第6章 脉冲波形的产生和整形(有习题).pdf

246 第第6章章 脉冲波形的产生和整形脉冲波形的产生和整形 6 1 概述 前面各章数字电路讲到的器件 很多都要用各种形式的时钟信号 输入信号和控制信号 等 这些信号通常都是矩形波脉冲 简称矩形波 如何得到该信号是本章要讨论的内容 数字电路中使用的信号大多是矩形脉冲波 它是一个二进制的数字信号或二状态的逻辑 信号 二进制数字信号只有 0 1 两个数字符号 二状态逻辑信号只有 0 1 两种取值 都具 有二值特点 用波形图表示就是矩形脉冲 如图 1 1 4 所示 它是一个理想的矩形脉冲信号 可用脉冲幅度 m V 脉冲周期 T 或 f 脉冲宽度 W t 占空比 q 等几个参数来描绘 实际的波形发生器所产生的波形往往达不到图 1 1 4 所示的理想要求 经常如图 1 1 5 所示但矩形脉冲波形的好坏 将直接影响数字电路的正常工作 为了描述一个波形的好坏 又定义了上升时间 r t 下降时间 f t 脉冲宽度 W t等几个参数 此外 在将脉冲整形或产生电路用于具体的数字系统时 有时还可能有一些特殊的要求 例如脉冲周期和幅度的稳定性等 这时还需要增加一些相应的性能参数来说明 获得矩形波的途径一般有两种 一种是直接由各种结构形式的振荡器产生 由于所产 生的矩形波中含有多种频率 也叫谐波 成分 所以这类振荡器称为多谐振荡器 另一种是 将各种已有的非矩形信号变换为符合要求的矩形波 这类电路统称为脉冲整形电路 因此 本章将主要介绍这两大类电路 如多谐波振荡器 单稳态触发器 施密特触发器和 555 定时 器等 6 2 单稳态电路 前面介绍的触发器等电路 它有 0 1 两个稳定的状态 因此这种电路也称为双稳态电 路 一个双稳态触发器可以保存 1 位二值信息 在数字电路中 还有另一种只有一个稳定状 态的电路 这种电路称为单稳态电路 单稳态电路具有如下显著特点 具有稳态和暂稳态两个不同的工作状态 在外界触发脉冲作用下 电路的状态能从稳态翻转到暂稳态 在暂稳态维持一段时间 以后 再自动返回稳态 暂稳态维持时间的长短与外界触发脉冲的宽度和幅度无关 仅取决于电路本身的参 数 由于具备这些特点 单稳态电路被广泛地应用于定时 产生一定宽度的方波 整形 把 不规则的波形转换成宽度 幅度都相等的脉冲 以及延时 将输入信号延时一定的时间之后 输出 等 6 2 1 用门电路或触发器组成的单稳态电路 单稳态电路可由逻辑门和 RC 电路组成 也可以由 D 触发器和 RC 电路组成 前者根据 RC 电路连接方式的不同 可以分为微分型单稳态电路和积分型单稳态电路 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 247 1 微分型单稳态电路 1 电路组成 图 6 2 1 是用门电路和 RC 微分电路构成的微分型单稳态电路 图中 RC 电路均按微分 电路的方式连接在 1 G门的输出端和 2 G门的输入端 由于所用逻辑门不同 电路的触发方式 和输出脉冲也不一样 图 6 2 1 CMOS 门电路组成的微分型单稳态电路 a 用与非门和非门构成的微分型单稳态触发器 b 用或非门和非门构成的微分型单稳态触发器 2 工作原理 下面以图 6 2 1 b 所示电路进行分析 说明微分型单稳态电路的工作原理 图中门电 路采用 CMOS 门电路 对于 CMOS 门电路 为了便于讨论 在本章中将 CMOS 门电路的电 压传输特性理想化 且设定 CMOS 反相器的阈值电压 2 DD TH V V 可以近似地认为 DDOH VV VVOL0 I v没有外界触发信号时 电路处于稳定状态 I v为低电平 由于 2 G门的输入端经电阻 R 接 DD V 0 O v 这样 1 G门两输入端均 为 0 DDO Vv 1 电容器 C 两端的电压接近 0V 电路处于稳定状态 只要没有正脉冲触发 电路就一直保持这一稳态不变 I v外加触发信号 电路由稳态翻转到暂稳态 输入外界触发脉冲 在 I v的上升沿 d R d C微分电路输出正的窄脉冲 d v 当 d v上升 到 1 G门的阈值电压 TH V以后 将引发如下的正反馈过程 d v 1O v 2I v O v 这一正反馈过程使 1 G瞬间导通 1O v迅速从高电平跳变为低电平 由于电容 C 两端的电压不 能突变 2I v也同时跳变为低电平 使输出 O v跳变为高电平 电路进入暂稳态 这时即使 d v 回到低电平 触发信号 I v撤除 即 I v重新变为低电平 O v的高电平仍将维持 暂稳态时 VvO0 1 DDO Vv 电容 C 充电 电路自动从暂稳态返回稳态 暂稳态期间 电源 DD V经电阻 R 和 1 G门导通的输出端 MOS 管对电容 C 充电 2I v按指 数规律升高 当 2I v达到 TH V时 电路又产生另外一个正反馈过程 2I v O v 1O v 如果此时触发脉冲已消失 I v已回到低电平 d v也为低电平 上述正反馈使 1 G门迅速截 止 2 G门迅速导通 1O v 2I v跳变为高电平 并使输出返回0 O vV 的状态 此后电容 C 通过电阻 R 和门 2 G的输入保护电路向 DD V放电 直至电容 C 上的电压恢复到稳定状态时的 初始值 0V 电路从暂稳态返回到稳态 3 工作波形与参数计算 根据上述分析 可画出工作过程中单稳态触发器各点电压的波形 如图 6 2 2 所示 d v I v d C d R 1 G 1O v C C v2 G R a O v DD V b d v I v d C d