积分型单稳态触发器课件.ppt

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 *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 *第9章 脉冲信号的产生与变换电路 图9 - 2 工作波形 *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 *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 *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 *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 *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 *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*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 *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)*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)*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)*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 *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 *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 *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： *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 *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； *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 *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 *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。

*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 *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 *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 *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 *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： *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）*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 *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）*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)*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 *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*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 *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*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*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() = 0RN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 *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 *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*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。