数字电路逻辑设计白静版ppt第6章.ppt

第六章 脉冲产生电路,6.1 矩形脉冲基本特性6.2 脉冲电路6.3 555定时器电路结构及功能6.4 施密特触发器6.5 单稳态触发器6.6 多谐振荡器本章小结习题,6.1 矩形脉冲基本特性 理想的矩形脉冲波形高、低电平相互转换是瞬时完成的，没有上升时间和下降时间，但实际上是需要经历一定时间的。实际的矩形脉冲波形如图6.1所示。图中的主要参数有：脉冲周期T：周期性的脉冲信号中，两个相邻脉冲间的时间间隔。也可用频率f=1/T表示单位时间内脉冲重复的次数。脉冲幅度Vm：脉冲电压最大值与最小值之间的差值。,图6.1 实际的矩形脉冲波形,上升时间tr：又称前沿，脉冲信号从0.1Vm上升至 0.9Vm所经历的时间。下降时间 tf：又称后沿，脉冲信号从0.9Vm下降至 0.1Vm所经历的时间。脉冲宽度 tw：又称脉宽，从脉冲前沿上升到0.5Vm 处开始，到脉冲后沿下降到0.5Vm为止所经历的时间。占空比q：脉冲宽度与脉冲周期之比，即q=tw/T，q=1/2 的矩形波称为方波。,6.2 脉冲电路 脉冲电路是用来产生和处理脉冲信号的电路。获得矩形脉冲的方法通常有两种，一是用脉冲产生电路直接产生；二是对已有的周期信号进行整形，使之变成所需要的矩形脉冲。典型的矩形脉冲产生电路有三种类型：施密特触发电路、单稳态触发电路、多谐振荡电路。这三种矩形脉冲产生电路可由三极管、R、L、C等分立元件构成，也可用集成门(如TTL及CMOS与非门等)或集成芯片(如555定时器)构成。,6.3 555定时器电路结构及功能 555定时器(Timer)或称时基电路(Timebase Circuit)，是一种用途极为广泛的单片集成电路，只需外接少量的阻容元件，就可方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。555定时器使用灵活、方便，在波形的产生和变换、定时、测量与控制、家用电器、电子玩具及报警防盗等许多领域有广泛应用。,1.电路结构 555定时器产品的型号繁多，但它们的电路结构、功能及外部引脚排列都是基本相同的。图6.2(a)所示为555定时器的结构原理图，图6.2(b)为其外部引脚图。,图6.2 555定时器电路,从图6.2(a)中可以看到，555定时器是由三个5 k的电阻组成的分压器、两个高精度电压比较器C1和C2、与非门G1和G2构成的基本RS触发器以及一个作为放电通路的晶体三极管TD组成的。为了提高电路的驱动能力，在输出级又增加了一个非门G3。在结构图中，引脚旁的数字18为八引脚封装的555定时器产品的引脚编号。两个比较器C1和C2的功能：若V+V，则比较器输出为1(V+为比较器的“”输入端电压，V为比较器的“”输入端电压)；若V+V，则比较器输出为0。,若控制电压输入端vCO(5)悬空时，比较器C1的参考电压V1=VREF1=(2/3)VCC，比较器C2的参考电压V2=VREF2=(1/3)VCC。若vCO(5)端外接固定电压VCO，则V1=VREF1=VCO，V2=VREF2=(1/2)VCO。当不需要外接控制电压时，一般是在vCO(5)端和地之间接一个0.01 F的滤波电容，以提高比较器参考电压的稳定性。,2.功能分析(4)是复位输入端。当为低电平时，无论其他输入端状态如何，电路的输出vO立即变为低电平。因此，在电路正常工作时应将其接高电平。vI1(6)和vI2(2)分别为阈值输入端和触发输入端，在电路正常工作时，电路的状态就取决于这两个输入端的电平：(1)当vI1(2/3)VCC，vI2(1/3)VCC时，比较器C1的输出R=0，比较器C2的输出S=1,基本RS触发器被置0，放电三极管TD导通，输出vO为低电平。,(2)当vI1(2/3)VCC，vI2(1/3)VCC时，比较器C1的输出R=1，比较器C2的输出S=0,基本RS触发器被置1，放电三极管TD截止，输出vO为高电平。(3)当vI1(2/3)VCC，vI2(1/3)VCC时，比较器C1的输出R=1，比较器C2的输出S=1,基本RS触发器的状态保持不变，放电三极管TD和输出vO也保持不变。(4)当vI1(2/3)VCC，vI2(1/3)VCC时，比较器C1的输出R=0，比较器C2的输出S=0，基本RS触发器的Q和 均为1，放电三极管TD导通，输出vO为低电平。