积分型单稳态触发器课件

*第9章 脉冲信号的产生与变换电路*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 9.1 多谐振荡器多谐振荡器9.2 单稳态触发器单稳态触发器9.3 施密特触发器施密特触发器9.4 555定时器定时器*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 9.1 多谐振荡器1*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 9.1 多多 谐谐 振振 荡荡 器器 9.1.1 环形振荡器环形振荡器 图 9-1 最简单的环形振荡器 9.1 多 谐 振 荡 器 9.1.1 环形振荡器 图 92*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 假定由于某种原因（如电源波动或外来干扰）uI1产生一个微小正跳变，则经过G1门的传输时延tpd后，uI2会产生一个更大幅度的负跳变；再经过G2门的传输时延tpd后，uI3将会产生一个更大幅度的正跳变；然后又经过G3门的传输时延tpd后，在输出端uo产生一个更大幅度的负跳变，并反馈到G1门的输入端。也就是说，自从uI1(uo)产生正跳变起，经过3tpd的传输延迟时间后，uI1(uo)将产生一个更大幅度的负跳变。以此类推，再经过3tpd时间后，uI1(uo)又会产生一个正跳变，如此周而复始，便产生了自激振荡。假定由于某种原因（如电源波动或外来干扰）u3*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 图9-2 工作波形 图9-2 工作波形 4*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 图9-2是图9-1电路的工作波形，不难得出其振荡周期T=6tpd。同理，由N个（N为不小于3的奇数）非门首尾依次相连构成的环形电路都能产生自激振荡，若忽略各个门之间传输时延tpd的差别，则其振荡周期为 图9-2是图9-1电路的工作波形，不5*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 2带带RC延迟电路的环形振荡器延迟电路的环形振荡器 图 9-3 带RC延迟电路的TTL环形振荡器 2带RC延迟电路的环形振荡器 图 9-3 带RC延迟电路的6*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 RC延迟电路的加入不仅增大了传输延迟时间，降低了振荡频率，而且可以通过改变R、C的大小实现对振荡频率的调节。由于RC延迟电路的延迟时间远大于门电路的传输时延tpd，所以在分析电路时通常不考虑tpd的影响。另外，为了防止u4为负电平时流过G3门输入端箝位二极管的电流过大（不应超过20 mA），通常在G3门的输入端串联一个100 左右的限流电阻RS。RC延迟电路的加入不仅增大了传输延迟时间，7*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 1）工作过程 假设在t=0时接通电源，电路的初始状态为u1=uo=UOH,则G1门的输出u2=UOL，由于此时电容尚未充电，而且电容上的电压是不会发生突变的，所以G3门的输入u4=u2=UOL，从而使得G3门的输出uo维持在高电平。这就是电路的第一个状态。但这个状态是不稳定的，这是因为:对于G2而言，其输入u2为低电平，而其输出u3必为高电平，则u3就会通过电阻R对电容C充电，同时G3门的输入级也会通过电阻Rs对电容C充电，如图9-4（a）所示。随着充电的进行，u4将按照指数规律逐渐上升，当u4上升到G3门的阈值电平UTH时，电路的状态发生翻转：u1=uo=UOLu2=UOHu3=UOL，由于电容上的电压不会发生突变，u4将随u2产生一个正跳变，幅度升高到UTH+(UOH-UOL)，从而使G3门的输出uo维持在低电平。这就是电路的第二个状态。1）工作过程8*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 同样，电路的第二个状态也是不稳定的，电容C将通过电阻R放电，如图9-4（b）所示。随着放电的进行，u4将按照指数规律逐渐下降，当u4下降到G3门的阈值电平UTH时，电路的状态发生翻转：u1=uo=UOH u2=UOL u3=UOH，u4将随u2产生一个负跳变，幅度下降到UTH-(UOH-UOL)，从而使G3门的输出uo维持在高电平。即电路又返回到第一个状态。此后，电路又重复上述过程，不停地在两个暂稳态之间转换，形成了连续振荡，这样就在G3门的输出端产生了矩形脉冲信号。同样，电路的第二个状态也是不稳定的，电容C将通过电阻R放电，9*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 图 9-4 图9-3电路中电容C充放电等效电路(a)充电等效电路；(b)放电等效电路图 9-4 图9-3电路中电容C充放电等效电路 10*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 2）振荡周期的计算 图 9-5 图9-3电路的工作波形 2）振荡周期的计算 图 9-5 图9-3电路的工作波形11*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 (1)T1的计算：对应于T1段有1=REC u4(0+)=UTH-(UOH-UOL)u4()=UE 根据RC电路暂态响应的公式，得(9 2)(1)T1的计算：(9 2)12*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 其中,RE和UE是根据戴维南定理求得的等效电阻和等效电压源，它们分别为(9 3)(9 4)其中,RE和UE是根据戴维南定理求得的等效13*第9章 脉冲信号的产生与变换电路(2)T2的计算：对应于T2段有：根据RC电路暂态响应的公式，得(9 5)(2)T2的计算：根据RC电路暂态响应的公式，得(914*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 若R1+RSR，则RER，UEUOH，公式9-2和9-5就可化简为 则图9-3电路的振荡周期T可近似为 若R1+RSR，则RER，UEUO15*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 9.1.