《數(shù)字系統(tǒng)與邏輯設(shè)計(jì)》課件第8章

第8章脈沖波形的產(chǎn)生與整形電路8.1概述8.2施密特觸發(fā)器8.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器8.4自激多諧振蕩器8.5

555集成定時(shí)器及其應(yīng)用 8.1概述

脈沖信號(hào)是數(shù)字電路中最常用的工作信號(hào)。為了定量描述脈沖波形，經(jīng)常使用如圖8－1－1所示的參數(shù)來描述脈沖的性能指標(biāo)。

(1)脈沖幅度Um:脈沖從起始值到峰值之間的變化量。

(2)脈沖上升時(shí)間tr:脈沖前沿由0.1Um上升到0.9Um所需要的時(shí)間。tr愈短，脈沖上升得越快。

(3)脈沖下降時(shí)間tf:脈沖后沿由0.9Um下降至0.1Um所需要的時(shí)間。tf愈短，脈沖下降得越快。

(4)脈沖寬度tW:脈沖前沿與脈沖后沿的0.5Um處兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔，又稱脈沖持續(xù)期。

(5)脈沖周期T:對(duì)于周期性重復(fù)脈沖，指前后相鄰脈沖的間隔時(shí)間，其倒數(shù)為脈沖重復(fù)的頻率。

(6)占空比q:脈沖寬度tW與脈沖周期T的比值，即q=tW/T。圖8－1－1描述脈沖性的指標(biāo) 8.2施密特觸發(fā)器

8.2.1CMOS門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

1.電路組成

如圖8－2－2所示，由兩個(gè)CMOS反相器及兩個(gè)電阻R1和R2構(gòu)成一個(gè)施密特觸發(fā)器。圖8－2－2

CMOS門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

2.工作原理

設(shè)電路輸入端ui輸入一個(gè)三角波，其波形如圖8－2－3所示。

當(dāng)ui＝0時(shí)，門G1截止，輸出高電平，門G2導(dǎo)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(shí)施密特觸發(fā)器保持輸出信號(hào)uo為低電平的穩(wěn)態(tài)，電路進(jìn)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UTH，電路就保持在第Ⅰ穩(wěn)態(tài)。

當(dāng)ui上升到使ui1等于UTH時(shí)，在電路中引起如下正反饋連鎖反應(yīng):uiui1uouo1在此連鎖反應(yīng)的作用下，門電路的狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使門G1導(dǎo)通，輸出低電平，G2截止，輸出高電平，電路進(jìn)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UTH，電路就保持在第Ⅱ穩(wěn)態(tài)。

若ui上升至UDD后開始下降，ui1也下降，當(dāng)ui1降至UTH

時(shí)，在電路中再次發(fā)生正反饋連鎖反應(yīng):uiui1uouo1在此連鎖反應(yīng)的作用下，電路重新進(jìn)入門G1截止、門G2導(dǎo)通的狀態(tài)，電路輸出為低電平，再次翻轉(zhuǎn)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8－2－3所示。圖8－2－3施密特觸發(fā)器工作波形

3.回差特性

通過以上的工作原理分析可以看到有一個(gè)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(zhuǎn)到第Ⅱ穩(wěn)態(tài)所要求的輸入電壓U+T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U-T是不相同的，這種現(xiàn)象稱回差(或滯后)現(xiàn)象，稱U+T為正向閾值電壓(或稱接通電平)，U-T為負(fù)向閾值電壓(或稱斷開電平)，它們之間的差值ΔU＝U+T-U-T稱做回差電壓(或稱滯后電壓)，簡稱回差。

(1)U+T的計(jì)算。在ui上升過程中，由下面的計(jì)算式可求得能使施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的輸入電壓ui，也就可求得因?yàn)镃MOS門輸出低電平約為0V，所以u(píng)o＝0V，U+T就是符合上式要求的ui值：

