第20章脈沖波形的產(chǎn)生和變換20.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器20.2施密特觸發(fā)器20.3

555定時器及其應(yīng)用習題20

在數(shù)字系統(tǒng)中，常需各種頻率的矩形脈沖作為時鐘脈沖信號控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)工作。矩形脈沖的獲取方式可由脈沖振蕩器產(chǎn)生，也可利用整形電路將已有的周期性信號變換為矩形脈沖。

描述矩形脈沖波形的特性主要有以下幾個主要參數(shù)(見圖20.1)：

脈沖周期T——在周期性重復的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖之間的時間間隔，有時也用頻率f表示；

脈沖幅值Um——脈沖電壓變化的最大幅值；

脈沖寬度TW——從脈沖前沿上升到0.5Um起，到脈沖后沿下降到0.5Um為止的一段時間；

占空比q——脈沖寬度與脈沖周期的比值，q＝TW/T；

上升時間tr——脈沖從0.1Um上升到0.9Um所需的時間；

下降時間tf——脈沖從0.9Um下降到0.1Um所需的時間。

圖20.1矩形脈沖的特性參數(shù)

20.1.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特性具有如下特點：

(1)有穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩個工作狀態(tài)；

(2)在外界觸發(fā)脈沖的作用下，可從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)到暫態(tài)，在暫態(tài)維持一段時間后，再自動返回到穩(wěn)態(tài)；

(3)暫態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度無關(guān)。

由于具有這些特點，因而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被廣泛應(yīng)用于脈沖整形、延時及定時電路中。20.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器

1.門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

用CMOS門電路和RC微分電路構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖20.2所示。

對于CMOS電路，可近似認為UoH≈UDD，UoL≈0，在穩(wěn)態(tài)下UI＝0，UI2＝UDD，Uo＝0，Uo1＝UDD，電容上沒有電壓。

圖20.2微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

當輸入觸發(fā)脈沖UI加到輸入端時，由Rd、Cd組成的微分電路的輸出端得到一個很窄的正、負脈沖電壓Ud，Ud上升到UTH以后，將引發(fā)如下的正反饋過程：

Ud↑→Uo1↓→Ui2↓→Uo↑

使Uo1迅速跳變?yōu)榈碗娖?。由于電容上的電壓不能突變，因此Ui2也同時跳變?yōu)榈碗娖?，并使Uo跳變?yōu)楦唠娖?，電路進入暫態(tài)。此時即使Ud回到低電平，Uo仍將維持高電平。與此同時，電容C開始充電，且隨著充電過程的進行，UI2逐漸升高，當升到UI2＝UTH時，將引發(fā)另一個正反饋過程：

UI2↑→Uo↓→Uo1↑

若此時觸發(fā)脈沖消失(Ud回到低電平)，則Uo1、Ui2將迅速跳變到高電平，并使輸出返回到Uo＝0的狀態(tài)。同時，電容C通過R和G2門的輸入保護電路向UDD放電，直至C上的電壓為0V，電路又恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。整個過程的波形變化如圖20.3所示。

圖20.3微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖各種參數(shù)的計算如下：

脈沖寬度

輸出脈沖幅度

Um＝UoH－UoL≈UDD

為了保證單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖的寬度準確無誤，輸入觸發(fā)脈沖的時間間隔T(重復周期)應(yīng)滿足：

T≥TW＋Tre

其中，電路恢復時間

Tre＝(3~5)RC

2.集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點是：在TTL和CMOS電路產(chǎn)品內(nèi)部具有上升沿與下降沿觸發(fā)的控制和置0功能，連線較少，采取了溫度補償措施等。常見的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器型號有74121(TTL型)、74221(TTL型)、74123(TTL型)和CCL14528(CMOS型)等。

3.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用

(1)脈沖整形是指脈沖信號在經(jīng)過長距離傳輸后，脈沖波形發(fā)生變化，經(jīng)過單穩(wěn)電路后，使波形變?yōu)榉弦蟮牟ㄐ危鐖D20.4所示。脈沖的寬窄根據(jù)具體要求而定。

(2)脈沖延時(展寬)示意如圖20.5所示。

圖20.4脈沖整形示意圖

圖20.5脈沖延時示意20.1.2多諧振蕩器

多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源后，無需外加觸發(fā)信號就能自動產(chǎn)生矩形脈沖。由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài)，工作時在兩個暫態(tài)之間不停地轉(zhuǎn)換。

1.對稱式多諧振蕩器

圖20.6所示為對稱式多諧振蕩器的典型電路。它由反相器G1、G2和耦合電容C1、C2及電阻RF1、RF2組成。其中G1、G2與C1、C2構(gòu)成正反饋電路。RF1、RF2控制G1、G2，使之工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折點。

圖20.6對稱式多諧振蕩器從圖20.6可見，該電路是利用RC的充放電分別控制G1、G2門的開通與關(guān)斷來實現(xiàn)自激振蕩的。假如由于某種原因(例如電源或外界的干擾)使Ui1有一個微小變化(正躍變)，則必然會得到下列的正反饋過程：

