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這些多諧振蕩電路的特性,你都知道嗎?

技術中心

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這些多諧振蕩電路的特性,你都知道嗎?

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2021/04/10
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       各個時序邏輯電路可用于構建更復雜的電路,例如多諧振蕩器,計數器,移位寄存器,鎖存器和存儲器。

       但是,為了使這些類型的電路以“順序”方式運行,它們需要添加某種形式的時鐘脈沖或定時信號,以使它們改變狀態。時鐘脈沖通常是連續的方形或矩形波形,由單個脈沖發生器電路(如Multivibrator)產生。

       阿多諧振蕩器“高”狀態和“低”狀態產生連續輸出之間電路振蕩。不穩定的多諧振蕩器通常具有偶數50%的占空比,即輸出的50%的循環時間為“ HIGH”,其余50%的輸出為“ OFF”。換句話說,不穩定定時脈沖的占空比為1:1。

       使用時鐘信號進行同步的順序邏輯電路取決于頻率,因此取決于時鐘脈沖寬度以激活其開關動作。時序電路還可以使用時鐘信號的上升沿,下降沿或兩個沿來改變其開關狀態,如我們先前在基本觸發器電路中所見。以下列表是通常與定時脈沖或波形相關的術語。

 
時鐘信號波形


•    高電平有效  –如果狀態更改在時鐘脈沖上升沿或在時鐘寬度期間從“低”變為“高”。
•    低電平有效  –如果狀態變化在時鐘脈沖的下降沿從“高”變為“低”。
•    時鐘寬度  –這是時鐘信號的值等于邏輯“ 1”或“高”的時間。
•    時鐘周期  –這是在相同方向上的連續跳變之間的時間,即兩個上升沿或兩個下降沿之間的時間。
•    占空比  –這是時鐘寬度與時鐘周期的比率。
•    時鐘頻率  –時鐘頻率是時鐘周期的倒數,頻率= 1 /時鐘周期。(ƒ= 1 /噸)
       時鐘脈沖發生電路可以是模擬和數字電路的組合,它們會產生連續的一系列脈沖(稱為“不穩定”多諧振蕩器)或特定持續時間的脈沖(稱為“單穩態”多諧振蕩器)。組合兩個或多個多諧振蕩器電路可生成所需的脈沖模式(包括脈沖寬度,脈沖之間的時間和脈沖頻率)。

       時鐘脈沖發生電路基本上有三種類型:

•    非穩態 -甲自由運行多諧振蕩器 ,其具有NO穩定狀態,但兩種狀態這個作用產生以固定的已知頻率的方波脈沖序列之間連續進行切換。
•    單穩態 –一次觸發的多諧振蕩器 ,只有一個穩定狀態,一旦從外部觸發,它將返回到其第一個穩定狀態。
•    雙穩態 – 具有兩個穩定狀態的觸發器,產生一個高電平或低電平的單個脈沖。
       產生非常簡單的時鐘信號(或脈沖)的一種方法是數字邏輯門的互連。由于“與非”門包含電流放大,因此它們還可用于借助單個電容器和電阻器提供合適的時鐘信號或定時脈沖,以提供所需的反饋和定時功能。

       這些定時電路由于其簡單性而經常被使用,并且如果曾經設計的邏輯電路具有一些未使用的門,這些門可用于產生單穩態或非穩態振蕩器,則它們也很有用。這種簡單的RC振蕩器網絡有時被稱為“松弛振蕩器”。

       單穩態多諧振蕩器電路單穩態多諧振蕩器或“單次”脈沖發生器通常用于將短的尖銳脈沖轉換成更寬的脈沖,以用于定時應用。當施加合適的外部觸發信號或啟動脈沖T時,單穩態多諧振蕩器會產生一個“ HIGH”或“ LOW”的輸出脈沖。

       該觸發脈沖信號啟動一個定時周期,該周期導致單穩態的輸出在定時周期(t 1  )的開始時改變狀態 。輸出保持在此第二狀態,直到定時周期(t 2  )為止,定時周期 由定時電容器C T和電阻器R T的時間常數確定。

       現在,單穩態多諧振蕩器一直處于第二個計時狀態,直到RC時間常數結束為止,然后自動“重置”或使其自身返回到其原始(穩定)狀態。然后,單穩態電路僅具有一個穩定狀態,即其空閑或休息狀態。這種電路的一個更通用的名字就是“觸發器”,因為它可以由兩個交叉耦合的與非門(或非門)構成,正如我們先前所見。考慮下面的電路。
簡單的NAND門單穩態電路
 