R 1 G 1O v C C v2 GR O v 2I v 2I v PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 248 图 6 2 2 微分型单稳态触发器中各点的工作电压波形图 为了定量地描述单稳态触发器的性能 经常使用输出脉冲宽度 W t 输出脉冲幅度 m V 恢复时间 re t 分辨时间 d t等几个参数 输出脉冲宽度 W t 由图 6 2 2 可见 触发信号作用后 RC 充电过程决定了暂稳态持续时间 输出脉冲宽 度 W t就是从电容 C 开始充电到 2I v上升至 TH V的这段时间 电容C充电的等效电路如图 6 2 3 所示 图中的 ON R是或非门 1 G输出低电平时的输出电阻 在RRON 的情况下 ON R等 效电路可以简化为简单的 RC 串联电路 图 6 2 3 电容 C 充电的等效电路 根据对 RC 电路过渡过程的分析可知 在电容充 放电过程中 电容上的电压 C v从充 放电开始到变化至某一数值 TH V所经过的时间可以用下式计算 t t t O O O O t O I v d v 1O v 2I v O v TH V W t W t t 1 G 2 G ON R C DD V R DD V R C 2I v 2I v PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 249 THC CC Vv vv RCt 0 ln 6 2 1 式中 0 C v是电容电压的起始值 C v是电容电压充 放电的终了值 由图 6 2 2 的波形图可见 电容 C 上的电压从 0 充到 TH V的时间就是 W t 将0 0 C v DDC Vv 2 DDTH VV 代入式 6 2 1 得到 2ln 0 lnRC VV V RCt THDD DD W 6 2 2 RCtW693 0 6 2 3 输出脉冲的幅度 m V 输出脉冲的幅度为 DDOLOHm VVVV 6 2 4 恢复时间 re t 对于图 6 2 2 在暂稳态结束瞬间 2 tt 在 O v返回低电平瞬间 门 2 G的输入电压 2I v较高 达到 THDD VV 这时可能会损坏 CMOS 门 为了避免这种现象发生 在 CMOS 器 件内部设有保护二极管 D 如图 6 2 4 中虚线所示 故在电容 C 充电期间 二极管 D 截止 而当 2 tt 时 二极管 D 导通 于是 2I v被钳制在VVDD7 0 的电位上 图 6 2 4 画出 G2门保护二极管的单稳态电路 在 O v返回低电平以后 暂稳态结束后还要等到电容 C 放电完毕电路才恢复为起始的稳 态 恢复时间一般为 5 3 为图 6 2 5 所示的电容 C 放电的等效电路的时间常数 图 6 2 5 电容 C 放电的等效电路 图中的 1 D是反相器 2 G输入保护电路中的二极管 如果 1 D的正向导通电阻 f R比 R 和门 1 G的输出电阻 ON R小得多 则恢复时间为 CRRRt fONre 5 3 DD V I v d C d R 1 G 1O v C 2 G R O v 1 D 2I v 2 G 1 G ON R R C DD V 1 D 2I v PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 250 CRON 5 3 6 2 5 分辨时间 d t和最高工作频率 max f 分辨时间 d t是指在保证电路能正常工作的前提下 允许两个相邻脉冲之间的最小时间 间隔 故有 reWd ttt 6 2 6 因此 单稳态触发器的最高工作频率为 reW ttT f 11 min max 6 2 7 微分型单稳态电路可以用窄脉冲触发 在 d v的脉冲宽度大于输出脉冲宽度的情况下 电路仍能工作 但是输出脉冲的下降沿较差 因为在 O v返回低电平的过程中 d v输入的高电 平还存在 所以电路内部不能形成正反馈 为了改善输出波形 一般在图 6 2 1 b 所示电路的输出端再加一级反相器 3 G 如图 6 2 6 所示 图 6 2 6 宽脉冲触发的单稳态电路 若采用 TTL 与非门构成的如图 6 2 1 a 所示的单稳态触发器 考虑到 TTL 逻辑门存在 输入电流 为了保证稳态时 2 G的输入为低电平 电阻 R 要小于 k7 0 d R的数值则应大 于 k2 才能保证稳态时 1 G门的输入电压大于其开门电平 ON V 由于 CMOS 门不存在输入电 流 用 CMOS 门组成的单稳触发器中 R d R不受此限制 2 积分型单稳态电路 1 电路组成 图 6 2 7 是用 TTL 与非门和反相器以及 RC 积分电路组成的积分型单稳态电路 为了保 证 1O v为低电平时 A v在 TH V以下 R 的阻值不能取得很大 这个电路用正脉冲触发 图 6 2 7 积分型单稳态电路 2 工作原理 没有触发信号时 电路处于一种稳定状态 稳态时 I v为低电平 所以 OHO Vv 1 OHOA Vvv 1 I v外加触发信号 电路由稳态翻转到暂稳态 输入触发脉冲 在 I v的上升沿以后 1O v跳变为低电平 但由于电容 C 上的电压不能突 变 所以在一段时间里 A v仍在 TH V以上 因此 在这段时间里 2 G的两个输入端电压同时高 于 TH V 使 OLO Vv 电路进入暂稳态 同时 电容 C 开始放电 DD V d v I v d C d R 1 G 1O v C C v 2 G R O v 2I v 3 G I v