1、脈沖波形的產(chǎn)生與變換脈沖信號(hào)是數(shù)字電路中最常用的工作信號(hào)。脈沖信號(hào)的獲得經(jīng)常采用兩種方法：一是利用振蕩電路 直接產(chǎn)生所需的矩形脈沖。這一類電路稱為多諧振蕩電路或多諧振蕩器；二是利用整形電路,將已有的脈沖信號(hào)變換為所需要的矩形脈沖。這一類電路包括單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器。這些脈沖單元電路可以由集成邏輯門構(gòu)成,也可以用集成定時(shí)器構(gòu)成。下面先來(lái)介紹由集成門構(gòu)成的脈沖信號(hào)產(chǎn)生和整形電路。9.1 多諧振蕩器自激多諧振蕩器是在接通電源以后,不需外加輸入信號(hào),就能自動(dòng)地產(chǎn)生矩形脈沖波。由于矩形波中除基波外,還含有豐富的高次諧波,所以習(xí)慣上又把矩形波振蕩器叫做多諧振蕩器。多諧振蕩器通常由門電路和基本的RC電

2、路組成。多諧振蕩器一旦振蕩起來(lái)后,電路沒(méi)有穩(wěn)態(tài),只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài),它們?cè)谧鹘惶孀兓?輸出矩形波脈沖信號(hào),因此它又被稱作無(wú)穩(wěn)態(tài)電路。9.1.1 門電路組成的多諧振蕩器多諧振蕩器常由TTL門電路和CMOS門電路組成。由于TTL門電路的速度比CMOS門電路的速度快, 故TTL門電路適用于構(gòu)成頻率較高的多諧振蕩器,而CMOS門電路適用于構(gòu)成頻率較低的多諧振蕩器。(1)由TTL門電路組成的多諧振蕩器由TTL門電路組成的多諧振蕩器有兩種形式：一是由奇數(shù)個(gè)非門組成的簡(jiǎn)單環(huán)形多諧振蕩器理及工作原理；二是由非門和RC延遲電路組成的改進(jìn)環(huán)形多諧振蕩器。 簡(jiǎn)單環(huán)形多諧振蕩器uouo11G11G21G3uo1uo2uo

3、uo3uo2uo3Ttpd2tpd3tpd(a) (b)圖91 由非門構(gòu)成的簡(jiǎn)單環(huán)形多諧振蕩器把奇數(shù)個(gè)非門首尾相接成環(huán)狀,就組成了簡(jiǎn)單環(huán)形多諧振蕩器。圖91（）為由三個(gè)非門構(gòu)成的多諧振蕩器。若uo的某個(gè)隨機(jī)狀態(tài)為高電平,經(jīng)過(guò)三級(jí)倒相后,uo跳轉(zhuǎn)為低電平,考慮到傳輸門電路的平均延遲時(shí)間tpd,uo輸出信號(hào)的周期為6tpd。圖91（）為各點(diǎn)波形圖。簡(jiǎn)單環(huán)形多諧振蕩器的振蕩周期取決于tpd,此值較小且不可調(diào),所以,產(chǎn)生的脈沖信號(hào)頻率較高且無(wú)法控制,因而沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。改進(jìn)方法是通過(guò)附加一個(gè)RC延遲電路,不僅可以降低振蕩頻率,并能通過(guò)參數(shù) R、C控制振蕩頻率。 RC環(huán)形多諧振蕩器如圖92所示,RC環(huán)形多

4、諧振蕩器由3個(gè)非門（G1、G2、G3）、兩個(gè)電阻（R、RS）和一個(gè)電容C組成。電阻RS是非門G3的限流保護(hù)電阻,一般為100左右；R、C為定時(shí)器件,R的值要小于非門的關(guān)門電阻,一般在700 以下,否則,電路無(wú)法正常工作。此時(shí),由于RC的值較大,從u2到u4的傳輸時(shí)間大大增加, 基本上由RC的參數(shù)決定,門延遲時(shí)間tpd可以忽略不計(jì)。1G11G21G3u2u3uou4u1CRRS圖92 RC環(huán)形多諧振蕩器.工作原理設(shè)電源剛接通時(shí),電路輸出端uo為高電平,由于此時(shí)電容器C尚未充電,其兩端電壓為零,則u2、u4為低電平。電路處于第1暫穩(wěn)態(tài)。隨著u3高電平通過(guò)電阻R對(duì)電容C充電,u4電位逐漸升高。當(dāng)u4

5、超過(guò)3的輸入閥值電平UTH時(shí),G3翻轉(zhuǎn),u0u1變?yōu)榈碗娖?使G1也翻轉(zhuǎn),u2變?yōu)楦唠娖?由于電容電壓不能突變,u4也有一個(gè)正突跳,保持G3輸出為低電平,此時(shí)電路進(jìn)入第2暫穩(wěn)態(tài)。隨著u2高電平對(duì)電容C并經(jīng)電阻R的反向充電,u4電位逐漸下降,當(dāng)u4低于UTH時(shí),G3再次翻轉(zhuǎn),電路又回到第1暫穩(wěn)態(tài)。如此循環(huán),形成連續(xù)振蕩。電路各點(diǎn)的工作波形如圖93所示。t0uotu20tu30t0u4UTH-UTHUOLUOHUOH+UTH-UOHt1t2 圖93 RC環(huán)形多振蕩器工作波形b.脈沖寬度tW及周期T的估算脈沖寬度分為充電時(shí)間（tW1）和放電時(shí)間（tW2）兩部分,根據(jù)RC電路的基本工作原理,利用三要素

