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1、第第10章章脉冲单元电路脉冲单元电路本章节主要内容本章节主要内容l10.1脉冲信号与脉冲电路脉冲信号与脉冲电路l10.2集成门构成的脉冲单元电路集成门构成的脉冲单元电路l施密特触发器施密特触发器l单稳态触发器单稳态触发器l多谐振荡器多谐振荡器l10.3555定时器及其应用定时器及其应用l555定时器的电路结构定时器的电路结构l用用555定时器构成施密特触发器定时器构成施密特触发器l用用555定时器构成单稳态触发器定时器构成单稳态触发器l用用555定时器构成多谐振荡器定时器构成多谐振荡器总目录总目录总目录总目录10.1脉冲信号与脉冲电路脉冲信号与脉冲电路l10.1.1脉冲信号脉冲信号l广义：凡是
2、没有连续正弦波信号。广义：凡是没有连续正弦波信号。l狭义：持续时间极短的电压或电流波形。狭义：持续时间极短的电压或电流波形。l现代电子系统都离不开脉冲信号。获取这些脉冲信号的方法现代电子系统都离不开脉冲信号。获取这些脉冲信号的方法通常有两种：通常有两种：l直接产生直接产生l利用已有信号变换得到利用已有信号变换得到l与产生模拟信号要用模拟振荡器一样，产生脉冲信号要用脉与产生模拟信号要用模拟振荡器一样，产生脉冲信号要用脉冲振荡器。脉冲波形变换包括脉冲宽度、幅度、相位及上升冲振荡器。脉冲波形变换包括脉冲宽度、幅度、相位及上升和下降时间等等的改变，通过变换，使这些特性符合要求。和下降时间等等的改变，通
3、过变换，使这些特性符合要求。l10.1.2脉冲电路脉冲电路l用来产生和处理脉冲信号的电路。用来产生和处理脉冲信号的电路。描述矩形脉冲特性的指标描述矩形脉冲特性的指标 trtfTWT0.9 Um0.5 Um0.1 UmUm10.2集成门构成的脉冲单元电路集成门构成的脉冲单元电路l10.2.1施密特触发器施密特触发器VIVoVIR2VoG1G2R111两极两极CMOS反相器构成施密特触发器反相器构成施密特触发器G1，G2为为CMOS反相器，门电路的阈值电压为：反相器，门电路的阈值电压为：VTH=1/2VDD，且且R1R2。VI=0时，时，VO=VOL 0，VI 0l当当VI从从0逐渐升高到使得逐渐
4、升高到使得VI=VTH时时,电路发生正反电路发生正反馈馈,电路状态迅速转换为电路状态迅速转换为Vo=VOH VDDVIVO1VoVIVo1Vo正向阈值电压：正向阈值电压：VI上升过程中电路状上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平如右图态发生转换时对应的输入电平如右图正向阈值电压：正向阈值电压：VT+=（1+R1/R2）VTH负向阈值电压：负向阈值电压：VI上升过程中电路状上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平如右图态发生转换时对应的输入电平如右图负向阈值电压：负向阈值电压：VT-=（1-R1/R2）VTHlv回差：回差：l和定义回差电压和定义回差电压VT=VT+VT-l通过改变通过改变
5、R1和和R2的比值，可以调节的比值，可以调节VT+、VT-和回和回差电压的大小，但差电压的大小，但R1必须小于必须小于R2，否则电路将进入，否则电路将进入自锁状态，不能正常工作。自锁状态，不能正常工作。l施密特触发器与其说是施密特触发器与其说是“触发器触发器”，不如说是，不如说是具有滞后特性的数字传输门，其特点有二：具有滞后特性的数字传输门，其特点有二：l1输入电平的阈值电压由低到高为输入电平的阈值电压由低到高为，由高到低，由高到低为为，且，且，输出的变化滞后于输入，形成，输出的变化滞后于输入，形成回环。我们将称回环。我们将称为正向阈值电压，为正向阈值电压，称称为负向为负向阈值电压，二者的差值
6、称为回差。阈值电压，二者的差值称为回差。l2与双稳态触发器和单稳态触发器不同，施密特触与双稳态触发器和单稳态触发器不同，施密特触发器属于发器属于“电平触发电平触发”型电路，不依赖于边沿陡峭型电路，不依赖于边沿陡峭的脉冲。的脉冲。l电压传输特性曲线电压传输特性曲线同向传输特性同向传输特性反向传输特性反向传输特性用用TTL门构成的施密特触发器门构成的施密特触发器l两极两极TTL门构成的施密特触发器门构成的施密特触发器lG1为与非门，为与非门，G2为反相器为反相器,V1通过电阻通过电阻R1和和R2来控来控制门的状态。制门的状态。VIVoVIR2VoG1G2R11&Dl带与非功能的带与非功能的TTL集
