集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器課件

1、第7章 脈沖波形的產(chǎn)生與整形 7.2 555定時(shí)器及其應(yīng)用7.3 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7.1 概述7.1 概 述 7.1.1 脈沖產(chǎn)生電路和整形電路的特點(diǎn) 獲得矩形脈沖的方法通常有兩種：一種是用脈沖產(chǎn)生電路直接產(chǎn)生；另一種是對(duì)已有的信號(hào)進(jìn)行整形，然后將它變換成所需要的脈沖信號(hào)。 脈沖產(chǎn)生電路能夠直接產(chǎn)生矩形脈沖或方波，它由開關(guān)元件和惰性電路組成，開關(guān)元件的通斷使電路實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，而惰性電路則用來(lái)控制暫態(tài)變化過(guò)程的快慢。 典型的矩形脈沖產(chǎn)生電路有雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路和多諧振蕩電路三種類型。 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)換都需要在外加觸發(fā)脈沖的推動(dòng)下才能完成。 單穩(wěn)

2、態(tài)觸發(fā)電路只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，另一個(gè)是暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到暫穩(wěn)態(tài)時(shí)必須由外加觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)，從暫穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換到穩(wěn)態(tài)是由電路自身完成的，暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間取決于電路本身的參數(shù)。 多諧振蕩電路能夠自激產(chǎn)生脈沖波形，它的狀態(tài)轉(zhuǎn)換不需要外加觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)，而完全由電路自身完成。因此它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。 脈沖整形電路能夠?qū)⑵渌螤畹男盘?hào)，如正弦波、三角波和一些不規(guī)則的波形變換成矩形脈沖。施密特觸發(fā)器就是常用的整形電路，它有兩個(gè)特點(diǎn)： 能把變化非常緩慢的輸入波形整形成數(shù)字電路所需要的矩形脈沖； 有兩個(gè)觸發(fā)電平，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到某一額定值時(shí)，電路狀態(tài)就會(huì)轉(zhuǎn)換，因此它屬于電平觸發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)電路。 7.1

3、.2 脈沖電路的基本分析方法 圖 7-1 RC開關(guān)電路 開關(guān)轉(zhuǎn)換的一瞬間，電容器上電壓不能突變，滿足開關(guān)定理UC(0+)=UC(0-)。 暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后，流過(guò)電容器的電流iC()為0，即電容器相當(dāng)于開路。 電路的時(shí)常數(shù)=RC, 決定了暫態(tài)時(shí)間的長(zhǎng)短。根據(jù)三要素公式，可以得到電壓(或電流)隨時(shí)間變化的方程為 如果U(tM)=UT，它是U(0+)和U(）之間的某一轉(zhuǎn)換值，那么從暫態(tài)過(guò)程的起始值U(0+)變到UT所經(jīng)歷的時(shí)間tM(見圖8-2)可用下式計(jì)算： 圖 7-2 從U(0+)到UT所經(jīng)歷的時(shí)間tM7.2 555 定時(shí)器及其應(yīng)用 7.2.1 555 定時(shí)器的組成與功能圖 7-3 555 定時(shí)器(

4、a) 電路結(jié)構(gòu)； (b) 引腳圖 圖 7-3(a)中，比較器C1的輸入端U6(接引腳 6)稱為閾值輸入端，手冊(cè)上用TH標(biāo)注，比較器C2的輸入端U2(接引腳2)稱觸發(fā)輸入端，手冊(cè)上用TR標(biāo)注。C1和C2的參考電壓(電壓比較的基準(zhǔn))UR1和UR2由電源UCC經(jīng)三個(gè)5k的電阻分壓給出。當(dāng)控制電壓輸入端UCO懸空時(shí)， ， ； 若UCO外接固定電壓，則 。 RD為異步置 0 端，只要在RD端加入低電平，則基本RS觸發(fā)器就置 0，平時(shí)RD處于高電平。 定時(shí)器的主要功能取決于兩個(gè)比較器輸出對(duì)RS觸發(fā)器和放電管V1狀態(tài)的控制。 當(dāng) 時(shí)，比較器C1輸出為 0，C2輸出為 1，基本RS觸發(fā)器被置 0，V1導(dǎo)通，U