6、法,可以得到充電時(shí)間tW1: tW1lnRCln 同理,求得放電時(shí)間tW2: tW2lnRCln 其中: RC,UOH和UOL分別為非門輸出的高電平電壓和低電平電壓。設(shè)UOH3V、UOL0.3V、UTH1.4V,故脈沖周期T TtW1tW20.6RC1.3RC1.9RC 從以上分析看出,要改變脈寬和周期,可以通過(guò)改變定時(shí)元件R和C來(lái)實(shí)現(xiàn)。c.改進(jìn)形式1G11G21G3uoRCReT+VCC由于電阻R不能取得過(guò)大（700以下）,這就限制了頻率的調(diào)節(jié)范圍。如果在環(huán)形振蕩器中增加一級(jí)射級(jí)跟隨器,可使R的可調(diào)范圍增大,在圖94所示電路中,R的取值可以達(dá)到10K,若將晶體三極管 改為均效應(yīng)管,R的取值可

7、以達(dá)到20M,這樣,振蕩頻率的調(diào)節(jié)范圍就很寬。圖94 改進(jìn)的RC環(huán)形多諧振蕩器(2) CMOS門電路構(gòu)成的多諧振蕩器由于CMOS門電路的輸入阻抗高(108),對(duì)電阻R的選擇基本上沒(méi)有限制,不需要大容量電容就能獲得較大的時(shí)間常數(shù),而且CMOS門電路的閥值電壓UTH比較穩(wěn)定,因此常用來(lái)構(gòu)成振蕩電路,尤其適用于頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度要求不太嚴(yán)格的低頻時(shí)鐘振蕩電路。電路組成及工作原理圖95所示為一個(gè)由CMOS反相器與R、C元件構(gòu)成的多諧振蕩器。接通電源VDD后,電路中將產(chǎn)生自激振蕩,因RC串聯(lián)電路中電容C上的電壓隨電容充放電過(guò)程不斷變化,從而使兩個(gè)反相器的狀態(tài)不斷發(fā)生翻轉(zhuǎn)。ui1uo2uo11G11G2u

8、i2RC圖95 CMOS多諧振蕩器接通電源后,假設(shè)電路初始狀態(tài)ui10,門G1截止,u011,門G2導(dǎo)通,u020,這一狀態(tài)稱為第1暫穩(wěn)態(tài)。此時(shí),電阻R兩端的電位不相等,于是電源經(jīng)門G1、電阻R和門G2對(duì)電容C充電,使得ui1的電位按指數(shù)規(guī)律上升,當(dāng)ui1達(dá)到門G1的閥值電壓UTH時(shí),門G1由截止變?yōu)閷?dǎo)通,電路發(fā)生如下正反饋過(guò)程:ui1uo1uo2即門G1導(dǎo)通,門G2截止,u010,u021,這稱為電路的第2暫穩(wěn)態(tài)。這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)也不能穩(wěn)定保持下去。電路進(jìn)入該狀態(tài)的瞬間,門G2的輸出電位u02由0上跳ui1uo1uo2至1,幅度約為VDD。由于電容兩極極間電位不能突變,使得ui1的電壓值也上跳VD

9、D。由于CMOS門電路的輸入電路中二極管的鉗位作用,使ui1略高于VDD。此時(shí)電阻兩端電位不等,電容通過(guò)電阻R、門G1及門G2放電,使得ui1電位不斷下降,當(dāng)ui1下降到UTH時(shí),電路發(fā)生如下正反饋過(guò)程:使得門G1截止,門G2導(dǎo)通,即u011,u020,電路發(fā)生翻轉(zhuǎn),又回到第1暫穩(wěn)態(tài)。此后,電容C重復(fù)充電、放電,在輸出端即獲得矩形波輸出。工作波形見(jiàn)圖96。0tuo10tui10UTHVDD+VF-VFtuo2Ttw1tw2t1圖96 CMOS多諧振蕩器工作波形考慮到CMOS門電路輸入端鉗位二極管的限幅作用,門G1的ui1的值在發(fā)生正跳變時(shí)峰值不可能超過(guò) VDDVF（其中VF為鉗位二極管的導(dǎo)通壓

10、降）,發(fā)生負(fù)跳變時(shí)峰值不可能超過(guò)VF。振蕩周期T和振蕩頻率f的計(jì)算在CMOS電路中,若VF0V,且UTHVDD,則第1暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間和第2暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間相等為t,門G2的輸出u02為方波。振蕩周期:T2t2RCln2RCln2RCln21.4RC 振蕩頻率f【例91 】 在圖95的CMOS多諧振蕩器中,已知VDD10V,UTH5V,VF1V,R100K,C0.001f, 試計(jì)算電路的振蕩頻率。解: TtW1tW2RClnRCln100×103×0.001×106×ln100×103×0.001×106×ln1.577