根据以上的分析，我们可以得到555定时器的功能表如表6.1所示。,6.4 施密特触发器施密特触发器(Schmitt Trigger)是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，本节分别介绍由集成逻辑门(反相器及与非门等)和555定时器构成的施密特触发器基本原理及其应用。6.4.1 门电路构成的施密特触发器 图6.3(a)所示为用两级CMOS反相器构成的施密特触发器电路。图中G1和G2为两级串接的反相器，R1和R2构成分压环节，输入电压vI通过R1、R2的分压来控制G1、G2门的状态。假定CMOS反相器G1和G2的阈值电压为VGS(th)=(1/2)VDD，并且R1R2。,图6.3 用CMOS反相器构成的施密特触发器,电路分析如下：(1)当vI=0时，门G1截止，=VDD，门G2导通，所以vO=0，这时G1输入vA0。(2)当vI从0逐步上升时，也逐步升高，只要vAVGS(th)，电路输出保持在vO=0稳定状态，这是施密特触发器的第一种稳定状态，即稳态1。(3)当vI上升至使，则门G1导通，=0,门G2截止，所以vO=VDD。这时触发器状态发生了翻转，施密特触发器进入第二种稳定状态，即稳态2。此时的输入值vI称为施密特触发器的上限触发电平VT+:,只要输入信号满足vIVT+，电路就稳定保持在vO=VDD状态(稳态2)上。(4)此后，若vI由最大值逐步下降，则,(6-1),随vI下降而减小。,当vI继续下降至使vAVGS(th)，即 VGS(th)时，门G1截止，门G2导通，输出vO=0。电路再次发生翻转，这时施密特触发器又进入第一种稳定状态(稳态1)。此时的输入值vI称为施密特触发器的下限触发电平VT:,又因为VGS(th)=(1/2)VDD，则,(6-2),只要输入信号满足vIVT，电路就稳定保持在vO=0状态(稳态1)上。根据式(6-1)和式(6-2)可以画出电压传输特性，如图6.4(a)所示。因为vI上升，引起vO正向翻转(上升沿)，vI下降，引起vO反向翻转(下降沿)，即vO和vI的高、低电平是同相的，因此称图6.4(a)为同相输出的施密特触发特性。若以图6.3(a)中的作为输出端，则得到如图6.4(b)所示的电压传输特性。由于和vI的高、低电平是反相的，因此称图6.4(b)为反相输出的施密特触发特性。同相输出和反相输出施密特触发器的逻辑符号如图6.3(b)所示。,图6.4 图6.3电路的电压传输特性,施密特触发器的上限触发电平VT+和下限触发电平VT之差称为回差电压VT，即 VT+、VT和VT是施密特触发器的三个重要参数，由式(6-1)、式(6-2)和式(6-3)可见，改变R1、R2的比值可以调节VT+、VT和VT的大小。,(6-3),由以上分析可知，施密特触发器有两个稳态。两个稳态间的相互转换取决于输入信号vI的大小。当输入信号vI逐步上升到VT+时，电路保持在一个稳态上；当输入信号vI由高逐步下降到VT时，电路保持在另一个稳态上。也就是说，施密特触发器是一种受输入信号电平直接控制的双稳态触发器。两个稳态的转换对应的输入电压值是不同的，VT+总是大于VT，因此施密特触发器的电压传输特性形似磁滞回线，具有回差特性，回差越大，抗干扰能力越强。,6.4.2 集成施密特触发器 TTL施密特触发器74LS132是一种典型的单片集成施密特触发器产品，其内部包括四个相互独立的两输入与非门施密特触发器，每一个触发器都是以基本施密特触发电路为基础，在输入端增加了逻辑与的功能，输出端增加了反相器，因此也称为施密特触发的与非门，其逻辑符号如图6.5所示。,图6.5 集成施密特触发器74LS132逻辑符号,74LS132的上限触发电平VT+=1.42.0 V，下限触发电平VT=0.51.0 V，回差电压VT 的典型值为0.8 V。74LS132的输出Y与输入A、B之间的逻辑关系为Y=。工作过程是：只要A、B中有一个低于施密特触发器的下限触发电平VT，输出Y就是高电平；只有当A、B同时高于上限触发电平VT+时，输出Y才为低电平。其他常见的集成施密特触发器有CMOS 6反相器CC40106、2输入与非门CC14093等，施密特TTL双4输入与非门7413、74LS13等。