1、 6脉冲波形的产生和整形 6 1概述6 2施密特触发器6 3单稳态触发器6 4多谐振荡器6 5555定时器 主要内容 施密特触发器 单稳态触发器 多谐振荡器典型电路的工作原理及应用 555定时器的电路结构 基本功能以及用555定时器构成施密特触发器 单稳态触发器和多谐振荡器的方法和输出脉冲宽度的近似计算 重点 脉冲发生电路的分析 555定时器的应用 难点 单稳态触发器 施密特触发器 多谐振荡器的原理分析 6 1概述 一 脉冲信号 脉冲是脉动和短促的意思 凡是具有不连续波形的信号均可称为脉冲信号 广义讲 各种非正弦信号都是脉冲信号 a 矩形波 b 方波 在数字系统中常常需要用到各种幅度 宽度以及
2、具有陡峭边沿的矩形脉冲信号 如触发器的时钟脉冲 CLK 获取这些脉冲信号的方法通常有两种 脉冲产生电路直接产生 利用已有的周期信号整形得到 6 1概述 二 脉冲信号的参数 脉冲幅度 脉冲周期 脉冲宽度 上升时间 下降时间 占空比D 脉冲宽度与脉冲周期的比值 D tW T 6 2施密特触发器 主要用途 把变化缓慢的信号波形变换为边沿陡峭的矩形波 特点 电路有两种稳定状态 两种稳定状态的维持和转换完全取决于外部输入信号 电压传输特性特殊 电路有两个转换电平 正向触发转换电平VT 和负向触发转换电平VT 状态翻转时有正反馈过程 从而输出边沿陡峭的矩形脉冲 一 用集成门电路构成的施密特触发器 1 电路
3、组成 两个CMOS反相器 两个分压电阻 且 R1 R2 2 工作原理 1 工作过程设CMOS反相器的阈值电压UTH VDD 2 输入信号uI为三角波 当vI 0V时 vA 0V G1截止 G2导通 输出为VOL 即vO 0V 当vI从0V电压逐渐增加 只要满足vA VTH 电路就会处于这种状态 第一稳态 当vI增大 使得vA VTH时 G1门进入其电压传输特性转折区 电路会产生如下正反馈过程 这样 电路的输出状态很快从低电平跳变为高电平 即vO VDD 第二稳态 当vI继续增大 电路的状态不会改变 输入电压上升过程中 使电路的输出电平发生跳变所对应输入电压称为正向阈值电压 用VT 表示 怎样求
4、VT 考虑跳变前的vO VOL 0V 由 得正向阈值电压为 如果vI从高电平逐渐下降 vA也会下降 当vA下降到VTH时 电路又会产生以下的正反馈过程 电路迅速从高电平跳变为低电平 vO VOL 0V vI再下降 电路将保持状态不变 输入信号在下降过程中 使输出电平发生跳变时所对应的输入电平称为负向阈值电压 用VT 表示 负向阈值电压计算公式 考虑跳变前的vO VOH VDD 由 设vI为缓慢变化的三角波 vI t VT VT vo t VOL VOH 2 工作波形与电压传输特性 施密特触发器可将三角波vI变换成矩形波vO 同向输出特性 VT vo vI UoL UoH 0 当vI 0时 vo
5、 UoL VT v o vI UoL UoH 0 回差电压 VT VT VT 通常VT VT 改变R1和R2的大小可以改变回差 VT 反向输出特性 三 回差电压 正向阈值电压与负向阈值电压之差 当vI 0时 v o UoH R2的取值保证反相器G2输出高电平时的负载电流不超过最大允许值IOH max 例 已知vI为半波 vIm 9V 电路的VT 6V VT 3V UOH VDD 试画vO波形 9 6 3 VT VT VDD VDD 1 波形变换 将变化缓慢的波形变换成矩形波 如将三角波或正弦波变换成同周期的矩形波 三 施密特触发器的应用 2 脉冲整形 在数字系统中 矩形脉冲经传输后往往发生波形
6、畸变 或者边沿产生振荡等 通过施密特触发器整形 可以获得比较理想的矩形脉冲波形 波形畸变 边沿振荡 VT VT VT VT 3 脉冲鉴幅 将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端 只有那些幅度大于UT 的脉冲才会在输出端产生输出信号 可见 施密特触发器具有脉冲鉴幅能力 VT VT 4 构成多谐振荡器 工作原理 电容上初始电压为零 即uI 0 则uO VDD 并经R向C充电 当充至uI U 时 输出翻转uO 0 电容C又经R进行放电 当放电至uI U 时 输出翻转uO VDD 工作特点 第一 它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态 第二 在外加脉冲作用下 触发器能从稳态翻转到暂稳态 第三