11、15;104(S) 振蕩頻率f6.3(KHz) 石英晶體多諧振蕩器在多諧振蕩器中,輸出信號(hào)振蕩頻率的穩(wěn)定性主要由電路達(dá)到轉(zhuǎn)換電平的時(shí)間來(lái)決定。由于轉(zhuǎn)換電平受溫度變化有一些影響,受外界干擾后,電路轉(zhuǎn)換時(shí)間發(fā)生變化的影響及電容充放電速度變緩后,轉(zhuǎn)換電平微小變化對(duì)振蕩周期的影響等原因,使電路振蕩頻率穩(wěn)定性較差,因此,在對(duì)頻率穩(wěn)定性要求較高的數(shù)字 設(shè)備系統(tǒng)中,需要穩(wěn)頻措施。其常用方法是在多諧振蕩器的反饋回路中串進(jìn)石英晶體,構(gòu)成石英晶體振蕩器,如圖97所示。圖中,R1.、R2保證G1.、G2正常工作,電容器C1、C2起到頻率微調(diào)及耦合的作用。1G11G2R1R2C1C2uo圖97 石英晶體多諧振蕩器石英

12、晶體具有很好的選頻特性如圖98所示。把石英晶體對(duì)稱接入反饋回路后,只有當(dāng)信號(hào)頻率為晶體固有的諧振頻率f0時(shí),晶體的等效阻抗最小,信號(hào)最容易通過(guò),而其他頻率的信號(hào)均被晶體嚴(yán)重衰減。因此,電路的振蕩頻率只取決于與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的諧振頻率f0,與R和C的大小無(wú)關(guān),所以,它的輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定度很高。在調(diào)試使用中,若因故停振,可以適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2。fX0fo電容性電感性圖98 石英晶體阻抗頻率特性9.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就是只有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器。所謂穩(wěn)態(tài)是在無(wú)外加信號(hào)的情況下,電路 能長(zhǎng)久保持的狀態(tài),穩(wěn)態(tài)時(shí),電路中電流和電壓是不變的。暫穩(wěn)態(tài)是一個(gè)不能長(zhǎng)久保持的狀態(tài),暫穩(wěn)態(tài)期間,電路中

13、一些電壓和電流會(huì)隨著電容器的充電和放電發(fā)生變化。單穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器的特點(diǎn)是：沒(méi)有外加觸發(fā)信號(hào)的作用,電路始終處于穩(wěn)態(tài)；在外加觸發(fā)器信號(hào)的作用下,電路能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,又能自動(dòng)返回原來(lái)所處的穩(wěn)態(tài)。電路處于暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間通常取決于RC電路的充、放電的時(shí)間,這個(gè)時(shí)間等于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖的寬度tW,與觸發(fā)信號(hào)無(wú)關(guān)。所以,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在外加觸發(fā)脈沖信號(hào)的作用下,能夠產(chǎn)生具有一定寬度和一定幅度的矩形脈沖信號(hào)。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器屬于脈沖整形電路,常用于脈沖波形的整形,定時(shí)和延時(shí)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以由TTL或CMOS門電路與外接RC電路組成,也可以通過(guò)單片集成單穩(wěn)態(tài)電路外接RC電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中RC

14、電路稱為定時(shí)電路。根據(jù)RC電路的不同接法,可以將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為微分型和積分型兩種。9.2.1 CMOS門電路構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(1) 電路的組成圖99所示為CMOS或非門組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路,由兩個(gè)或非門和RC電路連接而成。門G1的一個(gè)輸入端作為整個(gè)電路的信號(hào)輸入ui1,門G2的輸出端作為整個(gè)電路的信號(hào)輸出u02,RC環(huán)節(jié)構(gòu)成微分電路,故稱為微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。+VDDui1uo2Ruo11G1ui2C1G2圖99 CMOS或非門微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 (2)工作原理假定CMOS或非門的電壓傳輸特性曲線為理想化折線,即開(kāi)門電平VON和關(guān)門電平VOFF相等,這個(gè)理想化的開(kāi)門電平或關(guān)門電平稱

15、為閥值電壓UTH（一般UTHVDD）,當(dāng)輸入uiUTH時(shí),輸出uo0；當(dāng)uiUTH時(shí), uoVDD1。 穩(wěn)態(tài)接通電源,無(wú)觸發(fā)信號(hào)（ui10）,電路處于穩(wěn)態(tài),電源VDD 通過(guò)電阻R對(duì)C充電達(dá)到穩(wěn)態(tài)值, 故ui2VDD1,門G導(dǎo)通,輸出uo20,門G1截止,輸出uo1VDD1,電容C上的電壓為0。 外加觸發(fā)信號(hào)到來(lái),電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)外加觸發(fā)信號(hào)ui1正跳變,使uo1由1跳到0時(shí),由于RC電路中電容C上電壓不能突變,因此,ui2也由 1跳變到0,使門G2輸出由0變1,并返送到門G1的輸入。這時(shí)輸入信號(hào)ui1高電平撤消后,uo1仍維持為低電平,這一過(guò)程可描述為:ui1uo1uo2ui2然而,這