O v 1O v A v C R 1 G 2 G PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 251 电容器 C 放电 电路自动从暂稳态返回至稳态 上述暂稳态不能长久地维持下去 随着电容 C 的放电 A v不断降低 至 THA Vv 后 O v 回到高电平 待 I v返回低电平以后 1O v又重新变成高电平 OH V 并向电容 C 充电 经过恢 复时间 re t 从 I v回到低电平的时刻算起 以后 A v恢复为高电平 电路达到稳态 3 工作波形与参数计算 电路中各点的电压波形如图 6 2 8 所示 图 6 2 8 积分型单稳态电路的电压波形图 输出脉冲宽度 W t 由图 6 2 8 可知 输出脉冲的宽度 W t等于从电容 C 开始放电的一刻到 A v下降到 TH V的 时间 为了计算 W t 需要画出电容 C 放电的等效电路 如图 6 2 9 a 所示 图 6 2 9 积分型单稳态触发器中电容 C 的放电回路和 A v的波形 a 放电回路 b A v的波形 t t t t O O O O A v I v O v 1O v TR t TH V W t W t 1 G 2 G OL V O R R C A v 1 R CC V OL V O RR A v C a W t O t TH V OH V A v b PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 252 在 A v高于 TH V期间 2 G的输入电流非常小 可以忽略不计 因而电容 C 放电的等效电 路可以简化为 O RR 与 C 串联 这里的 O R是 1 G输出为低电平的输出电阻 将图 6 2 9 b 曲线给出的 OHC Vv 0 OLC Vv 代入式 6 2 1 即可得到 THOL OHOL OW VV VV CRRt ln 6 2 8 输出脉冲的幅度 m V 输出脉冲的幅度为 OLOHm VVV 6 2 9 恢复时间 re t 恢复时间等于 1O v跳变为高电平后电容 C 充电至 OH V所经历的时间 若取充电时间常数 的 3 5 倍时间为恢复时间 则得 CRRt Ore 5 3 6 2 10 式中 O R 是 1 G输出高电平时的输出电阻 这里为简化计算而没有计入 2 G输入电路对电容充 电过程的影响 所以算出的恢复时间是偏于安全的 分辨时间 d t和最高工作频率 max f 这个电路的分辨时间应为触发脉冲的宽度 TR t和恢复时间之和 即 reTRd ttt 6 2 11 4 电路的特点与改进 与微分型单稳态电路相比 积分型单稳态电路具有抗干扰能力较强的优点 因为数字电 路中的噪声多为尖峰脉冲的形式 即幅度较大而宽度极窄的脉冲 而积分型单稳态电路在 这种噪声作用下不会输出足够宽度的脉冲 积分型单稳态电路的缺点是输出波形的边沿比较差 这是由于电路的状态转换过程中没 有正反馈作用的缘故 此外 这种积分型单稳态电路必须在触发脉冲的宽度大于输出脉冲宽 度时方能正常工作 如果想使图 6 2 7 中的积分型单稳态电路在窄脉冲的触发下能够正常工作 可以采用图 6 2 10 所示的改进电路 不难看出 这个电路是在图 6 2 7 电路的基础上增加了与非门 3 G 和输出至 3 G的反馈连线而形成的 该电路用负脉冲触发 图 6 2 10 窄脉冲可以触发的积分型单稳态电路 当负触发脉冲加到输入端时 使 3O v变为高电平 O v变为低电平 电路进入暂稳态 由 于 O v反馈到了输入端 所以虽然这时负触发脉冲很快消失了 在暂稳态期间 3O v的高电平也 将继续维持 直到 RC 电路放电到 THA Vv 以后 O v才返回高电平 电路回到稳态 3 用触发器构成单稳态电路 利用触发器也可以构成单稳态电路 如图 6 2 11 所示 由于触发器本身已具有触发及 复位 或置位 功能 所以只要把外触发脉冲 I v加在时钟端 而将定时 R C 电路接在输出 端 Q 和复位端 R 之间即成 1 G 2 G 3 G R C I v O v 3O v 1O v A v PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 253 图 6 2 11 用触发器构成单稳态电路 设在 1 t时刻 I v加入正触发脉冲 因1 D 故Q端便跃升为 1 经 R C 电路延迟 W t后 使复位波形 R v达到阈值电平 迫使触发器复零 这样 在Q和Q端分别获得正负脉冲 RCtW693 0 波形图如图 6 2 12 所示 图 6 2 12 用触发器构成的单稳态电路的波形图 6 2 2 集成单稳态电路 由门电路或触发器构成的单稳态电路 优点是电路结构简单 但共同的缺点是输出脉宽 稳定性差 调节范围小 触发方式不够灵活等 虽然可采用多种补偿和隔离措施来改进性能 但将使电路变得复杂 给调试及维护带来困难 利用集成技术制成的单片单稳态电路 在性 能上有很大的改进 给使用带来了方便 其常用的集成芯片有 74121 74122 74LS221 74HC123 MC14098 MC14528 等 集成的单稳态电路 从触发脉冲的连续性来看 可以分为可重复触发和不可重复触发两 类 关于可重复触发的概念可用图 6 2 13 来说明 图 6 2 13 a 是不可重复触发的单稳电路符号 在框内 总定性记号 1表示只有待第 一次触发引起的暂态过程结束后 才能实现有效的第二次触发 因而输出脉冲的宽度 W t是 