7、在暂稳态维持一段时间后 将自动返回稳态 暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数 与外加触发信号无关 6 3单稳态触发器 学习重点 为什么会自动返回稳态 维持暂稳态需多长时间 单稳态电路的暂稳态靠什么来维持 RC电路 脉冲波形产生与整形电路多是由RC充放电电路构成的 开关闭合的一瞬间 电容器上电压不能突变 满足开关定理UC 0 UC 0 充电暂态过程结束后 流过电容器的电流iC 为0 即电容器相当于开路 电容充放电知识复习 令uC tW UT 则从暂态过程的起始值UC 0 变到UT所经历的时间tW 脉冲宽度 可用下式计算 电路的时间常数 RC 决定了暂态时间的长短 根据三要素公式 可以得到电压
8、随时间变化的方程为 电容充放电知识复习 微分型单稳态触发器 1 组成 用CMOS或非门 2 工作原理 用正窄脉冲触发 uI uO1 uI2 uO 说明 接通VDD不触发 VDD UOL 0 0 1 1 0 稳态 uO 0 C中无电荷 触发 1 0 0 1 暂态 uO 1 C充电uI2 VTH 0 0 0 1 1 0 返回稳态 uO 0 C放电uI2 VDD 0 0 0 1 1 0 恢复为起始稳态 C中无电荷 uI 一 用集成门电路构成的单稳态触发器 uI 总之 不触发 uO 0 C中无电荷 触发 uO 1 C充电 返回uO 0 C放电 恢复为起始稳态 uO 0 C中无电荷 3 电压波形 VTH
9、 为什么会自动返回稳态 若输入脉冲是较宽的脉冲 结果会怎样 微分型单稳态触发器电路适于窄脉冲触发 若输入的是宽脉冲 输入端要加RC微分电路 why 注意 第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行 UI Ud UO 电压波形如右图 4 主要参数计算 TW 根据一阶RC电路暂态过程中 电压随时间变化的一般公式 可得 从波形图中看出 tW是C充电使UI2从0上升到VTH对应的时间 Uc VDD Uc 0 0 RC TW RCln Uom UOH UOL VDD 1 输出脉宽tW 充电时间 2 幅度Uom RCln2 所以 0 69RC 3 恢复时间tre 设触发信号uI的周期为T 为了使单稳态电路能正
10、常工作 应满足T tW tre 因此单稳态触发器的最高工作频率为 tW tre td 恢复时间 是指暂稳态结束后 电路完全恢复到触发前的起始状态 即C放电使VI2达到稳定值VDD所需的时间 tre 3 5 RC 4 最高工作频率fmax 二 集成单稳态触发器 1 不可重复触发 触发进入暂稳态时 再加触发脉冲无效 TW 2 可重复触发 触发进入暂稳态时 再次触发有效 输出脉冲可再维持一个脉宽 TW 一 分类 常用74121 74221 74LS221等都是不可重复触发的单稳态触发器 74121的电路符号如图 二 集成单稳态触发器常用产品举例 B 1时A 1 0 A有0时B 0 1 集成单稳态触发
11、器74121的功能表 1 触发方式 图6 1774121应用电路 2 定时元件接法 输出脉冲uO的宽度 tw 0 7RCext外接电容Cext一般取值范围为10pF 10 F 在要求不高的情况下最大值可达1000 F 图 a 外接电阻R Rext 1 4 40k 图 b 用内部电阻R Rint 约为2k 三 应用举例 1 脉冲整形 TW 0 69RC 2 输出脉冲延时 UI VCC UO2 TW2 触发后 电路延时TW1时间再输出 TW1 0 69R1C1 TW2 0 69R2C2 74121 74121 3 定时输出 UI UO2 UA TW 只在触发之后的TW时间内有UA信号输出 1 多谐
12、振荡器没有稳定状态 只有两个暂稳态 2 通过电容的充电和放电 使两个暂稳态相互交替 从而产生自激振荡 无需外触发 3 输出周期性的矩形脉冲信号 由于含有丰富的谐波分量 故称作多谐振荡器 6 4多谐振荡器 6 4 1对称式多谐振荡器 返回 1 电路组成 由两个TTL反相器经电容交叉耦合而成 通常令C1 C2 C R1 R2 RF 为了使静态时反相器工作在转折区 具有较强的放大能力 选择合适的R1 R2以保证门1 门2的静态工作点在转折区 图6 20对称式多谐振荡器 2 工作原理 假定接通电源后 由于某种原因使uI1有微小正跳变 则必然会引起如下的正反馈过程 使uO1迅速跳变为低电平 uO2迅速跳