,6.4.3 555定时器构成的施密特触发器将555定时器的触发输入端vI2(2)和阈值输入端vI1(6)连在一起作为外加触发信号vI的输入端，就构成了施密特触发器，其电路如图6.6所示。图中vCO(5)端接一个0.01 F的滤波电容，复位端(4)接高电平VDD。其工作波形如图6.7所示，它是一个反相输出的施密特触发器。,图6.6 用555定时器构成施密特触发器,图6.7 图6.6所示电路的工作波形,可见，555定时器构成的施密特触发器，其上限触发电平，下限触发电平，回差电压。由此可知，这种用555定时器构成的施密特触发器的传输特性取决于两个参考电压。当然，也可以在vCO(5)端外接控制电压VCO来控制参考电压VREF1、VREF2，此时，VT+=VREF1=VCO，VT=VREF2=(1/2)VCO，VT=(1/2)VCO。这样通过改变控制电压VCO的大小即可对施密特触发器的传输特性进行调整。,6.4.4 施密特触发器的应用利用施密特触发器的回差特性，可以将正弦波、三角波以及其他一些周期性的脉冲波形变换成边沿陡峭的矩形波。因此常用于波形变换、脉冲整形、脉冲鉴幅等。另外，还可以用于构成多谐振荡器，这将在稍后的内容中介绍。图6.8为施密特触发器的典型应用。图6.8(a)是将输入正弦波(也可以是三角波、锯齿波等)通过同相输出的施密特触发器，变换成矩形波。,图6.8(b)是在矩形脉冲波上叠加有干扰噪声的信号通过同相输出的施密特触发器，整形为理想的矩形脉冲波。图6.8(c)是在同相输出施密特触发器的输入端输入一系列幅度不等的三角脉冲信号，对于幅度大于VT+的脉冲，电路有脉冲输出；而对于幅度小于VT+的脉冲，电路则没有脉冲输出，从而达到幅度鉴别的目的。,图6.8 同相输出施密特触发器的典型应用,6.5 单稳态触发器 单稳态触发器(Monostable Multivibrator，或称Oneshot)有稳态和暂稳态两个不同的工作状态，通常情况下处于稳态。在外加触发脉冲的作用下，电路将由稳态进入到暂稳态，在暂稳态维持一定时间后，又会自动返回到稳态，这样就输出了一定宽度和幅度的矩形脉冲。暂稳态持续时间tW的长短由电路中RC元件的充、放电时间决定，与触发脉冲无关。,6.5.1 门电路构成的单稳态触发器 根据单稳态触发器中的R、C元件的不同形式，又可以分为微分型单稳态触发器和积分型单稳态触发器。1.微分型单稳态触发器 图6.9所示的微分型单稳态触发器是由两个TTL与非门和RC微分型定时电路构成的。其中，Ri、Ci构成输入微分电路。电路中参数应满足：RiRon(开门电阻，约3.2 k)，RRoff(关门电阻，约0.91 k)。,图6.9 微分型单稳态触发器,工作过程：(1)当没有触发信号或触发输入vI为高电平时，电路工作在稳态(vO1=VOL，vO2=VOH)。此时电容C开路。由于Ri3.2 k，使v1相当于接高电平，G1导通，输出低电平vO1=VOL=0.3 V。又R0.91 k，使v2相当于接低电平，G2截止，输出高电平vO2=VOH=3.6 V。(2)外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态(vO1=VOH,vO2=VOL)。当vI出现一个下跳变，经RiCi微分输入电路后，v1端得到一个负向尖脉冲，会引起下列正反馈过程：v1vO1v2vO2,结果使门G1迅速截止，vO1上跳至高电平，由于电容C端电压不能突变，v2随vO2也上跳至高电平，门G2迅速导通，电路进入暂稳态。这时vO2输出低电平，触发器接受触发发生一次翻转，从而进入暂稳态。(3)电容的充电使电路由暂稳态自动返回到稳态(vO1=VOL，vO2=VOH)。进入暂稳态后，由于门G1的输出高电平vO1要对电容C充电，随着充电的进行，v2要逐渐下降，当v2VGS(th)(阈值电压，约1.4 V)时，又引起以下正反馈过程：v2vO2vO1,这时G2截止，输出vO2上跳至高电平，这使得G1由截止变为导通，触发器自动翻转一次，回到初始的稳态。根据以上分析，可画出微分型单稳态触发器的工作波形，如图6.10所示。由图6.10可见，暂稳态持续时间，即输出脉冲宽度tW就是电容C开始充电至v2指数下降到VGS(th)的这段时间。电容C充电时的等效电路如图6.11所示。图中的RO为门G1的输出电阻，约为100。