稳定的 图 6 2 12 b 是可重复触发的单稳态电路符号 框内的总定性记号仅为 它表 明在第一次触发引起的暂态过程尚未结束前 若又有触发脉冲输人 则输出脉冲将以最近一 次触发为准 再延长 W t时间 因此 可重复触发的单稳态电路的输出脉宽可能是不固定的 视触发脉冲的间隔是否大于单稳态电路预定输出脉宽 W t而定 应该说明 所有的集成单稳 态电路 都是采用边沿触发方式的 在图 6 2 13 a 中 假定是正边沿触发 而在图 6 2 13 b C R Q Q O v R v CP I v FF S D1 1C R 1 CP I v O v R v 1 t 2 t C C TH V Q W t R v 3 t 4 t t PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 254 中 则假定是负边沿触发 其实 这两类触发器都是既可正边沿 又可负边沿触发 图 6 2 13 两种集成单稳态电路的工作波形 a 不可重复触发单稳态电路 b 可重复触发单稳态电路 1 不可重复触发单稳态电路 TTL 集成器件 74121 是一种不可重复触发的集成单稳态电路 其内部逻辑电路图和引脚 图如图 6 2 14 a b 所示 内部电路由触发信号控制电路 微分型单稳态电路和输出 缓冲电路组成 1 工作原理 在图 6 2 14 a 图中 门 5 G 6 G 7 G和外接电阻 ext R 或内部电阻 int R 外接电 容 ext C组成微分型单稳态电路 其工作原理与前面所述的微分型单稳态电路相似 电路只有 一个稳态0 O v 1 O v 当 5I v点有正脉冲触发时 电路进入暂态 1 O v 0 O v O v 的低电平使触发信号控制电路中 SR 锁存器的 2 G门输出为低电平 于是 4 G门被封锁 此时 即使有触发信号输入 在 5I v点也不会得到触发信号 只有在电路返回稳态后 触发信号才 能使电路再次被触发 由以上分析可知 电路具有边沿触发的性质 且属于不可重复触发的 单稳态电路 输出脉冲的宽度由 ext R和 ext C的大小决定 为 extextW RCRCt693 0 2ln 6 2 12 2 电路连接图 单稳态电路 74121 在使用时 要在芯片的 10 11 引脚之间接定时电容 若采用电解电 容时 电容 C 的正极端接 10 脚 根据输出脉宽的要求 定时电阻 R 可采用外接电阻 ext R或 芯片内部电阻 int R 2k 如果要求输出脉冲较宽 通常 R 采用外接电阻 取值在 k30 2 之间 C 的数值则在FpF 10 10之间 采用外部电阻和内部电阻组成单稳态电路 电路 连接如图 6 2 15 所示 3 逻辑功能表 74121 的功能表如表 6 2 1 所示 由功能表可见 在下述情况下 电路有正脉冲输出 当 A1 A2两个输入中有一个或两个为低电平 B 产生由 0 到 1 的正跳变时 当 B 为高电平 A1 A2中有一个或两个产生由 1 到 0 的负跳变时 Q Q Q Q 1 B v A v A v Q Q B v W t W t W t W t W t W t t t a b PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 255 图 6 2 14 TTL 集成器件 74121 a 内部逻辑结构图 b 引脚图 图 6 2 15 74121 的定时电容 电阻的连接 a 使用外接电阻 ext R的电路连接 b 使用内部电阻 int R的电路连接 1 A 2 A B ext C extext CR int R CC V O v O v GND 1 3 1 I v 4 5 6 7 10 ext C ext R 11914 CC V 74121 1 A 2 A B ext C extext CR int R CC V O v GND 1 3 I v 4 5 6 7 10 ext C 11914 CC V 74121 a b O v a b 1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14 GND Q B 2 A 1 A NC Q CC V NC NC NC extext CR ext C int R 3 4 5 6 9 1 1011 1 A 2 A B 1 G 2 G 3 G Q Q 4 G CC V ext R int R 5I v 5 G 6 G 6O v ext C 7 G 8 G 9 G O v O v PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 256 表 6 2 1 74121 功能表 4 工作波形 根据 74121 的功能表 可画出 6 2 15 a 所示电路的工作波形 如图 6 2 16 所示 图 8 2 16 集成单稳态电路 74121 的工作波形图 2 可重复触发单稳态触发器 CMOS 集成器件 MC14528 是一种可重复触发的集成单稳态电路 其内部逻辑电路图和引 脚图如图 6 2 17 a b 所示 内部电路由触发信号控制电路 微分型单稳态电路和输 出缓冲电路组成 MC14528 内部电路包含三个部分 门 10 G 11 G 12 G和 1 T P 沟道 2 T N 沟道 组成的 三态门 门 91 GG组成的输入控制电路 门 1613 GG组成的输出缓冲电路 A 为下降沿触 发输入端 B 为上升沿触发输入端 D R为置零输入端 