13、变为高电平 电路进入第一暂稳态 此后 uO2的高电平对C1电容充电使uI2升高 电容C2放电使uI1降低 由于充电时间常数小于放电时间常数 所以充电速度较快 uI2首先上升到G2的阈值电压UTH 并引起如下的正反馈过程 使uO2迅速跳变为低电平 uO1迅速跳变为高电平 电路进入第二暂稳态 此后 C1放电 C2充电 C2充电使uI1上升 会引起又一次正反馈过程 电路又回到第一暂稳态 这样 周而复始 电路不停地在两个暂稳态之间振荡 输出端产生了矩形脉冲 图6 21对称式多谐振荡器的工作波形 3 主要参数 矩形脉冲的振荡周期为T 1 4RFC 当取RF 1k C 100pF 100 F时 则该电路的
14、振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内变化 6 4 2环形振荡器 返回 1 最简单的环形振荡器 图6 22最简单的环形振荡器 a 电路 b 工作波形 利用集成门电路的传输延迟时间 将奇数个反相器首尾相连便可构成最简单的环形振荡器 该电路没有稳定状态 如此周而复始 便产生了自激振荡 振荡周期T 6tpd 2 RC环形振荡器 最简单的环形振荡器构成十分简单 但是并不实用 因为集成门电路的延迟时间tpd极短 而且振荡周期不便调节 图6 23RC环形振荡器 利用电容C的充放电 改变uI3的电平 因为RS很小 在分析时往往忽略它 来控制G3周期性的导通和截止 在输出端产生矩形脉冲 RS是限流电阻 保护G3 通
15、常选100 左右 增加RC延迟环节 即可组成RC环形振荡器电路 图6 24RC环形振荡器的工作波形 电路的振荡周期为T 2 2RCR不能选得太大 一般1k 左右 否则电路不能正常振荡 3 CMOS反相器构成的多谐振荡器 非对称式多谐振荡器 若uI有正向扰动 必然引起下述正反馈过程 图6 25CMOS反相器构成的多谐振荡器 使uO1迅速变成低电平 而uO2迅速变成高电平 电路进入第一暂稳态 此时 电容C通过R放电 然后uO2向C反向充电 随着电容C的的放电和反向充电 uI不断下降 达到uI UTH时 电路又产生一次正反馈过程 从而使uO1迅速变成高电平 uO2迅速变成低电平 电路进入第二暂稳态
16、此时 uO1通过R向电容C充电 随着电容C的不断充电 uI不断上升 当uI UTH时 电路又迅速跳变为第一暂稳态 如此周而复始 电路不停地在两个暂稳态之间转换 电路将输出矩形波 振荡周期为T 2 2RC 图6 26CMOS反相器构成多谐振荡器的工作波形 五 石英晶体振荡器 以上多谐振荡器的一个共同特点就是振荡频率不稳定 容易受温度 电源电压波动和RC参数误差的影响 而在数字系统中 矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作 因此 控制信号频率不稳定会直接影响到系统的工作 显然 前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的 必须采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器 石英晶体的阻抗频率特性图
17、石英晶体具有很好的选频特性 当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率fo相同时 石英晶体呈现很低的阻抗 信号很容易通过 而其它频率的信号则被衰减掉 石英晶体符号 将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器 这时 振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率fo 而与RC无关 石英晶体振荡器电路 例如 在对称式多谐振荡器的反馈回路中串接一块石英晶体 电路将产生稳定度极高的矩形脉冲 其振荡频率由石英晶体的串联谐振频率fo决定 目前 家用电子钟几乎都采用具有石英晶体振荡器的矩形波发生器 由于它的频率稳定度很高 所以走时很准 通常选用振荡频率为32768HZ的石英晶体谐振器 因为32768 2
