脈沖波形的產(chǎn)生與變換

1、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(gòu)成,也可以用集成定時器構(gòu)成。下面先來介紹由集成門構(gòu)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(xí)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

2、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。9.1.1 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(gòu)成頻率較高的多諧振蕩器,而CMOS門電路適用于構(gòu)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)形多諧振蕩器理及工作原理；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uouo11G11G21G3uo1uo2uo

3、uo3uo2uo3Ttpd2tpd3tpd(a) (b)圖91 由非門構(gòu)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91（）為由三個非門構(gòu)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(zhuǎn)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91（）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。 RC環(huán)形多諧振蕩器如圖92所示,RC環(huán)形多

4、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100左右；R、C為定時器件,R的值要小于非門的關(guān)門電阻,一般在700 以下,否則,電路無法正常工作。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。1G11G21G3u2u3uou4u1CRRS圖92 RC環(huán)形多諧振蕩器.工作原理設(shè)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(dāng)u4

5、超過3的輸入閥值電平UTH時,G3翻轉(zhuǎn),u0u1變?yōu)榈碗娖?使G1也翻轉(zhuǎn),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(dāng)u4低于UTH時,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。電路各點的工作波形如圖93所示。t0uotu20tu30t0u4UTH-UTHUOLUOHUOH+UTH-UOHt1t2 圖93 RC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

6、法,可以得到充電時間tW1: tW1lnRCln 同理,求得放電時間tW2: tW2lnRCln 其中: 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)UOH3V、UOL0.3V、UTH1.4V,故脈沖周期T TtW1tW20.6RC1.3RC1.9RC 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1G11G21G3uoRCReT+VCC由于電阻R不能取得過大（700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射級跟隨器,可使R的可調(diào)范圍增大,在圖94所示電路中,R的取值可以達到10K,若將晶體三極管 改為均效應(yīng)管,R的取值可

7、以達到20M,這樣,振蕩頻率的調(diào)節(jié)范圍就很寬。圖94 改進的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(108),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(gòu)成振蕩電路,尤其適用于頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度要求不太嚴格的低頻時鐘振蕩電路。電路組成及工作原理圖95所示為一個由CMOS反相器與R、C元件構(gòu)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(zhuǎn)。ui1uo2uo11G11G2u

8、i2RC圖95 CMOS多諧振蕩器接通電源后,假設(shè)電路初始狀態(tài)ui10,門G1截止,u011,門G2導(dǎo)通,u020,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(dāng)ui1達到門G1的閥值電壓UTH時,門G1由截止變?yōu)閷?dǎo)通,電路發(fā)生如下正反饋過程:ui1uo1uo2即門G1導(dǎo)通,門G2截止,u010,u021,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ui1uo1uo2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VD

9、D。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(dāng)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(dǎo)通,即u011,u020,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。工作波形見圖96。0tuo10tui10UTHVDD+VF-VFtuo2Ttw1tw2t1圖96 CMOS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 VDDVF（其中VF為鉗位二極管的導(dǎo)通壓

10、降）,發(fā)生負跳變時峰值不可能超過VF。振蕩周期T和振蕩頻率f的計算在CMOS電路中,若VF0V,且UTHVDD,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:T2t2RCln2RCln2RCln21.4RC 振蕩頻率f【例91 】 在圖95的CMOS多諧振蕩器中,已知VDD10V,UTH5V,VF1V,R100K,C0.001f, 試計算電路的振蕩頻率。解: TtW1tW2RClnRCln100×103×0.001×106×ln100×103×0.001×106×ln1.577

11、15;104(S) 振蕩頻率f6.3(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(zhuǎn)換電平的時間來決定。由于轉(zhuǎn)換電平受溫度變化有一些影響,受外界干擾后,電路轉(zhuǎn)換時間發(fā)生變化的影響及電容充放電速度變緩后,轉(zhuǎn)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(shè)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(gòu)成石英晶體振蕩器,如圖97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。1G11G2R1R2C1C2uo圖97 石英晶體多諧振蕩器石英

12、晶體具有很好的選頻特性如圖98所示。把石英晶體對稱接入反饋回路后,只有當(dāng)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(jié)構(gòu)有關(guān)的諧振頻率f0,與R和C的大小無關(guān),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(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2。fX0fo電容性電感性圖98 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

13、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(zhuǎn)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(guān)。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

14、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。9.2.1 CMOS門電路構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(1) 電路的組成圖99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(gòu)成微分電路,故稱為微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。+VDDui1uo2Ruo11G1ui2C1G2圖99 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VON和關(guān)門電平VOFF相等,這個理想化的開門電平或關(guān)門電平稱