,图6.10 微分型单稳态触发器工作波形,图6.11 图6.9电路中电容C充电等效电路,根据对RC电路中电容充、放电过程的分析可知，电容C上的电压vC从充、放电开始到变化至某一数值VTH所经历的时间可以用下式计算:,其中，vC(0+)是电容电压的起始值；vC()是电容电压充、放电的终了值。由图6.10中v2的波形图可见，电容C从3.6 V充至VTH的时间就是tW。将vC(0+)=VOH=3.6 V，vC()=VOL0 V，VTH=VGS(th)=1.4 V代入式(6-4)中，得到,(6-5),(6-4),(4)在vO2返回到高电平，暂稳态结束后，电路还需要一段恢复时间。暂稳态结束后，电路还要等到电容C放电完毕后才能恢复到初始的稳态。一般认为经过35倍电路时间常数的时间以后，RC电路已基本达到稳态。电容C放电时的等效电路如图6.12所示，恢复时间为tre(35)RC(6-6),图6.12 图6.9电路中电容C放电等效电路,为了保证单稳态电路能正常工作，触发信号vI的两个相邻触发脉冲之间的时间间隔T应不小于暂稳态持续时间tW与电容电压的恢复时间tre之和，即TtW+tre(6-7)由以上分析可知，tW的大小取决于RC的充电速度。因此RC称为定时电路，由它决定输出脉冲vO1、vO2的宽度。在定时电路里，为了调整tW，通常以改变C作为粗调，改变R作为细调。,2.积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器如图6.13所示。图中RC为积分型定时电路，其工作过程如下：(1)稳定状态：输入vI为低电平，两个TTL门G1、G2的输出vO1和vO2均为高电平。电容C充电结束，触发器处于稳定状态。当vI上跳变时，两个门的状态同时改变，vO1和vO2均下跳为低电平。触发器翻转一次，进入暂稳态。(2)暂稳定状态：这时输入vI为高电平，vO1输出为低电平，电容C通过R及门G1输出端放电，电压v2呈指数下降。当电压v2下降至VGS(th)(1.4 V)，G2状态发生翻转，vO2上跳至高电平，触发器状态自动翻转一次。,图6.13 积分型单稳态触发器,当触发输入vI下跳后，电容C重新充电完毕后，触发器回到初始稳定状态。在暂态期间，电容C放电未达到阈值电压VGS(th)之前，vI不能由高电平下跳，否则门G2因vI的下跳提前翻转，达不到由RC电路控制定时的目的，故要求vI比输出vO2脉冲宽。根据以上分析，可画出积分型单稳态触发器的工作波形，如图6.14所示。,图6.14 积分型单稳态触发器工作波形,6.5.2 集成单稳态触发器单稳态触发器应用十分广泛，目前在TTL和CMOS集成电路产品中，都有单片集成的单稳态触发器器件。这种集成单稳态触发器除了用于定时的电阻、电容需要外接以外，其他电路都集成在一个芯片上，而且电路还附加了上升沿和下降沿触发控制功能，有的还带有清零功能，并且在电路上采取了温漂补偿措施，因此具有温度稳定性好、使用方便等优点。,目前使用的集成单稳态触发器有不可重复触发和可重复触发两种类型。不可重复触发是指单稳态触发器在暂稳态时间tW内，若有新的触发脉冲输入，电路不会产生任何响应。如图6.15所示，A、B为输入触发脉冲，在A脉冲上升沿作用下，电路进入暂稳态，在暂稳态持续时间tW内，又有B脉冲上升沿来触发，但B脉冲不会引起电路状态的改变，输出脉冲的宽度为tW。,图6.15 不可重复触发单稳态触发器工作波形,可重复触发指单稳态触发器在暂稳态时间tW内，若有新的触发脉冲输入，可被新的输入脉冲重新触发。如图6.16所示，电路在A脉冲上升沿作用下，进入暂稳态，在暂稳态持续时间tW期间，经t(ttW)时间后，又受到B脉冲上升沿的触发，电路的暂稳态时间又将从受B脉冲上升沿触发开始，因此输出脉冲的宽度为t+tW。,图6.16 可重复触发单稳态触发器工作波形,常用的TTL集成单稳态触发器不可重复触发的有74121、74221、74LS221等，可重复触发的有74122、74123、74LS122、74LS123等。常用的CMOS集成单稳态触发器可重复触发的有CC14528、CC14538及不可重复触发的CC74HC123等。下面对TTL集成单稳态触发器中的典型产品74121的电路、功能和使用方法作简要的介绍。图6.17所示为典型的TTL集成单稳态触发器74121的逻辑电路图。