单稳态电路、多谐振荡器

1、一、微分型单稳态电路一、微分型单稳态电路1、电路组成：、电路组成：CMOS或非门、反相器和或非门、反相器和RC电路组成电路组成DDTHOLDDOH21, 0,VVVVV 2、原理分析、原理分析电路处于电路处于稳态稳态：1)没有触发信号时，没有触发信号时， I=0 o =0、 c =0 o1 =1、电容电容C上没有电压上没有电压9.3 单稳态电路单稳态电路 RC微微分电路分电路触发脉冲触发脉冲2)2)外加触发信号（外加触发信号（正脉冲正脉冲） I I =VTH产生如下产生如下正反馈正反馈过程：过程：迅速迅速使使 o1 = 0 o =1电路进入电路进入暂稳态暂稳态。这时即使这时即使 I I回到低电

2、平，回到低电平， O O的高电平仍然会维持下去。的高电平仍然会维持下去。维持多久呢？维持多久呢？01v0v2Iv电容的端电电容的端电压不能突变压不能突变3)3)在暂稳态期间，电容在暂稳态期间，电容C C充电充电电路由暂稳态自动返回到稳态。电路由暂稳态自动返回到稳态。 I2 I2 =VTH产生如下产生如下正反馈正反馈过程：过程： vI2 vO vO1 迅速使迅速使 o1 = 1、 o =04 4）电路的恢复过程：）电路的恢复过程：电容放完电使电容放完电使 c =0，电路回到电路回到初始初始的稳态。的稳态。由于这由于这时时 I I已经已经回到低电平回到低电平01v0v电容的端电电容的端电压不能突变

3、压不能突变2Iv tw= 0.69RC （1） 输出脉冲宽度输出脉冲宽度tw：(3) 恢复时间恢复时间tre ：电容电容C放完电所需时间放完电所需时间tre =（35）RON（P）C(4) 分辨时间分辨时间td： 3、 主要参数的估算主要参数的估算 vO1 vI vO vI2 0 0 t t t t tW 0 VTH VDD t1 t2 vd 0 t 0 )()()0()(WCCCCWttl ln n R RC CTHDDDDw0VVVlnRCt = RCln2(2) 输出脉冲幅度输出脉冲幅度Vm ：Vm = VOH-VOL VDDtd = tw+tre指在保证电路能指在保证电路能正常工作正常

4、工作的情况下，允许两个的情况下，允许两个相相邻邻触发脉冲之间的触发脉冲之间的最小最小间隔时间。间隔时间。输出脉冲的宽度等于暂稳态的持输出脉冲的宽度等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间等续时间，而暂稳态的持续时间等于于从电容从电容C开始充电到充电至开始充电到充电至 I2I2等于等于V VTHTH的时间。的时间。 1 1、电路具有一个稳、电路具有一个稳态和一个暂稳态。在外加触发信号态和一个暂稳态。在外加触发信号的作用下，电路将从稳态转入暂稳态。暂稳态持续一段的作用下，电路将从稳态转入暂稳态。暂稳态持续一段时间以后，电路又自动返回到稳态。时间以后，电路又自动返回到稳态。单稳态电路的工作特点：单稳

5、态电路的工作特点：2、暂稳态的持续时间仅取决于电路中的、暂稳态的持续时间仅取决于电路中的RC参数值，与参数值，与外加触发脉冲的特性无关。外加触发脉冲的特性无关。 利用单稳态电路的这种工作特点，能够把不同宽度或利用单稳态电路的这种工作特点，能够把不同宽度或者不同幅度、不同波形的触发脉冲变换为者不同幅度、不同波形的触发脉冲变换为等宽等宽的输出脉冲，的输出脉冲，作为一种定时信号使用。作为一种定时信号使用。思考：思考：从电压波形观察，输入触发脉冲的宽度能否大于从电压波形观察，输入触发脉冲的宽度能否大于输出脉宽？输出脉宽？ 如果大于，要保证电路正常工作则应在输入端加入如果大于，要保证电路正常工作则应在输

6、入端加入一个微分电路。一个微分电路。单稳态电路的应用单稳态电路的应用定时定时 该电路可用于频率计该电路可用于频率计 vO 与与门门 vA vB tW 单稳态单稳态 触发器触发器 vI vI O vB O vA O vO O tW t t t t 集成单稳态电路集成单稳态电路 74121R：可外接电阻，取值范围：可外接电阻，取值范围：2 30k 也可采用内部电阻（也可采用内部电阻（ 2 k） C：外接电容，取值范围：外接电容，取值范围：10pF 10uF B A1 A2 G1 & G2 & G3 & G4 & a G5 & 1 G6 & Cext

