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第十三講 施密特觸發(fā)器

內容提要
5.1 概述
5.2 施密特觸發(fā)器
一、工作原理
1．特點(diǎn)：
2．電壓傳輸特性
3．回差
4．邏輯符號
5．施密特觸發(fā)器與門(mén)的工作波形圖
6．集成施密特觸發(fā)器的 和 的具體數值可從集成電路手冊中查到。
二、施密特觸發(fā)器的應用
5.3 多諧振蕩器
5.3.1 對稱(chēng)多諧振蕩器
一、電路結構
二、工作原理
三、振蕩周期的估算
5.3.4 石英晶體多諧振蕩器
5.4 單穩態(tài)觸發(fā)器
5.4.1 微分型單穩態(tài)觸發(fā)器
一、電路結構
二、工作原理
三、輸出脈沖寬度的估算
5.4.2 集成單穩態(tài)觸發(fā)器
一、輸入脈沖觸發(fā)方式
二、不可重復觸發(fā)型與可重復觸發(fā)型
三、參數計算
5.4.4 單穩態(tài)觸發(fā)器的應用
一、脈沖整形
二、脈沖定時(shí)
三、脈沖展寬

內容提要
脈沖電路的研究重點(diǎn)：波形分析。
脈沖整形、變換電路：施密特觸發(fā)器、單穩態(tài)觸發(fā)器。
脈沖產(chǎn)生電路：多諧振蕩器。對稱(chēng)式多諧振蕩器、非對稱(chēng)式多諧振蕩器、石英晶體振蕩器。
5.1 概述
一、獲得脈沖波形的方法主要有兩種：
1．利用多諧振蕩器直接產(chǎn)生符合要求的矩形脈沖；
2．是通過(guò)整形電路對已有的波形進(jìn)行整形、變換，使之符合系統的要求。
二、施密特觸發(fā)器：主要用以將非矩形脈沖變換成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脈沖。
三、單穩態(tài)觸發(fā)器：主要用以將脈沖寬度不符合要求的脈沖變換成脈沖寬度符合要求的矩形脈沖。
5.2 施密特觸發(fā)器
一、工作原理
1．特點(diǎn)：
⑴ 施密特觸發(fā)器有兩個(gè)穩定狀態(tài)，其維持和轉換完全取決于輸入電壓的大小。
⑵ 電壓傳輸特性特殊，有兩個(gè)不同的閾值電壓（正向閾值電壓 和負向閾值電壓 ）
⑶ 狀態(tài)翻轉時(shí)有正反饋過(guò)程，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。
2．電壓傳輸特性

有兩種情況：左圖中輸入與輸出為反相關(guān)系，
                      右圖中輸入與輸出為同相關(guān)系，
3．回差

可見(jiàn)：施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性具有滯后特性。
4．邏輯符號

左圖中輸入與輸出為反相關(guān)系，又稱(chēng)作施密特觸發(fā)器與非門(mén)
右圖中輸入與輸出為同相關(guān)系，又稱(chēng)作施密特觸發(fā)器與門(mén)
5．工作波形
為施密特觸發(fā)器與門(mén)的波形， 為施密特觸發(fā)器與非門(mén)的波形

二、施密特觸發(fā)器的應用
1．用于波形變換
三角波、正弦波及其它不規則信號→矩形脈沖。
圖5.2.6所示為用施密特觸發(fā)器將正弦波變換成同周期的矩形脈沖。

2．用于脈沖整形
當傳輸的信號受到干擾而發(fā)生畸變時(shí)，可利用施密特觸發(fā)器的回差特性，將受到干擾的信號整形成較好的矩形脈沖，如圖5.2.7所示。

3．用于脈沖幅度鑒別
如輸入信號為一組幅度不等的脈沖，可將輸入幅度大于 的脈沖信號選出來(lái)，而幅度小于 的脈沖信號則去掉了。
5.3 多諧振蕩器
特點(diǎn)：
1．多諧振蕩器沒(méi)有穩定狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩態(tài)。
2．通過(guò)電容的充電和放電，使兩個(gè)暫穩態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，無(wú)需外觸發(fā)。
3．輸出周期性的矩形脈沖信號，由于含有豐富的諧波分量，故稱(chēng)作多諧振蕩器。
5.3.1 對稱(chēng)多諧振蕩器
一、電路結構
提問(wèn)：TTL門(mén)電路的輸入電阻特性？


二、工作原理
該電路是利用RC電路的充、放電分別控制G1和G2的開(kāi)通與關(guān)閉來(lái)實(shí)現自激振蕩的。

電路進(jìn)入第二暫穩態(tài)。

寬度與間隔時(shí)間相等。

5.3.4 石英晶體多諧振蕩器

前面介紹的多諧振蕩器的一個(gè)共同特點(diǎn)就是振蕩頻率不穩定，容易受溫度、電源電壓波動(dòng)和RC參數誤差的影響。而在數字系統中，矩形脈沖信號常用作時(shí)鐘信號來(lái)控制和協(xié)調整個(gè)系統的工作。因此，控制信號頻率不穩定會(huì )直接影響到系統的工作，顯然，前面討論的多諧振蕩器是不能滿(mǎn)足要求的，必須采用頻率穩定度很高的石英晶體多諧振蕩器。