74121是不可重复触发的单稳态触发器，它是在基本微分型单稳态触发器基础上附加了输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。图中引脚旁的数字111为74121集成芯片的引脚编号。,图6.17 74121单稳态触发器逻辑电路图,从图6.17中可以看到，门G5、G6、G7和外接电阻R、外接电容C构成微分型单稳态触发器。输出脉冲宽度由外接的R、C的大小决定，其计算公式为tW=0.7RC(6-8)用户可以根据实际要求选择R、C定时元件的大小，方便地调节脉宽。通常R的取值在1.4 40 k之间，C的取值在10 pF10 F之间，得到的tW范围在10 ns300 ms之间。门G1G4构成输入控制电路，用于实现上升沿触发(TR+)或下降沿触发(TRA、TRB)的控制。反相器G8和G9组成输出缓冲电路，用于提高电路的带负载能力。Q和为输出端。,表6.2是74121的功能表。从表6.2中可以看出，触发信号可以加在TR+或TRA、TRB中的任意一端。当上升沿触发输入端TR+和下降沿触发输入端TRA、TRB均没有触发脉冲沿时，电路处于稳定状态，单稳态触发器的输出Q=0，=1；当有触发脉冲作用时，电路进入暂稳态，输出Q=1，=0，具体触发方式有三种：(1)在TRA或TRB端用下降沿触发，这时要求另外两个输入端必须为高电平；(2)TRA和TRB端同时用下降沿触发，并且TR+端为高电平；(3)在TR+端用上升沿触发，同时TRA和TRB中至少有一个是低电平。,图6.18为74121在触发脉冲作用下的工作波形。,图6.18 不可重复触发的74121工作波形图,另外，在74121电路中还设置有一个内部电阻Rint，其阻值不大，约2 k，如果要得到较窄的输出脉冲，可使用Rint以简化外部连线。但如果希望得到较宽的输出脉冲，仍需使用外接电阻R。图6.19为使用内部电阻和使用外接电阻时电路的连接方法。,图6.19 集成单稳态触发器74121的外部连接方法,6.5.3 555定时器构成的单稳态触发器 图6.20为用555定时器构成的单稳态触发器。图中单稳态触发器的触发信号vI加在vI2(2)端；三极管TD的集电极输出vO(7)端和vI1(6)端连在一起，并通过电阻R接电源VCC，通过电容C接地，vI1(6)端的电压就是电容C的电压vC；(4)端接高电平VDD；vCO(5)端接一个0.01 F的滤波电容，这样构成了积分型单稳态触发器。其工作波形如图6.21所示。,图6.20 用555定时器构成单稳态触发器,图6.21 图6.20所示电路工作波形,由以上分析可知，暂稳态持续时间取决于外接电阻R和外接电容C，其输出脉冲宽度tW为,(6-9),由555定时器构成的单稳态触发器，电阻R的取值在几百欧姆至几兆欧姆范围内，电容C的取值在几百皮法至几百微法，所对应的tW范围在几微秒到几分钟。tW越大，触发器的精度和稳定度越差。,需要注意的是，输入触发脉冲的宽度应小于暂稳态持续时间tW，否则在vC(6端)被充到大于(2/3)VCC时，触发输入端(2端)的电压vI仍是低电平，小于(1/3)VCC，电路不能回到稳态。电路要正常工作，需要在暂稳态结束后，输入脉冲vI为高电平。对于较宽的触发信号，可在单稳态触发器的触发输入端之前加入RC微分电路，将触发脉冲变窄后再作用于触发输入端。,6.5.4 单稳态触发器的应用单稳态电路常用于定时(产生固定时间宽度的脉冲信号)、延时(产生滞后于触发脉冲的输出脉冲)以及脉冲波形的整形等。下面是单稳态触发器的一些实际应用。1.定时由于单稳态触发器能产生宽度为tW的矩形脉冲，利用该脉冲去控制其他一些电路，使其在tW这段时间内动作或不动作，便可实现定时。图6.22是单稳态触发器用于定时的典型电路。该电路用vI作为触发脉冲，使单稳态触发器输出宽度为tW的正脉冲vO1，利用vO1打开与门使CP通过与门传输到vO。若vO端再接一个计数器，并使tW调整到1 s，则计数器的读数就是CP的频率。,图6.22 单稳态触发器用于定时,2.延时图6.23是单稳态触发器用于延时的例子。该电路用脉宽为T0的输入信号vI作为单稳的触发脉冲，单稳的输出vO1(脉宽为T1)作为单稳的触发输入，单稳(脉宽为T0)的 端作为延时输出vO。