(2)U-T的計(jì)算。在ui下降過程中，由下面的計(jì)算式可求得能使施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的輸入電壓ui，也就可求得U-T：因?yàn)镃MOS門輸出高電平約為UDD，所以u(píng)o＝UDD，U-T就是符合上式要求的ui值：

(3)ΔU的計(jì)算。根據(jù)上面的分析，可以計(jì)算施密特觸發(fā)器的回差ΔU，還可以通過改變R1、R2的阻值來調(diào)節(jié)ΔU。

4.施密特觸發(fā)器的應(yīng)用

施密特觸發(fā)器的應(yīng)用十分廣泛，不僅可以應(yīng)用于波形的變換、整形、展寬，還可應(yīng)用于鑒別脈沖幅度、構(gòu)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?qū)⒆兓骄彽男盘?hào)波形變換為較理想的矩形脈沖信號(hào)波形，即可將正弦波或三角波變換成矩形波。圖8－2－4所示為將輸入的正弦波轉(zhuǎn)換為矩形波，其輸出脈寬tW可由回差ΔU調(diào)節(jié)。圖8－2－4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(hào)經(jīng)過傳輸之后往往會(huì)發(fā)生失真現(xiàn)象或帶有干擾信號(hào)。利用施密特觸發(fā)器可以有效地將波形整形并去除干擾信號(hào)(要求回差ΔU大于干擾信號(hào)的幅度),如圖8－2－5所示。圖8－2－5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(hào)，要剔除其中幅度不夠大的脈沖，可利用施密特觸發(fā)器構(gòu)成脈沖幅度鑒別器，來鑒別幅度大于U+T的脈沖信號(hào),如圖8－2－6所示。圖8－2－6施密特觸發(fā)器的鑒幅作用8.2.2集成施密特觸發(fā)器

1.TTL集成施密特觸發(fā)器

圖8－2－7為TTL施密特觸發(fā)器的邏輯符號(hào)，圖(a)為六反相器CT7414和CT74LS14的邏輯符號(hào)，它有六個(gè)獨(dú)立的施密特反相器。圖(b)為施密特觸發(fā)雙4輸入與非門CT7413和CT74LS13的邏輯符號(hào)。圖8－2－7

TTL施密特觸發(fā)器的邏輯符號(hào)

2.CMOS集成施密特觸發(fā)器

圖8－2－8為CMOS施密特觸發(fā)器的邏輯符號(hào)，圖(a)為六反相器CC40106的邏輯符號(hào),圖(b)為施密特觸發(fā)四2輸入與非門CC4093的邏輯符號(hào)。圖8－2－8

CMOS施密特觸發(fā)器的邏輯符號(hào)CMOS集成施密特觸發(fā)器具有如下特點(diǎn)：

(1)可將變化非常緩慢的信號(hào)變換為上升沿和下降沿很陡直的脈沖信號(hào)。

(2)在電源電壓UDD一定時(shí)，觸發(fā)閾值電壓穩(wěn)定，但其值會(huì)隨UDD變化。

(3)電源電壓UDD變化范圍寬，輸入阻抗高，功耗極小。

(4)抗干擾能力很強(qiáng)。 8.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

8.3.1

CMOS門電路構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.電路的組成

CMOS或非門微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖8－3－1所示。圖8－3－1

CMOS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UON和關(guān)門電平UOFF相等，這個(gè)理想化的開門電平或關(guān)門電平稱為閾值電壓UTH(一般)，當(dāng)輸入ui≥UTH時(shí)，輸出uo＝0；當(dāng)ui＜UTH時(shí)，uo＝UDD＝1。

(1)穩(wěn)態(tài)。接通電源，無觸發(fā)信號(hào)(ui1＝0)，電路處于穩(wěn)態(tài)，電源UDD通過電阻R對(duì)C充電達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，故ui2＝UDD

＝1，門G2導(dǎo)通，輸出uo2＝0，門G1截止，輸出uo1＝UDD

＝1，電容C上的電壓為0。

(2)外加觸發(fā)信號(hào)到來，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)外加觸發(fā)信號(hào)ui1正跳變，使uo1由1跳到0時(shí)，由于RC電路中電容C中的電壓不能突變，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(shí)輸入信號(hào)ui1

