施密特触发器与多谐振荡器课件

1、自动化学院应用电子教学中心1第六章 脉冲波形产生和变换电路6.1 概述6.2 单稳态触发器6.3 施密特触发器6.4 多谐振荡器6.5 555定时器及应用自动化学院应用电子教学中心26.1 概述脉冲信号？脉冲信号是指作用时间很短的突变电压信号或电流信号的统称，从广义上说，凡不具有连续正弦波的信号，均可称为脉冲信号。自动化学院应用电子教学中心3矩形脉冲波形的主要参数图6.1.1 矩形脉冲波形的特征参数自动化学院应用电子教学中心4主要参数六个特征参数定义如下：脉冲周期 ：周期性脉冲序列中，两个相邻脉冲出现的时间间隔。脉冲幅值 ：脉冲信号的最大变化幅值。占空比 ：脉冲信号的正脉冲宽度与脉冲周期的比值

2、，即 。脉冲宽度 ：从脉冲波形上升沿的 到下降沿的 所需的时间。自动化学院应用电子教学中心5上升时间tr：脉冲波形由0.1Um上升到0.9Um所需的时间。下降时间tf：脉冲波形由0.9Um下降到0.1Um所需的时间。自动化学院应用电子教学中心66.2 单稳态触发器 特点：有一个稳态和一个暂稳态在外界触发信号作用下，能从稳态暂稳态，维持一段时间后自动返回稳态暂稳态维持的时间长短取决于电路内部参数自动化学院应用电子教学中心7 单稳态触发器的暂稳态通常都是由RC电路的充放电过程来维持的。按电路中决定暂态时间的 电路连接形式不同，单稳态触发器可分为微分型和积分型两种，如图6.2.1、6.2.2所示。这

3、里只介绍由 门构成的积分型单稳态触发器的工作原理及其主要参数计算方法。自动化学院应用电子教学中心8图6.2.1 积分型单稳态触发器自动化学院应用电子教学中心9图6.2.2 微分型单稳态触发器自动化学院应用电子教学中心106.2.1 用门电路组成的单稳态触发器 主要由两个与非门G1 、 G2 组成， 且两者之间用积分电路耦合。R的阻值应小于开门电阻 ，以保证当uO1为低电平时，uC可下降至TTL门G2的UTH值（通常为1.4V 左右）以下。自动化学院应用电子教学中心111.工作原理图6.2.3 积分型单稳态触发器中各点电压波形图自动化学院应用电子教学中心12 结合电压波形图,分析其工作原理。（1

4、）模态1电路的稳态（0 t1 ） 模态1为稳态。当 uI 0时， G1 、 G2的输出均为高电平，电容 C充电结束，触发器处于稳定状态，即 uO UOH 。1.工作原理自动化学院应用电子教学中心13(2) 模态2加正触发脉冲使电路翻转为暂稳态（t1 t2） 当 uI1时，G1的输出uO1为低电平，此时电容 C通过 R及门G1输出端放电，使C上电压 uC呈指数规律下降，电路进入暂稳态。自动化学院应用电子教学中心14(3)模态3电路自动返回稳态 当 tt1时，电容C开始放电，当uC下降至门G2的阈值电压( 约为1.4V,此时tt2 ），门G2发生翻转，使uo自动翻转一次，跳变为高电平，返回稳态，即

5、uo UOH。自动化学院应用电子教学中心152、性能参数计算输出脉宽图6.2.4 电容C 放电等效回路和uC波形（a）电容C 的放电回路 （b）电容电压uC波形自动化学院应用电子教学中心162、性能参数计算输出脉宽自动化学院应用电子教学中心172、性能参数计算恢复时间与 分辨时间自动化学院应用电子教学中心186.2.2 集成单稳态触发器1、不可重复触发触发进入暂稳态时，再加触发脉冲无效2、可重复触发触发进入暂稳态时，再次触发有效，输出脉冲可再维持一个脉宽。常用74121，74221，74LS221等都是不可重复触发的单稳态触发器。其中，74121的电路符号如图。一、分类二、常用产品举例自动化学

6、院应用电子教学中心19集成单稳态触发器的两种工作波形自动化学院应用电子教学中心20集成单稳态触发器74121A1、A2是下沿有效的触发信号输入端，B是上沿有效的触发信号输入端。自动化学院应用电子教学中心21图6.2.5 集成单稳态触发器74121 的外部元件连接方法（a）使用外接电阻Rext 且采用下降沿触发 （b）使用内部电阻Rint 且采用上升沿触发自动化学院应用电子教学中心2274121的主要参数 (1) 输出脉冲宽度tW 使用外接电阻： tW 0.7RextC 使用内部电阻： tW 0.7RintC 74121内部电阻（2K），外接电阻Rext可在1.4K40K之间选择，外接电容C可在

