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1 第六章脉冲波形的产生和整形 第一节概述 本章只讨论矩形脉冲 矩形脉冲的主要参数 脉冲周期T 脉冲频率 脉冲幅度VM 脉冲宽度tW 上升时间tr 下降时间tf 本章讨论三种脉冲电路 施密特触发器 单稳态触发器 多谐振荡器 每种电路都有三种构成方式 集成 用门电路构成 用555电路构成 本章只介绍用555电路构成的脉冲电路 f 1 T 占空比q q tw T 2 第二节555定时器及其应用 一 555定时器的电路结构与功能 555电路又称为集成定时器 1972年由Signetics公司推出 既有双极型产品 也有MOS型产品 它们产品型号的最后3位数码都是555 如 CB555是国产双极型电路 CH7555是CMOS型电路 清零端 控制电压 阈值端 高触发端 触发端 低触发端 放电端 CB555电路结构图 3 低 导通 1 低 导通 1 导通 低 不变 高 截止 1 1 高 截止 不变 VCO 电路的功能 有两个阈值电压 VR1 2VCC 3 VR2 VCC 3 2VCC 3 VCC 3 0 4 二 构成施密特触发器 SchmittTrigger 一 电路的特点 1 输入信号从低电平上升的过程中 电路状态转换时对应的输入电平 与输入信号从高电平下降过程中对应的输入电平不同 2 在电路状态转换时 通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿很陡 工作原理 分析输入电压由0V上升到VCC和由VCC下降到0V时 电路状态如何变化 5 0 t VT 正向阈值电压或上限阈值电压 VT 负向阈值电压或下限阈值电压 V VT VT 回差 电压传输特性 若改变VCO值VT VT 的值将改变 VOH 0 01 特点 由于有比较器 允许输入信号慢变化 由于有触发器 输出端边沿好 VT VT 6 二 施密特触发器的应用 1 波形变换 2 脉冲整形 3 脉冲鉴幅 波形变换 脉冲整形 脉冲鉴幅 7 三 其他类型的施密特触发器 用门电路也可构成施密特触发器 还有集成的施密特触发器 如书上的7413 4输入与非门 用门电路构成的施密特触发器已很少使用 这里不作介绍 集成施密特触发器既有TTL型 也有CMOS型 如74LS14是集成施密特触发六反相器 74LS132是施密特触发的四 2输入与非门 如CC40106是集成施密特触发六反相器 CC4093是施密特触发的四 2输入与非门 8 三 构成单稳态触发器 Monostabletrigger 一 单稳态触发器的特点 1 有两个状态 稳态 暂稳态 2 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后 再自动返回 3 暂稳态维持时间长短取决于电路本身参数 与触发脉冲的宽度和幅度无关 单稳态触发器 tW tW由电路内部参数决定 暂稳态 稳态 9 二 工作原理 1 稳态 VH 设TD工作在饱和状态 则 VC VTH 0V 555电路处于保持状态 且一定是VO VL 这是因为若假设TD截止 则不合理 2 触发 555电路状态翻转为VO VH 此时TD截止 VC保持0V不变 3 暂稳态 电容C充电 VIL 充 其三要素为 0 0V VCC RC VCC 下页 10 当 2 3VCC时 555电路翻转为输出VL 而保持不变 5 恢复 由于TD导通 电容C向TD放电 使迅速下降为0V 4 自动返回 上页 VCC 充 11 三 参数计算 1 脉冲宽度tW 得到公式 tW VCC 0V 2 恢复时间tre tre 3 5 rcec 3 分辨时间td td tw tre tre 四 电路特点 窄脉冲触发 触发脉冲的最小周期 触发脉冲宽度要小于输出脉冲宽度 RC 2 3VCC 12 若条件不满足可在输入端加微分电路 13 五 应用 1 整形 改变输入脉冲的占空比 2 定时 