15、為閥值電壓UTH（一般UTHVDD）,當(dāng)輸入uiUTH時,輸出uo0；當(dāng)uiUTH時, uoVDD1。 穩(wěn)態(tài)接通電源,無觸發(fā)信號（ui10）,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ui2VDD1,門G導(dǎo)通,輸出uo20,門G1截止,輸出uo1VDD1,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(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)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:ui1uo1uo2ui2然而,這

16、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(dǎo)通工作管對電容C充電。隨著充電的進行,ui2逐漸上升,當(dāng)ui2UTH時,電路發(fā)生下述正反饋（設(shè)此時觸發(fā)脈沖已消失）:ui2uo2uo1C充電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u01VDD,u020,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(yīng)由UTH上跳到UTHVDD,但CMOS門電路的內(nèi)部輸入端有二極管限幅保護電路,因此ui2只能躍升到VDD0.6V。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

17、和門G2的輸入端保護二極管放電,使ui2 恢復(fù)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910所示。tui10VDDVDDtuo10ui2VDD0UTHVDD+0.6Vtuo20t1t2tWtre圖910 CMOS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(shè)電容C充電起點（即t1時刻）為0時刻,則有 ui2(0+)0,ui2()VDD,RC, ui2(tW)UTHVDD根據(jù)RC電路暫態(tài)過程全響應(yīng)公式 ui2(tW)ui2()ui2(0+)ui2()e可得 tWlnRCln0.7RC 恢復(fù)時間tre

18、,從暫態(tài)結(jié)束到電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)初始值所需時間,即電容C放電時間tre3d 式中: d為電容C放電過程的時間常數(shù)。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(fù)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TmintWtre,則電路的最高工作頻率為fmax 【例92】 在圖99所示電路中,已知:R20k,C0.01F。試求輸出脈沖寬度tW。解:根據(jù)式（6.36） tW0.7RC0.7×20×103×0.01×106140(S) 9.2.2 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

19、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖911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。ui1+VDDRCuo2uo11G1ui21G2圖911 CMOS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(dāng)電路的輸路,入ui1為高電平時,電路處于穩(wěn)態(tài),門G1、G2均導(dǎo)通,uo1、ui2、uO2均為低電平。 暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)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(fù)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（

20、門G1的輸出電阻）和R放電,ui2逐漸上升,當(dāng)升高到該門的閥值電壓UTH時（假定ui1仍為電平）,門G2導(dǎo)通,u02變?yōu)榈碗娖?。?dāng)ui1回到高電平后,門G1導(dǎo)通,uO1為低電平,此時電容充電,電路恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。電路各點的工作波形如圖912所示(3) 參數(shù)計算 脈沖寬度tW tW的估算公式和微分型電路相同 tWRCln0.7RC 這種電路要求輸入信號ui1的脈沖寬度（低電平時間）應(yīng)大于輸出脈寬tW。 恢復(fù)時間tre tre3RC 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

21、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(yīng)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。ui1t0tuo10tuo20twtui20UTH 圖912 CMOS積分型單穩(wěn)態(tài)電路工作波形9.2.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)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(zhuǎn)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、

22、閉門電路,也可定時控制某電路的動作。如圖913所示,ui1只有在矩形波ui3存在的時間tW內(nèi)才能通過。ui2uoui1&單穩(wěn)態(tài)電路ui3tui20tui30tWtui10tuo0圖913 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時作用(2)整形假設(shè)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914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(dāng)?shù)貞?yīng)用于信號傳輸?shù)臅r間配合上。tuo0tui0圖914 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

23、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(zhuǎn)(10和01)的輸入電壓不同,具有如圖626（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(dāng)輸入信號正向增加到UT時,輸出由0態(tài)翻轉(zhuǎn)到1態(tài),而當(dāng)輸入信號正向減小到UT時,輸出由1態(tài)翻轉(zhuǎn)到0態(tài)；反相輸出只是輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換時與上述相反。它們的回差特性和邏輯符號如圖915所示。1 u

24、iuouiuo0uoHuoLUT-UT+（a）同相輸出的回差特性 （b）同相輸出的邏輯符號1 uiuouiuo0uoHuoLUT-UT+ (c)反相輸出的回差特性 （d）反相輸出的邏輯信號圖915 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(gòu)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(gòu)成的同相輸出的施密特觸發(fā)器。1. CMOS門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器(1) 電路組成如圖916所示,由二個CMOS反相器及兩個電阻R1和R2構(gòu)成一個施密特觸發(fā)器。R1ui1uouo11G11G2R2ui 圖91