7、10pF10F之间选择，自动化学院应用电子教学中心2374121的主要参数（2）输入触发脉冲最小周期Tmin Tmin= tWtre（3）周期性输入触发脉冲占空比D 定义： D = tW/T 最大占空比： Dmax= tW/ Tmin所以，当R=2k时， 最大占空比Dmax为67%； 当R=40k时，最大占空比Dmax可达90%。自动化学院应用电子教学中心24 6.2.3 单稳态触发器应用 在数字电子系统中，单稳态触发器一般用于定时、整形、延时、系统监控以及噪声消除等。自动化学院应用电子教学中心251. 延时 从图（b）可以看出，uO的下降沿比uI的下降沿滞后了时间tW，即实现了时间tW的延时

8、。因此，单稳态触发器的这种延时作用常被应用于时序控制中。自动化学院应用电子教学中心262. 波形整形 单稳态触发器能够把不规则的输入信号uI整形成为幅度相同、宽度均相同的标准矩形脉冲uO。uO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，而宽度tW则取决于暂稳态时间。自动化学院应用电子教学中心276.3 施密特触发器 1、电平触发：触发信号uI可以是变化缓慢的模拟信号， uI达某一电平值时，输出电压uO突变。uO为脉冲信号（正反馈作用，使得边沿很陡）。 2、电压滞后传输：输入信号uI从低电平上升过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与uI 从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同。施密特触

9、发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。自动化学院应用电子教学中心286.3.1 由CMOS门电路构成的施密特触发器1.电路组成由两级CMOS反相器构成的施密特触发器。输入信号uI 通过R1、R2分压获得，并控制着门的状态。图6.3.1 两级CMOS 反相器构成的施密特触发器自动化学院应用电子教学中心29 假设CMOS反相器G1、G2的阈值电压为UTH0.5VDD，且R1R2。 当 uI =0 时，因为G1、G2接成了正反馈电路，所以uO=UOL=0。显然，此时G1的输入信号uI=0。2.工作原理自动化学院应用电子教学中心30伴随着 uI从0 逐渐升高，一旦出现 uI= UTH时， G1便进入

10、了电压传输特性的转折区（放大区）。 鉴于uI的增加将引起如下的正反馈过程，于是便可求出电路状态发生转换时对应的输入电平UT+。自动化学院应用电子教学中心31 伴随着uI从高电平VDD逐渐下降，一旦出现 uI = UTH时， G1便进入了电压传输特性的转折区（放大区）。鉴于uI的下降又会引发一个正反馈过程。于是可求出电路状态发生转换时对应的输入电平UT。自动化学院应用电子教学中心32（1）正向阈值电压3.主要参数计算（2）负向阈值电压自动化学院应用电子教学中心33（3）回差电压 = 滞后特性是施密特触发器的固有特性，同时也是其一大特点。 通过调节R1或R2是实现正向阈值电压和反向阈值电压的调节方

11、法之一。不过，这个电路有一个约束条件，就是R1R2 。 请思考：反之，有什么问题？自动化学院应用电子教学中心34图6.3.1 输入输出反相的施密特触发器电压传输特性和逻辑符号4 .电压传输特性自动化学院应用电子教学中心356.3.2 集成施密特触发器 集成施密特触发器性能稳定，应用非常广泛。无论是TTL 电路还是CMOS 电路，均有单片集成施密特触发器。 集成施密特触发器比普通的门电路稍微复杂一些。一般门电路由输入级、中间级和输出级组成。 集成施密特触发器性能的一致性好，触发阈值稳定，从而使用方便。然而集成施密特触发器的正向阈值电压和反向阈值电压都是固定的。因此，阈值电压不可调节是集成施密特触

12、发器的一大缺点。自动化学院应用电子教学中心36 常用TTL电路集成施密特触发器有7413等，常用CMOS电路集成施密特触发器有CC40106等。自动化学院应用电子教学中心376.3.3 施密特触发器的应用 施密特触发器的用途极其广泛，主要用于信号波形的变换、整形、脉冲鉴幅等。自动化学院应用电子教学中心38 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。施密特触发器将正弦波变换成同频率的矩形脉冲。一、波形变换图6.3.2 用施密特触发器实现波形变换(a) 符号图 (b) 波形图前提条件？自动化学院应用电子教学中心39二、用作波形整形与噪声

13、消除现象及解决方法原理： 在数字电子系统中，矩形脉冲经传输后往往会发生波形畸变和受到干扰，下图给出了三种常见的情况。 case1：如图6.3.3（a）所示，当传输线上电容较大时，矩形波的上升沿和下降沿都会明显地被延缓。自动化学院应用电子教学中心40图6.3.3 用施密特触发器实现波形整形与噪声消除(a)传输线上电容较大 (b)接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配 (c) 信号上附加噪声自动化学院应用电子教学中心41Case3：当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上时，信号上将出现附加的噪声，如6.3.3 （c）所示。 针对上述三种情况，均可以通过施密特触发器整形而获得比