16、種狀態(tài)是不能長(zhǎng)久保持的,故稱為暫穩(wěn)態(tài)。 由暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)在暫穩(wěn)態(tài)期間,電源VDD通過(guò)電阻R和門G1的導(dǎo)通工作管對(duì)電容C充電。隨著充電的進(jìn)行,ui2逐漸上升,當(dāng)ui2UTH時(shí),電路發(fā)生下述正反饋（設(shè)此時(shí)觸發(fā)脈沖已消失）:ui2uo2uo1C充電這一正反饋過(guò)程使電路迅速返回到門G1截止、門G2導(dǎo)通的穩(wěn)定狀態(tài)。最后u01VDD,u020,電路退出暫穩(wěn)態(tài),回到穩(wěn)態(tài)。值得注意的是,u01由0跳變到VDD ,由于電容電壓不能突變,按理ui2也應(yīng)由UTH上跳到UTHVDD,但CMOS門電路的內(nèi)部輸入端有二極管限幅保護(hù)電路,因此ui2只能躍升到VDD0.6V。暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后,電容C通過(guò)電阻R經(jīng)門G1的輸出端

17、和門G2的輸入端保護(hù)二極管放電,使ui2 恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的初始值VDD。根據(jù)以上分析,畫出電路各點(diǎn)的工作波形如圖910所示。tui10VDDVDDtuo10ui2VDD0UTHVDD+0.6Vtuo20t1t2tWtre圖910 CMOS微分型單穩(wěn)態(tài)電路工作波形 (3)主要參數(shù)計(jì)算 輸出脈沖寬度tW從電路的工作過(guò)程可知,輸出脈寬tW是電容器C的充電時(shí)間。設(shè)電容C充電起點(diǎn)（即t1時(shí)刻）為0時(shí)刻,則有 ui2(0+)0,ui2()VDD,RC, ui2(tW)UTHVDD根據(jù)RC電路暫態(tài)過(guò)程全響應(yīng)公式 ui2(tW)ui2()ui2(0+)ui2()e可得 tWlnRCln0.7RC 恢復(fù)時(shí)間tre

18、,從暫態(tài)結(jié)束到電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)初始值所需時(shí)間,即電容C放電時(shí)間tre3d 式中: d為電容C放電過(guò)程的時(shí)間常數(shù)。最高工作頻率fmax,為保證單穩(wěn)態(tài)電路能正常工作,在第一個(gè)觸發(fā)脈沖作用后,必須等待電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)初始值才能輸入第二個(gè)觸發(fā)脈沖。因此,觸發(fā)脈沖工作最小周期TmintWtre,則電路的最高工作頻率為fmax 【例92】 在圖99所示電路中,已知:R20k,C0.01F。試求輸出脈沖寬度tW。解:根據(jù)式（6.36） tW0.7RC0.7×20×103×0.01×106140(S) 9.2.2 CMOS門電路構(gòu)成的積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(1) 電路組成積分型

19、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖911所示,是由兩個(gè)CMOS或非門組成。門G1和門G2采用RC積分電路耦合, ui1加至門G1和門G2輸入端。ui1+VDDRCuo2uo11G1ui21G2圖911 CMOS或非門積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(2) 工作原理 穩(wěn)態(tài)當(dāng)電路的輸路,入ui1為高電平時(shí),電路處于穩(wěn)態(tài),門G1、G2均導(dǎo)通,uo1、ui2、uO2均為低電平。 暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)輸入信號(hào)ui1下跳為低電平時(shí),門G1截止,uO1則跳變?yōu)楦唠娖?但由于電容C上電壓不能突變,ui2仍為低電平,故門G2亦截止,u02正跳變到高電平,電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。 暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)在門G1、門G2截止時(shí),由于電阻R兩端電位不等,電容C通過(guò)R0（

20、門G1的輸出電阻）和R放電,ui2逐漸上升,當(dāng)升高到該門的閥值電壓UTH時(shí)（假定ui1仍為電平）,門G2導(dǎo)通,u02變?yōu)榈碗娖健．?dāng)ui1回到高電平后,門G1導(dǎo)通,uO1為低電平,此時(shí)電容充電,電路恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)。電路各點(diǎn)的工作波形如圖912所示(3) 參數(shù)計(jì)算 脈沖寬度tW tW的估算公式和微分型電路相同 tWRCln0.7RC 這種電路要求輸入信號(hào)ui1的脈沖寬度（低電平時(shí)間）應(yīng)大于輸出脈寬tW。 恢復(fù)時(shí)間tre tre3RC 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器要求窄脈沖觸發(fā),具有展寬脈沖寬度的作用,而積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器則相反, 需要寬脈沖觸發(fā),輸出窄脈沖,故有壓縮脈沖寬度的作用。在積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電