延时 控制脉冲 被测脉冲 例1 数字频率计 例2 延时触发 能输出固定宽度的脉冲 宽度为1秒的正脉冲 延迟时间为tW1 输出脉宽为Tw2 14 六 其他类型的单稳态触发器 用门电路可构成单稳态触发器 也有集成的单稳态触发器 1 集成单稳态触发器 既有TTL电路产品 也有CMOS电路产品 介绍74121 只介绍如何使用 有三个输入端 A1 A2为下降沿触发输入端 B为上升沿触发输入端 电容需外接 电阻可选择内部的 也可外接 接法如图 可用功能表或波形图说其起工作原理 15 保持 A端触发 B端触发 16 工作波形 输出脉宽的计算 从器件手册可查到计算公式 74121的公式如下 tW0 69RextCext Rext的取值在2K到30K之间 Cext的取值在10pF到10F之间 tW的范围在20nS到200mS之间 也可使用内部电阻Rint代替外接电阻Rext Rint约为2K 74121是不可重复触发的 而74122是可重复触发的 见图示 17 2 CMOS微分型单稳态触发器 1 工作原理 输入端微分电路提取的上升沿 稳态 VDD 0 0 触发 暂稳态 0 VDD VDD i充 C充电 VDD 三要素为 0 0 VDD RC 自动返回 条件 VTH 18 i充 VDD 0 VDD VDD 恢复过程 电容C放电至起始状态 所用时间为 Tre 3 5 CRON 2 计算脉宽tW 等于由0V上升到VTH所用的时间 门G1的输出电阻 0 5VDD 取消输入微分电路会使输出后沿变坏 19 四 构成多谐振荡器 Astablemultivibrator 一 多谐振荡器的特点 二 电路的原理 刚接通电源 0V TD截止 此时为暂稳态1 i充 C充电 VCC 三要素为 0 0V 1 3VCC VCC 在t1时刻 2 3VCC 555电路翻转 t1 C放电 0 i放 VH 进入暂稳态2 VL TD导通 不需输入信号即可产生矩形脉冲 20 三要素为 0 2 3VCC 0V 在t2时刻 1 3VCC 555电路翻转 三 计算周期 T T1 T2 i充 i放 充 1 3vcc 2 3vcc 占空比 f 1 T VCC t1 0 t2 VCC t1 0 t2 21 四 改进电路 占空比可调的多谐振荡器 T1 R1Cln2 T2 R2Cln2 q T R1 R2 Cln2 解 可选VCC 5V 由q公式 且q 2 3可求出 R1 R2 由于 T R1 2R2 Cln2 R1 48K 选C 10F代入上式求出 R2 R1 48K 上述电路占空比始终大于50 且不可调 C选择原则 过大则漏电流大过小则电阻太大二者均可使周期不准 22 五 用门电路构成的多谐振荡器 1 非对称式多谐振荡器 1 工作原理 采用CMOS门 RF使门1工作在转折区 因此门2也工作在转折区 电容C引入正反馈 使电路振荡 设t1时刻G1输出低电平 G2输出高电平 定为暂稳态2 当 VTH时 产生连锁反应 随之电路进入暂稳态1 见下页图 C充电 VDD 0 i充 23 C放电 在t2时刻 在暂稳态1 t1 t2 i放 三要素为 放 RFC t3 在t3时刻 VTH 又发生连锁反应 进入暂稳态2 0 VTH VDD 在暂稳态2 C充电的三要素为 0 VTH VDD VDD 充 RFC 0 VDD 0 回前页 24 2 周期计算 T T1 T2 将前面的三要素代入下面的公式 即可求出T1和T2 T 2 2RFC 思考 若将RP短路 会发生什么情况 用TTL门构成这种多谐电路也可 但分析较复杂 0 VTH VDD 暂稳态2 C充电的三要素为 充 RFC 0 VDD 放 RFC 0 VTH VDD 暂稳态1中 C放电三要素 25 2 石英晶体多谐振荡器 符号 构成 在对称式多谐振荡器的反馈回路中串入石英晶体 石英晶体电抗的频率特性如图 f0称为固有频率 原理 只有振荡频率等于f0时 晶体的阻抗为0 最小 电路才能产生振荡 因此输出频率一定为f0 用TTL或CMOS门都可构