O v和 O v是两个互补输出端 1 工作原理 电路的核心部分是由积分电路 ext R和 ext C 三态门和三态门的控制电路构成的积分 型单稳态电路 在没有触发信号时 A 1 B 0 电路处于稳态 门 4 G的输出 4O v一定是高电平 如果 接通电源后 3 G和 4 G组成的锁存器的输出 4O v处于低电平状态 由于电容上的电压 C v在开始 接通电源的瞬间也是低电平 所以门 9 G输出低电平并使 7 G输出高电平 8 G输出为低电平 于是 4O v被置成高电平 如果接通电源后 4O v已为高电平 则由门 6 G和 7 G组成的锁存器一 输入输出 1 A O v O v 2 A B 00 00 00 0 0 0 11 11 1 111 11 11 1 W t W t W t 1 A 2 A B O v O O O O t t t t PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 257 图 6 2 17 集成单稳态电路 MC14528 a 内部逻辑结构图 b 引脚图 定处于 7O v为低电平的状态 故 8 G的输出为高电平 4O v的高电平状态将保持不变 这时 10 G 输出低电平 而 12 G输出为高电平 因而 1 T和 2 T同时截止 ext C通过 ext R被充电 最终稳定 在 DDC Vv 所以输出0 O v 1 O v 当 A 保持为高电平 从 B 加入正的触发脉冲 3 G和 4 G组成的锁存器的输出 4O v立即被 置成低电平状态 从而使 10 G的输出变为高电平 2 T导通 ext C开始放电 当 C v下降到 13 G 的转换电平 13TH V时 输出状态改变 1 O v 0 O v 电路进入暂稳态 但这种状态不会一直持续下去 当 C v进一步下降 降到 9 G的阈值电压 9TH V时 9 G的 输出变成低电平 并通过 7 G 8 G将 4O v置成高电平 于是 2 T截止 ext C又重新开始充电 当 C v充电到 13TH V时 输出端返回到0 O v 1 O v的状态 ext C继续充电到 DD V 电路又 恢复到稳态 2 功能表 表 6 2 2 是 MC14528 的功能表 只有最下面两种情况才可实现有效的触发 直接复位端 D R是用于提前结束暂稳态 使波形 O v复零 或对 A B 触发端起禁止作用 正常工作时应 1 G 5 G 6 G 4 G 2 G 3 G ext R 7 G 8 G 9 G O v O v 7O v ext C B A 控制电路 4O v O v DD V DD V D R 三 态 门 11 G 12 G 10 G 1 T 2 T 输出缓冲电路 13 G 14 G 15 G 16 G a b 1 2 3 4 5 6 7 8 2 Q 2 Q DD V extext CR 2 9 10 11 12 13 14 ext C2 ext C1 extext CR 1 1 Q 1 Q SS V A1 A2 B1 B2 D R1 D R2 15 16 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 258 维持在高电平 表 6 2 2 MC14528 的功能表 3 工作波形 图 6 2 15 是单稳态触发器 MC14528 的工作波形图 当 A 为高电平时 B 的上升沿使输 出产生触发信号 如 1 t 3 t 4 t时刻 由于是可重复触发的单稳态触发器 3 t时刻触发后 还没到脉冲宽度 W t 又在 4 t时刻再次被触发 使输出 O v为高电平的时间超过脉冲宽度 W t 实际上 O v从 4 t时刻算起的高电平时间是 W t 5 t时刻以后 B 保持为低电平 A 端输入高电平 6 t时刻 A 端输入负的触发脉冲 输出 O v产生宽度为 W t的脉冲信号 6 2 18 集成单稳态触发器 MC14528 的工作波形 输出脉冲的宽度是 RCtW693 0 6 2 13 A 01 0011 1110 11 10 D RB 0 O v O v O O O c v 13TH V 9TH V Q 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 13TH V 9TH V t t t W t W t W tt t O A B PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 259 6 2 3 单稳态电路的应用 单稳态电路的特点是在外界触发信号作用下由稳态进入暂稳态 暂稳态持续一定的时间 后自动返回稳态 利用暂稳态电路的这种特点 可应用于脉冲波形整形 定时和延时 高低 通滤波电路等方面 1 脉冲整形 单稳态电路输出脉冲波形的脉宽 W t决定于电路本身的参数 输出脉冲的幅值 m V决定于 输出高低电平之差 因此 单稳态电路输出的脉冲波形的脉宽和幅值是一定的 如果某个脉 冲波形的脉宽或幅值不符合使用要求时 可用单稳态电路进行整形 得到脉宽和幅值符合要 求的脉冲波形 图 6 2 19 是用单稳态电路对波形进行整形的电路 图 6 2 19 a 是利用单稳态电路 的定时元件进行定时 由暂稳态自动返回稳态将触发脉冲的宽度展宽为 W t 图 6 2 19 b 是单稳态电路把不规则的输入信号 I v整形为幅度 宽度都同的 干净 的矩形脉冲波形 O v 图 6 2 19 单稳态电路用于脉冲整形 2 构成定时电路 图 6 2 20 