21、路中,由于電容C對(duì)高頻干擾信號(hào)有旁路濾波作用,故與微分型電路相比, 抗干擾能力較強(qiáng)。由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛,所以有集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)品,同上面介紹的CMOS單穩(wěn)態(tài)電路一樣,其正常工作時(shí),需外接阻容元件。在此不再詳細(xì)介紹。ui1t0tuo10tuo20twtui20UTH 圖912 CMOS積分型單穩(wěn)態(tài)電路工作波形9.2.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可用于脈沖信號(hào)的:定時(shí)(即產(chǎn)生一定寬度的矩形脈沖波)、整形(即把不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換成寬度、幅度都相等的脈沖)、延時(shí)(即將輸入信號(hào)延遲一定的時(shí)間之后輸出)。(1)定時(shí)由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能產(chǎn)生一定寬度tW的矩形脈沖,利用它可定時(shí)開(kāi)、

22、閉門電路,也可定時(shí)控制某電路的動(dòng)作。如圖913所示,ui1只有在矩形波ui3存在的時(shí)間tW內(nèi)才能通過(guò)。ui2uoui1&單穩(wěn)態(tài)電路ui3tui20tui30tWtui10tuo0圖913 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí)作用(2)整形假設(shè)有一列不規(guī)則的脈沖信號(hào),將這一列信號(hào)直接加至單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)輸入端,在其輸出端就 可以得到一組定寬、定幅較規(guī)則的矩形脈沖信號(hào),如圖914所示。(3)延時(shí):單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在輸入信號(hào)ui觸發(fā)下,輸出u0產(chǎn)生一個(gè)比ui延遲tW的脈沖波,這個(gè)延時(shí)作用可被適當(dāng)?shù)貞?yīng)用于信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間配合上。tuo0tui0圖914 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的整形作用9.3 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種雙

23、穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路,輸出有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),但與一般觸發(fā)器不同的是:施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)；對(duì)于正向增加和減小的輸入信號(hào),電路有不同的閥值電壓UT和UT,也就是引起輸出電平兩次翻轉(zhuǎn)(10和01)的輸入電壓不同,具有如圖626（a）、(c)所示的滯后電壓傳輸特性,此特性又稱回差特性。所以,凡輸出和輸入信號(hào)電壓具有滯后電壓傳輸特性的電路均稱為施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器有同相輸出和反相輸出兩種類型。同相輸出的施密特觸發(fā)器是當(dāng)輸入信號(hào)正向增加到UT時(shí),輸出由0態(tài)翻轉(zhuǎn)到1態(tài),而當(dāng)輸入信號(hào)正向減小到UT時(shí),輸出由1態(tài)翻轉(zhuǎn)到0態(tài)；反相輸出只是輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)與上述相反。它們的回差特性和邏輯符號(hào)如圖915所示。1 u

24、iuouiuo0uoHuoLUT-UT+（a）同相輸出的回差特性 （b）同相輸出的邏輯符號(hào)1 uiuouiuo0uoHuoLUT-UT+ (c)反相輸出的回差特性 （d）反相輸出的邏輯信號(hào)圖915 施密特觸發(fā)器的回差特性和邏輯符號(hào)施密特觸發(fā)器具有很強(qiáng)的抗干擾性,廣泛用于波形的變換與整形。門電路、555定時(shí)器、運(yùn)算放大器等均可構(gòu)成施密特觸發(fā)器,此外還有集成化的施密特觸發(fā)器。下面介紹由門電路構(gòu)成的同相輸出的施密特觸發(fā)器。1. CMOS門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器(1) 電路組成如圖916所示,由二個(gè)CMOS反相器及兩個(gè)電阻R1和R2構(gòu)成一個(gè)施密特觸發(fā)器。R1ui1uouo11G11G2R2ui 圖91

25、6 CMOS門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器(2) 工作原理設(shè)電路輸入端ui輸入一個(gè)三角波,其波形如圖628所示。當(dāng)ui0時(shí),門G1截止,輸出高電平,門G2導(dǎo)通,輸出低電平,此低電平通過(guò)電阻R2反饋到輸入端, 使門G1輸入端ui1保持低電平,此時(shí)施密特觸發(fā)器保持輸出信號(hào)uo為低電平的穩(wěn)態(tài),電路進(jìn)入第穩(wěn)態(tài)。Ui逐漸上升, ui1也隨著上升,但只要其小于CMOS門電路的開(kāi)啟電壓UT,電路就保持在第穩(wěn)態(tài)。當(dāng)ui上升到使ui1等于UT時(shí),在電路中引起如下正反饋連鎖反應(yīng)uiui1uouo1在此連鎖反應(yīng)的作用下,門電路的狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn),使門G1導(dǎo)通,輸出低電平,G2截止,輸出高電平,電路進(jìn)入第穩(wěn)態(tài)。以后,即使ui繼續(xù)上

26、升,只要滿足ui1大于CMOS門電路的開(kāi)啟電壓UT,電路就保持在第穩(wěn)態(tài)。若ui由VDD下降,ui1也下降,當(dāng)ui1降至UT時(shí),在電路中再次發(fā)生正反饋連鎖反應(yīng)uiui1uouo1在此連鎖反應(yīng)的作用下,電路重新進(jìn)入門G1截止、門G2導(dǎo)通的狀態(tài),電路輸出為低電平,再次翻轉(zhuǎn)到 第穩(wěn)態(tài)。若電路已處于第穩(wěn)態(tài),則ui繼續(xù)下降,施密特觸發(fā)器仍維持第穩(wěn)態(tài)不變。在輸入ui三角波形的作用下,門G1輸出波形uo1及門G2輸出波形uo如圖917所示。tui0UT+UT-VDDtuo10tuo0穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)圖917 施密特觸發(fā)器工作波形(3) 回差特性通過(guò)以上的工作原理分析可以看到有一個(gè)重要的現(xiàn)象,即在輸入電壓上升過(guò)程中