7、成施密特触发器集成施密特触发器图形符号图形符号l施密特触发电路的应用施密特触发电路的应用l波形变换波形变换:将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。沿很陡的矩形脉冲信号。l脉冲整形：在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往脉冲整形：在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。发生波形畸变。l脉冲鉴幅：可在输入的一系列幅度各异的脉冲信号脉冲鉴幅：可在输入的一系列幅度各异的脉冲信号中选出幅度大于某一定值的脉冲输出。中选出幅度大于某一定值的脉冲输出。10.2.2单稳态触发器单稳态触发器l单稳态触发器的工作特性单稳态触发器的工作特性l它有稳态和暂稳态两个
8、不同的工作状态；它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；l在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，电路能自动返回稳态；维持一段时间以后，电路能自动返回稳态；l暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。的宽度和幅度无关。l单稳态触发器被广泛用于脉冲整形、延时（产生滞后单稳态触发器被广泛用于脉冲整形、延时（产生滞后于触发脉冲的输出脉冲）以及定时（产生固定时间宽于触发脉冲的输出脉冲）以及定时（产生固定时间宽度的脉冲信号）等度的脉冲信号）等l单稳
9、态触发器的暂稳态通常是靠单稳态触发器的暂稳态通常是靠RC电路的充、放电过电路的充、放电过程来维持的程来维持的lRC电路可接成两种形式：微分和积分电路形式电路可接成两种形式：微分和积分电路形式稳态稳态:V0=0暂稳态暂稳态:V0=1C RVDD Vi2微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器:采用采用CMOS门电路和门电路和RC微分电路微分电路l2.Vo1迅速跳变为低电平，迅速跳变为低电平，VI2也同时跳变为低，也同时跳变为低，Vo跳变为高电平，跳变为高电平，电路进入暂稳态。同时电容电路进入暂稳态。同时电容C开始充电，开始充电，VI2逐渐升高逐渐升高l3.当当VI2升高至升高至VTH时，时，l此时若
10、触发脉冲已消失，则此时若触发脉冲已消失，则Vo1，VI2迅速跳变为高电平，并使输出迅速跳变为高电平，并使输出返回返回Vo=0，电路恢复稳态。同时电容，电路恢复稳态。同时电容C放电到放电到C上电压为上电压为0。l输出脉冲幅度：输出脉冲幅度：Vm=VOH-VOL VDDl输出脉冲宽度：输出脉冲宽度：l恢复时间：恢复时间：Tre=(35)RONCl分辨时间：分辨时间：Td=tw+Trel1.在稳态下，在稳态下，VI=0,VI2=VDD，故故Vo=0，Vo1=VDD，C上无上无电压当触发脉冲电压当触发脉冲VI加到输入端时，经过微分电路输出很窄的正、加到输入端时，经过微分电路输出很窄的正、负脉冲负脉冲V
11、d。当。当Vd上升到上升到VTH以后，引发正反馈过程：以后，引发正反馈过程：VI2VoVo1VdVo1VI2Vol微分型单稳态触发器的工作波形微分型单稳态触发器的工作波形l单稳态触发电路的应用：单稳态触发电路的应用：l脉冲整形：将输入的不规则脉冲整型为具有一定幅脉冲整形：将输入的不规则脉冲整型为具有一定幅度和一定宽度的脉冲。度和一定宽度的脉冲。l脉冲延时：可改变单稳态触发器的脉冲延时：可改变单稳态触发器的Rb1、C来调节延来调节延迟时间。迟时间。l定时：调节单稳电路中的定时元件定时：调节单稳电路中的定时元件Rb1或或C，可改变，可改变控制时间的长短。控制时间的长短。10.2.3多谐振荡器多谐振
12、荡器l多谐振荡器是一种自激振荡器。多谐振荡器是一种自激振荡器。l在接通电源以后不需要外加触发信号，便能自在接通电源以后不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲。动地产生矩形脉冲。l由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以又把矩形波振荡器称为多谐振荡器。又把矩形波振荡器称为多谐振荡器。l对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器l可恰当地选取可恰当地选取RF1和和RF2的值，使的值，使反相器的静态工作点反相器的静态工作点P位于电压传位于电压传输特性的线性区或转折区，电源输特性的线性区或转折区，电源波动和外界干扰使波动和外界干扰使VI1有微小的正有微小的正跳变，必有