25、6 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輸入一個三角波,其波形如圖628所示。當(dāng)ui0時,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,電路就保持在第穩(wěn)態(tài)。當(dāng)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(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,電路進入第穩(wěn)態(tài)。以后,即使ui繼續(xù)上

26、升,只要滿足ui1大于CMOS門電路的開啟電壓UT,電路就保持在第穩(wěn)態(tài)。若ui由VDD下降,ui1也下降,當(dāng)ui1降至UT時,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 第穩(wěn)態(tài)。若電路已處于第穩(wěn)態(tài),則ui繼續(xù)下降,施密特觸發(fā)器仍維持第穩(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917所示。tui0UT+UT-VDDtuo10tuo0穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)圖917 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重要的現(xiàn)象,即在輸入電壓上升過程中

27、,電路由第穩(wěn)態(tài) 翻轉(zhuǎn)到第穩(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穩(wěn)態(tài)回到第穩(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UUTUT稱作回差電壓（或稱滯后電壓）,簡稱回差。UT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(zhuǎn)的輸入電壓ui,也就可求得UT: ui1×R2uo×R2UTCMOS門輸出低電平約為0V,uo0V, UT就是符合上式要求的ui值:UTui(1)UT UT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(zhuǎn)的

28、輸入電壓ui,也就可求得UT: ui1×R2uo×R2VDDUT CMOS門輸出高電平約為VDD,uoVDD, UT就是符合上式要求的ui值:UTui(1)UTVDD U的計算 UUTUTVDD )根據(jù)上面的分析,可以知道施密特觸發(fā)器的回差U,可以通過改變R1、R2阻值來調(diào)節(jié)。 2. 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骄彽男盘柌ㄐ巫儞Q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918所示為將輸入的正弦波轉(zhuǎn)換為矩

29、形波,其輸出脈寬tW可由回差U調(diào)節(jié)。tui0UT+tuo0UT-圖918 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U大于干擾信號的幅度）。如圖919所示.t0tui0UT+UT-uotw圖919 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(gòu)成 脈沖幅度鑒別器,如圖920所示,可以鑒別幅度大于UT的脈沖信號。tui0tuo0UT+UT- 圖920 施密特觸發(fā)器的鑒幅作用(4) 構(gòu)成

30、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(fù)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(gòu)成多諧振蕩器,電路如圖921（a）所示。(a) (b)圖621 反相輸出的施密特觸發(fā)器構(gòu)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(dāng)uc到達UT時,觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),輸出u0由高電平變?yōu)榈碗娖?。然后C經(jīng)R到u0放電,使uc下降,當(dāng)uc下降到UT時,電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn),輸出u0變?yōu)楦唠娖?u0再次通過R對C充電,如此反復(fù),形成振蕩。工作波形如921（b

31、）所示?！纠?3 】 在圖921(a)中,已知:VDD10V,UT6V, UT3V,C0.01f,R5K。試計算其輸出電壓uo的振蕩周期。解:根據(jù)圖921(b)的波形圖,設(shè)電容C充電時間為tW1、放電時間為tW2,則振蕩周期T為: TtW1tW2RClnRCln50×103×0.01×106(lnln)6.26×105(s) (5) 施密特觸發(fā)器構(gòu)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(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,電路如圖922（a）所示.工作過程:當(dāng)ui0時,uR0, uo0,電路進入穩(wěn)態(tài)。當(dāng)ui正跳變時,由于電容C上的電壓不能突變,uR也上跳與

32、ui相同的幅值,一旦超過正向閥值電壓UT ,輸出就翻轉(zhuǎn)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(dāng)降至UT時,電路又將自動翻轉(zhuǎn),uO0,回到穩(wěn)態(tài)。工作波形如圖922（b）所示。uRRC1 uouituR0tui0uT+uT-tuo0tw(a) (b)圖922 施密特觸發(fā)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及其工作波形輸出脈沖寬度tW與U有關(guān), U越小,則脈寬越窄；反之, U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

33、和邏輯功能巧妙地結(jié)合在一起,具有功能強大、使用靈活、應(yīng)用范圍廣等優(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(shè)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(gòu)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集成定時器按內(nèi)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

34、器靜態(tài)功耗高,電源電壓使用范圍為515V；CMOS型的定時器靜態(tài)功耗較低,輸入阻抗高,電源電壓使用范圍為318V,且在大多數(shù)的應(yīng)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。9.4.1 555定時器的電路結(jié)構(gòu)如圖923（a）、（b）、（c）所示分別為CC7555定時器內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)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923（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(yīng)管。111111 VDDRRRA1A2G0G1G2G3G4G5VU1U1U2U2RSQQQQ閾值輸入端TH電壓控制端C