高電平撤消后，uo1仍維持為低電平，這一過程可描述為然而，這種狀態(tài)是不能長久保持的，故稱為暫穩(wěn)態(tài)。

(3)由暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)期間，電源UDD

通過電阻R和門G1的導(dǎo)通工作管對(duì)電容C充電。隨著充電的進(jìn)行，ui2逐漸上升，當(dāng)ui2＝UTH時(shí)，電路發(fā)生下述正反饋(設(shè)此時(shí)觸發(fā)脈沖已消失)：

這一正反饋過程使電路迅速返回到門G1截止、門G2導(dǎo)通的穩(wěn)定狀態(tài)。最后uo1＝UDD，uo2＝0，電路退出暫穩(wěn)態(tài)，回到穩(wěn)態(tài)。值得注意的是，uo1由0跳變到UDD，由于電容電壓不能突變，按理ui2也應(yīng)由UTH上跳到UTH＋UDD，但由于CMOS門電路的內(nèi)部輸入端有起限幅保護(hù)作用的二極管的原因，因此ui2只能躍升到UDD＋0.8V。

暫穩(wěn)態(tài)結(jié)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(hù)二極管放電，使ui2恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的初始值UDD。圖8－3－2

CMOS微分型單穩(wěn)態(tài)電路工作波形

3.主要參數(shù)計(jì)算

(1)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(shí)間。設(shè)電容C充電起點(diǎn)(即t1時(shí)刻)為0時(shí)刻，則有根據(jù)RC電路暫態(tài)過程全響應(yīng)公式可得

(2)恢復(fù)時(shí)間tre?；謴?fù)時(shí)間是指從暫態(tài)結(jié)束到電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)初始值所需的時(shí)間，即電容C放電所需要的時(shí)間。tre≈3τd

式中,τd為電容C放電過程的時(shí)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(gè)觸發(fā)脈沖作用后，必須等待電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)初始值才能輸入第二個(gè)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

【例8－3－1】在圖8－3－1所示的電路中，已知R＝20kΩ，C＝0.01μF。試求輸出脈沖寬度tW。

解

tW＝0.7RC＝0.7×20×103×0.01×10－8＝140(μS)8.3.2

CMOS門電路構(gòu)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8－3－3所示，它是由兩個(gè)CMOS或非門組成的。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。圖8－3－3

CMOS或非門積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

2.工作原理

(1)穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電路的輸入ui1為高電平時(shí)，電路處于穩(wěn)態(tài)，門G1、G2均導(dǎo)通，uo1、ui2、uo2均為低電平。

(2)暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)ui1下跳為低電平時(shí)，門G1截止，uo1則跳變?yōu)楦唠娖?，但由于電容C上的電壓不能突變，ui2仍為低電平，故門G2亦截止，uo2正跳變到高電平，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。圖8－3－4

CMOS積分型單穩(wěn)態(tài)電路工作波形(3)暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。在門G1、門G2截止時(shí)，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(dāng)升高到該門的閾值電壓UTH時(shí)(假定ui1仍為電平)，門G2導(dǎo)通，uo2變?yōu)榈碗娖健?/p>

當(dāng)ui1回到高電平后，門G1導(dǎo)通，uo1為低電平，此時(shí)電容充電，電路恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。

3.參數(shù)計(jì)算

(1)脈沖寬度tW。tW的估算公式和微分型電路相同，即這種電路要求輸入信號(hào)ui1的脈沖寬度(低電平時(shí)間)應(yīng)大于輸出脈寬tW。

(2)恢復(fù)時(shí)間tre:tre≈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(duì)高頻干擾信號(hào)有旁路濾波作用，故與微分型電路相比，其抗干擾能力較強(qiáng)。8.3.3集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.TTL集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

