示。[例9－3]在圖9－21<a>中,已知:VDD＝10V,UT＋＝6V,UT－＝3V,C＝0.01μf,R＝5KΩ。試計算其輸出電壓uo的振蕩周期。解:根據(jù)圖9－21<b>的波形圖,設電容C充電時間為tW1、放電時間為tW2,則振蕩周期T為:T＝tW1＋tW2＝RCln＋RCln＝50×103×0.01×10－6<ln＋ln>＝6.26×10－5<s><5>施密特觸發(fā)器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器.利用施密特觸發(fā)器的回差特性,可以很方便的構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,電路如圖9－22〔a所示.工作過程:當ui＝0時,uR＝0,uo＝0,電路進入穩(wěn)態(tài)。當ui正跳變時,由于電容C上的電壓不能突變,uR也上跳與ui相同的幅值,一旦超過正向閥值電壓UT＋,輸出就翻轉為高電平,電路進入暫穩(wěn)態(tài)。此時,由于電阻R兩端電位不等,C通過R對地放電,使uR下降,當降至UT－時,電路又將自動翻轉,uO＝0,回到穩(wěn)態(tài)。工作波形如圖9－22〔b所示。uRuRRC1uouituR0tui0uT+uT-tuo0tw<a><b>圖9－22施密特觸發(fā)器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及其工作波形輸出脈沖寬度tW與ΔU有關,ΔU越小,則脈寬越窄；反之,ΔU越大,則脈寬越大。9.4集成555定時器定時器是大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)的重要部件之一。555定時器是一種多用途的中規(guī)模單片集成電路,它由美國Sginetics公司于1977年最早開發(fā)研制的。它是將模擬功能和邏輯功能巧妙地結合在一起,具有功能強大、使用靈活、應用圍廣等優(yōu)點,廣泛地用于工業(yè)控制、家用電器、電子玩具樂器、數(shù)字設備等方面,俗稱"萬能塊"。555定時器不但本身可以組成定時電路,而且只要外接少量的阻容元件,就可以很方便地構成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及施密特觸發(fā)器等脈沖的產(chǎn)生與整形電路。555集成定時器按部器件類型可分雙極型〔TTL型和單極型〔CMOS型。TTL型產(chǎn)品型號的最后3位數(shù)碼是555或556,CMOS型產(chǎn)品型號的最后4位數(shù)碼都是7555或7556,它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同。555芯片和7555芯片是單定時器,556芯片和7556芯片是雙定時器。TTL型的定時器靜態(tài)功耗高,電源電壓使用圍為＋5～＋15V；CMOS型的定時器靜態(tài)功耗較低,輸入阻抗高,電源電壓使用圍為＋3～＋18V,且在大多數(shù)的應用場合可以直接代換TTL型的定時器。下面以CMOS型的CC7555定時器為例予以介紹。555定時器的電路結構如圖9－23〔a、〔b、〔c所示分別為CC7555定時器部邏輯電路結構圖、符號、外管腳分布圖。外部有八個管腳,各管腳的名稱如圖中所示。由圖9－23〔a可看出,7555定時器由三部分組成:輸入比較電路、基本RS觸發(fā)器和N溝道場效應管?！荨?≥1≥1111＋∝－＋＋∝－＋VDD⑧⑥⑤②①⑦③④RRRA1A2G0G1G2G3G4G5VU1＋U1－U2＋U2－RSQQQQ閾值輸入端TH電壓控制端CO觸發(fā)輸入端TR地GND放電端D輸出端OUT直接復位端RD<a>84847675553215GNDCOOUTTRTHD+VDDRDTHD+VDDOUTRDTRGNDCO876575551234<b><c>圖9－23CC7555集成定時器1.輸入比較電路由3個等值分壓電阻R〔一般為5kΩ,故稱555定時器和兩個高、低電壓比較器A1、A2組成。3個電阻對VDD分壓,使A1的"－"端電壓U1－＝VDD,A2的"＋"端電壓U2＋＝VDD。當閥值輸入端TH的電壓超過VDD時,則A1輸出高電平,使基本RS觸發(fā)器翻轉,Q＝0。而當觸發(fā)輸入端的電壓低于VDD時,A2輸出高電平,使基本RS觸發(fā)器翻轉,Q＝1?；綬S觸發(fā)器由兩個或非門G1、G2組成。當R端置1時,觸發(fā)器置0,輸出端OUT為0；當S端置1時,觸發(fā)器置1,輸出端OUT為1。當直接復位端加低電平時,不管其它輸入狀態(tài)如何,觸發(fā)器直接置0,輸出端OUT為0；不使用時,應將此端接高電平。G3、G4、G5的作用是輸出緩沖,提高電路的驅動能力。3.場效應管VV是一個由NMOS管構成的放電開關,狀態(tài)受RS觸發(fā)器輸出的控制。＝1時,V導通,為外接的電容提供放電通路；＝0,V截止。CC7555定時器的邏輯功能表如表6－2所示。