7、Rext Rext/Cext Rint Rint G7 1 G8 1 G9 1 Q Q 触发信号控制电路触发信号控制电路 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 输出缓冲电路输出缓冲电路 (a) 逻辑图 74121功能表功能表 HHHH0vA1A2B OL HL LHL LLHH LHHHHHL L电路稳态：电路稳态： O=0A1、A2中有一个或两个接低电平，中有一个或两个接低电平，在在B端输入端输入上升沿上升沿时电路被触发时电路被触发B 和和A1、A2 中不作为输入端的一中不作为输入端的一个接高电平，在个接高电平，在A1、A2的一个或的一个或两个端输入两个端输入下降沿下降沿时电路被触发时电路被

8、触发下降沿下降沿触发时的接法触发时的接法1UI利用利用Rext 时的接法时的接法Cext RextCextUo RintVccGNDBA2A1Uo345167101191474121上升沿上升沿触发时的接法触发时的接法UI利用利用Rint 时的接法时的接法（Rint2 K）+VCCCRC+VCCCext RextCextUo RintVccGNDBA2A1Uo345167101191474121电路的连接：电路的连接：输出脉冲宽度：输出脉冲宽度： tw = 0.69RC 集成单稳态器件集成单稳态器件(a)v vO Ov vI It tw wt tw w(b)vOvItwtw不可重复触发不可重复

9、触发可重复触发可重复触发被重复触发被重复触发没有被重复触发没有被重复触发 电路一旦被触发进入暂电路一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过冲不会影响电路的工作过程，必须等到暂稳态结束程，必须等到暂稳态结束之后，才可能再次被触发。之后，才可能再次被触发。 电路如果被触发进入暂电路如果被触发进入暂稳态以后再加入触发脉冲，稳态以后再加入触发脉冲，电路将被重新触发，再继电路将被重新触发，再继续维持一个等于续维持一个等于tw的暂稳态的暂稳态时间。时间。74121属于不可重复触发型属于不可重复触发型74122、74123属于可重复触发型属于可重复触发型9.4 多谐

10、振荡电路多谐振荡电路多谐振荡器的工作特点：多谐振荡器的工作特点：1、电路没有稳态，只有两个暂稳态。、电路没有稳态，只有两个暂稳态。2、在接通电源后，不需要外加触发信号，在、在接通电源后，不需要外加触发信号，在RC电路电路的充、放电作用下，电路在两个暂稳态间自动转换，的充、放电作用下，电路在两个暂稳态间自动转换，从而产生矩形脉冲。从而产生矩形脉冲。用途：产生矩形脉冲。用途：产生矩形脉冲。1、组成、组成2、工作原理、工作原理（1）接通电源瞬间，电路的初始状态是未知的。）接通电源瞬间，电路的初始状态是未知的。9.4.1 对称式和非对称式多谐振荡电路对称式和非对称式多谐振荡电路一一. 对称式多谐振荡电

11、路对称式多谐振荡电路由由CMOS反相器组成反相器组成P 由于由于P点处在电压传输特性的转折点处在电压传输特性的转折区，区，P点附近输入电压的微小变化都会点附近输入电压的微小变化都会引起输出电压更大的变化，所以输入电引起输出电压更大的变化，所以输入电压的任何噪声和扰动都将被放大，并且压的任何噪声和扰动都将被放大，并且引发正反馈过程，产生振荡。引发正反馈过程，产生振荡。电路进入第二个暂稳态迅速跳变为低。迅速跳变为高，而使时，引起如下正反馈：，当到逐渐的放电随着O2O1O2I2O1I1THI1vvvvvvVvC2)3(。vvvvvvv电路进入第一个暂稳态迅速跳变为高。迅速跳变为低，而使，则有：有微小

12、由于干扰使O2O1O2I2O1I1I1)2(随后电容随后电容C1开始充电、开始充电、C2开始放电。开始放电。随后电容随后电容C2开始充电、开始充电、C1开始放电。开始放电。vvvvvvVvCTH电路进入第一个暂稳态迅速跳变为高。迅速跳变为低，而使引起如下正反馈：时，当到逐渐的充电随着O2O1O2I2O1I1I1,)4(2这样电路便在两个暂稳态之间反复这样电路便在两个暂稳态之间反复转换，输出周期性的矩形脉冲。转换，输出周期性的矩形脉冲。电压波形：电压波形：振荡周期计算：振荡周期计算：的的时时间间从从充充电电开开始始到到充充至至的的时时间间从从充充电电开开始始到到充充至至THI2THI1VvVvT

