脉冲波形的产生与变换（精编版）

1、脉冲波形的产生与变换脉冲信号是数字电路中最常用的工作信号。脉冲信号的获得经常采用两种方法：一是利用振荡电路直接产生所需的矩形脉冲。这一类电路称为多谐振荡电路或多谐振荡器；二是利用整形电路 , 将已有的脉冲信号变换为所需要的矩形脉冲。这一类电路包括单稳态触发器和施密特触发器。这些脉冲单元电路可以由集成逻辑门构成, 也可以用集成定时器构成。下面先来介绍由集成门构成的脉冲信号产生和整形电路。多谐振荡器自激多谐振荡器是在接通电源以后,不需外加输入信号, 就能自动地产生矩形脉冲波。由于矩形波中除基波外,还含有丰富的高次谐波, 所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。多谐振荡器通常由门电路和基本的rc电

2、路组成。 多谐振荡器一旦振荡起来后, 电路没有稳态 , 只有两个暂稳态, 它们在作交替变化, 输出矩形波脉冲信号, 因此它又被称作无稳态电路。9.1.1门电路组成的多谐振荡器多谐振荡器常由ttl 门电路和cmos 门电路组成。 由于 ttl 门电路的速度比cmos 门电路的速度快 , 故 ttl门电路适用于构成频率较高的多谐振荡器, 而 cmos 门电路适用于构成频率较低的多谐振荡器。(1) 由 ttl 门电路组成的多谐振荡器由 ttl门电路组成的多谐振荡器有两种形式：一是由奇数个非门组成的简单环形多谐振荡器；二是由非门和rc延迟电路组成的改进环形多谐振荡器。 简单环形多谐振荡器(a) (b)

3、uouo1111uo1uo2uouo3uo2uo3ttpd2tpd3tpd图 91 由非门构成的简单环形多谐振荡器把奇数个非门首尾相接成环状, 就组成了简单环形多谐振荡器。图91（）为由三个非门构成的多谐振荡器。若 uo的某个随机状态为高电平, 经过三级倒相后,uo 跳转为低电平,考虑到传输门电路的平均延迟时间tpd,uo输出信号的周期为6tpd 。图 91（） 为各点波形图。简单环形多谐振荡器的振荡周期取决于tpd, 此值较小且不可调, 所以 , 产生的脉冲信号频率较高且无法控制, 因而没有实用价值。改进方法是通过附加一个rc延迟电路 , 不仅可以降低振荡频率 , 并能通过参数 r 、 c控

4、制振荡频率。 rc 环形多谐振荡器如图 92 所示 ,rc 环形多谐振荡器由3 个非门（ g1 、 g2 、g3 ） 、两个电阻（r、rs ）和一个电容c组成。电阻 rs是非门 g3的限流保护电阻, 一般为 100左右； r、 c为定时器件 ,r的值要小于非门的关门电阻, 一般在 700 以下 , 否则 , 电路无法正常工作。此时 , 由于 rc的值较大 , 从 u2 到 u4 的传输时间大大增加, 基本上由 rc的参数决定 , 门延迟时间tpd 可以忽略不计。图 92 rc 环形多谐振荡器. 工作原理设电源刚接通时, 电路输出端uo为高电平 , 由于此时电容器c尚未充电 , 其两端电压为零,

5、则 u2、u4 为低电平。电路处于第1 暂稳态。随着u3 高电平通过电阻r对电容 c充电 ,u4 电位逐渐升高。 当 u4 超过 3 的输入阀值电平uth时 ,g3 翻转 ,u0 u1 变为低电平 , 使 g1也翻转,u2 变为高电平 , 由于电容电压不能突变,u4 也有一个正突跳, 保持 g3输出为低电平,此时电路进入第2 暂稳态。 随着 u2 高电平对电容c并经电阻 r的反向充电 ,u4 电位逐渐下降 , 当u4 低于 uth时,g3 再次翻转 , 电路又回到第1 暂稳态。 如此循环 , 形成连续振荡。 电路各点的工作波形如图93 所示。111u2u3uou4u1crrs图 93 rc 环