石英晶體具有很好的選頻特性。當振蕩信號的頻率和石英晶體的固有諧振頻率 相同時(shí)，石英晶體呈現很低的阻抗，信號很容易通過(guò)，而其它頻率的信號則被衰減掉。因此，將石英晶體串接在多諧振蕩器的回路中就可組成石英晶體振蕩器，這時(shí)，振蕩頻率只取決于石英晶體的固有諧振頻率f0，而與RC無(wú)關(guān)。

5.4 單穩態(tài)觸發(fā)器
工作特點(diǎn)：
1．有一個(gè)穩定狀態(tài)和一個(gè)暫穩態(tài)。
2．在外加觸發(fā)脈沖作用下，電路從穩定狀態(tài)翻轉到暫穩態(tài)。
3．經(jīng)一段時(shí)間后，又自動(dòng)返回到原來(lái)的穩定狀態(tài)。而且暫穩態(tài)時(shí)間的長(cháng)短完全取決于電路本身的參數，與外加觸發(fā)脈沖沒(méi)有關(guān)系。
例：樓道的路燈
5.4.1 微分型單穩態(tài)觸發(fā)器
一、電路結構

二、工作原理

三、輸出脈沖寬度的估算
輸出脈沖寬度：暫穩態(tài)維持的時(shí)間，用tw 表示。
                                      tw≈ 0.7 RC
在使用微分型單穩態(tài)觸發(fā)器時(shí)，輸入觸發(fā)脈沖u1 的寬度tw1 應小于輸出脈沖的寬度tw ，即 tw1＜tw ，否則電路不能正常工作。
如出現tw1 ＞tw 的情況時(shí)，可在觸發(fā)信號源 uI和G1輸入端之間接入一個(gè)RC微分電路。
5.4.2 集成單穩態(tài)觸發(fā)器
一、輸入脈沖觸發(fā)方式
正躍變觸發(fā)
負躍變觸發(fā)
二、不可重復觸發(fā)型與可重復觸發(fā)型
態(tài)時(shí)間的基礎上再展寬tw 。如圖5.4.4（b）所示。
因此，采用可重復觸發(fā)單穩態(tài)觸發(fā)器時(shí)能比較方便地得到持續時(shí)間更長(cháng)的輸出脈沖寬度。

三、參數計算
單穩態(tài)觸發(fā)器CT74121的輸出脈沖寬度tw 可用下式進(jìn)行估算
                             tw≈0.7RextCext
對于CT74121，Rext 的取值范圍為2～40kΩ；
對于CT54121，Rext 的取值范圍為2～30kΩ。
Cext的一般取值范圍為10 pF～10 μF，
在要求不高的情況下，Cext 的最大值可達1 000 μF。
在輸出脈沖寬度不大時(shí)，可利用CT74121內部電阻 Rint＝2 kΩ取代Rext ，這樣，可以簡(jiǎn)化外部接線(xiàn)。當要求輸出脈沖寬度較大時(shí)，仍需采用外接電阻Rext 。
表5.4.1 CT74121的功能表

教材中圖5.4.6所示為單穩態(tài)觸發(fā)器CT74121的工作波形。由該圖可看出，如在暫穩態(tài)期間（即tw 內）再次進(jìn)行觸發(fā)時(shí)，對暫穩態(tài)時(shí)間沒(méi)有影響。因此，輸出脈沖寬度tw 不會(huì )改變，它只取決于Rext 和Cext 的大小，而與觸發(fā)脈沖無(wú)關(guān)。因此，CT74121為不可重復單穩態(tài)觸發(fā)器。
5.4.4 單穩態(tài)觸發(fā)器的應用
一、脈沖整形
脈沖信號在經(jīng)過(guò)長(cháng)距離傳輸后其邊沿會(huì )變差或在波形上疊加了某些干擾。
為了使這些脈沖信號變成符合要求的波形，可利用單穩態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行整形。
二、脈沖定時(shí)
由于單穩態(tài)觸發(fā)器可輸出寬度和幅度符合要求的矩形脈沖，因此，可利用它作定時(shí)電路。
在圖5.4.8（a）所示定時(shí)電路中，單穩態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖uc 可作為與門(mén)G開(kāi)通時(shí)間的控制信號。
只有在輸出 為高電平期間，與門(mén)G打開(kāi)，uB 才能通過(guò)與門(mén)G，這時(shí)，輸出u0 =uB ，與門(mén)G打開(kāi)的時(shí)間，完全由單穩態(tài)觸發(fā)器決定。
而在uc 為低電平0時(shí)，與門(mén)G關(guān)閉，uB 不能通過(guò)。

三、脈沖展寬
當輸入脈沖寬度較窄時(shí)，則可用單穩態(tài)觸發(fā)器展寬。
圖5.4.9（a）所示為利用CT74121組成的脈沖展寬電路。
只要合理選用 Rext和Cext 值，可輸出寬度符合要求的矩形脈沖。
圖5.4.9（b）為工作波形。