图6.24所示是其工作波形。图中，T1=tW10.7R1C1，T0=tW20.7R2C2。电路把T0信号延迟了一段时间T1后输出。,图6.23 单稳态触发器用于延时,图6.24 图6.23电路波形图,3.脉冲整形利用单稳态触发器，可以将发生畸变的矩形脉冲或波形不规则的脉冲整形为具有一定宽度、幅度和边沿陡峭的矩形脉冲波形。图6.25所示就是单稳态触发器整形的一个例子。,图6.25 单稳态触发器用于整形,6.6 多 谐 振 荡 器多谐振荡器(Astable Multivibrator)是一种不需要外加触发信号，就能够自激产生矩形脉冲的电路。它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。当电路接通电源后就处于某一暂稳态，经过一段时间后自动地翻转到另一暂稳态。两个暂稳态连续交替转换，就产生了一定重复频率和一定脉宽的矩形脉冲。“多谐”是指矩形波中含有丰富的高次谐波分量。,6.6.1 电容正反馈多谐振荡器 图6.26(a)所示为一个简易的电容正反馈多谐振荡器。它由两级TTL反相器G1、G2及R、C电路构成。图6.26(b)为其各点的工作波形。,图6.26 电容正反馈多谐振荡器,在多谐振荡器工作过程中，主要依靠电容C的充、放电，引起A点电位vA的变化，当vA达到TTL门阈值电压VTH时，引起与非门状态的翻转来完成周期振荡产生矩形波。假设从B点刚变为高电位开始分析：此时，G1截止，G2导通，vO为低电平，vB高电位通过R向电容C充电，vA，当vA上升至vAVTH(1.4 V)时，G1由截止变为导通，使输出vB由高电平跳变至低电平，G2由导通变为截止，输出vO由低电平跳变至高电平。由于电容C两端电压不能突变，使vA也随vO的上跳而从1.4 V上跳至4.7 V(V=4.7 V1.4 V=3.3 V)，维持G1导通，G2截止。如图6.26(b)t1时刻所示。,以后电容C放电，vA电位逐渐下降，在vA下降至VTH之前，这段时间称为暂态1，即图中t1t2期间的波形。当vA下降至VTH时，G1由导通变为截止，vB由低电平上跳至高电平，G2由截止变为导通，vO由高电平下跳至低电平。电路又一次自动翻转，vA也随vO的下跳而下跳至1.9 V，如图6.26(b)t2时刻所示。当G1截止，G2导通后，电容C充电，vA电位逐渐上升，在vA上升至VTH之前，这段时间称为暂态2，如图6.26中t2t3期间的波形。,当vA上升至VTH时，G1由截止变为导通，G2由导通变为截止，进入暂态1。以后不断重复上述过程，从而形成周期振荡，在输出端获得矩形波vO。从vA波形可以看到，在tW1期间，电容C放电，vA从4.7 V向0.3 V按指数规律下降，但降到1.4 V时，tW1结束。根据式(6-4)可得出,(6-10),在tW2期间，电容C充电，vA从1.9 V向3.6 V指数地上升，但上升到1.4 V时，tW2结束。因此,(6-11),振荡周期T=tW2+tW2=2.31RC。应当指出，此处tW1、tW2和T的计算结果的误差较大。因为没有考虑在tW2期间，门G1输入级给电容C的充电电流，以及门G1输入级对vA终了值的影响(使其大于3.6 V)。另外，由于个体差异，TTL门的阈值电压也不一定是准确的1.4 V。,6.6.2 环形振荡器 环形振荡器是利用闭合回路中的延迟负反馈产生自激振荡的。它是利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相连而构成的。图6.27(a)所示电路是用三个TTL反相器首尾相连而组成的一个最简单的环形振荡器。,图6.27 简单环形振荡器,若每个TTL反相器的传输延迟时间均为tpd。假设某时刻vO输出为0，并反馈回G1输入端，vI1=0，于是vI2=1，vI3=0，vO=1，即经过3个门的传输延迟时间3tpd后，vO由 01,vO=1再次反馈回vI1，经过3tpd时间，vO由10。如此反复循环，就产生了自激振荡，振荡周期为T=6 tpd。vO的波形如图6.27(b)所示。基于上述原理，将n(n为奇数)个反相器首尾相连而成的环形电路，都能产生自激振荡，且振荡周期为T=2n tpd(6-12),用这种方法构成的振荡器不实用。