6、形多振荡器工作波形b. 脉冲宽度 tw 及周期 t 的估算脉冲宽度分为充电时间（tw1）和放电时间 （tw2）两部分 , 根据 rc电路的基本工作原理,利用三要素法 , 可以得到充电时间tw1: tw1 ln)()()0()(14444tuuuurclnthohthohuuuu同理 ,求得放电时间tw2: tw2 ln)()()0()(24444tuuuurclntholthoholuuuuu)(其中 : rc,uoh 和 uol分别为非门输出的高电平电压和低电平电压。设 uoh 3v、 uol、 uth , 故脉冲周期t ttw1 tw2从以上分析看出, 要改变脉宽和周期, 可以通过改变定时

7、元件r和 c来实现。c. 改进形式由于电阻r不能取得过大 （700以下） , 这就限制了频率的调节范围。如果在环形振荡器中增加一级射级跟随器, 可使 r 的可调范围增大, 在图 94 所示电路中 ,r 的取值可以达到10k, 若将晶体三极管改为均效应管 ,r 的取值可以达到20m , 这样 , 振荡频率的调节范围就很宽。t0uotu20tu30t0u4u th- u thuolu ohuoh+ uth-uoht 1t 2111uorct+vcc图 94 改进的 rc环形多谐振荡器(2) cmos 门电路构成的多谐振荡器由于 cmos 门电路的输入阻抗高( 108), 对电阻 r的选择基本上没有

8、限制, 不需要大容量电容就能获得较大的时间常数, 而且 cmos 门电路的阀值电压uth比较稳定 , 因此常用来构成振荡电路 , 尤其适用于频率稳定度和准确度要求不太严格的低频时钟振荡电路。电路组成及工作原理图 95 所示为一个由cmos 反相器与r、c 元件构成的多谐振荡器。接通电源vdd后,电路中将产生自激振荡, 因 rc串联电路中电容c上的电压随电容充放电过程不断变化,从而使两个反相器的状态不断发生翻转。图 95 cmos多谐振荡器接通电源后 , 假设电路初始状态ui1 0, 门 g1截止 ,u01 1, 门 g2导通 ,u02 0, 这一状态称为第1 暂稳态。此时 , 电阻 r两端的电

9、位不相等, 于是电源经门g1 、电阻 r和门 g2对电容 c充电 , 使得 ui1 的电位按指数规律上升, 当 ui1 达到门 g1的阀值电压uth时, 门 g1由截止变为导通 , 电路发生如下正反馈过程:ui1uo1uo2ui1uo2uo111ui2rc即门 g1导通 , 门 g2截止 ,u01 0,u02 1, 这称为电路的第2 暂稳态。这个暂稳态也不能稳定保持下去。电路进入该状态的瞬间, 门 g2的输出电位u02由 0上跳至 1, 幅度约为vdd 。由于电容两极极间电位不能突变, 使得 ui1 的电压值也上跳vdd 。由于cmos 门电路的输入电路中二极管的钳位作用, 使 ui1 略高于

10、vdd 。此时电阻两端电位不等,电容通过电阻r 、门 g1及门 g2放电 , 使得 ui1 电位不断下降 , 当 ui1 下降到 uth时, 电路发生如下正反馈过程:使得门 g1截止 , 门 g2导通 , 即 u011,u02 0, 电路发生翻转 , 又回到第 1暂稳态。此后 , 电容 c重复充电、放电, 在输出端即获得矩形波输出。工作波形见图96。图 96 cmos多谐振荡器工作波形考虑到 cmos 门电路输入端钳位二极管的限幅作用, 门 g1的 ui1 的值在发生正跳变时峰值不可能超过 vddvf（其中 vf为钳位二极管的导通压降）, 发生负跳变时峰值不可能超过 vf。振荡周期t 和振荡频

11、率f 的计算在 cmos 电路中 , 若 vf 0v, 且 uth 21vdd,则第 1暂稳态时间和第2 暂稳态时间相等为t, 门 g2的输出 u02 为方波。振荡周期 :ui1uo1uo20tuo10tui10uthvdd+ vf-vftuo2tt w1tw2t1t2t 2rcln)()()0()(11111tuuuuiiii2rclnddddddvvv2102rcln2振荡频率 f t1rc4 . 11【例 91 】在图 95 的 cmos 多谐振荡器中 , 已知 vdd 10v,uth5v,vf1v,r100k,c f, 试计算电路的振荡频率。解: t tw1tw2rclnthfdduv

12、vrclnthddffdduvvv100103 106ln5110100103 106ln510110 104(s)振荡频率f t1(khz)9.1.2 石英晶体多谐振荡器在多谐振荡器中, 输出信号振荡频率的稳定性主要由电路达到转换电平的时间来决定。由于转换电平受温度变化有一些影响, 受外界干扰后, 电路转换时间发生变化的影响及电容充放电速度变缓后, 转换电平微小变化对振荡周期的影响等原因, 使电路振荡频率稳定性较差, 因此 , 在对频率稳定性要求较高的数字设备系统中 , 需要稳频措施。 其常用方法是在多谐振荡器的反馈回路中串进石英晶体, 构成石英晶体振荡器, 如图 97 所示。图中 ,r1.