圖8－3－5是TTL集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121簡化的原理性邏輯圖。它是在普通微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的基礎(chǔ)上附加了輸入控制電路和輸出緩沖電路而形成的。圖8－3－5集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的邏輯圖表8－3－1集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的功能表圖8－3－6

74121的工作波形圖

輸出緩沖電路由反相器G8和G9組成，用于提高電路的帶負(fù)載能力。

根據(jù)門G6輸出端的電路結(jié)構(gòu)和門G7輸入端的電路結(jié)構(gòu)可以求出計(jì)算輸出脈沖寬度的公式。

通常Rext的取值范圍為2kΩ~30kΩ，Cext的取值范圍為10pF~10μF，得到的tW范圍可達(dá)20ns~200ms。另外，還可以使用74121內(nèi)部設(shè)置的電阻Rint取代外接電阻Rext，以簡化外部接線。但由于Rint的阻值較小(約為2kΩ)，所以在希望得到較寬的輸出脈沖時(shí)，仍需使用外接電阻。圖8－3－7示出了使用外接電阻和內(nèi)部電阻時(shí)電路的連接方法。(8-3-1)圖8－3－7集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的外部連接方法

目前使用的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有不可重復(fù)觸發(fā)型和可重復(fù)觸發(fā)型兩種。不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一旦被觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)以后，再加入觸發(fā)脈沖不會(huì)影響電路的工作過程，必須在暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束以后，它才能接受下一個(gè)觸發(fā)脈沖而轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)，如圖8－3－8(a)所示。可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在電路被觸發(fā)而進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)以后，如果再次加入觸發(fā)脈沖，電路將重新被觸發(fā),使輸出脈沖再繼續(xù)維持一個(gè)tW寬度，如圖8－3－8(b)所示。圖8－3－8不可重復(fù)觸發(fā)型與可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形

2.CMOS集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

下面以CC14528為例介紹CMOS單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理。

圖8－3－9是CC14528的邏輯圖。圖8－3－9集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CC14528圖8－3－10集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CC14528的工作波形圖8.3.4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的矩形脈沖，利用它可定時(shí)開、閉門電路，也可定時(shí)控制某電路的動(dòng)作。如圖8－3－11所示，ui1只有在矩形波ui3存在的時(shí)間tW內(nèi)才能通過。圖8－3－11單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí)作用

2.整形

假設(shè)有一列不規(guī)則的脈沖信號(hào)，將這一列信號(hào)直接加至單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)輸入端，在其輸出端可以得到一組定寬、定幅較規(guī)則的矩形脈沖信號(hào)，如圖8－3－12所示。圖8－3－12單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的整形作用

3.延時(shí)

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在輸入信號(hào)ui觸發(fā)下，輸出uo產(chǎn)生一個(gè)比ui延遲tW的脈沖波，這個(gè)延時(shí)作用可被適當(dāng)?shù)貞?yīng)用于信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間配合上。 8.4自激多諧振蕩器

8.4.1用門電路組成的多諧振蕩器

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(gè)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(jìn)環(huán)形多諧振蕩器。

1)簡單環(huán)形多諧振蕩器

把奇數(shù)個(gè)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8－4－1(a)為由三個(gè)非門構(gòu)成的多諧振蕩器。若uo的某個(gè)隨機(jī)狀態(tài)為高電平，經(jīng)過三級(jí)倒相后，uo跳轉(zhuǎn)為低電平，考慮到傳輸門電路的平均延遲時(shí)間tpd，uo輸出信號(hào)的周期為6tpd。圖8－4－1(b)為各點(diǎn)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(hào)頻率較高且無法控制，因而沒有實(shí)用價(jià)值。改進(jìn)方法是通過附加一個(gè)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。圖8－4－1由非門構(gòu)成的簡單環(huán)形多諧振蕩器

2)