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 图 9-6 石英晶体的符号和阻抗频率特性 9.1.2 石英晶体振荡器 图 9-6 石英晶体的符号和阻抗16*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 图 9-7 石英晶体振荡器 图 9-7 石英晶体振荡器 17*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 9.1.3 多谐振荡器的应用多谐振荡器的应用 【例9-1】在图9-3所示的电路中，已知UOH=3.6 V，UOL=0.3 V，UTH=1.4 V，并且满足R1+RSR，试写出该电路振荡周期的表达式。若R=180，C=3000 pF，则该电路的振荡频率是多少？解解 根据公式9-8，电路的振荡周期为：9.1.3 多谐振荡器的应用 【例9-118*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 将R=180、C=3000 pF代入，可得电路的振荡频率为 将R=180、C=3000 pF代入，可得电路的振荡频19*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 【例9-2】作为一个应用实例，图9-8（a）为一个两相时钟产生电路，图9-8（b）为输出时钟信号的波形。图 9-8 两相时钟产生电路 (a)电路；【例9-2】作为一个应用实例，图9-820*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 图 9-8 两相时钟产生电路 (b)工作波形 图 9-8 两相时钟产生电路 (b)工作波形 21*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 9.2 单稳态触发器单稳态触发器 9.2.1 门电路构成的单稳态触发器门电路构成的单稳态触发器 1 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器1）工作过程工作过程图图 9-9 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 9.2 单稳态触发器 9.2.1 门电路构成的单稳态触发器22*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 电源接通后，在没有外来触发脉冲时（uI为高电平）电路处于稳定状态：uO1=UOL，uO=UOH。为此，必须保证RdRON（开门电阻），RROFF(关门电阻)。根据图9-10所示的等效电路，非门G2的输入 为了讨论方便，假定uI2=UOL，则此时电容C上没有电压。电源接通后，在没有外来触发脉冲时（uI为高23*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 图 9-10 稳态时的部分电路 图 9-10 稳态时的部分电路 24*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 当uI端有负向脉冲输入时，由于电容上的电压不能突变，ud将随uI产生幅度为（UOH-UOL）的负跳变，使G1门的输出uO1上跳到高电平UOH，如果不考虑G1门的输出电阻，则uI2也会产生与uO1相等幅度的正跳变，从而使电路的输出uO变为低电平，并反馈到G1门的输入端以维持这个新的状态。但这个状态是不稳定的，因为G1门的输出高电平将对电容C充电，如图9-11（a）所示。随着充电过程的进行，uI2逐渐降低，当uI2降低到阈值电平UTH后，将引发如下正反馈过程：uI2uOuO1 当uI端有负向脉冲输入时，由于电容上的电压不25*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 图 9-11 图9-9电路中电容C的充放电等效电路(a)充电等效电路；(b)放电等效电路 图 9-11 图9-9电路中电容C的充放电等效电路26*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 图 9-12 图9-9电路的工作波形 图 9-12 图9-9电路的工作波形 27*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 2）主要参数的计算 通常用以下几个参数来定量地描述单稳态触发器的性能：(1)输出脉冲宽度Tw：根据以上的分析，输出脉冲宽度Tw就等于从电容C开始充电到uI2降至阈值电平UTH的时间T1。在图9-11（a）所示的电容C充电等效电路中，ROH是G1门输出高电平时电路的输出电阻，当负载电流较大时，ROH100，当负载电流较小时，ROH可以忽略。