13、 、r2保证 g1.、 g2正常工作 , 电容器 c1、c2起到频率微调及耦合的作用。图 97 石英晶体多谐振荡器石英晶体具有很好的选频特性如图98 所示。把石英晶体对称接入反馈回路后, 只有当信号频率为晶体固有的谐振频率f0时, 晶体的等效阻抗最小, 信号最容易通过, 而其他频率的信号均被晶体严重衰减。因此, 电路的振荡频率只取决于与晶体结构有关的谐振频率f0,与 r和 c的大小无关 , 所以 , 它的输出信号频率稳定度很高。在调试使用中,若因故停振 , 可以适当调节r1 、r2。11r1r2c1c2uofx0fo电容性电感性图 98 石英晶体阻抗频率特性单稳态触发器单稳态触发器就是只有一个

14、稳态和一个暂稳态的触发器。所谓稳态是在无外加信号的情况下 , 电路能长久保持的状态, 稳态时 , 电路中电流和电压是不变的。暂稳态是一个不能长久保持的状态 , 暂稳态期间 , 电路中一些电压和电流会随着电容器的充电和放电发生变化。单稳态的触发器的特点是：没有外加触发信号的作用, 电路始终处于稳态；在外加触发器信号的作用下, 电路能从稳态翻转到暂稳态, 经过一段时间后, 又能自动返回原来所处的稳态。电路处于暂稳态的时间通常取决于rc电路的充、 放电的时间 ,这个时间等于单稳态触发器输出脉冲的宽度tw,与触发信号无关。所以 , 单稳态触发器在外加触发脉冲信号的作用下,能够产生具有一定宽度和一定幅度

15、的矩形脉冲信号。单稳态触发器属于脉冲整形电路, 常用于脉冲波形的整形,定时和延时。单稳态触发器可以由ttl 或 cmos 门电路与外接rc电路组成 ,也可以通过单片集成单稳态电路外接rc电路来实现。 其中 rc电路称为定时电路。根据 rc电路的不同接法, 可以将单稳态触发器分为微分型和积分型两种。9.2.1cmos 门电路构成的微分型单稳态触发器(1) 电路的组成图 99 所示为cmos 或非门组成的单稳态触发器电路, 由两个或非门和rc电路连接而成。门 g1的一个输入端作为整个电路的信号输入ui1, 门 g2的输出端作为整个电路的信号输出 u02,rc 环节构成微分电路, 故称为微分型单稳态

16、触发器。图 9 9 cmos 或非门微分型单稳态触发器 (2) 工作原理假定 cmos 或非门的电压传输特性曲线为理想化折线,即开门电平von和关门电平voff相等 , 这个理想化的开门电平或关门电平称为阀值电压uth （一般 uth 21vdd ）, 当输入 uiuth时 ,输出 uo0；当 ui uth时, uo vdd 1。稳态接通电源 , 无触发信号（ ui1 0）, 电路处于稳态 , 电源 vdd 通过电阻r对 c充电达到稳态值 , 故 ui2 vdd 1, 门 g 导通 , 输出 uo2 0, 门 g1截止 ,输出 uo1vdd 1, 电容 c上的电压为 0。外加触发信号到来, 电

17、路由稳态翻转到暂稳态当外加触发信号ui1 正跳变 , 使 uo1 由 1 跳到 0 时, 由于 rc电路中电容c上电压不能突变, 因此 ,ui2也由 1 跳变到 0, 使门 g2输出由 0 变 1, 并返送到门g1的输入。这时输入信号ui1 高电平撤消后,uo1 仍维持为低电平,这一过程可描述为:然而 , 这种状态是不能长久保持的, 故称为暂稳态。由暂稳态自动返回稳态在暂稳态期间,电源 vdd通过电阻 r和门 g1的导通工作管对电容c充电。随着充电的进行,ui2逐渐上升 , 当 ui2 uth时 , 电路发生下述正反馈（设此时触发脉冲已消失）:ui1uo1uo2ui2+vddui1uo2ruo