集成定時器應用舉例利用集成定時器,可以組成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器。用CC7555定時器構成多諧振蕩器電路組成用CC7555定時器構成的多諧振蕩器如圖9－24〔a所示。其中電容C經(jīng)R2、定時器的場效應V構成放電回路,而電容C的充電回路卻由R1和R2串聯(lián)組成。為了提高定時器的比較電路參考電壓的穩(wěn)定性,通常在5腳與地之間接有0.01μF的濾波電容,以消除干擾。表9－1CC7555定時器的邏輯功能表閾值輸入TH⑥觸發(fā)輸入②直接復位④輸出OUT③放電管V⑦××00導通＞VDD1＞VDD110導通＜VDD0＜VDD011斷開＜VDD0＞VDD11不變不變＞VDD1＜VDD01不允許<2工作原理電源VDD剛接通時,電容C上的電壓uc為零,電路輸出u0為高電平,放電管V截止,處于第1暫穩(wěn)態(tài)。之后VDD經(jīng)R1和R2對C充電,使uc不斷上升,當uc上升到uc≥VDD時,電路翻轉置0,輸出u0變?yōu)榈碗娖?此時,放電管V由截止變?yōu)閷?進入第2暫穩(wěn)態(tài)。C經(jīng)R2和V開始放電,使uc下降,當uc≤VDD時,電路又翻轉置1,輸出u0回到高電平,V截止,回到第1暫穩(wěn)態(tài)。然后,上述充、放電過程被再次重復,從而形成連續(xù)振蕩。工作波形如圖6－35〔ｂ所示。84847675553215R1R2ucC+VDDuo0.01μFtuo0tw2tw1tuc0T<a><b>圖9－24用CC7555構成的多諧振蕩器及工作波形<3>主要參數(shù)的計算①輸出高電平的脈寬tW1為C充電所需的時間tW1＝〔R1＋R2ln＝0.7〔R1＋R2C②輸出低電平的脈寬tW2為C放電所需的時間tW2＝R2Cln＝0.7R2C③振蕩周期T＝tW1＋tW2＝0.7<R1＋2R2>C振蕩頻率f＝＝空比q＝＝＞50%2.用CC7555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器〔1電路組成用CC7555構成的具有微分環(huán)節(jié)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖9－25〔a所示。R和C為定時元件,0.01μF電容為濾波電容。<2>工作原理①穩(wěn)態(tài)當輸入信號ui為高電平時,接通電源后,VDD首先通過R對C充電,使uc上升,當uc≥VDD時,觸發(fā)器置0,輸出u0為低電平,放電管V導通,此后,C又通過V放電,放電完畢后,uc和u0均為低電平不變,電路進入穩(wěn)態(tài)。84847675553215R+VDDucCuo0.01μFuitui0tuc0tuo0tw<a><b>圖9－25用CC7555構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及工作波形②暫穩(wěn)態(tài)當觸發(fā)脈沖ui的負窄脈沖觸發(fā)后,由于ui＜VDD,觸發(fā)器被置1,輸出u0為高電平,放電管V截止,電路進入暫穩(wěn)態(tài),定時開始。③暫穩(wěn)態(tài)自動到恢復穩(wěn)態(tài)VDD通過R向C充電,電容C上的電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升,趨向VDD。當uc≥VDD時,觸發(fā)器置0,輸出u0為低電平,放電管V導通,定時結束。電容C經(jīng)V放電,uc下降到低電平,u0維持在低電平,電路恢復穩(wěn)態(tài)。當?shù)诙€觸發(fā)信號到來時,重復上述工作過程。其工作波形如圖9－25﹝b所示。<3>輸出脈寬tW的計算:輸出脈寬tW等于電容C上的電壓uc從零充到VDD所需的時間。tW＝RCln＝1.1RC可以看出,輸出脈寬tW僅與定時元件R、C值有關,與輸入信號無關。但為了保證電路正常工作,要求輸入的觸發(fā)信號的負脈沖寬度小于tW,且低電平小于VDD。3.用CC7555定時器構成施密特觸發(fā)器<1>電路組成將7555定時器的第2腳和第6腳短接并作為信號輸入端,則定時器就具有施密特觸發(fā)器的功能,電路如圖9－26〔ａ所示。8484632755515UCO+VDDuiuotuo0tui0<b>圖9－26用CC7555定時器構成施密特觸發(fā)器及工作波形工作原理設在電路的輸入端輸入三角波。接通電源后,輸入電壓ui較低,使6管腳電壓＜VDD,2管腳電壓＜VDD,觸發(fā)器置1,輸出u0為高電平,放電管V截止。隨輸入電壓ui的上升,當滿足VDD＜ui＜VDD時,電路維持原態(tài)。當ui≥VDD時,觸發(fā)器置0,輸出u0為低電平,放電管V導通,電路狀態(tài)翻轉?？梢?該施密特觸發(fā)器的正向閥值電壓UT＋＝VDD。當輸入電壓ui＞VDD,經(jīng)過一段時間后,逐漸開始下降,當VDD＜ui＜VDD時,電路仍維持不變的狀態(tài),輸出u0為低電平。當ui