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第十三讲 施密特触发器

内容提要
5.1 概述
5.2 施密特触发器
一、工作原理
1．特点：
2．电压传输特性
3．回差
4．逻辑符号
5．施密特触发器与门的工作波形图
6．集成施密特触发器的 和 的具体数值可从集成电路手册中查到。
二、施密特触发器的应用
5.3 多谐振荡器
5.3.1 对称多谐振荡器
一、电路结构
二、工作原理
三、振荡周期的估算
5.3.4 石英晶体多谐振荡器
5.4 单稳态触发器
5.4.1 微分型单稳态触发器
一、电路结构
二、工作原理
三、输出脉冲宽度的估算
5.4.2 集成单稳态触发器
一、输入脉冲触发方式
二、不可重复触发型与可重复触发型
三、参数计算
5.4.4 单稳态触发器的应用
一、脉冲整形
二、脉冲定时
三、脉冲展宽

内容提要
脉冲电路的研究重点：波形分析。
脉冲整形、变换电路：施密特触发器、单稳态触发器。
脉冲产生电路：多谐振荡器。对称式多谐振荡器、非对称式多谐振荡器、石英晶体振荡器。
5.1 概述
一、获得脉冲波形的方法主要有两种：
1．利用多谐振荡器直接产生符合要求的矩形脉冲；
2．是通过整形电路对已有的波形进行整形、变换，使之符合系统的要求。
二、施密特触发器：主要用以将非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲。
三、单稳态触发器：主要用以将脉冲宽度不符合要求的脉冲变换成脉冲宽度符合要求的矩形脉冲。
5.2 施密特触发器
一、工作原理
1．特点：
⑴ 施密特触发器有两个稳定状态，其维持和转换完全取决于输入电压的大小。
⑵ 电压传输特性特殊，有两个不同的阈值电压（正向阈值电压 和负向阈值电压 ）
⑶ 状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。
2．电压传输特性

有两种情况：左图中输入与输出为反相关系，
右图中输入与输出为同相关系，
3．回差

可见：施密特触发器的电压传输特性具有滞后特性。
4．逻辑符号

左图中输入与输出为反相关系，又称作施密特触发器与非门
右图中输入与输出为同相关系，又称作施密特触发器与门
5．工作波形
为施密特触发器与门的波形， 为施密特触发器与非门的波形

二、施密特触发器的应用
1．用于波形变换
三角波、正弦波及其它不规则信号→矩形脉冲。
图5.2.6所示为用施密特触发器将正弦波变换成同周期的矩形脉冲。

2．用于脉冲整形
当传输的信号受到干扰而发生畸变时，可利用施密特触发器的回差特性，将受到干扰的信号整形成较好的矩形脉冲，如图5.2.7所示。

3．用于脉冲幅度鉴别
如输入信号为一组幅度不等的脉冲，可将输入幅度大于 的脉冲信号选出来，而幅度小于 的脉冲信号则去掉了。
5.3 多谐振荡器
特点：
1．多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。
2．通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，无需外触发。
3．输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的谐波分量，故称作多谐振荡器。
5.3.1 对称多谐振荡器
一、电路结构
提问：TTL门电路的输入电阻特性？


二、工作原理
该电路是利用RC电路的充、放电分别控制G1和G2的开通与关闭来实现自激振荡的。

电路进入第二暂稳态。

宽度与间隔时间相等。

5.3.4 石英晶体多谐振荡器

前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC参数误差的影响。而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号频率不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。

石英晶体具有很好的选频特性。当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率 相同时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易通过，而其它频率的信号则被衰减掉。因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率f0，而与RC无关。

5.4 单稳态触发器
工作特点：
1．有一个稳定状态和一个暂稳态。
2．在外加触发脉冲作用下，电路从稳定状态翻转到暂稳态。
3．经一段时间后，又自动返回到原来的稳定状态。而且暂稳态时间的长短完全取决于电路本身的参数，与外加触发脉冲没有关系。
例：楼道的路灯
5.4.1 微分型单稳态触发器
一、电路结构

二、工作原理

三、输出脉冲宽度的估算
输出脉冲宽度：暂稳态维持的时间，用tw 表示。
tw≈ 0.7 RC
在使用微分型单稳态触发器时，输入触发脉冲u1 的宽度tw1 应小于输出脉冲的宽度tw ，即 tw1＜tw ，否则电路不能正常工作。
如出现tw1 ＞tw 的情况时，可在触发信号源 uI和G1输入端之间接入一个RC微分电路。
5.4.2 集成单稳态触发器
一、输入脉冲触发方式
正跃变触发
负跃变触发
二、不可重复触发型与可重复触发型
态时间的基础上再展宽tw 。如图5.4.4（b）所示。
因此，采用可重复触发单稳态触发器时能比较方便地得到持续时间更长的输出脉冲宽度。

三、参数计算
单稳态触发器CT74121的输出脉冲宽度tw 可用下式进行估算
tw≈0.7RextCext
对于CT74121，Rext 的取值范围为2～40kΩ；
对于CT54121，Rext 的取值范围为2～30kΩ。
Cext的一般取值范围为10 pF～10 μF，
在要求不高的情况下，Cext 的最大值可达1 000 μF。
在输出脉冲宽度不大时，可利用CT74121内部电阻 Rint＝2 kΩ取代Rext ，这样，可以简化外部接线。当要求输出脉冲宽度较大时，仍需采用外接电阻Rext 。
表5.4.1 CT74121的功能表

教材中图5.4.6所示为单稳态触发器CT74121的工作波形。由该图可看出，如在暂稳态期间（即tw 内）再次进行触发时，对暂稳态时间没有影响。因此，输出脉冲宽度tw 不会改变，它只取决于Rext 和Cext 的大小，而与触发脉冲无关。因此，CT74121为不可重复单稳态触发器。
5.4.4 单稳态触发器的应用
一、脉冲整形
脉冲信号在经过长距离传输后其边沿会变差或在波形上叠加了某些干扰。
为了使这些脉冲信号变成符合要求的波形，可利用单稳态触发器进行整形。
二、脉冲定时
由于单稳态触发器可输出宽度和幅度符合要求的矩形脉冲，因此，可利用它作定时电路。
在图5.4.8（a）所示定时电路中，单稳态触发器输出的脉冲uc 可作为与门G开通时间的控制信号。
只有在输出 为高电平期间，与门G打开，uB 才能通过与门G，这时，输出u0 =uB ，与门G打开的时间，完全由单稳态触发器决定。
而在uc 为低电平0时，与门G关闭，uB 不能通过。

三、脉冲展宽
当输入脉冲宽度较窄时，则可用单稳态触发器展宽。
图5.4.9（a）所示为利用CT74121组成的脉冲展宽电路。
只要合理选用 Rext和Cext 值，可输出宽度符合要求的矩形脉冲。
图5.4.9（b）为工作波形。