Ui1↑→Uo1↓→Ui2↓→Uo2↑

使Uo1迅速跳變?yōu)榈碗娖?，Uo2跳變?yōu)楦唠娖?，電路進入第一個暫穩(wěn)態(tài)。與此同時，Uo2開始經(jīng)RF2向C1充電，C2開始經(jīng)RF1放電。

隨著C1的充電，Ui2逐漸上升到G2的閾值電壓Uth時，Uo2開始下降，并引起另一個正反饋過程：

Ui2↑→Uo2↓→Ui1↓→Uo1↑

從而使Uo迅速跳變至低電平，電路進入第二個暫態(tài)。同時C2開始充電，而C1開始放電。隨著C2充電，Ui1逐漸升高到G1的Uth后，電路又迅速返回到第一個暫態(tài)。因此，電路不停地在兩個暫態(tài)之間往復轉(zhuǎn)換，在輸出端不斷地發(fā)出矩形電壓脈沖，如圖20.7所示。

圖20.7矩形電壓脈沖形成示意圖從上面的分析可知，輸出脈沖的周期等于兩個暫態(tài)持續(xù)時間之和，每個暫態(tài)持續(xù)時間與C1、C2的充放電時間有關(guān)。若取RF1＝RF2＝RF，C1＝C2＝C，Uth＝1.4V，UoL＝0V，UoH＝3.6V，則振蕩周期為

T＝2TW≈1.4RFC

由此可知，改變R和C即可改變T。

2.石英晶體多諧振蕩器

對稱式多諧振蕩器的振蕩頻率主要取決于門電路的輸入電壓在充、放電過程中達到轉(zhuǎn)換電平所需要的時間。由于電阻、電容的數(shù)值在使用過程中會發(fā)生變化，因而嚴重影響振蕩頻率的穩(wěn)定性。目前普遍采用的穩(wěn)頻方法是，在多諧振蕩器電路中接入石英晶體，構(gòu)成石英晶體多諧振蕩器。石英晶體的符號、電抗頻率特性及石英晶體多諧振蕩器電路如圖20.8所示。

圖20.8石英晶體符號、電抗頻率特性及多諧振蕩器電路(a)符號；(b)頻率特性；(c)電路由石英晶體的電抗特性可知，當外加電壓的頻率為f0時，電抗最小，電壓信號最容易通過并在電路中形成正反饋，其它頻率的信號經(jīng)過石英晶體將被衰減。因此，石英晶體多諧振蕩器的頻率取決于石英晶體的固有諧振頻率f0，與外接電阻、電容無關(guān)，適用于對信號頻率穩(wěn)定性要求較高的場合。

施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中常用的一種電路，它具有兩個重要特性：一是輸入信號從低電平上升的過程中、電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同；二是在電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時，電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。

這兩點不僅可以將邊沿變化緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可有效地清除疊加在矩形脈沖高、低電平上的干擾波。20.2施密特觸發(fā)器

圖20.9

CMOS門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

1.CMOS門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

如圖20.9所示，當Ui從0逐漸升高并達到Uth時，G1進入電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，引起正反饋，過程如下：

Ui↑→Uo1↓→Uo↑

這時電路的狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為

Uo＝UoH≈UDD

由此可求出Ui上升過程中電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換所對應(yīng)的輸入電平為UT＋(正向閾值電壓)：

當Ui從高電平逐漸下降并達到Uth時，又引發(fā)另一個正反饋過程：

UI↓→Uo1↑→Uo↓

電路狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為

Uo＝UoL≈0

由此可求出Ui下降過程中電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時所對應(yīng)的輸入電平為UT－(反向閾值電壓)：

若UDD＝2Uth，則

將UT＋與UT－之差定義為回差電壓ΔUT：

ΔUT＝UT＋－UT－

由此可畫出施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性，稱為施密特滯回曲線，如圖20.10所示。

圖20.10施密特滯回曲線(a)同相輸出；(b)反相輸出施密特觸發(fā)器應(yīng)用廣泛，無論是CMOS電路還是TTL電路，均有大量的集成施密特觸發(fā)器，其特性與分立門組成的施密特觸發(fā)器相同，這里不再介紹。常見的集成施密特觸發(fā)器有74132、CC40106、74LS132等型號，它們的邏輯符號如圖20.11所示。

圖20.11施密特觸發(fā)器的邏輯符號

2.施密特觸發(fā)器的應(yīng)用

1)用于波形變換

施密特觸發(fā)器可用于將三角波、正弦波等一些不規(guī)則波形轉(zhuǎn)換為矩形波，如圖20.12所示。

2)用于脈沖整形

當傳輸信號受到干擾時，施密特觸發(fā)器的滯回特性會把受到干擾的信號整形成較好的矩形脈沖，如圖20.13所示。

圖20.12波形變換示意圖圖20.13脈沖整形示意圖

3)用于脈沖幅度鑒別

當輸入信號為一組幅度不等的脈沖，而要求將幅度大于Uth的脈沖信號選出時，可采用施密特觸發(fā)器的輸入信號進行鑒別，如圖20.14所示。

4)由施密特觸發(fā)器組成多諧振蕩器

多諧振蕩器最突出的特點是它的電壓傳輸特性具有滯回特性。據(jù)此可以使其輸入信號在UT＋~UT－之間不停地往復變化，在輸出端就可得到矩形脈沖波形。其電路及波形如圖20.15所示。

