第十三講 施密特觸發器

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

內容提要
脈沖電路的研究重點：波形分析。
脈沖整形、變換電路：施密特觸發器、單穩態觸發器。
脈沖產生電路：多諧振蕩器。對稱式多諧振蕩器、非對稱式多諧振蕩器、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生符合要求的矩形脈沖；
2．是通過整形電路對已有的波形進行整形、變換，使之符合系統的要求。
二、施密特觸發器：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、單穩態觸發器：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 施密特觸發器
一、工作原理
1．特點：
⑴ 施密特觸發器有兩個穩定狀態，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，有兩個不同的閾值電壓（正向閾值電壓 和負向閾值電壓 ）
⑶ 狀態翻轉時有正反饋過程，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系，
??????????????????????右圖中輸入與輸出為同相關系，
3．回差

可見：施密特觸發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系，又稱作施密特觸發器與非門
右圖中輸入與輸出為同相關系，又稱作施密特觸發器與門
5．工作波形
為施密特觸發器與門的波形， 為施密特觸發器與非門的波形

二、施密特觸發器的應用
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生畸變時，可利用施密特觸發器的回差特性，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，而幅度小于 的脈沖信號則去掉了。
5.3 多諧振蕩器
特點：
1．多諧振蕩器沒有穩定狀態，只有兩個暫穩態。
2．通過電容的充電和放電，使兩個暫穩態相互交替，從而產生自激振蕩，無需外觸發。
3．輸出周期性的矩形脈沖信號，由于含有豐富的諧波分量，故稱作多諧振蕩器。
5.3.1 對稱多諧振蕩器
一、電路結構
提問：TTL門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的開通與關閉來實現自激振蕩的。

電路進入第二暫穩態。

寬度與間隔時間相等。

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共同特點就是振蕩頻率不穩定，容易受溫度、電源電壓波動和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鐘信號來控制和協調整個系統的工作。因此，控制信號頻率不穩定會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，石英晶體呈現很低的阻抗，信號很容易通過，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，振蕩頻率只取決于石英晶體的固有諧振頻率f0，而與RC無關。

5.4 單穩態觸發器
工作特點：
1．有一個穩定狀態和一個暫穩態。
2．在外加觸發脈沖作用下，電路從穩定狀態翻轉到暫穩態。
3．經一段時間后，又自動返回到原來的穩定狀態。而且暫穩態時間的長短完全取決于電路本身的參數，與外加觸發脈沖沒有關系。
例：樓道的路燈
5.4.1 微分型單穩態觸發器
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：暫穩態維持的時間，用tw 表示。
??????????????????????????????????????tw≈ 0.7 RC
在使用微分型單穩態觸發器時，輸入觸發脈沖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，可在觸發信號源 uI和G1輸入端之間接入一個RC微分電路。
5.4.2 集成單穩態觸發器
一、輸入脈沖觸發方式
正躍變觸發
負躍變觸發
二、不可重復觸發型與可重復觸發型
態時間的基礎上再展寬tw 。如圖5.4.4（b）所示。
因此，采用可重復觸發單穩態觸發器時能比較方便地得到持續時間更長的輸出脈沖寬度。

三、參數計算
單穩態觸發器CT74121的輸出脈沖寬度tw 可用下式進行估算
?????????????????????????????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，可利用CT74121內部電阻 Rint＝2 kΩ取代Rext ，這樣，可以簡化外部接線。當要求輸出脈沖寬度較大時，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所示為單穩態觸發器CT74121的工作波形。由該圖可看出，如在暫穩態期間（即tw 內）再次進行觸發時，對暫穩態時間沒有影響。因此，輸出脈沖寬度tw 不會改變，它只取決于Rext 和Cext 的大小，而與觸發脈沖無關。因此，CT74121為不可重復單穩態觸發器。
5.4.4 單穩態觸發器的應用
一、脈沖整形
脈沖信號在經過長距離傳輸后其邊沿會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，可利用單穩態觸發器進行整形。
二、脈沖定時
由于單穩態觸發器可輸出寬度和幅度符合要求的矩形脈沖，因此，可利用它作定時電路。
在圖5.4.8（a）所示定時電路中，單穩態觸發器輸出的脈沖uc 可作為與門G開通時間的控制信號。
只有在輸出 為高電平期間，與門G打開，uB 才能通過與門G，這時，輸出u0 =uB ，與門G打開的時間，完全由單穩態觸發器決定。
而在uc 為低電平0時，與門G關閉，uB 不能通過。

三、脈沖展寬
當輸入脈沖寬度較窄時，則可用單穩態觸發器展寬。
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。