RC環(huán)形多諧振蕩器

如圖8－4－2所示，RC環(huán)形多諧振蕩器由3個(gè)非門(G1、G2、G3)、兩個(gè)電阻(R、RS)和一個(gè)電容C組成。電阻RS是非門G3的限流保護(hù)電阻，一般為100Ω左右；R、C為定時(shí)器件，R的值要小于非門的關(guān)門電阻，一般在700Ω以下，否則電路無法正常工作。此時(shí)，由于RC的值較大，從u2到u4的傳輸時(shí)間大大增加，基本上由RC的參數(shù)決定，門延遲時(shí)間tpd可以忽略不計(jì)。圖8－4－2

RC環(huán)形多諧振蕩器

(1)工作原理。設(shè)電源剛接通時(shí)，電路輸出端uo為高電平，由于此時(shí)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(duì)電容C充電，u4電位逐漸升高。當(dāng)u4超過G3的輸入閾值電平UTH時(shí)，G3翻轉(zhuǎn)，u0＝u1變?yōu)榈碗娖剑笹1也翻轉(zhuǎn)，u2變?yōu)楦唠娖剑捎陔娙蓦妷翰荒芡蛔?，u4也有一個(gè)正突跳，保持G3輸出為低電平，此時(shí)電路進(jìn)入第2暫穩(wěn)態(tài)。隨著u2高電平對(duì)電容C并經(jīng)電阻R的反向充電，u4電位逐漸下降，當(dāng)u

4低于UTH時(shí)，G3再次翻轉(zhuǎn)，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(diǎn)的工作波形如圖8－4－3所示。

(2)脈沖寬度tW及周期T的估算。脈沖寬度分為充電時(shí)間(tW1)和放電時(shí)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(shí)間tW1：同理，求得放電時(shí)間tW2：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(shè)UOH＝3V,UOL＝0.3V,UTH＝1.4V，因此脈沖周期為T＝tW1＋tW2≈0.8RC＋1.3RC≈2.1RC

圖8－4－3

RC環(huán)形多振蕩器工作波形

(3)改進(jìn)形式。由于電阻R不能取得過大(700Ω以下)，這就限制了頻率的調(diào)節(jié)范圍。如果在環(huán)形振蕩器中增加一級(jí)射極跟隨器，可使R的可調(diào)范圍增大，例如在圖8－4－4所示電路中，R的取值可達(dá)10kΩ。若將晶體三極管改為場(chǎng)效應(yīng)管，R的取值可達(dá)20MΩ，這樣，振蕩頻率的調(diào)節(jié)范圍就很寬。圖8－4－4改進(jìn)的RC環(huán)形多諧振蕩器

2.CMOS門電路構(gòu)成的多諧振蕩器

由于CMOS門電路的輸入阻抗高(大于108Ω)，對(duì)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(shí)間常數(shù)，而且CMOS門電路的閾值電壓UTH比較穩(wěn)定，因此常用來構(gòu)成振蕩電路，尤其適用于頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度要求不太嚴(yán)格的低頻時(shí)鐘振蕩電路。

1)電路組成及工作原理

圖8－4－5所示為一個(gè)由CMOS反相器與R、C元件構(gòu)成的多諧振蕩器。圖8－4－5

CMOS多諧振蕩器

接通電源后，假設(shè)電路初始狀態(tài)ui1＝0，門G1截止，uo1＝1，門G2導(dǎo)通，uo2＝0，這一狀態(tài)稱為第1暫穩(wěn)態(tài)。此時(shí)，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(duì)電容C充電，使得ui1的電位按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)ui1達(dá)到門G1的閾值電壓UTH時(shí)，門G1由截止變?yōu)閷?dǎo)通，電路發(fā)生如下正反饋過程：uiuo1uo即門G1導(dǎo)通，門G2截止，uo1＝0，uo2＝1，這稱為電路的第2暫穩(wěn)態(tài)。這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)也不能穩(wěn)定保持下去。電路進(jìn)入該狀態(tài)的瞬間，門G2的輸出電位uo2由0上跳至1，幅度約為UDD。由于電容兩極極間電位不能突變，使得ui1的電壓值也上跳UDD。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UDD。此時(shí)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(dāng)ui1下降到UTH時(shí)，電路發(fā)生如下正反饋過程：uiuo1uo使得門G1截止，門G2導(dǎo)通，即uo1＝1，uo2＝0，電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)，又回到第1暫穩(wěn)態(tài)。此后，電容C重復(fù)充電、放電，在輸出端即獲得矩形波輸出。工作波形如圖8－4－6所示。圖8－4－6