18、11ui2c1这一正反馈过程使电路迅速返回到门g1 截止、门g2 导通的稳定状态。最后u01vdd,u020, 电路退出暂稳态, 回到稳态。 值得注意的是,u01 由 0 跳变到 vdd , 由于电容电压不能突变 ,按理 ui2 也应由 uth上跳到 uth vdd,但 cmos 门电路的内部输入端有二极管限幅保护电路 ,因此 ui2 只能跃升到vdd 。暂稳态结束后,电容 c 通过电阻r 经门 g1的输出端和门g2的输入端保护二极管放电,使 ui2 恢复到稳态时的初始值vdd 。根据以上分析 , 画出电路各点的工作波形如图910 所示。图 910 cmos微分型单稳态电路工作波形 (3) 主

19、要参数计算输出脉冲宽度tw从电路的工作过程可知, 输出脉宽tw 是电容器c 的充电时间。设电容c 充电起点（即t1 时刻）为0 时刻 ,则有 ui2(0+)0,ui2( ) vdd, rc, ui2(tw)uth 21vdd根据 rc电路暂态过程全响应公式ui2uo2uo1c充电tui10vddvddtuo10ui2vdd0uthvdd+tuo20t1t2t wt reui2(tw) ui2( ) ui2(0+)ui2( )et可得 tw ln)()()0()(2222wiiiituuuurclnddddddvvv210恢复时间 tre,从暂态结束到电路恢复到稳态初始值所需时间,即电容 c放电

20、时间tre 3d 式中 : d 为电容 c放电过程的时间常数。最高工作频率fmax, 为保证单稳态电路能正常工作, 在第一个触发脉冲作用后, 必须等待电路恢复到稳态初始值才能输入第二个触发脉冲。因此, 触发脉冲工作最小周期tmintwtre,则电路的最高工作频率为fmaxmin1trewtt1【例 92】在图 99 所示电路中 , 已知 :r20k,c f。试求输出脉冲宽度tw。解: 根据式（） tw 20103 106140( s) 9.2.2cmos 门电路构成的积分型单稳态触发器(1) 电路组成积分型单稳态触发器如图911 所示 , 是由两个cmos 或非门组成。门g1和门 g2采用rc

21、积分电路耦合, ui1加至门 g1和门 g2输入端。图 911 cmos或非门积分型单稳态触发器(2) 工作原理稳态当电路的输入ui1 为高电平时 , 电路处于稳态, 门 g1 、g2均导通 ,uo1 、ui2 、uo2均为低电平。暂稳态当输入信号ui1 下跳为低电平时, 门 g1截止 ,uo1 则跳变为高电平, 但由于电容c上电压不能突变 ,ui2仍为低电平 , 故门 g2亦截止 ,u02 正跳变到高电平, 电路进入暂稳态。ui1+vddrcuo2uo11ui21暂稳态自动恢复到稳态在门 g1 、门 g2截止时 , 由于电阻r两端电位不等 , 电容 c通过 r0（门 g1的输出电阻）和 r

22、放电 ,ui2逐渐上升 , 当升高到该门的阀值电压uth时（假定ui1 仍为电平） , 门 g2导通,u02 变为低电平。当 ui1 回到高电平后, 门 g1导通 ,uo1 为低电平 , 此时电容充电 , 电路恢复到原来的稳定状态。电路各点的工作波形如图912 所示(3) 参数计算脉冲宽度 tw tw的估算公式和微分型电路相同tw rclnthdddduvv这种电路要求输入信号ui1 的脉冲宽度（低电平时间）应大于输出脉宽tw。恢复时间 tre tre3rc 微分型单稳态触发器要求窄脉冲触发, 具有展宽脉冲宽度的作用, 而积分型单稳态触发器则相反 , 需要宽脉冲触发, 输出窄脉冲 , 故有压缩

23、脉冲宽度的作用。在积分型单稳态触发电路中, 由于电容c 对高频干扰信号有旁路滤波作用, 故与微分型电路相比 , 抗干扰能力较强。由于单稳态触发器在数字系统中的应用日益广泛, 所以有集成单稳态触发器产品, 同上面介绍的cmos 单稳态电路一样, 其正常工作时, 需外接阻容元件。在此不再详细介绍。ui1t0tuo10tuo20t wtui20uth图 912 cmos积分型单稳态电路工作波形9.2.3单稳态触发器的应用单稳态触发器可用于脉冲信号的: 定时 ( 即产生一定宽度的矩形脉冲波) 、 整形 ( 即把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的脉冲) 、延时 ( 即将输入信号延迟一定的时间之后输出)