是利用不可重复触发单稳态电路定时 使其后接的与门定时打开或封锁 打 开时可定时让测量脉冲通过 若与门后面增加计数显示电路 则可测量在定时时间内 被测 信号 F v通过的脉冲的个数 进而测量被测信号的频率 这也是构成数字频率计的一个基本 电路 图 6 2 20 单稳态电路用于构成定时电路 I v o v F vO v I v O v F v O v 1 W t W t I v O v I v O v a b PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 260 3 构成延时电路 用不可重复触发单稳态电路 74121 构成的精密单稳态延时电路如图 6 2 21 a 所示 工 作波形如图 6 2 21 b 所示 图 6 2 21 用 74121 构成延时电路 a 电路 b 波形图 由图可知输出脉冲 E 对输入触发脉冲 I v的延时时间 W t由下式计算 extextW CRt693 0 输出脉冲 E 的宽度 P t则由 ext R和 ext C组成的微分电路的时间常数决定 该电路的延迟时间比较精确 外界电容 ext C的取值范围是FpF 10 10 外接电阻 ext R 的取值范围是 kk30 2 因此延迟时间可达nstW200 4 构成多谐振荡器 用两片不可重复触发单稳态触发器 74121 可以构成多谐振荡器如图 6 2 22 所示 当输 入触发脉冲 1I v和 2I v均为高电平时 由 74121 的功能表可知 都处于稳态 即0 1 Q 1 1 Q 0 2 Q 1 2 Q 在稳态条件下 若 2I v保持高电平 而 1I v产生负跳变 则第一片满足触 发条件 由稳态进入暂稳态 1 Q输出正脉冲 脉宽为 111 693 0 CRtW 当第一片暂稳态结 束时 1 Q高电平变为低电平 第二片满足触发条件 由稳态进入暂稳态 2 Q端输出正脉冲 2 Q端输出负脉冲 脉冲宽度 222 693 0 CRtW 当该脉冲消失时 2 Q由低变高 而 2 Q反 馈至第一片的 1 B端 第一片又满足触发条件 电路就反复振荡 输出端 1 Q和 2 Q均输出矩 形脉冲 电路进行多谐振荡 图 6 2 22 用 74121 构成多谐振荡器 s 10 s 90 B Q D E W t P t b a DE CC V 1 A 2 A B ext C extext CR int R CC V O v O v GND 1 3 4 5 6 7 10 ext C ext R 11914 74121 C pF330 R k2 F 01 0 k10 B CC V 1 A 2 A B ext C extext CR CC V 1O v 1O v GND 3 4 5 7 10 1 C 1 R 1114 74121 CC V 1 A 2 A B ext C extext CR CC V 2O v 2O v GND 3 4 5 7 10 2 C 2 R 1114 74121 2I v 1I v 1 Q 1 Q 2 Q 2 Q PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 261 该电路的振荡周期为 693 0 221121 CRCRttt WWW 5 构成高通 低通滤波器 用可重复触发单稳态触发器 MC14528 构成高通 低通滤波器如图 6 2 23 所示 图 6 2 23 用 MC14528 构成高通 低通滤波器 若输入信号 I v是含有不同频率成分的信号 其中高频信号的周期为 H T 低频信号的周 期为 L T 如果使电路满足 LH TRCT 693 0 则当 I v为低频时 触发器工作在非重复触 发方式 输出脉宽为 1W t 当 I v为高频时 触发器工作在非重复触发方式 输出脉宽为 2W t 输出端 Q 的波形如图 6 2 24 所示 再将 Q Q和输入信号 I v分别经过两个与门组成的组合 逻辑电路 使其输出 IO vQv 1 和输出 IO vQv 2 则其 1O v输出的是输入信号 I v中的高 频信号 2O v输出的是输入信号 I v中的低频信号 图 6 2 24 用 MC14528 构成的高通 低通滤波器的波形 值得特别指出的是 在应用单稳态触发器时 必须使输入信号的脉宽小于单稳态触发器 的输出信号的脉宽 也就是说 单稳态触发器定时元件确定的脉宽必须大于输入信号的脉宽 这一条无论对不可重复触发型和可重复触发型都是适用的 I v Q 1O v 2O v L T H T 1W t 2W t Q Q X C XX CR R R C A B D R 1 CC V 14528MC 2 1 1O v 2O v I v PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 262 6 3 施密特触发器 施密特触发器在数字电路中应用广泛 它是一种脉冲信号整形电路 它能够把变化非常 缓慢的输入脉冲波形 如正弦波 锯齿波等 整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲 另外对正向和负向增长的输入信号 电路有不同的阈值电平 具有滞回特性 所以抗干扰能 力也很强 施密特触发器有同相输出和反相输出两种电路形式 其电压传输特性曲线及逻辑符号如 图 6 3 1 所示 电路的特性曲线类似于铁磁材料的磁滞回线 图 6 3 1 施密特电路的传输特性 a 反相输出施密特电路的传输特性及逻辑符号 b 