CMOS多諧振蕩器工作波

2)振蕩周期T和振蕩頻率f的計(jì)算

在CMOS電路中，若UF≈0V，且，則第1暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間和第2暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間相等即為t，門G2的輸出uo2為方波。

振蕩周期：振蕩頻率

【例8－4－1】在圖8－4－5的CMOS多諧振蕩器中，已知UDD＝10V，UTH＝5V，UF＝1V，R＝100kΩ，C＝0.001μF，試計(jì)算電路的振蕩頻率。

解

振蕩頻率:8.4.2石英晶體多諧振蕩器

1.電路組成

石英晶體多諧振蕩器如圖8－4－7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。圖8－4－7石英晶體多諧振蕩器

2.石英晶體的選頻特性

石英晶體具有很好的選頻特性,如圖8－4－8所示。圖8－4－8石英晶體阻抗頻率特性 8.5

555集成定時(shí)器及其應(yīng)用

8.5.1

CC7555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)

圖8－5－1(a)、(b)、(c)所示分別為CC7555定時(shí)器內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)圖、符號(hào)、外部管腳分布圖。外部有8個(gè)管腳，各管腳的名稱如圖中所示。由圖8－5－1(a)可看出，7555定時(shí)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(chǎng)效應(yīng)管。

1.輸入比較電路

輸入比較電路由3個(gè)等值分壓電阻R(一般為5kΩ，故稱555定時(shí)器)和兩個(gè)高、低電壓比較器A1、A2組成。3個(gè)電阻對(duì)UDD分壓，使A1的“－”端電壓，A2的“＋”端電壓。當(dāng)閾值輸入端TH的電壓超過時(shí)，則A1輸出高電平，使基本RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q＝0。而當(dāng)觸發(fā)輸入端TR的電壓低于時(shí)，A2輸出高電平，使基本RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q＝1。圖8－5－1

CC7555集成定時(shí)器

2.基本RS觸發(fā)器

基本RS觸發(fā)器由兩個(gè)或非門G1、G2組成。當(dāng)R端置1時(shí)，觸發(fā)器置0，輸出端OUT為0；當(dāng)S端置1時(shí)，觸發(fā)器置1，輸出端OUT為1。當(dāng)直接復(fù)位端RD加低電平時(shí)，不管其他輸入狀態(tài)如何，觸發(fā)器直接置0，輸出端OUT為0；不使用RD時(shí)，應(yīng)將此端接高電平。G3、G4、G5的作用是輸出緩沖，提高電路的驅(qū)動(dòng)能力。表8－5－1

CC7555定時(shí)器的邏輯功能表8.5.2集成定時(shí)器應(yīng)用舉例

1.用CC7555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器

1)電路組成

用CC7555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖8－5－2(a)所示。其中電容C經(jīng)R2、定時(shí)器的場(chǎng)效應(yīng)管V構(gòu)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(shí)器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。

2)工作原理圖8－5－2用CC7555構(gòu)成的多諧振蕩器及工作波形

3)主要參數(shù)的計(jì)算

(1)輸出高電平的脈寬tW1為C充電所需的時(shí)間:(2)輸出低電平的脈寬tW2為C放電所需的時(shí)間:

(3)振蕩周期:T＝tW1＋tW2＝0.7(R1＋2R2)C

(4)空比:(4)振蕩頻率：

2.用CC7555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1)電路組成

用CC7555構(gòu)成的具有微分環(huán)節(jié)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖8－5－3(a)所示。R和C為定時(shí)元件，0.01μF電容為濾波電容。圖8－5－3用CC7555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及工作波形