24、 。(1) 定时由于单稳态触发器能产生一定宽度tw 的矩形脉冲 , 利用它可定时开、闭门电路, 也可定时控制某电路的动作。如图913 所示 ,ui1只有在矩形波ui3 存在的时间tw内才能通过。图 913 单稳态触发器的定时作用(2) 整形假设有一列不规则的脉冲信号, 将这一列信号直接加至单稳态触发器的触发输入端, 在其输出端就可以得到一组定宽、定幅较规则的矩形脉冲信号, 如图 914 所示。(3) 延时 : 单稳态触发器在输入信号ui 触发下 ,输出 u0 产生一个比ui 延迟 tw的脉冲波 ,这个延时作用可被适当地应用于信号传输的时间配合上。ui2uoui1&单稳态ui3tui20

25、tui30t wtui10tuo0tuo0tui0图 914 单稳态触发器的整形作用施密特触发器施密特触发器是一种双稳态触发电路, 输出有两个稳定的状态, 但与一般触发器不同的是: 施密特触发器属于电平触发；对于正向增加和减小的输入信号, 电路有不同的阀值电压ut 和 ut, 也就是引起输出电平两次翻转(1 0 和 01) 的输入电压不同, 具有如图6 26（a） 、(c) 所示的滞后电压传输特性, 此特性又称回差特性。所以,凡输出和输入信号电压具有滞后电压传输特性的电路均称为施密特触发器。施密特触发器有同相输出和反相输出两种类型。同相输出的施密特触发器是当输入信号正向增加到ut时 , 输出由

26、 0 态翻转到1 态,而当输入信号正向减小到ut时 , 输出由 1 态翻转到0 态；反相输出只是输出状态转换时与上述相反。它们的回差特性和逻辑符号如图915 所示。（a）同相输出的回差特性（b）同相输出的逻辑符号 (c) 反相输出的回差特性（d）反相输出1 uiuouiuo0uohuolut-ut+1 uiuouiuo0uohuolut-ut+的逻辑信号图 915 施密特触发器的回差特性和逻辑符号施密特触发器具有很强的抗干扰性,广泛用于波形的变换与整形。门电路、555 定时器、运算放大器等均可构成施密特触发器, 此外还有集成化的施密特触发器。下面介绍由门电路构成的同相输出的施密特触发器。1.c

27、mos 门电路构成的施密特触发器(1) 电路组成如图 916 所示 , 由二个 cmos 反相器及两个电阻r1和 r2构成一个施密特触发器。图 916 cmos门构成的施密特触发器(2)工作原理设电路输入端ui 输入一个三角波, 其波形如图6 28 所示。当 ui 0 时, 门 g1截止 , 输出高电平 , 门 g2导通 , 输出低电平 , 此低电平通过电阻r2反馈到输入端 , 使门 g1输入端 ui1 保持低电平 , 此时施密特触发器保持输出信号uo 为低电平的稳态 ,电路进入第稳态。ui 逐渐上升 , ui1也随着上升 ,但只要其小于cmos 门电路的开启电压ut,电路就保持在第稳态。当

28、ui 上升到使ui1 等于 ut时 , 在电路中引起如下正反馈连锁反应r1ui1uouo111r2uiuiui1uouo1在此连锁反应的作用下, 门电路的状态发生翻转, 使门 g1导通 , 输出低电平 ,g2 截止 , 输出高电平 ,电路进入第稳态。以后, 即使 ui 继续上升 , 只要满足ui1 大于 cmos 门电路的开启电压 ut,电路就保持在第稳态。若 ui 由 vdd下降 ,ui1也下降 , 当 ui1 降至 ut时, 在电路中再次发生正反馈连锁反应在此连锁反应的作用下, 电路重新进入门g1截止、 门 g2导通的状态 , 电路输出为低电平,再次翻转到第稳态。若电路已处于第稳态, 则

