第9章脉冲单元电路

1第9章脉冲单元电路本章主要介绍了（1）脉冲信号（矩形脉冲）的波形及其参数。（2）施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器工作原理及其应用。（3）用门电路构成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的基本原理及主要参数计算。（4）555定时器的电路结构和工作原理。（5）用555定时器构成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的电路结构和参数计算。教学基本要求掌握施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工作原理及应用。掌握555定时器构成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的电路结构和主要参数计算。理解集成单稳态触发器和晶体多谐振荡器基本工作原理；了解用门电路构成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的电路结构。重点与难点本章重点：555定时器构成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的电路以及主要参数计算。本章难点：定时电路中电容充、放电过程和定时参数的计算。主要教学内容29.1脉冲信号9.2集成门构成的脉冲单元电路9.2.1施密特触发器9.2.2单稳态触发器9.2.3多谐振荡器9.3555定时器的应用9.3.1用555定时器构成施密特触发器9.3.2用555定时器构成单稳态触发器9.3.3用555定时器构成自激多谐振荡器9.1脉冲信号从广义上讲，凡不具有连续正弦波形状的信号，几乎都可以统称为脉冲信号。最常见的脉冲波形是方波和矩形波，如图9–1–1所示。图9–1–1常见脉冲波形实际脉冲电压波形从零值跃升到最大值，或从最大值降到零值时，都需要经历一定的时间，一般用上升时间tr和下降时间tf表示。图9–1–2为矩形脉冲信号的实际波形图。3图9–1–2矩形脉冲信号的实际波形图9.2集成门构成的脉冲单元电路9.2.1施密特触发器常用的脉冲单元电路有施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，脉冲单元电路可由集成逻辑门构成。1.施密特触发器特点施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。它有两种稳定工作状态，触发器处于哪一种工作状态，取决于输入信号电平的高低。当输入信号由低电平逐步上升到上限触发电平（VT+）时，电路状态发生一次转换；当输入信号由高电平逐步下降到下限触发电平（VT–）时，电路状态又会发生转换。两次状态转换时对应的输入电平值是不同的。施密特触发器电压传输特性如图9–2–1所示。施密特触发器的上限触发电平VT+和下限触发电平VT–的差值称为施密特触发器的回差电压ΔVT。在脉冲与数字技术中，施密特触发器常用于波形变换、脉冲整形及脉冲幅度鉴别等。图9–2–1施密特触发器电压传输特性2.用两级CMOS反相器构成的施密特触发器4用两级CMOS反相器构成的施密特触发器如图9–2–2所示。设CMOS电源为VDD，阈值电压为，则施密特触发器的上限触发电平VT+、下限触发电平VT–和回差电压ΔVT分别为图9–2–2用两级CMOS反相器构成的施密特触发器改变电阻R1和R2的大小，可以调整回差电压值的大小。3.用TTL门构成的施密特触发器用TTL门构成的施密特触发器如图9–2–3所示。设TTL阈值电平为Vth，则施密特触发器的上限触发电平VT+、下限触发电平VT–和回差电压ΔVT分别为图9–2–3用TTL门构成的施密特触发器5改变电阻R1和R2的大小，可以调整回差电压值的大小。4.集成施密特触发器在集成门电路中，有带施密特触发器输入的反相器和与非门，带施密特触发器的反相器逻辑符号如图9–2–4所示。图9–2–4带施密特触发器的反相器逻辑符号9.2.2单稳态触发器1.单稳态触发器特点单稳态触发器是广泛应用于脉冲整形、延时和定时的常用电路，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。在外界触发脉冲的作用下，能从稳定状态翻转到暂稳态，暂稳态维持一段时间后，电路又自动地翻转到稳态。暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外界触发脉冲无关。2.集成门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及其输出波形如图9–2–5所示。触发器由两个TTL与非门组成。其中Ri、Ci构成输入端微分电路，R、C构成微分型定时电路。其输出脉宽tW取决于RC充电速度，近似估算公式为tw≈0.7(Ro+R)CRo=100Ω6图9–2–5微分型单稳态触发器及其输出波形在定时电路中，为了调整tW，通常以改变C作为粗调，改变R作为细调。R值选取应在64Ω＜R＜0.91kΩ之间。（2）积分型单稳态触发器。积分型单稳态触发器及其输出波形如图9–2–6所示，此电路要求输入vI比输出vO脉冲宽。如果要求在输入窄的触发脉冲时能够得到较宽的输出脉冲，可以采用如图9–2–7所示的电路，这时输入与输出均为负脉冲。