13、 CRCRTRRRVVVVVVVCRRRTFFON(P)ON(N)FDDTHTHDDDDTHDDON(P)ON(N)F2 . 23ln22/)/()(ln()(2 的条件下，的条件下，和和远大于远大于、在在二二. 非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器CRCRTFF2 . 23ln2 振荡周期：振荡周期：三三. 石英晶体多谐振荡电路石英晶体多谐振荡电路1、石英晶体、石英晶体当要求多谐振荡器的振荡频率十分稳定（如数字钟的当要求多谐振荡器的振荡频率十分稳定（如数字钟的秒脉冲频率）时，上述电路的都达不到要求。最简便的稳秒脉冲频率）时，上述电路的都达不到要求。最简便的稳频方法是在多谐振荡器中接入频方法是

14、在多谐振荡器中接入石英晶体石英晶体，构成，构成石英晶体多石英晶体多谐振荡器。谐振荡器。石英晶体的固有振荡频率石英晶体的固有振荡频率 fo 由晶体由晶体切片的几何尺寸和结晶方向所确定，几切片的几何尺寸和结晶方向所确定，几乎不受环境温度和时间变化的影响，具乎不受环境温度和时间变化的影响，具有极高的稳定度。有极高的稳定度。fo电容性电感性fXO电抗电抗-频率特性频率特性符号符号2、石英晶体振荡器、石英晶体振荡器（1）、组成）、组成将石英晶体接到多谐振荡器的正反馈回路中。将石英晶体接到多谐振荡器的正反馈回路中。当外加电压的频率当外加电压的频率f = fo 时，其电抗时，其电抗 X=0 。（2）、工作原

15、理）、工作原理只有输出电压中的频率只有输出电压中的频率为为 fo 的分量最容易通过石的分量最容易通过石英晶体并使电路产生振荡英晶体并使电路产生振荡。（3）、参数选择）、参数选择各种固有振荡频率各种固有振荡频率fo的石英晶体已做成成品，可根的石英晶体已做成成品，可根据需要选购。据需要选购。fo一般都很高，应利用分频器将一般都很高，应利用分频器将fo分频为所需频率。分频为所需频率。例如，需要频率为例如，需要频率为1Hz的秒脉冲，的秒脉冲，可选购可选购 fo=32768Hz的的晶振，通过晶振，通过15次二分频获得次二分频获得1Hz。结论：结论： 电路的振荡频率就等于电路的振荡频率就等于 fo 。 对

16、称式和非对称式多谐振荡电路都是利用闭合回路的正反对称式和非对称式多谐振荡电路都是利用闭合回路的正反馈作用产生振荡的。而利用闭合环路中的延迟负反馈作用同馈作用产生振荡的。而利用闭合环路中的延迟负反馈作用同样也能产生自激振荡。样也能产生自激振荡。1、组成、组成利用门电路的传输延迟时间利用门电路的传输延迟时间t tpd ，将，将奇数奇数个反相器首尾相接。个反相器首尾相接。2、工作波形、工作波形tUO1tUO2tUO3tpd3、计算、计算tW = nt tpd ；T=2tW ；f =1/T一般，般，t tpd = =TTL类几十类几十 nsCMOS类几百类几百nstWn是门的数目。是门的数目。9.4.

17、2 环形振荡电路环形振荡电路最简单的环形振荡电路：最简单的环形振荡电路：缺点：输出频率太高，且不可调节。缺点：输出频率太高，且不可调节。改进的环形振荡电路改进的环形振荡电路T 2.2RC为了获得较低的、可调的为了获得较低的、可调的f ，可在环形回路中增加，可在环形回路中增加RC延时环节。延时环节。1、组成、组成2、工作原理、工作原理接通接通VCC瞬间，瞬间，C中无电荷，所以：中无电荷，所以：1）UC=0 3、电压波形、电压波形2）UO=1 C充电 UI ，3）UO=0 C放电 UI ，tUOtUI00VT+VT-若是若是CMOS电路电路，T1T2TUI =VT+ UO=0UI =VT- UO=1T1= RC ln VDD -VDD -T=T1+T2 ；f =1/T； q =T1/TUI =0 UO=1VT-VT+T2= RC ln 0 -0 -VT+VT-则：则：9.4.3 利用施密特触发电路构成的多谐振荡电路利用施密特触发电路构成的多谐振荡电路4、电路改进、电路改进占空比可调电路如图：占空比可调电路如图：1CUIUOR2R1+充电经过充电经过R2 ，放电经过，放电经过R1 ，T1= R2C ln VDD-VT-VDD-VT+T2= R1C ln VT+VT-q =T1/TT=T1+T2调节调节R1 或或 R2 ，即