29、ui 继续下降 , 施密特触发器仍维持第稳态不变。在输入 ui 三角波形的作用下, 门 g1输出波形 uo1 及门 g2输出波形uo 如图 917 所示。图 917 施密特触发器工作波形(3)回差特性通过以上的工作原理分析可以看到有一个重要的现象, 即在输入电压上升过程中, 电路由第稳态翻转到第稳态所要求的输入电压ut与输入电压下降过程中电路由第稳态回到第稳态所要求的输入电压ut是不相同的, 这种现象称回差（或滞后）现象, 称 ut为正向阀值电压（或称接通电平）,ut为负向阀值电压（或称断开电平）, 它们之间的差值 uut ut称作回差电压（或称滞后电压）, 简称回差。ut的计算在 ui 上升

30、过程中 , 由下面的计算式可求得能使施密特触发器翻转的输入电压ui, 也就可uiui1uouo1tui0ut+ut-vddtuo10tuo0稳态稳态稳态tui0ut+tuo0ut-求得 ut:ui121rruuoir2uo21rruir2 utcmos 门输出低电平约为0v, uo0v, ut 就是符合上式要求的ui 值:ut ui (1 21rr)ut ut的计算在 ui 下降过程中 , 由下面的计算式可求得能使施密特触发器翻转的输入电压ui, 也就可求得 ut: ui121rruuoir2 uo21rrvuddir2 vdd 2112rrrvruddiut cmos 门输出高电平约为vdd

31、,uo vdd, ut就是符合上式要求的ui 值:ut ui (1 21rr)ut21rrvdd u的计算uut ut21rrvdd )根据上面的分析, 可以知道施密特触发器的回差u,可以通过改变r1、r2阻值来调节。2.施密特触发器的应用施密特触发器的应用十分广泛, 不仅可以应用于波形的变换、整形、展宽 , 还可应用于鉴别脉冲幅度、构成多谐振荡器、单稳态触发器等。(1) 波形的变换施密特触发器能够将变化平缓的信号波形变换为较理想的矩形脉冲信号波形, 即可将正弦波或三角波变换成矩形波。图 918 所示为将输入的正弦波转换为矩形波, 其输出脉宽tw可由回差 u调节。图 918 施密特触发器的波形

32、变换作用(2) 波形的整形在数字系统中, 矩形脉冲信号经过传输之后往往会发生失真现象或带有干扰信号。利用施密特触发器可以有效的将波形整形和去除干扰信号（要求回差u大于干扰信号的幅度） 。如图 9 19 所示 .图 919 施密特触发器的波形整形作用 (3) 幅度鉴别如果有一串幅度不相等的脉冲信号, 我们要剔除其中幅度不够大的脉冲, 可利用施密特触发器构成脉冲幅度鉴别器, 如图 920 所示 , 可以鉴别幅度大于ut 的脉冲信号。图 9 20 施密特触发器的鉴幅作用t0tui0ut+ut-uot wtui0tuo0ut+ut-(4) 构成多谐振荡器施密特触发器的特点是电压传输具有滞后特性。如果能

33、使它的输入电压在ut 与 ut之间不停地往复变化, 在输出端即可得到矩形脉冲, 因此 , 利用施密特触发器外接rc电路就可以构成多谐振荡器, 电路如图921（a）所示。(a) (b)图 621 反相输出的施密特触发器构成多谐振荡器及其工作波形工作过程 : 接通电源后 , 电容 c上的电压为0, 输出 u0 为高电平 ,u0 的高电平通过电阻r对 c充电 , 使 uc 上升 , 当 uc 到达 ut 时 , 触发器翻转 , 输出 u0 由高电平变为低电平。然后c经 r 到 u0 放电 , 使 uc 下降 , 当 uc 下降到 ut时 , 电路又发生翻转, 输出 u0 变为高电平 ,u0再次通过r

34、对 c充电 , 如此反复 , 形成振荡。工作波形如921（b）所示。【例 93 】 在图 921(a) 中, 已知 :vdd10v,ut 6v, ut 3v,c f,r 5k。试计算其输出电压uo 的振荡周期。解: 根据图 921(b) 的波形图 , 设电容 c充电时间为tw1、 放电时间为tw2,则振荡周期t为: ttw1tw2rclntddtdduvuv rclnttuu 50103 106(ln610310ln36) 105(s) (5) 施密特触发器构成单稳态触发器.利用施密特触发器的回差特性, 可以很方便的构成单稳态触发器, 电路如图922（a）所示 .urrc1 uouitur0t