同相输出施密特电路的传输特性及逻辑符号 6 3 1 用门电路组成的施密特触发器 1 电路组成 图 6 3 2 是用 CMOS 门电路组成的施密特触发器 它将两级反相器串接起来 分压电阻 1 R 2 R将输出端的电压 O v反馈到 1 G门的输入端 并对电路产生影响 图 6 3 2 用 CMOS 反相器组成的施密特触发器 a 电路图 b 图形符号 2 工作原理 因为是 CMOS 门电路 假定 1 G 2 G的阈值电压为 DDTH VV 2 1 电路中取 21 RR 由图 6 3 2 可知 1 G门的输入电平 1I v决定着电路的输出状态 根据叠加原理有 OII v RR R v RR R v 21 1 21 2 1 6 3 1 当0 I vV 时 因 1 G 2 G接成了正反馈电路 所以0 1 I vV 1 G门截止 DDOHO VVv 1 2 G门导通 0 OLO VvV I vO O v I v O v TH V TH V a I vO O v O v I v TH V TH V b 1 G 2 G O v 1I v 1O v I v 1 R 2 R a I v O v I v b 1O v PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 263 当 I v从 0 逐渐升高 只要 THI Vv 1 后 输出状态维持 DDO Vv 不变 当 I v从高电平开始逐渐下降 当降到 THI Vv 1 时 1 G门又进入其电压传输特性转折区 电路中又产生如下正反馈过程 I v 1I v 1O v O v 电路迅速从高电平跳变为低电平 0 O vV 输入信号 I v在下降过程中 使电路的输出电平发生跳变所对应的输入电压称为负向阈 值电压 用 TH V表示 即由式 6 3 1 得 DDTHTHI V RR R V RR R Vv 21 1 21 2 1 6 3 4 将 THDD VV2 代入上式可得 THTH V R R V 1 2 1 6 3 5 我们将 TH V与 TH V之差定义为回差电压 记作 TH V 由式 6 3 3 和式 6 3 5 可得 DDTHTHTHTH V R R V R R VVV 2 1 2 1 2 6 3 6 式 6 3 6 表明 电路的回差电压与 2 1 R R 成正比 改变 1 R 2 R的比值即可调节回差电压 的大小 3 工作波形 工作波形 根据以上分析 设输入电压 I v为三角波 可画出电路的工作波形和电压传输特性为如 图 6 3 3 所示 从图 6 3 3 a 可知 以 O v端作为电路的输出 电路为同相输出施密特触 发器 以 1O v端作为电路的输出 电路为反相输出施密特触发器 它们的电压传输特性曲线 如图 6 3 3 b c 所示 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 264 图 6 3 3 施密特触发器的工作波形及传输特性 a 电路的工作波形 b 同相输出特性曲线 c 反相输出特性曲线 6 3 2 集成施密特触发器集成施密特触发器 集成施密特触发器性能稳定 应用十分广泛 集成施密特触发器有 TTL 和 CMOS 集成施 密特触发器两大类 无论是 CMOS 还是 TTL 电路 都有单片的集成施密特触发器产品 TTL 集成施密特触发器的典型产品有 7413 7432 等 CMOS 集成施密特触发器有 CC40106 等 1 TTL 集成施密特触发器集成施密特触发器 7413 TTL 集成施密特触发器 7413 是带施密特触发器的双 4 输入与非门 其中每个与非门的 电路结构如图 6 3 4 所示 在电路的输入部分附加了与的逻辑功能 同时在输出端附加了反 相器 所以也将这个电路称为施密特触发的与非门 由图可见 每个与非门由四部分构成 二极管 41 DD和电阻 1 R构成与门输入级 实现与逻辑功能 85 DD是阻尼二极 管 防止负脉冲干扰 1 T 2 T和 42 RR构成施密特触发器 1 T和 2 T通过射极电阻 4 R耦合实现正反馈 加 速状态转换 3 T 9 D 5 R 6 R构成电平偏移级 其主要作用是在 2 T饱和时 利用 3BE V和 9 D的 电平偏移 保证 4 T截止 5 T 6 T 10 D和 97 RR构成有推拉输出级结构 既实现逻辑非的功能 又增强其 带负载的能力 施密特电路是通过公共发射极电阻耦合的两级正反馈放大器 假定三极管发射结的导通 压降和二极管的正向导通压降均为 0 7V 那么当输入端的电压使得 0 7V 11 时 1 T进入导通状态 并有如下的正反馈过程发生 O 1O v OL V OH V O v t t t O O O OL V OL V TH V TH V OH V OH V 1O v I v O O v OL V OH V a b c I v DD V TH V TH V R R 2 1 2 I v DD V TH V TH V R R 2 1 2 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 265 图 6 3 4 带施密特触发器的 4 输入与非门 1B v 1C i 1C v 2C i 1BE v E v 从而使电路迅速转为 1 T饱和导通 2 T截止的状态 若 1B v从高电平逐渐下降 并且降到 1BE v只有 0 7V 左右时 1C i开始减小 于是又引发 了另一个正反馈过程 1B v 1C i 1C v 2C i 