脉冲信号的基本参数 单稳态触发器

脉冲信号的基本参数单稳态触发器施密特触发器555定时器脉冲波形的产生和整形多谐振荡器数字电路常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿的脉冲信号，如触发器就需要时钟脉冲（CP）。脉冲信号产生要用多谐振荡器。本章将介绍常用的施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，同时重点介绍一种多用途的定时电路——555定时器。获取这些脉冲信号的方法通常有两种：①直接产生；②利用已有信号整形或变换得到。脉冲信号整形则要用单稳态触发器和施密特触发器本章基本内容一、脉冲信号的定义（不对称方波）三角波：锯齿波：微分窄脉冲：脉冲信号的基本参数按非正弦规律变化的信号均可称脉冲信号。方波：（对称方波）二、脉冲信号的参数q=TW/T占空比TwTVmv0tT脉冲周期f=1/T频率Tw脉冲宽度Vm幅值脉冲信号的基本参数施密特触发器施密特触发器特点：（1）输出有两种状态（输出为数字信号）；（2）输入采用电平触发（输入为模拟信号）；（3）对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平（VT+和VT-）。什么是施密特触发器？施密特触发器是具有滞回特性的数字逻辑门。（模拟电路中，叫滞回比较器）（4）在状态转换时，通过电路内部的正反馈过程，使输出电压波形的边沿变得很陡。施密特触发器逻辑符号1OvIv同相传输1OvIv反相传输施密特触发器的电压传输特性0OvIvOHVOLVTVTV0OvIvOHVOLVTVTV施密特触发器tt00OvIvTVTV施密特同相器输入输出波形利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以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。1R1GIv112ROv2G’IvO1vG1、G2为CMOS门电路。电路中R1＜R2。由门电路构成的施密特触发器施密特触发器电路构成工作原理分析（1）当vI=0V时，vO1≈VDD，vO≈0V，vI＇≈0V；0100vO输出，为施密特同相器；vO1输出，为施密特反相器；1R1GIv112ROv2G’IvO1v由门电路构成的施密特触发器（2）当vI升高时，vI’也升高。当vI’达到1/2VDD时，G1、G2输出状态将发生翻转。此时对应的vI值称为VT+。（3）当vI大于VT+时，电路转到另一稳态：vO1≈0V，vO≈VDD。DD221TI21VRRRVv’)(21DDT121RRVVVT+=1/2VDD→0→1↑↑01001RDDV21/2RV0TV’Iv1R1GIv112ROv2G’IvO1v（4）当vI由高变低时，vI’也由高变低。当vI’≤1/2VDD时，电路又将发生转换。此时对应的vI称为VT－。由门电路构成的施密特触发器（5）当vI小于VT－时，电路转到另一稳态：vO1≈VDD，vO≈0V。DD-T211-TDDI21VVRRRVVv)(’)(21DD-T121RRVV01↓↓→1→0VT－=1/2VDD1RDDV21/2RDDVTV’Iv施密特触发器工作波形vIVT+VT-0t0tvO10tvO由门电路构成的施密特触发器vO输出，施密特同相器；vO1输出，施密特反相器；施密特触发器应用举例1.用于脉冲整形tt00vOVT+VT-vI1vIvOtt00vOVT+VT-vI1vIvO施密特触发器应用举例2.用于脉冲鉴幅：将幅度大于VT+的脉冲选出。tt00vOVT+VT-vI1vIvO施密特触发器应用举例3.用于构成多谐振荡器（重点）P487vCCRvO1VT+VT-ttvCvO00接通电源以后，因为电容上的初始电压为零，所以输出为高电平，并开始经电阻R向电容C充电。有两种状态：0态和1态，但只有一种状态作为稳态可以长久保持，故名单稳态触发器。单稳态触发器的特点：（1）有稳态和暂稳态两种状态；（2）平时处于稳态，在外部触发脉冲作用下，由稳态进入暂稳态；暂稳态维持一定时间后自动回到稳态。（3）暂稳态维持时间的长短取决于电路本身，与触发脉冲的宽度和幅度无关。单稳态触发器什么是单稳态触发器？单稳态触发器主要有以下三类：（1）微分型单稳态触发器（2）积分型单稳态触发器（3）集成单稳态触发器74121单稳态触发器的分类门电路+RC微分电路→微分型单稳态触发器G1、G2为CMOS或非门，vO1、vO分别为G1、G2的输出，vI2为G2输入。微分型单稳态触发器电路组成RC微分电路触发脉冲DDVR≥11CIvOv1G2GO1vI2vDDVR≥11CIvOv1G2GO1vI2v1.单稳态触发器的稳态∴触发器的稳态为vO1≈VDD，vO≈0V。此时，电容两端的电压相等，无充放电。工作原理分析微分型单稳态触发器稳态时，无触发脉冲输入，vI为低电平，C没有充放电，相当于断开。01001DDVR≥11CIvOv1G2GO1vI2v作用：改善vO1、vO边沿。微分型单稳态触发器11001暂稳态：vO1=≈0V，vO≈VDD2.当vI加一正脉冲时，由稳态进入暂稳态。这里有一正反馈现象：工作原理分析（续）01001vIvO1vI2vODDVR≥11CIvOv1G2GO1vI2v3.暂稳态自动回到稳态作用：改善vO1、vO边沿。随着VDD通过电阻向电容C的充电，vI2逐渐上升，当vI2上升到VT时，vO≈0V，vO1≈VDD，电路回到稳态。正反馈现象：微分型单稳态触发器010VT00110工作原理分析（续）vO1vI2vO微分型单稳态触发器工作波形分析VTDDVR≥11CIvOv1G2GO1vI2vIvt0I2vt0Ovt0O1vt0充电的时间即暂稳态维持的时间tW1.暂稳态维持时间Tw电容C充电电压方程：参数计算微分型单稳态触发器TteVVVtv)]0()([)()(CCCC将VC（0）≈0V，VC（∞）≈VDD，T=RC代入上式得：)1()(DDCRCteVtv当vC（t）=VT=1/2VDD时，t=Tw，代入上式可求得：RCRCT0.7ln2wVTTwTre单稳态触发器应用(1)用于整形tt00vOvI单稳态触发器的主要应用是整形、定时和延时。