27、,電路由第穩(wěn)態(tài) 翻轉(zhuǎn)到第穩(wěn)態(tài)所要求的輸入電壓UT與輸入電壓下降過(guò)程中電路由第穩(wěn)態(tài)回到第穩(wěn)態(tài)所要求的輸入電壓UT是不相同的,這種現(xiàn)象稱回差（或滯后）現(xiàn)象,稱UT為正向閥值電壓（或稱接通電平）,UT為負(fù)向閥值電壓（或稱斷開(kāi)電平）,它們之間的差值UUTUT稱作回差電壓（或稱滯后電壓）,簡(jiǎn)稱回差。UT的計(jì)算在ui上升過(guò)程中,由下面的計(jì)算式可求得能使施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的輸入電壓ui,也就可求得UT: ui1×R2uo×R2UTCMOS門輸出低電平約為0V,uo0V, UT就是符合上式要求的ui值:UTui(1)UT UT的計(jì)算在ui下降過(guò)程中,由下面的計(jì)算式可求得能使施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的

28、輸入電壓ui,也就可求得UT: ui1×R2uo×R2VDDUT CMOS門輸出高電平約為VDD,uoVDD, UT就是符合上式要求的ui值:UTui(1)UTVDD U的計(jì)算 UUTUTVDD )根據(jù)上面的分析,可以知道施密特觸發(fā)器的回差U,可以通過(guò)改變R1、R2阻值來(lái)調(diào)節(jié)。 2. 施密特觸發(fā)器的應(yīng)用施密特觸發(fā)器的應(yīng)用十分廣泛,不僅可以應(yīng)用于波形的變換、整形、展寬,還可應(yīng)用于鑒別脈沖幅度、構(gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等。(1)波形的變換施密特觸發(fā)器能夠?qū)⒆兓骄彽男盘?hào)波形變換為較理想的矩形脈沖信號(hào)波形,即可將正弦波或三角波變換成矩形波。圖918所示為將輸入的正弦波轉(zhuǎn)換為矩

29、形波,其輸出脈寬tW可由回差U調(diào)節(jié)。tui0UT+tuo0UT-圖918 施密特觸發(fā)器的波形變換作用(2)波形的整形在數(shù)字系統(tǒng)中,矩形脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸之后往往會(huì)發(fā)生失真現(xiàn)象或帶有干擾信號(hào)。利用施密特觸發(fā)器可以有效的將波形整形和去除干擾信號(hào)（要求回差U大于干擾信號(hào)的幅度）。如圖919所示.t0tui0UT+UT-uotw圖919 施密特觸發(fā)器的波形整形作用 (3) 幅度鑒別如果有一串幅度不相等的脈沖信號(hào),我們要剔除其中幅度不夠大的脈沖,可利用施密特觸發(fā)器構(gòu)成 脈沖幅度鑒別器,如圖920所示,可以鑒別幅度大于UT的脈沖信號(hào)。tui0tuo0UT+UT- 圖920 施密特觸發(fā)器的鑒幅作用(4) 構(gòu)成

30、多諧振蕩器施密特觸發(fā)器的特點(diǎn)是電壓傳輸具有滯后特性。如果能使它的輸入電壓在UT與UT之間不停地往復(fù)變化,在輸出端即可得到矩形脈沖,因此,利用施密特觸發(fā)器外接RC電路就可以構(gòu)成多諧振蕩器,電路如圖921（a）所示。(a) (b)圖621 反相輸出的施密特觸發(fā)器構(gòu)成多諧振蕩器及其工作波形工作過(guò)程:接通電源后,電容C上的電壓為0,輸出u0為高電平,u0的高電平通過(guò)電阻R對(duì)C充電,使uc上升,當(dāng)uc到達(dá)UT時(shí),觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),輸出u0由高電平變?yōu)榈碗娖健Ｈ缓驝經(jīng)R到u0放電,使uc下降,當(dāng)uc下降到UT時(shí),電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn),輸出u0變?yōu)楦唠娖?u0再次通過(guò)R對(duì)C充電,如此反復(fù),形成振蕩。工作波形如921（b

31、）所示。【例93 】 在圖921(a)中,已知:VDD10V,UT6V, UT3V,C0.01f,R5K。試計(jì)算其輸出電壓uo的振蕩周期。解:根據(jù)圖921(b)的波形圖,設(shè)電容C充電時(shí)間為tW1、放電時(shí)間為tW2,則振蕩周期T為: TtW1tW2RClnRCln50×103×0.01×106(lnln)6.26×105(s) (5) 施密特觸發(fā)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器.利用施密特觸發(fā)器的回差特性,可以很方便的構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,電路如圖922（a）所示.工作過(guò)程:當(dāng)ui0時(shí),uR0, uo0,電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。當(dāng)ui正跳變時(shí),由于電容C上的電壓不能突變,uR也上跳與