圖20.14脈沖幅度鑒別圖20.15多諧振蕩器電路及波形

20.3.1

555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能

555定時器是一種多用途的數(shù)字/模擬混合集成電路，只要外加幾個阻容元件便可組成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。555定時器的電源電壓范圍寬，雙極型555定時器為5~16V，CMOS555定時器為3~18V。它可提高與TTL、CMOS數(shù)字電路兼容的接口電平。555定時器可輸出一定的功率，可驅(qū)動微電機、指示燈、揚聲器等，在脈沖波形的產(chǎn)生與變換、儀器與儀表、測量與控制等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。20.3

555定時器及其應(yīng)用

圖20.16所示為國產(chǎn)雙極型定時器NE555的電路結(jié)構(gòu)圖，它由比較器C1、C2、基本RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管V等部分組成。

555定時器能在較寬的電壓范圍內(nèi)工作，輸出高電平不低于90%電源電壓，帶拉電流負載和灌電流負載能力可達200mA。

圖20.16

NE555雙極型定時器電路結(jié)構(gòu)圖表20.1

NE555功能表20.3.2

555定時器的應(yīng)用

1.接成施密特觸發(fā)器

如圖20.17所示，將Ui1和Ui2連在一起作為信號輸入端(Ui)，就可得到施密特觸發(fā)器。為提高比較器參考電壓UR1和UR2的穩(wěn)定性，通常在UCC端與地之間接0.01μF的電容。

圖20.17由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器(a)外部接線圖；(b)內(nèi)部電路圖電路工作的原理如下：

當

當

當

由此可見

圖20.18施密特觸發(fā)器特性由此可見

施密特觸發(fā)器的特性如圖20.18所示。

2.接成單穩(wěn)態(tài)電路

如果將555定時器的Ui2(TR)作為觸發(fā)器的信號輸入端，同時把輸出DISC(7腳)接回到Ui1端，在Ui1端與UCC之間接電阻R，在UR1和地之間接電容C，就可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路，如圖20.19所示。

圖20.19由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(a)外部接線圖；(b)內(nèi)部電路圖此電路的工作波形如圖20.20所示。其工作原理如下。圖20.20由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形圖穩(wěn)態(tài)時：觸發(fā)信號UI為高電平，（C2的U2-），故C2輸出高電平。接通電源后，電源VCC經(jīng)R向C充電，當 時，（U1+），C1輸出低電平，這短時出現(xiàn)的低電平可使基本RS觸發(fā)器置0，即Q=0，Q=1，U0=0。同時Q=1加到三極管TD的基極，使其飽和導通，電容C就通過TD迅速放電，致U1-=0，然后，C1和C2輸出均為高電平，基本RS觸發(fā)器就保持穩(wěn)定狀態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時，UI從高電平轉(zhuǎn)換為低電平，C2的輸入信號 （UI=0)，C2輸出低電平。而C1輸入端不變，輸出仍為高電平。這時，基本RS觸發(fā)器被置1，即Q=1，Q=0，U0跳變?yōu)楦唠娖?，電路轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)工作過程。由于這時的Q=0，電源又開始向電容充電，而當UC增加到UC≥

VCC時，C1又將輸出低電平，使得觸發(fā)器的狀態(tài)再次翻轉(zhuǎn)，暫穩(wěn)態(tài)過程結(jié)束，電路重新回到原來的穩(wěn)態(tài)并重復上述過程。

3.接成多諧振蕩器

將放電管V的集電極(DISC)經(jīng)R1接到UCC上，同時經(jīng)R2、Ui1、Ui2和電容C連接，其中V和R1組成反相器，使輸出端DISC(7腳)經(jīng)R2、C組成積分電路，積分電容C接到Ui1(TH)和Ui2(TR)端，便組成了如圖20.20所示的多諧振蕩器，其中R1、R2、C為定時元件。

圖20.21由555定時器構(gòu)成多諧振蕩器(a)外部接線圖；(b)內(nèi)部電路圖由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的輸出波形如圖20.22所示。

多諧振蕩器的振蕩周期為

T＝TW1＋TW2≈0.7(R1＋R2)C圖20.22由555構(gòu)成多諧振蕩器的輸出波形

1．電路和輸入波形如題圖20.1(a)、(b)所示。

(1)該電路是何種電路？

(2)已知TTL門的UoH＝3.6V，UoL＝0.3V，門的輸出電阻R＝25Ω，在給定參數(shù)下，求輸出脈沖幅度Um、寬度TW及最高工作頻率fmax；

(3)對應(yīng)于輸入信號Ui畫出Uo的波形。習題20