35、O觸發(fā)輸入端TR地GND放電端D輸出端OUT直接復(fù)位端RD(a)8 476 7555 321 5GNDCOOUTTRTHD+VDDRDTHD+VDDOUTRDTRGNDCO8 7 6 57555 1 2 3 4 (b) (c)圖923 CC7555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5k，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U1VDD,A2的“”端電壓U2VDD。當(dāng)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(zhuǎn),Q0。而當(dāng)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(zhuǎn),

36、Q1。2 基本RS觸發(fā)器由兩個或非門G1、G2組成。當(dāng)R端置1時,觸發(fā)器置0,輸出端OUT為0；當(dāng)S端置1時,觸發(fā)器置1,輸出端OUT為1。當(dāng)直接復(fù)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(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)動能力。3. 場效應(yīng)管VV是一個由NMOS管構(gòu)成的放電開關(guān),狀態(tài)受RS觸發(fā)器輸出的控制。1時,V導(dǎo)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62所示。 集成定時器應(yīng)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。1. 用CC7555定時器構(gòu)成多諧振

37、蕩器(1) 電路組成用CC7555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖924（a）所示。其中電容C經(jīng)R2、定時器的場效應(yīng)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0.01F的濾波電容,以消除干擾。 表91 CC7555定時器的邏輯功能表閾值輸入TH觸發(fā)輸入直接復(fù)位輸出OUT放電管V××00導(dǎo)通VDD1VDD110導(dǎo)通VDD0VDD011斷開VDD0VDD11不變不變VDD1VDD01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

38、后VDD經(jīng)R1和R2對C充電,使uc不斷上升,當(dāng)uc上升到ucVDD時,電路翻轉(zhuǎn)置0,輸出u0變?yōu)榈碗娖? 此時,放電管V由截止變?yōu)閷?dǎo)通,進入第2暫穩(wěn)態(tài)。C經(jīng)R2和V開始放電,使uc下降,當(dāng)ucVDD時,電路又翻轉(zhuǎn)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(fù),從而形成連續(xù)振蕩。工作波形如圖635（）所示。8 476 7555 321 5R1R2ucC+VDDuo0.01µFtuo0tw2tw1tuc0T (a) (b)圖924 用CC7555構(gòu)成的多諧振蕩器及工作波形(3)主要參數(shù)的計算輸出高電平的脈寬tW1為C充電所需的時間 tW1（R1R2）

39、ln0.7（R1R2）C 輸出低電平的脈寬tW2為C放電所需的時間tW2R2Cln0.7R2C 振蕩周期 TtW1tW20.7(R12R2)C 振蕩頻率 f 空比 q50%2.用CC7555定時器構(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925（a）所示。R和C為定時元件,0.01µF電容為濾波電容。(2) 工作原理穩(wěn)態(tài)當(dāng)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(dāng)ucVDD時,觸發(fā)器置0,輸出u0為低電平,放電管V導(dǎo)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)。8 476 755

40、5 321 5R+VDDucCuo0.01µFuitui0tuc0tuo0tw (a) (b) 圖925 用CC7555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及工作波形暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)觸發(fā)脈沖ui的負窄脈沖觸發(fā)后,由于uiVDD,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。暫穩(wěn)態(tài)自動到恢復(fù)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(dāng)ucVDD時,觸發(fā)器置0,輸出u0為低電平,放電管V導(dǎo)通,定時結(jié)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(fù)穩(wěn)態(tài)。當(dāng)?shù)诙€觸發(fā)信號到來時,重復(fù)上述工作過程。其工作波形如圖925b）所示。(3) 輸出脈寬tW

41、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。tWRCln1.1RC 可以看出,輸出脈寬tW僅與定時元件R、C值有關(guān),與輸入信號無關(guān)。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(gòu)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926（）所示。8 46 32 75551 5UCO+VDDuiuotuo0tui0 (a) (b)圖926 用CC7555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器及工作波形(2) 工作原理設(shè)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(dāng)滿足VDDuiVDD時,電路維持原態(tài)。當(dāng)uiVDD時,觸發(fā)器置0,輸出u0為低電平,放電管V導(dǎo)通,電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)?？梢?該施密特觸發(fā)器的正向閥值電壓UTVDD。 當(dāng)輸入電壓uiVDD,經(jīng)過一段時間后,逐漸開始下降,當(dāng)VDDuiVDD時,電路仍維持不變的 狀態(tài),輸出u0為低電平。當(dāng)uiVDD時,觸發(fā)器置1,輸出u0變?yōu)楦唠娖?放電管V截止?？梢?該電路負向閥值電壓UTVDD,