       假設最初,觸發器輸入T通過電阻R 1保持在邏輯電平“ 1”為高電平,從而第一與非門U1的輸出在邏輯電平為“ 0”為低電平(與非門原理)。定時電阻R T連接到等于邏輯電平“ 0”的電壓電平,這將使電容器C T完全放電。因此,U1的輸出為低電平。隨著定時電容器完全放電,結點V1也將等于“ 0”,從而導致第二個與非門U2的輸出作為反相連接非門,為高電平(邏輯1)。

       來自第二與非門(  U2  )的輸出被反饋到U1的一個輸入,以提供必要的正反饋。由于結V1和輸出U1都處于邏輯“0”,在定時電容器沒有電流流動Ç ?。這導致電路穩定,并且它將保持在此穩定狀態,直到施加了觸發輸入T。


       如果現在施加負脈沖外部或由按鈕到的觸發輸入的動作NAND門U1,的輸出U1將變高到邏輯“1”(與非門的原則)。
       由于電容器兩端的電壓不能瞬時改變(電容器充電原理),這將導致V1處的結點以及U2的輸入變為高電平,這又將使“與非”門U2的輸出變為邏輯0。現在,即使觸發輸入脈沖T被刪除,電路也將保持在第二定時狀態。這稱為亞穩定狀態。

       現在,隨著電容器C T在由電阻器/電容器組合確定的時間常數從U1的HIGH輸出開始充電時,電容器兩端的電壓將增加。該充電過程將繼續進行,直到充電電流無法保持U2的輸入,從而使結點V1變為高電平為止。

       發生這種情況時,U2的輸出將再次切換為邏輯1的高電平,進而導致U1的輸出變為低電平,并且電容器在電阻R T的影響下放電到U1的輸出中。現在,電路已切換回其原始穩定狀態。


       因此,對于每個負向觸發脈沖,單穩態多諧振蕩器電路會產生一個低向輸出脈沖。輸出時間段的長度由電容器/電阻器組合(RC網絡)確定,并以秒為單位的電路時間常數 T = 0.69RC給出。由于與非門的輸入阻抗非常高,因此可以實現較大的時序周期。
       除了上面的“與非”門單穩態類型電路外,還可以使用作為反相器連接的非門,“與非”門和“或非”門構建簡單的單穩態定時電路,從觸發脈沖的上升沿開始其時序,如下所示。
非門單穩態多諧振蕩器

 

       如同上面的與非門電路一樣,最初,觸發器輸入T在邏輯電平“ 1”時為高電平,因此,第一非門U1的輸出在邏輯電平“ 0”時為低電平。定時電阻器R T和電容器C T并聯連接到第二非門U2的輸入。由于U2的輸入為LOW,因此其在Q的輸出將為HIGH。
       當邏輯電平“ 0”脈沖施加到第一個“非”門的觸發輸入T時,它會改變狀態并產生邏輯電平“ 1”輸出。二極管D1將此邏輯1電壓電平傳遞到RC定時網絡。電容器兩端的電壓C T迅速增加到這個新的電壓電平,該電壓電平也連接到第二個非門的輸入。這繼而在Q處輸出邏輯“ 0”,并且只要施加到電路的觸發輸入T保持低電平,電路就保持在該亞穩態狀態。


       當觸發信號再次返回高電平時,第一個非門的輸出將變為邏輯“ 0”(非門原理)為低,充滿電的電容器開始通過跨接在其上的并聯電阻向自身放電。當電容器兩端的電壓下降到第二個非門輸入的下限閾值以下時,其輸出再次切換回,從而在Q處產生邏輯電平“ 1” 。二極管D1防止定時電容器通過第一非門輸出將自身放電回去。

       然后,將時間常數用于NOT門單穩多諧振蕩器被給定為T = 0.8RC +觸發以秒。
       單穩態多諧振蕩器的一個主要缺點是,施加下一個觸發脈沖T之間的時間必須大于電路的RC時間常數。

       不穩定的多諧振蕩器電路不穩定多諧振蕩器是多諧振蕩器電路中最常用的類型。不穩定的多諧振蕩器是一種自由運行的振蕩器,它沒有永久的“元”或“穩定”狀態,但是會不斷地將其輸出從一種狀態(低)更改為另一種狀態(高),然后再返回。從“高”到“低”以及從“低”到“高”的這種連續切換動作產生了連續且穩定的方波輸出,該輸出在兩個邏輯電平之間突然切換,使其非常適合于定時和時鐘脈沖應用。

       與上述先前的單穩態多諧振蕩器電路一樣,定時周期由電阻電容RC Network的RC時間常數確定。然后,只需改變電路中電阻和電容的值即可改變輸出頻率。
NAND門非穩態多諧振蕩器