32、ui相同的幅值,一旦超過(guò)正向閥值電壓UT ,輸出就翻轉(zhuǎn)為高電平,電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。此時(shí),由于電阻R兩端電位不等,C通過(guò)R對(duì)地放電,使uR下降,當(dāng)降至UT時(shí),電路又將自動(dòng)翻轉(zhuǎn),uO0,回到穩(wěn)態(tài)。工作波形如圖922（b）所示。uRRC1 uouituR0tui0uT+uT-tuo0tw(a) (b)圖922 施密特觸發(fā)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及其工作波形輸出脈沖寬度tW與U有關(guān), U越小,則脈寬越窄；反之, U越大,則脈寬越大。9.4 集成555定時(shí)器定時(shí)器是大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)的重要部件之一。555定時(shí)器是一種多用途的中規(guī)模單片集成電路,它由美國(guó)Sginetics公司于1977年最早開(kāi)發(fā)研制的。它是將模擬功能

33、和邏輯功能巧妙地結(jié)合在一起,具有功能強(qiáng)大、使用靈活、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),廣泛地用于工業(yè)控制、家用電器、電子玩具樂(lè)器、數(shù)字設(shè)備等方面,俗稱“萬(wàn)能塊”。555定時(shí)器不但本身可以組成定時(shí)電路,而且只要外接少量的阻容元件,就可以很方便地構(gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及施密特觸發(fā)器等脈沖的產(chǎn)生與整形電路。555集成定時(shí)器按內(nèi)部器件類型可分雙極型（TTL型）和單極型（CMOS型）。 TTL型產(chǎn)品型號(hào)的最后3位數(shù)碼是555或556,CMOS型產(chǎn)品型號(hào)的最后4位數(shù)碼都是7555或7556,它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同。555芯片和7555芯片是單定時(shí)器,556芯片和7556芯片是雙定時(shí)器。TTL型的定時(shí)

34、器靜態(tài)功耗高,電源電壓使用范圍為515V；CMOS型的定時(shí)器靜態(tài)功耗較低,輸入阻抗高,電源電壓使用范圍為318V,且在大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合可以直接代換TTL型的定時(shí)器。下面以CMOS型的CC7555定時(shí)器為例予以介紹。9.4.1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)如圖923（a）、（b）、（c）所示分別為CC7555定時(shí)器內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)圖、符號(hào)、外管腳分布圖。外部有八個(gè)管腳,各管腳的名稱如圖中所示。由圖923（a）可看出,7555定時(shí)器由三部分組成:輸入比較電路、基本RS觸發(fā)器和N溝道場(chǎng)效應(yīng)管。111111 VDDRRRA1A2G0G1G2G3G4G5VU1U1U2U2RSQQQQ閾值輸入端TH電壓控制端C

35、O觸發(fā)輸入端TR地GND放電端D輸出端OUT直接復(fù)位端RD(a)8 476 7555 321 5GNDCOOUTTRTHD+VDDRDTHD+VDDOUTRDTRGNDCO8 7 6 57555 1 2 3 4 (b) (c)圖923 CC7555集成定時(shí)器1. 輸入比較電路由3個(gè)等值分壓電阻R（一般為5k，故稱555定時(shí)器）和兩個(gè)高、低電壓比較器A1、A2組成。3個(gè)電阻對(duì)VDD分壓,使A1的“”端電壓U1VDD,A2的“”端電壓U2VDD。當(dāng)閥值輸入端TH的電壓超過(guò)VDD時(shí),則A1輸出高電平,使基本RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),Q0。而當(dāng)觸發(fā)輸入端的電壓低于VDD時(shí),A2輸出高電平,使基本RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),

36、Q1。2 基本RS觸發(fā)器由兩個(gè)或非門G1、G2組成。當(dāng)R端置1時(shí),觸發(fā)器置0,輸出端OUT為0；當(dāng)S端置1時(shí),觸發(fā)器置1,輸出端OUT為1。當(dāng)直接復(fù)位端加低電平時(shí),不管其它輸入狀態(tài)如何,觸發(fā)器直接置0,輸出端OUT為0；不使用時(shí),應(yīng)將此端接高電平。G3、G4、G5的作用是輸出緩沖,提高電路的驅(qū)動(dòng)能力。3. 場(chǎng)效應(yīng)管VV是一個(gè)由NMOS管構(gòu)成的放電開(kāi)關(guān),狀態(tài)受RS觸發(fā)器輸出的控制。1時(shí),V導(dǎo)通,為外接的電容提供放電通路；0,V截止。CC7555定時(shí)器的邏輯功能表如表62所示。 集成定時(shí)器應(yīng)用舉例 利用集成定時(shí)器,可以組成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器。1. 用CC7555定時(shí)器構(gòu)成多諧振