5、o輸出為低電平。 當(dāng) 時(shí)，C1輸出為 1，C2 輸出為 0，基本RS觸發(fā)器被置 1，V1截止，Uo輸出高電平。 當(dāng) 時(shí)，C1和C2輸出均為 1，則基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，因而V1和Uo輸出狀態(tài)也維持不變。 表 7-1 555定時(shí)器功能表 7.2.2 555 定時(shí)器的典型應(yīng)用 1. 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 圖 7-4 用 555 定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)觸發(fā)器(a) 電路圖； (b) 波形圖 1) 工作原理 靜止期：觸發(fā)信號(hào)沒有來(lái)到，Ui為高電平。電源剛接通時(shí)，電路有一個(gè)暫態(tài)過(guò)程，即電源通過(guò)電阻R向電容C充電， 當(dāng)UC上升到 時(shí)，RS觸發(fā)器置 0，Uo=0，V1導(dǎo)通，因此電容C又通過(guò)導(dǎo)電管V1迅速放電，直到

6、UC=0，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。這時(shí)如果Ui一直沒有觸發(fā)信號(hào)來(lái)到，電路就一直處于Uo=0 的穩(wěn)定狀態(tài)。 暫穩(wěn)態(tài)：外加觸發(fā)信號(hào)Ui的下降沿到達(dá)時(shí)，由于 ，RS觸發(fā)器Q端置 1，因此Uo=1, V1截止，UCC開始通過(guò)電阻R向電容C充電。隨著電容C充電的進(jìn)行，UC不斷上升，趨向值UC()=UCC。 Ui的觸發(fā)負(fù)脈沖消失后，U2回到高電平，在 期間，RS觸發(fā)器狀態(tài)保持不變，因此，Uo一直保持高電平不變，電路維持在暫穩(wěn)態(tài)。但當(dāng)電容C上的電壓上升到 時(shí)，RS觸發(fā)器置 0，電路輸出Uo=0，V1導(dǎo)通，此時(shí)暫穩(wěn)態(tài)便結(jié)束，電路將返回到初始的穩(wěn)態(tài)。 恢復(fù)期：V1導(dǎo)通后，電容C通過(guò)V1迅速放電，使UC0，電路又恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)

7、，第二個(gè)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)，又重復(fù)上述過(guò)程。 輸出電壓Uo和電容C上電壓UC的工作波形如圖 7-4(b)所示。 2) 輸出脈沖寬度TW 輸出脈沖寬度TW是暫穩(wěn)態(tài)的停留時(shí)間，根據(jù)電容C的充電過(guò)程可知： 因而代入式(7-2)可得 圖 7-4(a)所示電路對(duì)輸入觸發(fā)脈沖的寬度有一定要求， 它必須小于TW。若輸入觸發(fā)脈沖寬度大于TW時(shí)，應(yīng)在U2輸入端加RiCi微分電路。 3) 單穩(wěn)觸發(fā)電路的用途 延時(shí)，將輸入信號(hào)延遲一定時(shí)間(一般為脈寬TW)后輸出。 定時(shí)， 產(chǎn)生一定寬度的脈沖信號(hào)。 2. 多諧振蕩器 圖 7-5 用 555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器(a) 電路圖； (b) 波形圖 1) 工作原理 多諧振蕩