13、如下反馈：跳变，必有如下反馈：Vo2RF1C2RF2G1G2R111Vo1VI2C1使使Vo1迅速跳变为低电平，迅速跳变为低电平，Vo2迅速跳变为高电平，电路进入第迅速跳变为高电平，电路进入第1个暂稳个暂稳态，同时电容态，同时电容C1开始充电，充电速度较快。开始充电，充电速度较快。VI1Vo1VI2Vo2VI2Vo2VI1Vo1lVI2首先上升至首先上升至G2的阈值电压的阈值电压VTH，并引起如下正反馈，并引起如下正反馈,从而使从而使Vo2迅迅速跳变至低电平而速跳变至低电平而Vo1迅速跳变至高电平，电路进入第二个暂稳态。接迅速跳变至高电平，电路进入第二个暂稳态。接着着C2开始充电而开始充电而C
14、1开始放电。开始放电。各点电压的波形图各点电压的波形图l环形振荡器环形振荡器l一个最简单的环形振荡一个最简单的环形振荡器器这个电路是没有稳定状这个电路是没有稳定状态的。在静态时任何一个反态的。在静态时任何一个反相器的输入和输出都不可能相器的输入和输出都不可能稳定在高电平或低电平，而稳定在高电平或低电平，而只能处于高低电平之间，所只能处于高低电平之间，所以处于放大状态。以处于放大状态。l用施密特触发器构成的多谐振荡器用施密特触发器构成的多谐振荡器电容上初始电压为零，所以输出为高电平，并开始经电电容上初始电压为零，所以输出为高电平，并开始经电阻阻R向电容充电。当充至时，输出跳变为低电平，电容向电容
15、充电。当充至时，输出跳变为低电平，电容C又经又经R开始放电。开始放电。l石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器l以上介绍的振荡器的频率稳定性不高，石英晶体以上介绍的振荡器的频率稳定性不高，石英晶体电抗频率特性：外加电压频率为电抗频率特性：外加电压频率为f0时阻抗最小，时阻抗最小，所以频率为所以频率为f0的电压信号最容易通过它，并在电的电压信号最容易通过它，并在电路中形成正反馈，而频率不是路中形成正反馈，而频率不是f0的电压信号被衰的电压信号被衰减。减。10.3.1555定时器的电路结构定时器的电路结构l555定时器是一种多用途的数字定时器是一种多用途的数字模拟混合模拟混合集成电路，可以方便的构成
16、施密特触发器，单集成电路，可以方便的构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器。双极型产品型号最稳态触发器和多谐振荡器。双极型产品型号最后数码为后数码为555，CMOS型产品型号最后数码为型产品型号最后数码为7555。l555定时器有两个比较器定时器有两个比较器C1和和C2各有一个输入端连接各有一个输入端连接到三个电阻到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到组成的分压器上，比较器的输出接到RS触触发器上。此外还有输出级和放电管，输出级的驱动电流发器上。此外还有输出级和放电管，输出级的驱动电流可达可达200mA。l比较器比较器C1和和C2的参考电压分别为的参考电压分别为UR1和和UR2，根据
17、，根据C1和和C2的另一个输入端的另一个输入端触发输入和阈值输入，可判触发输入和阈值输入，可判断出断出RS触发器的输出状态。当复位端为低电平时，触发器的输出状态。当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。若无需复位操作，复位端应接高触发器被强制复位。若无需复位操作，复位端应接高电平。电平。l由于三个电阻等值，所以当没有控制电压输入时，由于三个电阻等值，所以当没有控制电压输入时，当控制电压外接时，如外接当控制电压外接时，如外接,则则，为防止干扰，控制电压端悬空时，为防止干扰，控制电压端悬空时，应接一滤波电容到地。应接一滤波电容到地。lCB555的功能表的功能表l555能在宽电源电压范围内工作，可
18、承受较大的负载电流。能在宽电源电压范围内工作，可承受较大的负载电流。l双极型双极型555定时器的电源电压：定时器的电源电压：516v，最大负载电流：，最大负载电流：200mAlCMOS型型7555定时器的电源电压：定时器的电源电压：318v，最大负载电流：，最大负载电流：4mA截止高2VCC/31截止高VCC/3VCC/3VCC/32VCC/31导通低 0TD状态VOVI2VI1RD输出输入10.3.2用用555定时器构成施密特触发器定时器构成施密特触发器lC1与与C2的参考电压不同，因而基本的参考电压不同，因而基本RS触触发器的置发器的置0信号和置信号和置1信号必然发生在输入信号必然发生在输入信号信号VI的不同电平。的不同电平。(VC1=0,VC2=0)0.01 F为滤波电容，提高为滤波电容，提高VR1和和VR2的稳定性。的稳定性。VT=VT+VT-=VCC/310.3.3用用555定时器构成单稳态触发器定时器构成单稳态触发器l负脉冲触发输出脉冲的宽度等于暂稳态的持续时间。即负脉冲触发输出脉冲的宽度等于暂稳态的持续时间。即tW等于等于电容电压在充电过程中从电容电压在充电过程中从0上升至上升至2VCC/3所需时间所需时间10.3.4用用555定时器构成多谐振荡器定时器构成多谐振荡器q始终大与始终大与50%