35、ui0ut+ut-tuo0t w工作过程 : 当 ui 0 时 ,ur0, uo 0, 电路进入稳态。当ui 正跳变时 , 由于电容 c上的电压不能突变 ,ur 也上跳与 ui 相同的幅值 , 一旦超过正向阀值电压ut , 输出就翻转为高电平, 电路进入暂稳态。此时 , 由于电阻 r两端电位不等 ,c 通过 r对地放电 , 使 ur下降 ,当降至ut 时 , 电路又将自动翻转,uo0, 回到稳态。工作波形如图922（b）所示。(a) (b)图 922 施密特触发器构成单稳态触发器及其工作波形输出脉冲宽度tw与 u有关 , u越小 , 则脉宽越窄；反之, u越大 , 则脉宽越大。集成 555定时

36、器定时器是大多数数字系统的重要部件之一。555 定时器是一种多用途的中规模单片集成电路 , 它由美国sginetics公司于 1977 年最早开发研制的。 它是将模拟功能和逻辑功能巧妙地结合在一起 , 具有功能强大、 使用灵活、 应用范围广等优点, 广泛地用于工业控制、家用电器、电子玩具乐器、数字设备等方面, 俗称“万能块” 。555 定时器不但本身可以组成定时电路, 而且只要外接少量的阻容元件, 就可以很方便地构成多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等脉冲的产生与整形电路。555 集成定时器按内部器件类型可分双极型（ttl型）和单极型（cmos 型） 。 ttl 型产品型号的最后3 位数

37、码是555 或 556,cmos 型产品型号的最后4 位数码都是7555 或 7556, 它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。555 芯片和 7555 芯片是单定时器,556 芯片和 7556芯片是双定时器。ttl 型的定时器静态功耗高, 电源电压使用范围为5 15v；cmos 型的定时器静态功耗较低, 输入阻抗高 , 电源电压使用范围为3 18v,且在大多数的应用场合可以直接代换ttl 型的定时器。下面以cmos 型的 cc7555定时器为例予以介绍。9.4.1555 定时器的电路结构如图 923（a） 、 （b） 、 （c）所示分别为cc7555定时器内部逻辑电路结构图、符号、外管脚分布

38、图。外部有八个管脚, 各管脚的名称如图中所示。由图923（a）可看出 ,7555 定时器由三部分组成:输入比较电路、基本rs触发器和n沟道场效应管。(a) (b) (c)图 923 cc7555 集成定时器1. 输入比较电路由 3 个等值分压电阻r（一般为5k，故称 555 定时器）和两个高、低电压比较器a1、111111vddrrra1a2g0g1g2g3g4g5vu1u1u2u2rsqqq阈值输入端th电压控制端co触发输入端tr地 gnd放电端 d输出端 out直接复位端rd8 476 75553gndcoouttrthd+vddrdthd+vddoutrdtrgndco8 7 6 57

39、555a2 组成。 3 个电阻对vdd分压 , 使 a1 的“”端电压u132vdd,a2的“”端电压u231vdd 。 当阀值输入端th的电压超过32vdd 时, 则 a1输出高电平 , 使基本 rs触发器翻转 ,q0。而当触发输入端tr的电压低于31vdd时,a2 输出高电平 , 使基本 rs触发器翻转 ,q 1。2 基本 rs触发器由两个或非门g1 、g2组成。当r端置 1 时, 触发器置0, 输出端 out为 0；当 s 端置 1时, 触发器置1, 输出端 out为 1。当直接复位端dr加低电平时 , 不管其它输入状态如何, 触发器直接置0, 输出端 out为 0；不使用dr时, 应将

40、此端接高电平。g3 、g4 、g5的作用是输出缓冲 , 提高电路的驱动能力。3. 场效应管vv 是一个由nmos 管构成的放电开关, 状态受rs触发器输出的控制。q1 时,v 导通 ,为外接的电容提供放电通路；q 0,v 截止。 cc7555定时器的逻辑功能表如表62 所示。9.4.2 集成定时器应用举例利用集成定时器, 可以组成多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器。1.用 cc7555定时器构成多谐振荡器(1) 电路组成用 cc7555定时器构成的多谐振荡器如图924（a）所示。 其中电容c经 r2、定时器的场效应 v构成放电回路 , 而电容 c的充电回路却由r1和 r2串联组成。为了提高