1BE v E v 使电路迅速返回 1 T截止 2 T饱和导通的状态 可见 无论 2 T由导通变为截止还是由截止变为导通 都伴随有正反馈过程发生 使输 出端电压 2C v的上升沿和下降沿都很陡 同时 由于 32 RR 所以 1 T饱和导通时的 E v值必然低于 2 T饱和导通时的 E v值 因此 1 T由截止变为导通时的输入电压 1B V高于 1 T由导通变为截止时的输入电压 1B V 这样就得到 了施密特触发特性 若以 TH V和 TH V分别表示与 1B V和 1B V相对应的输入端电压 则 TH V同样 也一定高于 TH V 由图 6 3 4 可以写出 1 T截止 2 T饱和导通时电路的方程为 CCCBsatBEB ViiRViR 2242 22 CCCBsatCER ViiRViR 2242 33 其中 2 satBE V 2 satCE V分别表示 2 T饱和导通时 b e 间和 c e 间的压降 假定 23CR ii 则 6 3 7 A B C D Y 4k A B C Y D 2 R 2k 1 R 3 R 4 R 5 R 6 R 7 R 8 R 9 R 1 4k 130 480 I v 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 D 8 D 1B v 4 T 5 T 6 T 3 T 2 T 1 T 1C v 1C i 9 D 10 D 2B i 2C i 2C v E v 3R i 二极管与门施密特电路 O v CC V 电平偏移输出电路 1 2k 1 6k 1 5k 1k 图形符号 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 266 可从式 6 3 7 求出 4342 2 4 2 422 4 2 RRRRR VVRRVVR i satCECCsatBECC C 6 3 8 4342 2 4 2 422 4 2 RRRRR VVRRVVR i satBECCsatCECC B 6 3 9 将图 6 3 4 中给定的参数代入式 6 3 8 和 6 3 9 并取8 0 2 satBE VV 2 0 2 satCE VV 于是得到 mAiC2 2 2 mAiB3 1 2 ViiRv CBE 7 1 2242 VVvV EB 4 27 0 21 另一方面 当 1B v从高电平下降至仅比 4 R上的压降高 0 7V 以后 1 T开始脱离饱和 1CE v 开始上升 至 1CE v大于 0 7V 以后 2 T开始导通并引起正反馈过程 因此转换时 4 R上的压 降为 42 4 11 RR R vVv CECCE 6 3 10 将7 0 1 CE vV KR2 2 KR48 0 4 代入上式计算后得到 VvE8 0 1 VVvV EB 5 17 0 11 因为整个电路的输入电压 I v等于 1B v减去输入端二极管的压降 D V 故得 7 1 1 DBTH VVVV 8 0 1 DBTH VVVV 9 0 THTHT VVVV 为了降低输出电阻以提高电路的驱动能力 在整个电路的输出部分设置了倒相级和推拉 式输出级电路 由于 2 T导通时施密特电路输出的低电平 较高 约为 1 9V 若直接将 2C v与 4 T的基极 相连 将无法使 4 T截止 所以必须在 2C v与 4 T 的基极之间串进电平偏移电路 这样就使得 9 1 2 C vV 时电平偏移电路的输出仅为 0 5V 左右 保证 4 T能可靠地截止 图 6 3 5 是集成施密特触发器 7413 的电 压传输特性 对每个具体的器件而言 它的 TH V和 TH V都是固定的 不能调节 图 6 3 5 集成施密特触发器 7413 的电压传输特性 00 51 01 52 0 2 3 4 1 VvO VvI PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 267 2 CMOS 集成施密特触发器 CC40106 图 6 3 6 是 CMOS 集成施密特触发器 CC40106 的电路图 其内部电路由施密特电路 整 形电路和输出电路三部分组成 其核心部分是施密特电路 图 6 3 6 CMOS 集成施密特触发器 CC40106 a 电路图 b 逻辑符号 对于施密特触发器部分 如果没有 3P T和 6N T存在 那么 1P T 2P T 4N T和 5N T仅仅是 一个反相器 无论输入信号 I v从高电平降低时还是从低电平升高时转换电平均在 I v1 2 DD V附近 接入 3P T和 6N T以后的情况就不同了 设 P 沟道 MOS 管的开启电压为 TP V N 沟道 MOS 管 的开启电压为 TN V 当 I v 0 时 1P T 2P T导通 4N T和 5N T截止 电路中 O v为高电平 DDO Vv 3P T 截止 6N T导通 电路为源极跟随器 因此 5N T的源极电位 5S v较高 65GSNDDS VVv OHO Vv 在 I v逐渐升高的过程中 当 TNI Vv 4N T导通 由于 5N T的源极电压 5S v较大 即使 I v1 2 DD V 5N T仍不会导通 当 I v继续升高 直至 1P T 2P T的栅源电压减小 使 1P T 2P T趋于截止 其内阻开始急 剧增大 从而使 1O v和 5S v开始下降 最终达到 TNSI Vvv 5 时 5N T才开始导通 并引起 如下正反馈过程 1O v 5S v 5GS v 5ON R 5N