18、15 将32768HZ经过15次二分频 即可得到1HZ的时钟脉冲作为计时标准 为数字 模拟混合集成电路 可产生精确的时间延迟和振荡 内部有3个5K 的电阻分压器 故称555 应用于波形的产生与变换 测量与控制 家用电器及电子玩具等许多领域中 6 5555定时器及其应用 各公司生产的555定时器的逻辑功能与外引线排列都完全相同 6 5 1555定时器 返回 1 电路组成 图6 28555定时器 a 原理图 b 外引线排列图 电阻分压器 电压比较器 基本RS触发器 放电管T 缓冲器 1 电阻分压器由3个5k 的电阻R组成 为电压比较器C1和C2提供基准电压 2 电压比较器C1和C2 当U U 时
19、UC输出高电平 反之则输出低电平 3 基本RS触发器其置0和置1端为低电平有效触发 R是低电平有效的复位输入端 正常工作时 必须使R处于高电平 4 放电管TT是集电极开路的三极管 相当于一个受控电子开关 输出为0时 T导通 输出为1时 T截止 5 缓冲器缓冲器由G3和G4构成 用于提高电路的负载能力 2 基本功能 0 UOL 饱和 2VCC 3 111 UOL VCC 3 饱和 2VCC 3 VCC 3 不变 不变 2VCC 3 VCC 3 UOH 截止 TH接至反相输入端 当TH UR1时 UC1输出低电平 使触发器置0 故称为高触发端 有效时置0 TR接至同相输入端 当TR UR2时 UC
20、2输出低电平 使触发器置1 故称为低触发端 有效时置1 表6 2555定时器的功能表 3 555定时器的外引脚 双极型 TTL 电源 4 5 16V 单极型 CMOS 电源 3 18V带负载能力强 6 5 2555定时器的应用举例 返回 1 构成施密特触发器 思考 施密特触发器的特点 回差特性 上升过程和下降过程有不同的转换电平UT 和UT 如何与555定时器发生联系 内部比较器有两个不同的基准电压UR1和UR2 1 构成施密特触发器 图6 29555定时器构成的施密特触发器 a 电路 b 工作波形 如果在UIC加上控制电压 则可以改变电路的UT 和UT 2 构成单稳态触发器 1 得到负脉冲外
21、触发 使高触发置0端TH有效 暂稳态0自动返回 通过电容C的充放电使低触发置1端TR有效 稳态1 思路 外触发 自动返回 2 得到正脉冲外触发 使低触发置1端TR有效 暂稳态1自动返回 通过电容C的充放电使高触发置0端TH有效 稳态0 图6 30555定时器构成的单稳态触发器 a 电路 b 工作波形 工作原理 稳态为0 低触发有效置1 T截止 C充电 自动高触发返0 提高基准电压稳定性的滤波电容 输出脉冲的宽度tw 1 1RC 当触发脉冲uI为高电平时 VCC通过R对C充电 当TH uC 2 3VCC时 高触发端TH有效置0 此时 放电管导通 C放电 TH uC 0 稳态为0状态 此时放电管T
22、截止 VCC通过R对C充电 当TH uC 2 3VCC时 使高触发端TH有效 置0状态 电路自动返回稳态 此时放电管T导通 电路返回稳态后 C通过导通的放电管T放电 使电路迅速恢复到初始状态 工作原理 当触发脉冲uI下降沿到来时 低触发端TR有效置1状态 电路进入暂稳态 当触发脉冲uI为高电平时 VCC通过R对C充电 当TH uC 2 3VCC时 高触发端TH有效置0 此时 放电管导通 C放电 TH uC 0 稳态为0状态 此时放电管T截止 VCC通过R对C充电 当TH uC 2 3VCC时 使高触发端TH有效 置0状态 电路自动返回稳态 此时放电管T导通 电路返回稳态后 C通过导通的放电管T
23、放电 使电路迅速恢复到初始状态 3 构成多谐振荡器 设计思想 是无稳态电路 两个暂稳态不断地交替 利用放电管T作为一个受控电子开关 使电容充电 放电而改变TH TR 则交替置0 置1 图6 29555定时器构成的多谐振荡器 a 电路 b 工作波形 电容C充电 充 R1 R2 C 电容C放电 放 R2C 振荡器输出脉冲uO的工作周期为 T 0 7 R1 2R2 C 本章介绍了各种产生和变换矩形脉冲的电路 施密特触发器有两种稳态 但状态的维持与翻转受输入信号电平的控制 所以输出脉冲的宽度是由输入信号决定的 单稳态触发器只有一个稳态 在外加触发脉冲作用下 能够从稳态翻转为暂稳态 但暂稳态的持续时间取决于电路内部的元件参数 与输入信号无关 因此 单稳态触发器可以用于产生脉宽固定的矩形脉冲波形 本章小结 多谐振荡器没有稳态 只有两个暂稳态 两个暂稳态之间的转换 是由电路内部电容的充 放电作用自动进行的 所以它不需要外加触发信号 只要接通电源就能自动产生矩形脉冲信号 555定时器是一种用途很广的集成电路 除了能构成施密特触发器 单稳态触发器和多谐振荡器以外 还可以接成各种应用电路 读者可参阅有关书籍自行设计出所需的电路