37、蕩器(1) 電路組成用CC7555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖924（a）所示。其中電容C經(jīng)R2、定時(shí)器的場(chǎng)效應(yīng)V構(gòu)成放電回路,而電容C的充電回路卻由R1和R2串聯(lián)組成。為了提高定時(shí)器的比較電路參考電壓的穩(wěn)定性,通常在5腳與地之間接有0.01F的濾波電容,以消除干擾。 表91 CC7555定時(shí)器的邏輯功能表閾值輸入TH觸發(fā)輸入直接復(fù)位輸出OUT放電管V××00導(dǎo)通VDD1VDD110導(dǎo)通VDD0VDD011斷開(kāi)VDD0VDD11不變不變VDD1VDD01不 允 許 (2）工作原理電源VDD剛接通時(shí),電容C上的電壓uc為零,電路輸出u0為高電平,放電管V截止,處于第1暫穩(wěn)態(tài)。之

38、后VDD經(jīng)R1和R2對(duì)C充電,使uc不斷上升,當(dāng)uc上升到ucVDD時(shí),電路翻轉(zhuǎn)置0,輸出u0變?yōu)榈碗娖? 此時(shí),放電管V由截止變?yōu)閷?dǎo)通,進(jìn)入第2暫穩(wěn)態(tài)。C經(jīng)R2和V開(kāi)始放電,使uc下降,當(dāng)ucVDD時(shí),電路又翻轉(zhuǎn)置1,輸出u0回到高電平,V截止,回到第1暫穩(wěn)態(tài)。然后,上述充、放電過(guò)程被再次重復(fù),從而形成連續(xù)振蕩。工作波形如圖635（）所示。8 476 7555 321 5R1R2ucC+VDDuo0.01µFtuo0tw2tw1tuc0T (a) (b)圖924 用CC7555構(gòu)成的多諧振蕩器及工作波形(3)主要參數(shù)的計(jì)算輸出高電平的脈寬tW1為C充電所需的時(shí)間 tW1（R1R2）

39、ln0.7（R1R2）C 輸出低電平的脈寬tW2為C放電所需的時(shí)間tW2R2Cln0.7R2C 振蕩周期 TtW1tW20.7(R12R2)C 振蕩頻率 f 空比 q50%2.用CC7555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（1） 電路組成用CC7555構(gòu)成的具有微分環(huán)節(jié)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖925（a）所示。R和C為定時(shí)元件,0.01µF電容為濾波電容。(2) 工作原理穩(wěn)態(tài)當(dāng)輸入信號(hào)ui為高電平時(shí),接通電源后,VDD首先通過(guò)R對(duì)C充電,使uc上升,當(dāng)ucVDD時(shí),觸發(fā)器置0,輸出u0為低電平,放電管V導(dǎo)通,此后,C又通過(guò)V放電,放電完畢后,uc和u0均為低電平不變,電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。8 476 755

40、5 321 5R+VDDucCuo0.01µFuitui0tuc0tuo0tw (a) (b) 圖925 用CC7555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及工作波形暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)觸發(fā)脈沖ui的負(fù)窄脈沖觸發(fā)后,由于uiVDD,觸發(fā)器被置1,輸出u0為高電平,放電管V截止,電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài),定時(shí)開(kāi)始。暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)到恢復(fù)穩(wěn)態(tài) VDD通過(guò)R向C充電,電容C上的電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升,趨向VDD。當(dāng)ucVDD時(shí),觸發(fā)器置0,輸出u0為低電平,放電管V導(dǎo)通,定時(shí)結(jié)束。電容C經(jīng)V放電,uc下降到低電平,u0維持在低電平,電路恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。當(dāng)?shù)诙€(gè)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí),重復(fù)上述工作過(guò)程。其工作波形如圖925b）所示。(3) 輸出脈寬tW

41、的計(jì)算: 輸出脈寬tW等于電容C上的電壓uc從零充到VDD所需的時(shí)間。tWRCln1.1RC 可以看出,輸出脈寬tW僅與定時(shí)元件R、C值有關(guān),與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)。但為了保證電路正常工作,要求輸入的觸發(fā)信號(hào)的負(fù)脈沖寬度小于tW,且低電平小于VDD。3. 用CC7555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器(1)電路組成將7555定時(shí)器的第2腳和第6腳短接并作為信號(hào)輸入端,則定時(shí)器就具有施密特觸發(fā)器的功能,電路如圖926（）所示。8 46 32 75551 5UCO+VDDuiuotuo0tui0 (a) (b)圖926 用CC7555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器及工作波形(2) 工作原理設(shè)在電路的輸入端輸入三角波。接通電源后,輸入電壓ui較低,使6管腳電壓VDD,2管腳電壓VDD,觸發(fā)器置1,輸出u0為高電平,放電管V截止。隨輸入電壓ui的上升,當(dāng)滿足VDDuiVDD時(shí),電路維持原態(tài)。當(dāng)uiVDD時(shí),觸發(fā)器置0,輸出u0為低電平,放電管V導(dǎo)通,電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。可見(jiàn),該施密特觸發(fā)器的正向閥值電壓UTVDD。 當(dāng)輸入電壓uiVDD,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,逐漸開(kāi)始下降,當(dāng)VDDuiVDD時(shí),電路仍維持不變的 狀態(tài),輸出u0為低電平。當(dāng)uiVDD時(shí),觸發(fā)器置1,輸出u0變?yōu)楦唠娖?放電管V截止。可見(jiàn),該電路負(fù)向閥值電壓UTVDD,