（2）脉冲延时单稳电路的延时作用如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳电路来实现。uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间。（3）脉冲定时单稳态触发器能够产生一定宽度tw的矩形脉冲，利用这个脉冲去控制某一电路，则可使它在tw时间内动作(或者不动作)。脉冲定时控制电路用于产生窄脉冲。当输入满足以下条件时，控制电路产生窄脉冲：（1）若A1、A2中至少有一个为0时，B由0↗1；74LS121的原理框图集成单稳态触发器微分型单稳态触发器输出缓冲（2）若B=1，A1、A2中至少有一个由1↗0。DDVR≥11C1G2G控制电路1A2AB11QQ74LS121内部结构和逻辑符号集成单稳态触发器k2≥11Q控制电路1A2AB11Q①③④⑤⑥⑨⑩⑾CextRext/CextRint110965431114VCCCextRintA1BGND74LS121Rext/CextA2vO＇vO774LS121的功能表集成单稳态触发器1A2ABQQ××01×10101↑×0↑0×11↓1↓11↓↓功能保持（处于稳态）用B正边沿触发用A负边沿触发两种不同接法正脉冲触发负脉冲触发集成单稳态触发器+5VRC+5V1109765431114VCCCextRintA1BGND74LS121Rext/CextA2vO＇vOC+5V1109765431114VCCCextRintA1BGND74LS121Rext/CextA2vO＇vO可重复触发的概念单稳态触发器不可重复触发工作波形重触发脉冲vIvCvOTWTWvIvCvO可重复触发工作波形10.4多谐振荡器1．多谐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。只要一上电就会自动产生矩形脉冲。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。电路组成及工作原理11G2G1RCvO1vO2vI1由门电路构成多谐振荡器（1）设电路的初态为vO1=1,vO2=0，这种状态下不可能持久维持；1001（2）通过vO1→R→C→vO2向C充电，使vI1不断上升；（3）当vI1＞VT时，G1输出低电平，G2输出高电平，即vO1=0，vO2=1。工作原理11G2G1RCvO1vO2vI1由门电路构成多谐振荡器（4）vO1=0，vO2=1这个状态也不能持久；1001（5）通过vO2→C→R→vO1对电容C反向充电，vI1逐步减少；（6）当vI1＜VT时，G1输出高电平，G2输出低电平，即又回到vO1=1，vO2=0的状态。（7）周而复始产生方波。工作波形11G2G1RCvO1vO2vI1由门电路构成多谐振荡器T1T2tvO10tvO20vI1t0石英晶体振荡器前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点是振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC参数误差的影响。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，控制信号的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，必须要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。因此，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在对称式多谐振荡器的基础上，串接一块石英晶体，就可以构成一个石英晶体振荡器电路。该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＝215，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5KΩ的电阻分压器，故称555。在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。10.5555定时器及其应用双极型5G555定时器的逻辑图。由电压比较器C1和C2、电阻分压器、G1和G2组成的基本RS触发器、集电极开路的放电管V和输出缓冲级G3、G4三部分组成。DSDR555定时器vI1vI2（1）电阻分压器由3个5kΩ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，UC输出高电平，反之则输出低电平。CO为控制电压输入端。当CO悬空时，UR1＝2/3VCC，UR2＝1/3VCC。当CO＝UCO时，UR1＝UCO，UR2＝1/2UCOTH称为高触发端，TR称为低触发端。（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。接上拉电阻和电源后成为三极管反相器，可代替非门G4。（5）缓冲器缓冲器由G3和G4构成，用于提高电路的负载能力。555定时器的功能表555定时器的工作原理－+C12/3VCCvI1⑥－+C21/3VCCvI2②截止100＜Vcc/3＞2Vcc/31不变不变11＞Vcc/3＜2Vcc/31导通010＞Vcc/3＞2Vcc/31截止101＜Vcc/3＜2Vcc/31导通0××××0N1状态vOvI2正端vI1负端RD输出输入正端大，输出为高；负端大，输出为低。DSDSDRDR用555构成的施密特触发器电路结构1OvIvμF010.48762vIVDDvI2vI1VCO15vO3555DRGNDVCODISC1VDDvI123487657555vODRvI2施密特反相器2/3Vcc1/3VccvI0tvO0