14、较理想的矩形脉冲波形。 只要施密特触发器的UT+与UT设置得合适，均能得到满意的整形、噪声消除、抗干扰效果。Case2：若传输线较长，且接收端的阻抗与传输线的阻抗也不匹配，则在矩形波的上升沿和下降沿还会产生阻尼振荡，参见6.3.3 （b）。自动化学院应用电子教学中心42三、用于脉冲鉴幅 图6.3.4 用施密特触发器鉴别脉冲幅度自动化学院应用电子教学中心43特点：不需要外加触发信号，电路自激振荡，没有稳态。用途：产生脉冲方波。6.4 多谐振荡器自动化学院应用电子教学中心446.4.1 环形振荡器图6.4.1 最简单的环形振荡器环形振荡器不是正反馈电路，而是一个具有延迟环节的负反馈电路，如图6.4

15、.1 所示。具体原理为利用闭合回路中的延迟负反馈作用来产生自激振荡。自动化学院应用电子教学中心45图6.4.2 环形振荡器工作波形自动化学院应用电子教学中心46 结论：用任何大于或等于3 的奇数个与非门首尾相接，便可以组成基本环形振荡器。图6.4.1 就是利用门电路的传输延迟时间将3 个与非门首尾相接而构成的。 尽管用这种方法构成的振荡器很简单，却不实用。原因在于门电路的传输延迟时间极短，TTL门电路一般只有几十纳秒，而CMOS 电路也不过一两百纳秒。所以，环形振荡器的振荡频率太高，并且不易调节。另外，其频率也不稳定，因此环形振荡器在实际电路中很少得到应用。自动化学院应用电子教学中心476.4

16、.2 由门电路组成的多谐振荡器6.4.3 由CMOS 门电路组成的多谐振荡器一、电路组成由两个CMOS非门G1、G2、电阻R及电容C组成的多谐振荡器。自动化学院应用电子教学中心48 假定CMOS 门电路的电压传输特性曲线为理想化的折线，即开门电平UON与关门电平UOFF相等。第一暂稳态自动翻转至第二暂稳态 t =0 时，多谐振荡器接通电源，电容C未充电且其电压不能突变。因此，多谐振荡器初始状态为uO1=UOH，uI = uO =UOL。可令该状态为第一暂稳态。此后，电源VDD必对电容C 充电，充电回路为非门G1的PMOS管TP1、R和非门G2中的NMOS管TN2，如图6.4.4(a)所示。二、

17、工作原理自动化学院应用电子教学中心49 随着充电过程的进行，电容电压逐渐升高，因此uI也逐渐增大。一旦uI 达到非门G1的阈值电压UTH，多谐振荡器必将发生如下正反馈过程： 这一正反馈过程促使G1瞬间导通、G2瞬间截止，可得uO1 =UOL， uO =UOH。该状态被定义为第二暂稳态。自动化学院应用电子教学中心50第二暂稳态自动翻转至第一暂稳态 当多谐振荡器进入第二暂稳态的瞬间，电路输出uO由0V 翻转为VDD ( UOH VDD )。鉴于电容两端电压不能突变，所以uI本该从UTH上升至VDD +UTH。但由于保护二极管D1的钳位作用， uI仅上升至VDD+UD。此后，电容C 放电。放电回路为

18、非门G2的PMOS管TP2、R和非门G1中的NMOS管TN1，如图6.4.4(a)所示。自动化学院应用电子教学中心51 随着放电过程的进行，电容电压逐渐降低，因此uI也逐渐减小。一旦uI达到非门G1的阈值电压UTH，多谐振荡器必将发生如下正反馈过程: 这一正反馈过程促使G1瞬间截止、G2瞬间导通，可得uO1=UOH，uO =UOL。显然，此时多谐振荡器返回至第一暂稳态。 此后，电路重复上述过程，周而复始的在两个暂稳态间来回翻转，从而产生矩形脉冲波。自动化学院应用电子教学中心526.4.4 多谐振荡器工作波形图自动化学院应用电子教学中心53三、主要参数= = 自动化学院应用电子教学中心54四、改

19、进6.4.5 加补偿电阻的多谐振荡器 电源电压的波动会导致振荡频率不稳定。为减小电源电压变化对振荡频率影响，在原先电路上增加一个补偿电阻RS即可，如图6.4.5 所示。 一般取RS =10R。自动化学院应用电子教学中心556.4.3 用施密特触发器构成多谐振荡器一、电路组成6.4.6 用施密特触发器构成的多谐振荡器自动化学院应用电子教学中心56二、工作原理6.4.7 施密特触发器构成的多谐振荡器工作波形图 自动化学院应用电子教学中心57电容C 充电至uCUT+，施密特触发器的输出翻转为低电平 多谐振荡器接通电源后，因为电容上的初始电压为零，所以施密特触发器的输出uO为高电平。 此后， uO经电