因为门电路的传输延迟时间极短，TTL电路只有几十纳秒，CMOS电路也不超过一二百纳秒，因此产生的振荡频率极高，要想获得较低一些的振荡频率是很困难的，而且不易控制和调节。为了克服上述缺点，在图6.27电路的基础上增加了RC延迟电路，如图6.28(a)所示。这是一个实用的改进电路，可以通过改变RC的大小实现对振荡频率的调节。由于RC电路的延迟时间远大于门电路的传输延迟tpd，所以在分析电路时通常不考虑tpd的影响。另外，为了防止流过G3门输入端的电流过大(不应超过20 mA)，常在其输入端串接一个100 左右的限流电阻RS。其基本工作原理是利用电容C的充、放电过程，控制电压vI3，从而控制G3门的自动开闭，形成自激振荡。电路各点的工作波形如图6.28(b)所示。其工作过程如下：,图6.28 带RC延迟电路的环形多谐振荡器,(1)暂稳态1(t1t2期间)。设tt1时，G1门导通，G2、G3门截止，输出vO为高电平，由于vO2=1，vI2=0，于是vO2通过R向电容C开始充电。充电路径为：G2输出端vO2R CvI2。随着C的充电，vI3指数上升。当t=t1时，电压vI3上升至G3门的阈值电压VTH，G3发生翻转而导通，输出vO下跳至低电平，G1也发生翻转而截止，vI2上跳至高电平。由于电容C电压不能突变，vI3也随vI2上跳。振荡器自动翻转一次，进入t1t2阶段的暂稳态1。当tt1时，由于vI2=1，vO2=0，于是电容C开始放电。放电路径为：G1输出端vI2CRG2输出端vO2。随着C的放电，vI3指数下降。在未下降到阈值电压VTH之前，暂稳态1就维持不变。,(2)暂稳态2(t2t3期间)。当t=t2时，电压vI3下降至VTH，G3门由导通变为截止，vO上跳为高电平，G1门由截止变为导通，vI2输出由高电平下跳为低电平，G2门由导通变为截止，输出vO2由低电平上跳为高电平。同样由于电容C电压不能突变，使得vI3也随vI2的下跳而下跳。这样，振荡器又自动翻转一次，进入t2t3阶段的暂稳态2。当tt2时，与tt1时的状态相同，电容C充电，vI3指数上升。只要vI3未上升至阈值电压VTH，暂稳态2维持不变。而当t=t3时，又重复t=t1时的过程。上述过程自动周期重复，形成多谐振荡。,根据以上分析，可求得(忽略了TTL门输出电阻的影响):,(6-13),(6-14),(6-15),可见，通过调节电容C和电阻R可以调节振荡器的频率。一般以电容C作为粗调，电阻R用可变电位器细调。,6.6.3 石英晶体多谐振荡器在许多应用场合下，对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格要求。例如将多谐振荡器作为数字时钟的脉冲源使用时，它的频率稳定性直接影响到计时的准确性。为了得到频率稳定性较高的脉冲信号，常采用如图6.29所示的石英晶体多谐振荡器。与非门G1和G2构成多谐振荡器，G3作为整形电路，在一条耦合支路中串接了石英晶体。石英晶体具有的电抗频率特性如图6.30所示。,图6.29 石英晶体多谐振荡器,图6.30 石英晶体电抗频率特性,石英晶体具有一个极其稳定的串联谐振频率f0，在多谐振荡器反馈支路中串入石英晶体，当谐振频率为f0时，石英晶体的电抗最小(X=0)，信号最容易通过，而在该频率的两侧，晶体的电抗X迅速增大，其他频率信号均被衰减掉。也就是说，振荡器只有在这个频率f0时满足起振条件而起振。振荡的波形经过G3整形后输出矩形脉冲波。因此，多谐振荡器的振荡频率仅取决于石英晶体的振荡频率f0，而与电路中的R、C无关，这就是晶体的稳频作用。该振荡器的频率稳定度可达107左右。,6.6.4 由施密特触发器构成的多谐振荡器 由施密特触发器构成的多谐振荡器电路如图6.31(a)所示。它是将施密特触发器的反相输出端经RC积分电路接回输入端而构成的。当接通电源时，因为电容上的初始电压vC为零，因此输出vO为高电平。此后vO通过R对C充电，vC电位逐渐上升，当vCVT+时，施密特触发器输出由高电平变为低电平；vC又经R通过vO放电，vC电位逐渐下降，当vCVT时，施密特触发器输出电平由低变高。电容C重新开始充电，如此反复，形成多谐振荡。vC和vO的工作波形如图6.30(b)所示。