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*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
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