8、器只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。假設(shè)當(dāng)電源接通后，電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)，電容C上電壓UC略低于 ，Uo輸出高電平，V1截止，電源UCC通過(guò)R1、R2 給電容C充電。隨著充電的進(jìn)行UC逐漸增高，但只要 ， 輸出電壓Uo就一直保持高電平不變，這就是第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。 當(dāng)電容C上的電壓UC略微超過(guò) 時(shí)(即U6和U2均大于等于 時(shí))， RS觸發(fā)器置 0，使輸出電壓Uo從原來(lái)的高電平翻轉(zhuǎn)到低電平，即Uo=0，V1導(dǎo)通飽和，此時(shí)電容C通過(guò)R2和V1放電。隨著電容C放電，UC下降，但只要 ， Uo就一直保持低電平不變，這就是第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。 當(dāng)UC下降到略微低于 時(shí)，RS觸發(fā)器置 1，電路輸出又變?yōu)閁o=1，V1截止，電容C再次

9、充電，又重復(fù)上述過(guò)程，電路輸出便得到周期性的矩形脈沖。其工作波形如圖8-5(b)所 2) 振蕩周期T的計(jì)算 多諧振蕩器的振蕩周期為兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間，T=T1+T2。由圖 8-5(b)UC的波形求得電容C的充電時(shí)間T1和放電時(shí)間2各為 因而振蕩周期 3) 占空比可調(diào)的多諧振蕩器 圖 7-6 占空比可調(diào)的多諧振蕩器 電容C的充電路徑為UCCR1V1C地，因而T1=0.7R1C。 電容C的放電路徑為CV2R2放電管V1地，因而T2=0.7R2C。 振蕩周期為 占空比為 4) 多諧振蕩器應(yīng)用舉例 用兩個(gè)多諧振蕩器可以組成如圖8-7(a)所示的模擬聲響電路。適當(dāng)選擇定時(shí)元件，使振蕩器A的振蕩頻率fA

10、=1Hz， 振蕩器B的振蕩頻率 fB= 1kHz。由于低頻振蕩器A的輸出接至高頻振蕩器B的復(fù)位端(4腳)，當(dāng)Uo1輸出高電平時(shí)，B振蕩器才能振蕩，Uo1輸出低電平時(shí)， B振蕩器被復(fù)位，停止振蕩，因此使揚(yáng)聲器發(fā)出 1kHz的間歇聲響。其工作波形如圖 8-7(b)所示。 圖 7-7 用 555 定時(shí)器構(gòu)成的模擬聲響發(fā)生器(a) 電路圖； (b) 波形圖 3. 施密特觸發(fā)器1) 施密特觸發(fā)器的構(gòu)成與工作原理 圖 7-8 用 555 定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器(a) 電路圖； (b) 波形圖； (c) 電壓傳輸特性 圖中U6(TH)和U2(TR)端直接連在一起作為觸發(fā)電平輸入端。若在輸入端Ui加三角波，

11、則可在輸出端得到如圖 8-8(b)所示的矩形脈沖。其工作過(guò)程如下： Ui從0開始升高，當(dāng) 時(shí)，RS觸發(fā)器置 1，故Uo=UoH；當(dāng) 時(shí)，RS=11，故Uo=UoH保持不變；當(dāng) 時(shí)，電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)， RS觸發(fā)器置 0，Uo從UoH變?yōu)閁oL，此時(shí)相應(yīng)的Ui幅值 稱為上觸發(fā)電平U+。 當(dāng) 時(shí)，Uo=UoL不變；當(dāng)Ui下降，且 時(shí)，由于RS觸發(fā)器的RS=11，故Uo=UoL保持不變；只有當(dāng)Ui下降到小于等于 時(shí)，RS觸發(fā)器置 1，電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)，Uo從UoL變?yōu)閁oH，此時(shí)相應(yīng)的Ui幅值( )稱為下觸發(fā)電平U-。 從以上分析可以看出，電路在Ui上升和下降時(shí)，輸出電壓Uo翻轉(zhuǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值是不同的，