20、阻R向电容C充电，电容电压uC逐渐升高。一旦uC UT+时，施密特触发器的输出翻转为低电平。自动化学院应用电子教学中心58电容C 放电至uC UT，施密特触发器的输出翻转为高电平 施密特触发器的输出翻转为低电平后，电容C 必经由电阻R开始放电。当放电至uI UT 时，施密特触发器的输出uO又翻转为高电平。此后，电容又重新开始充电。如此反复，电路不停的振荡，得到矩形波。 图6.4.7给出了输入uI与输出uO的电压波形。自动化学院应用电子教学中心59三、主要参数自动化学院应用电子教学中心60四、改进6.4.8 脉冲占空比可调的多谐振荡器 自动化学院应用电子教学中心616.4.3 石英晶体多谐振荡器

21、一、石英晶体最简便的稳频方法是在多谐振荡器中接入石英晶体，构成石英晶体多谐振荡器。石英晶体的固有振荡频率 fo 由结晶方向、外形尺寸决定；频率稳定度（fo / fo)可达10-1010-11 。电抗频率特性曲线当外加电压的频率f = fo 时，其电抗 X=0 。自动化学院应用电子教学中心626.4.9 石英晶体的电抗频率特性和符号自动化学院应用电子教学中心63年美国卡第提出用石英压电效应调制电磁振荡的频率。 巴黎广播电台首先用严济慈制作的石英振荡片实现了无线电播音中的稳频，随后各国相继采用，使无线广播振荡电磁回路稳频成为压电晶体的最重要应用之一。自动化学院应用电子教学中心64二、石英晶体振荡器

22、1、串联式振荡器6.4.10 石英晶体串联式多谐振荡器自动化学院应用电子教学中心652、并联式振荡器6.4.11 石英晶体并联式多谐振荡器自动化学院应用电子教学中心666.5 555定时器及其应用555定时器是单片集成电路，用途广，可构成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等。双极型产品型号的后三位数码为555。单极型产品型号的后四位数码为7555。自动化学院应用电子教学中心676.5.1 555 定时器的组成与功能一、电路组成图6.5.1 555 定时器的原理图及符号自动化学院应用电子教学中心68555 定时器的引脚功能如下。引脚1接地端 引脚2阈值输入端uI1（低触发端TL）引脚3输出端

23、uO 引脚4复位端 RD引脚5控制电压输入端uIC 引脚6阈值输入端uI2（高触发端TH）引脚7放电端uO 引脚8电源端VCC功能表阈值输入阈值输入复位输出uI1uI2RDuO T状态2/3VCC2/3VCC2/3VCC2/3VCC1/3VCC1/3VCC1/3VCC1/3VCC01111010不变1ONOFFONHoldOFF二、基本功能自动化学院应用电子教学中心70一、用555定时器构成的单稳态触发器6.5.2 555 定时器应用图6.5.2 555 定时器构成的单稳态触发器及工作波形自动化学院应用电子教学中心71 将555定时器的6 脚和7脚接在一起，增加一个电阻R和一个电容C 。输入信

24、号uI从低触发端TL输入。电压控制端uIC用于调整比较器的基准电压。不用时，需经0.01F电容接地。无触发信号输入时，电路工作在稳定状态触发信号uI下降沿到来时，电路由稳态转入暂稳态维持暂稳态暂稳态结束，自动返回到稳态自动化学院应用电子教学中心72主要参数估算 自动化学院应用电子教学中心73二、用555定时器构成的施密特触发器图6.5.3 555 定时器构成的施密特触发器及工作波形自动化学院应用电子教学中心74 将555定时器的2脚和6脚并接在一起作为输入uI，就可以构成施密特触发器,如图6.5.3所示。自动化学院应用电子教学中心75主要参数估算 若在电压控制端UIC（即5 脚）外加电压US，如何？自动化学院应用电子教学中心76三、用555定时器构成的多谐振荡器图6.5.4 555 定时器构成的多谐振荡器及工作波形自动化学院应用电子教学中心77 把用555 定时器构成施密特触发器的反相输出端经RC 积分电路接回到其输入端，即得到555 定时器构成的多谐振荡器，如图6.5.5 所示。 初始时，电容C 上无电压，即输入电压为0，所以多谐振荡器的输出uO为高电平。当电路接通电源后，VCC必然通过R1和R2对C充电。因此，电容电压uC逐渐增大。当uC上升到VCC时，