图9–2–6积分型单稳态触发器及其输出波形图9–2–7宽脉冲输出电路（3）施密特触发器构成单稳态触发器。利用CMOS施密特触发器的回差特性，可以方便地构成单稳态触发器，如图9–2–8所示。7图9–2–8施密特触发器构成的单稳态电路及其输出波形3.集成单稳态触发器（1）非可重触发集成单稳态触发器。非可重触发单稳态触发器，是指在暂稳态定时时间tW之内，若有新的触发脉冲输入，电路不会产生任何响应，其波形示意图如图9–2–9所示。常用的非可重触发集成单稳态触发器有CT54121/CT74121、CT54221/CT74221、CC74HC123等。图9–2–9非可重触发单稳态触发器波形（2）可重触发集成单稳态触发器。可重触发单稳态触发器，是指在暂稳态定时时间tW之内，若有新的触发脉冲输入，可被新的输入脉冲重新触发，其波形示意图如图9–2–10所示。常用的可重触发集成单稳态触发器有CT54122/CT74122、CT54123/CT74123、CC14528、CC14538等。8图9–2–10可重触发单稳态触发器波形9.2.3多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，能自动地产生矩形脉冲。它是常用的矩形脉冲产生电路。多谐振荡器有电容正反馈多谐振荡器、带RC定时电路的环形振荡器、施密特触发器构成的多谐振荡器和晶体稳频的多谐振荡器等类型，如图9–2–11所示。如果对频率稳定性要求不高且要求的振荡频率较低，可采用前三种主要依靠电容C充、放电构成的多谐振荡器。在这类多谐振荡器中，可以调节振荡器的输出频率，一般以电容C作为粗调，电阻R用电位器细调。在要求多谐振荡器的频率稳定度较高的情况下，通常采用晶体稳频的多谐振荡器。9图9–2–11四种多谐振荡器9.3555定时器的应用9.3.1用555定时器构成施密特触发器555定时器是一种多用途单片集成电路，利用它可以极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。555定时器内部电路结构如图9–3–1所示。图9–3–1555定时器内部电路结构10用555定时器构成施密特触发器电路如图9–3–2（a）所示。图中0.01μF电容起滤波作用，以提高比较器参考电压的稳定性。其工作波形如图9–3–2（b）所示。图9–3–2用555定时器构成施密特触发器其施密特触发器的上限触发电平VT+、下限触发电平VT–和回差电压ΔVT分别为9.3.2用555定时器构成单稳态触发器用555定时器构成单稳态触发器电路如图9–3–3（a）所示，电阻R和电容C构成积分型单稳态触发器，其工作波形如图9–3–3（b）所示。11图9–3–3用555定时器构成单稳态触发器暂稳态的持续时间主要取决于外接电阻R和电容C，输出脉冲的宽度tW为9.3.3555定时器的应用用555定时器构成自激多谐振荡器电路如图9–3–4（a）所示，其工作波形如图9–3–4（b）所示。图9–3–4用555定时器构成多谐振荡器在电容C充电时，暂稳态持续时间为12在电容C放电时，暂稳态持续时间为因此，电路输出矩形脉冲的周期和占空比分别为自我检测题1.已知如图P9–1所示电路由CMOS组成，试分析（1）稳态时vI、vO、vC的逻辑电平；（2）画出一个工作周期内vI、vO、vC的工作波形，并说明该电路的名称。图P9–12.有一电路如图P9–2所示，门1和门2构成单稳态触发器，暂稳态持续时间为5μs，R2C2电路起延迟作用，延迟时间为1.5μs。已知输入信号vI的周期为10μs，脉宽tW1为1μs。试画出A、B和Q的波形（Q初态为0），并说明该电路功能。13图P9–23.如图P9–3所示电路，分析电容C的充放电回路，说明E的作用及该电路的功能。图P9–34.由J–K触发器和555定时器组成的电路如图P9–4所示，已知CP为10Hz方波，R1=10kΩ，R2=56kΩ，C1=1000pF，C2=4.7μF，J–K触发器输出Q和555输出vO初始均为0，试（1）画出J–K触发器输出Q及v1、vO的波形。（2）求输出波形的周期。图P9–45.图P9–5是由555定时器构成的脉冲发生器，试回答14（1）每一个555定时器各构成什么电路？（2）开关S在右端时，计算vO1和vO2的频率fⅠ和fⅡ。（3）开关S在左端时，画出vO1和vO2的波形。图P9–56.在如图P9–6（a）所示电路中，R1C1构成微分电路，G为具有施密特性能的非门，其阈值电压分别为0.8V和1.6V，由555定时器构成的单稳态电路暂稳态持续时间为3.5ms。求在如图P9–6（b）输入波形vI作用下，画出A、B、C、D和Y1、Y2的波形。图P9–6157.图P9–7为一个电子门铃电路，要求每按一次开关按钮S，扬声器就以1.2Hz的频率鸣响10s，请确定电路中R1、R2和R3的值。图P9–7思考题1.什么是脉冲信号？矩形脉冲的主要技术参数有哪些？2.施密特触发器电压传输特性有什么特点？上限触发电平、下限触发电平及回差电压的定义是什么？3.施密特触发器的主要应用？4.单稳态触发器有什么特点？微分型和积分型单稳态触发器在电路结构上有什么不同点？如何计算暂态时间？5.什么是可重触发单稳态？它的暂稳态持续时间如何计算？6.单稳态触发器的主要应用？7.如何计算多谐振荡器的工作频率？8.555定时器的电路结构？采用555定时器构成施密特触发器、单稳态触发器及多谐振荡器的电路特点和区别？各电路的主要技术参数如何计算？