12、一個(gè)為U+，另一個(gè)為U-。 這是施密特電路所具有的滯后特性，稱為回差?；夭铍妷?。電路的電壓傳輸特性如圖8-8(c)所示。改變電壓控制端UCO(5腳)的電壓值便可改變回差電壓，一般UCO越高，U越大，抗干擾能力越強(qiáng)，但靈敏度相應(yīng)降低。 2) 施密特觸發(fā)器的應(yīng)用 施密特觸發(fā)器應(yīng)用很廣， 主要有以下幾方面： 波形變換?？梢詫⑦呇刈兓徛闹芷谛孕盘?hào)變換成矩形脈沖。 脈沖整形。將不規(guī)則的電壓波形整形為矩形波。若適當(dāng)增大回差電壓，可提高電路的抗干擾能力。圖 8-9(a)為頂部有干擾的輸入信號(hào)，圖 8-9(b)為回差電壓較小的輸出波形， 圖 8-9(c)為回差電壓大于頂部干擾時(shí)的輸出波形。 脈沖鑒幅。圖

13、 8-10 是將一系列幅度不同的脈沖信號(hào)加到施密特觸發(fā)器輸入端的波形，只有那些幅度大于上觸發(fā)電平U+的脈沖才在輸出端產(chǎn)生輸出信號(hào)。因此，通過(guò)這一方法可以選出幅度大于U+的脈沖， 即對(duì)幅度可以進(jìn)行鑒別。 此外，施密特觸發(fā)器還可以構(gòu)成多諧振蕩器等，是應(yīng)用較廣泛的脈沖電路。 圖 7-9 波形整形 圖 7-10 幅度鑒別 7.3 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1. 74LS121非重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74LS121單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的引腳圖和邏輯符號(hào)如圖7 - 11(a)、(b)所示，其功能表如表7 - 2 所示。該集成電路內(nèi)部采用了施密特觸發(fā)輸入結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于邊沿較差的輸入信號(hào)也能輸出一個(gè)寬度和幅度恒定的矩形脈沖。輸出

14、脈寬為 圖 7 - 11 集成觸發(fā)器74LS121 (a) 引腳圖； (b) 邏輯符號(hào) 表7-2 集成單穩(wěn)74LS121功能表 式中，RT和CT是外接定時(shí)元件，RT(Rext)范圍為2k40 k, CT(Cext)為 10pF1000F。CT接在 10、11腳之間，RT接在 11、14 腳之間。如果不外接RT，也可以直接使用阻值為2k的內(nèi)部定時(shí)電阻Rin，則將Rin接UCC，即9、14 腳相接。外接RT時(shí) 9 腳開路。 74LS121的主要性能如下： 電路在輸入信號(hào)A1、A2、B的所有靜態(tài)組合下均處于穩(wěn)態(tài)Q=0，Q=1。 有兩種邊沿觸發(fā)方式。輸入A1或A2是下降沿觸發(fā)，輸入B是上升沿觸發(fā)。從功

15、能表可見，當(dāng)A1、A2或B中的任一端輸入相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，則在Q端可以輸出一個(gè)正向定時(shí)脈沖，Q端輸出一個(gè)負(fù)向脈沖。例如當(dāng)A1或A2為低，B端有上升沿觸發(fā)時(shí)，其輸出波形如圖 8 - 12(a)所示。 電路工作中存在死區(qū)時(shí)間。在定時(shí)時(shí)間TW結(jié)束之后，定時(shí)電容CT有一段充電恢復(fù)時(shí)間，如果在此恢復(fù)時(shí)間內(nèi)又輸入觸發(fā)脈沖，則輸出脈沖寬度就會(huì)小于規(guī)定的定時(shí)時(shí)間TW。因此CT的恢復(fù)時(shí)間就是死區(qū)時(shí)間，記作TD。若要得到精確的定時(shí)，則兩個(gè)觸發(fā)脈沖之間的最小間隔應(yīng)大于TW+TD，如圖 8 -12(c)所示。死區(qū)時(shí)間TD的存在，限制了這種單穩(wěn)的應(yīng)用場(chǎng)合。 圖 7-12 74LS121工作波形 圖 7-13 集成觸發(fā)器74LS123 (a) 引腳圖；