对应于充电过程有：2）主要参数的计算 28*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 根据RC电路暂态响应公式有：（9-10）根据RC电路暂态响应公式有：（9-10）29*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 若 ，式（9-10）可化简为 如果触发信号的脉冲宽度小于输出脉冲宽度，电路输入部分的RdCd微分电路就可以省略掉。若 ，式（930*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 (2)输出脉冲幅度Um：(3)恢复时间Tre：在暂稳态结束后，电路还需要一端恢复时间，以便将电容在暂稳态期间所充的电荷释放掉，使电路恢复到初始的稳定状态。一般，Tre（35）（R+ROL）C （9-13）其中，ROL是G1门输出低电平时电路的输出电阻。（9-12）(2)输出脉冲幅度Um：(3)恢复时31*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 (4)分辨时间Td：是指在保证电路正常工作的前提下，两个相邻的触发脉冲之间所允许的最小时间间隔。显然，电路的分辨时间应为输出脉冲宽度和恢复时间之和，即 Td=Tw+Tre(9-14)(4)分辨时间Td：Td=Tw+T32*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 2 积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器 图9-13所示电路是用CMOS门电路和RC积分电路组成的积分型单稳态触发器。对于CMOS门电路，通常可以近似地认为UOH=UCC、UOL=0，而且UTHUCC/2。在没有外来触发脉冲时（uI为低电平）电路处于稳定状态：uO1=uO=uOH，电容C上充有电压，即uI2=UOH。2 积分型单稳态触发器33*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 图 9-13 积分型单稳态触发器图 9-13 积分型单稳态触发器34*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 当有一个正向脉冲加到电路输入端时，G1门的输出uO1从高电平下跳到低电平UOL，由于电容上的电压不能突变，uI2仍为高电平，从而使uO变为低电平，电路进入暂稳态。在暂稳态期间，电容C将通过R放电，随着放电过程的进行，uI2的电压逐渐下降，当下降到阈值电平UTH时，uO跳回到高电平；等到触发脉冲消失后（uI变为低电平），uO1也恢复为高电平，uO保持高电平不变，同时uO1开始通过电阻R对电容C充电，一直到uI2的电压升高到高电平为止，电路又恢复到初始的稳定状态。当有一个正向脉冲加到电路输入端时，G1门的输35*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 图 9-14 图9-13电路的工作波形图 9-14 图9-13电路的工作波形36*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 图 9-15 电容C充放电等效电路(a)放电电路；(b)充电电路图 9-15 电容C充放电等效电路37*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 输出脉冲的宽度Tw等于从电容开始放电到uI2下降到阈值电平UTH所需要的时间。根据图9-15（a）所示的放电等效电路有：=(R+RN)C、uI2(0+)=UCC、uI2()=0。RN是G1门输出低电平时N沟道MOS管的导通电阻，当RNUR1，uI2UR2时，比较器C1的输出R=0，较器C2的输出S=1，基本RS触发器被置0，放电三极管V导通，输出uO为低电平；当uI1UR1，uI2UR1，uI2UR2时，比较器C1的输出R=0，比较器C2的输出S=0，基本RS触发器的Q=Q=1，放电三极管V截止，输出uO为高电平；当uI1uR2时，比较器C1的输出R为高电平，比较器C2的输出S为高电平，基本RS触发器的状态保持不变，放电三极管V的状态和输出也保持不变。根据以上的分析，我们可以得到555定时器的功能表如表9-2所示。当uI1UR1，uI2UR2时，比较器C81*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 表表9-2 555定时器的功能表定时器的功能表 另外，根据上表可知，如果将放电端uO经一个电阻接到电源上，那么只要这个电阻足够大，uO为高电平时uO也为高电平，uO为低电平时uO也一定为低电平。表9-2 555定时器的功能表 另外，根据82*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 9.4.2 555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器图 9-30 用555定时器构成的多谐振荡器(a)电路图；(b)波形图9.4.2 555定时器构成的多谐振荡器图 9-30 用583*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 根据图9-30（a）所示电路，参考电压UR1=(2/3)UCC，UR2=(1/3)UCC。电源接通后，开始通过电阻R1和R2对电容C进行充电，使uC的电压逐渐升高，此时满足uI1UR1、uI2uCUCC时，满足uI1UR2，电路保持原状态不变，电路输出uO仍为高电平，晶体管V仍然截止；当uC的电压升高到略微超过(2/3)UCC/3时，满足uI1UR1，uI2UR2，所以输出uO变为低电平，晶体管V饱和导通，电路进入了另一个状态，同时电容C开始通过晶体管V放电。