41、定时器的比较电路参考电压的稳定性, 通常在 5 脚与地之间接有f 的滤波电容 , 以消除干扰。表 9 1 cc7555定时器的逻辑功能表阈值输入 th触发输入tr直接复位dr输出 out 放电管 v00导通32vdd131vdd110导通32vdd031vdd011断开32vdd031vdd11不变不变8 476 75553r1r2ucc+vdduoftuo0t w2t w1tuc0ddv32ddv31t32vdd131vdd01不 允 许 (2 ）工作原理电源 vdd刚接通时 , 电容 c上的电压 uc 为零 , 电路输出 u0 为高电平 , 放电管 v截止 ,处于第 1 暂稳态。之后vdd

42、经 r1和 r2对 c充电 , 使 uc 不断上升 , 当 uc 上升到 uc32vdd时, 电路翻转置0, 输出 u0 变为低电平 , 此时 ,放电管 v由截止变为导通,进入第 2 暂稳态。 c经 r2和 v开始放电 , 使 uc 下降 , 当 uc31vdd时 ,电路又翻转置1, 输出 u0 回到高电平 ,v 截止 , 回到第 1 暂稳态。然后 , 上述充、放电过程被再次重复, 从而形成连续振荡。工作波形如图635（）所示。 (a) (b)图 924 用 cc7555构成的多谐振荡器及工作波形(3) 主要参数的计算输出高电平的脉宽tw1为 c充电所需的时间tw1（ r1 r2） lnddd

43、dddddvvvv3231（ r1r2）c 输出低电平的脉宽tw2为 c放电所需的时间8 476 75553r+vdduccuofuitui0tuc0ddv32tuo0t wddv31tw2r2clnddddvv3132002c 振荡周期 ttw1tw2 (r12r2)c 振荡频率 ft1crr)2(7. 0121空比 q211wwwttt21212rrrr50%2. 用 cc7555定时器构成单稳态触发器（1） 电路组成用 cc7555构成的具有微分环节的单稳态触发器如图925（a）所示。 r和 c为定时元件, f 电容为滤波电容。(2) 工作原理稳态当输入信号ui 为高电平时 , 接通电源

44、后 ,vdd首先通过 r对 c充电 , 使 uc 上升 , 当 uc32vdd时, 触发器置0, 输出 u0 为低电平 , 放电管 v导通 , 此后 ,c 又通过 v放电 ,放电完毕后 ,uc 和 u0均为低电平不变, 电路进入稳态。 (a) (b)图 925 用 cc7555构成单稳态触发器及工作波形暂稳态当触发脉冲ui 的负窄脉冲触发后, 由于 ui 31vdd,触发器被置1, 输出 u0 为高电平 , 放电管 v截止 , 电路进入暂稳态, 定时开始。暂稳态自动到恢复稳态 vdd通过 r向 c充电 , 电容 c上的电压uc 按指数规律上升, 趋向 vdd 。 当 uc32vdd时,触发器置

45、 0, 输出 u0为低电平 , 放电管 v导通 , 定时结束。电容 c经 v放电 ,uc 下降到低电平 ,u0维持在低电平 , 电路恢复稳态。当第二个触发信号到来时, 重复上述工作过程。其工作波形如图925b）所示。(3) 输出脉宽tw的计算 :输出脉宽tw等于电容 c上的电压uc 从零充到32vdd所需的时间。twrclnddddddvvv320可以看出 , 输出脉宽tw仅与定时元件r、c值有关 , 与输入信号无关。但为了保证电路正常工作 , 要求输入的触发信号的负脉冲宽度小于tw, 且低电平小于31vdd 。3. 用 cc7555定时器构成施密特触发器(1) 电路组成将 7555定时器的第

46、2脚和第 6 脚短接并作为信号输入端, 则定时器就具有施密特触发器的功能 , 电路如图926（）所示。(a)(b)图 926 用 cc7555定时器构成施密特触发器8 46 32 7555uco+vdduiuotuo0tui0ddv32ddv32ddv31及工作波形(2) 工作原理设在电路的输入端输入三角波。接通电源后 , 输入电压 ui 较低 , 使 6 管脚电压32vdd,2管脚电压31vdd,触发器置 1, 输出 u0 为高电平 , 放电管 v 截止。随输入电压ui 的上升 , 当满足31vdd ui 32vdd时, 电路维持原态。 当 ui 32vdd时, 触发器置0, 输出 u0 为低电平 ,放电管 v导通 , 电路状态翻转。可见, 该施密特触发器的正向阀值电压ut32vdd 。当输入电压ui 32vdd,经过一段时间后, 逐渐开始