,图6.31 施密特触发器构成的多谐振荡器,若使用的是CMOS施密特触发器，则,(6-16),(6-17),(6-18),6.6.5 555定时器构成的多谐振荡器将555定时器的vI1(6)和vI2(2)连在一起，作为输入信号vI，(4)端接高电平VDD，vCO(5)端接一个0.01 F的滤波电容，就构成了如图6.6所示的施密特电路形式。将TD输出端(7)通过电阻R1接到VCC，再经过R2C积分电路反馈至vI，就构成自激多谐振荡器，如图6.32所示，图6.33所示为其工作波形。,图6.32 用555定时器构成单稳态触发器,图6.33 图6.32所示电路工作波形,由上述分析可知，电容C充电时，暂稳态持续时间(输出高电平脉宽)为,(6-19),同理，电容C放电时，暂稳态持续时间(输出低电平脉宽)为,电路输出矩形脉冲的周期为T=tW1+tW2=0.7(R1+2R2)C(6-21)输出矩形脉冲占空比q为,(6-22),6.6.6 多谐振荡器的应用 石英晶体多谐振荡器产生的稳定性极高的基准信号，常作为各种计时系统的基准信号源。例如现有的专用时钟集成电路有国内的5G5544，国外的SM5544H，具有功耗低、精度高、体积小、走时长、价格低的特点。由555定时器构成的多谐振荡器常用于防盗报警装置或产生间歇性振荡等。,【例6-1】两片555定时器构成如图6.34所示电路。(1)在图示元件参数下，估算vO1、vO2端的振荡周期T各为多少？(2)定性画出vO1、vO2的波形，说明电路具有何种功能？(3)若将555芯片的vCO(5)端改接+4 V，对电路的参量有何影响？解：由图6.34可知，两个555定时器均被连接成多谐振荡器，vO1输出被接至555(2)的置零端(4)，因此只有当vO1为高电平时，555(2)才能工作，否则vO2=0。,图6.34 例6-1电路图,(1)vO1端的振荡周期：T1=0.7(R1+2R2)C=0.7(100+250)1035106=700 ms vO2端的振荡周期：T2=0.7(R1+2R2)C=0.7(10+25)1030.01106=0.14 ms可见555(1)的输出频率远低于555(2)的输出频率。(2)因为当vO1为高电平时，vO2才有输出，当vO1为低电平时，vO2停止振荡，输出为0，故vO1、vO2的波形如图6.35所示。该电路可以产生间歇性振荡，若vO2被连接到扬声器上，则可发出间歇声响。,图6.35 vO1、vO2的波形,(3)若将vCO(5)端改接到+4 V电压上，多谐振荡器vO1、vO2的输出周期T为,所以,由于T变大，因此vO1、vO2的频率均下降。,本章小结 本章介绍了用于产生矩形脉冲的一些常用电路以及它们的应用。施密特触发器和单稳态触发器是最常见的两种整形电路，它们不能自动产生脉冲信号，但能将其他形状的周期性信号变换成所要求的矩形脉冲信号，达到整形目的。施密特触发器的输出脉冲宽度由输入信号决定，它是一种受输入信号电平直接控制的双稳态触发器，两个稳态的转换对应的输入电压值是不同的，电压传输特性具有回差特性。单稳态触发器输出脉冲宽度则完全由电路的RC参数决定，与输入信号无关，输入信号只起触发作用。因此，单稳态触发器可以用于产生固定宽度的脉冲信号。,自激振荡器不需要外加输入信号，只要接通电源，就能自动产生矩形脉冲信号。它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。它是利用电容C的充、放电来完成两个暂稳态的连续交替转换，从而形成周期振荡产生矩形波的。555集成定时器是一种应用广泛、使用灵活的集成器件，只需外接少量的阻容元件，就可方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。555定时器还可以接成各种应用电路。目前已有专门介绍555定时器的应用与设计方面的书籍读者可参阅。,思 考 题 1.在图6.3(a)所示的施密特触发器电路中，为什么要求R1R2？2.反相输出的施密特触发器电压传输特性和普通反相器的电压传输特性有什么不同？3.在图6.6用555定时器构成的施密特触发器电路中，用什么方法能调节回差电压的大小？4.单稳态触发器输出脉冲宽度由哪些因素决定？与触发脉冲的宽度和幅度有无关系？,5.在图6.20用555定时器构成的单稳态触发器电路中，若触发脉冲宽度大于单稳态持续时间，电路能否正常工作？如果不能，则电路应做何修改？6.为什么石英晶体能稳定振荡器的振荡频率？,