根据图9-30（a）所示电路，参考电压UR84*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 随着电容放电的进行，uC的电压将逐渐下降，只要uC未下降到UCC/3，电路的输出将一直保持在低电平，晶体管V一直饱和导通；当uC下降到略低于UCC/3时，满足uI1UR1、uI2UR2，电路状态发生翻转，输出uO又跳到高电平，晶体管V截止，同时电容又开始充电。如此周而复始，便形成了多谐振荡。随着电容放电的进行，uC的电压将逐渐下降，只85*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 根据以上分析和电路的工作波形，我们可以知道该多谐振荡器输出脉冲的周期T就等于电容的充电时间T1和放电时间T2之和，即：(9-24)(9-25)(9-26)根据以上分析和电路的工作波形，我们可以知道86*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 根据式9-24和式9-25，还可以求出输出脉冲的占空比：(9-27)可见，通过改变电阻R1、R2和电容C的参数，可以调整输出脉冲的频率和占空比。另外，如果参考电压由外接电压UIC控制，通过改变UIC的数值也可以调整输出脉冲的频率。根据式9-24和式9-25，还可以求出输出脉冲的占空比：(987*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 9.4.3 555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器 由555构成的单稳态触发器的电路及其工作波形如图9-31所示。参考电压UR1=(2/3)UCC，UR2=UCC/3。图图 9-31 用用555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器(a)电路图；电路图；(b)波形图波形图9.4.3 555定时器构成的单稳态触发器图 9-31 用88*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 图9-31所示电路中，外加触发信号从触发输入端uI2输入，所以是输入脉冲的下降沿触发。如果没有触发信号时,uI2处于高电平，则电路的稳定状态必然是：电路输出uO为低电平，晶体管V饱和导通。这是因为：假设在接通电源后基本RS触发器的状态为Q=1，则晶体管V饱和导通，输出uO为低电平，且保持该状态不变；如果在接通电源后基本RS触发器的状态为Q=0，则输出uO为高电平，晶体管V截止，电容将会被充电，uC的电压上升；当uC上升到略大于(2/3)UCC时，晶体管V饱和导通，输出uO变为低电平，电路自动进入稳定状态；同时电容经晶体管T迅速放电至uC 0，电路状态稳定不变。图9-31所示电路中，外加触发信号从触发输入89*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 当触发脉冲的下降沿到来时，满足uI1UR1、uI2UR1，uI2UR2，所以输出uO迅速跳回到低电平，晶体管V饱和导通，电路又回到稳定状态，同时电容C经晶体管V迅速放电至uC 0，此时满足uI1UR1，uI2UR2，所以电路维持稳定状态不变。当触发脉冲的下降沿到来时，满足uI1UR1、90*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 电路输出脉冲的宽度TW等于暂稳态持续的时间，如果不考虑晶体管的饱和压降，也就是在电容充电过程中电容电压uC从0上升到(2/3)UCC所用的时间。因此，输出脉冲的宽度为 555定时器接成单稳态触发器时，一般外接电阻R的取值范围为2 k20 M，外接电容C的取值范围为100 pF1000 F。因此，其定时时间可以从几微秒到几小时。但要注意，随着定时时间的增大，其定时精度和稳定度也将下降。电路输出脉冲的宽度TW等于暂稳态持续的时间，91*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 9.4.4 555定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器 将555定时器的触发输入端和阈值输入端连在一起并作为外加触发信号uI的输入端，就构成了施密特触发器，其电路和传输特性如图9-32所示。电路的参考电压UR1=(2/3)UCC，UR2=(1/3)UCC。在uI从0开始升高的过程中，当uI(1/3)UCC时，满足uI1UR1、uI2UR2，所以电路输出uO为高电平；当(1/3)UCCuI(2/3)UCC时，满足uI1UR2，555定时器的状态保持不变，uO仍为高电平；当uI(2/3)UCC后，满足uI1UR1、uI2UR2，uO才跳变到低电平。9.4.4 555定时器构成的施密特触发器92*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 在uI从高于(2/3)UCC的电压开始下降的过程中，当(1/3)UCCuI(2/3)UCC时，满足uI1R2，uO仍保持低电平不变；只有当uI(1/3)UCC后，满足uI1UR1、uI2UR2，uO才又跳变到高电平。通过以上的分析，显然可以得到该施密特触发器的正向阈值电压UT+=UR1=(2/3)UCC，负向阈值电压UT-=UR2=(1/3)UCC，则回差电压UT=UR1-UR2=(1/3)UCC。可见这种用555定时器构成的施密特触发器的传输特性取决于两个参考电压。当然，我们也可以用外接控制电压UIC来控制参考电压UR1、R2，这样通过改变控制电压UIC的大小即可对施密特触发器的传输特性进行调整。在uI从高于(2/3)UCC的电93*第9章 脉冲信号的产生与变换电路 图9-32 用555定时器构成施密特触发器图9-32 用555定时器构成施密特触发器94