 

       該多諧振蕩器電路使用了兩個CMOS NOT門如CD4069或74HC04六反相器IC中,或在我們的一對CMOS的下面簡單的電路NAND門如CD4011或74LS132以及一個RC計時網絡。兩個“與非”門連接為反相“非”門。

       假設最初來自“與非”門U2的輸出在邏輯電平“ 1”處為高,那么輸入必須在“邏輯”電平“ 0”處為低電平(“與非”門原理),與從第一“與非”門U1的輸出一樣。電容器C經由定時電阻器R 2連接在第二與非門U2的輸出與其輸入之間。現在,電容器以由R 2和C的時間常數確定的速率充電。


       隨著電容器C充電,電阻器R 2和電容器C之間的結點(也通過穩定電阻器R 2連接到與非門U1的輸入端)減小,直到達到U1的下閾值。此時,U1的變化狀態和輸出U1現在變高。這種變化導致“與非”門U2的狀態也改變,因為其輸入現在已從邏輯“ 0”變為邏輯“ 1”,從而導致“與非”門U2的輸出 變低。

       電容器C現在變為反向偏置,因此開始通過U1的輸入自身放電。電容器C再次沿與R 2和C的時間常數相同的相反方向充電,直到達到NAND門U1的上閾值為止。這將導致U1更改狀態,并且該循環將再次重復進行。

       然后,NAND門非穩態多諧振蕩器的時間常數以秒為單位給出T = 2.2RC,輸出頻率以ƒ= 1 / T給出。

       例如:如果電阻器R 2 =10kΩ,電容器C = 45nF,則電路的振蕩頻率為:
 
       然后計算出輸出頻率為1kHz,這相當于1ms的時間常數。因此,輸出波形如下所示:

       雙穩態多諧振蕩器電路所述雙穩態多諧振蕩器電路基本上是一個SR觸發器,我們看一下在前面的教程加上一個逆變器或NOT門以提供必要的交換功能。與觸發器一樣,雙穩態多諧振蕩器的兩種狀態都是穩定的,并且電路將無限期地保持在任一穩定狀態。當施加合適的外部觸發脈沖T時,這種類型的多諧振蕩器電路會從一種狀態“僅”傳遞到另一種狀態,因此,要通過一個完整的“ SET-RESET”周期切換,需要兩個觸發脈沖。這種類型的電路也稱為“雙穩態鎖存器”,“切換鎖存器”或簡稱為“ T鎖存器”。
NAND門雙穩態多諧振蕩器

 

       制作雙穩態鎖存器的最簡單方法是將一對施密特與非門連接在一起以形成SR鎖存器,如上所示。兩個與非門U2和U3形成雙穩態,由輸入與非門U1觸發。可以省略此U1 NAND門,并用單個觸發開關代替,以構成一個開關去抖電路,這在我們之前在SR觸發器教程中已經看到。

       當輸入脈沖變為“低電平”時,雙穩態鎖存器進入“置位”狀態,其輸出為邏輯電平“ 1”,直到輸入變為“高電平”,導致雙穩態鎖存器進入其“復位”狀態,其輸出為邏輯電平為“ 0”。雙穩態多諧振蕩器的輸出將保持在“ RESET”狀態,直到施加另一個輸入脈沖,整個序列將再次開始。

       然后,雙穩態鎖存器或“切換鎖存器”是一種雙態設備,其中高電平或低電平(邏輯“ 1”或邏輯“ 0”)的兩個狀態均穩定。

       雙穩態多諧振蕩器具有許多應用,例如分頻器,計數器或用作計算機存儲器中的存儲設備,但它們最好用于諸如鎖存器和計數器的電路中。

       555定時器電路。使用標準的通用波形發生器IC的特殊設計可輕松創建簡單的單穩態或非穩態多諧振蕩器,以創建定時和振蕩器電路。松弛振蕩器可以簡單地通過將幾個無源元件連接到它們的輸入引腳來構造,最常用的波形發生器類型的IC是經典的555定時器。

       在555計時器是一個非常通用的低成本的正時IC,可以產生具有約1%的良好的穩定性的非常準確的定時周期,并且具有從幾微秒之間的可變定時周期到許多小時,由被控制的定時周期連接到4.5至16伏之間的單個正電源的單個RC網絡。

       NE555計時器及其后繼產品ICM7555,CMOS LM1455,DUAL NE556等在555振蕩器教程和其他基于電子的良好網站中進行了介紹,因此此處僅作為參考文獻用作時鐘脈沖發生器。如下所示,連接為555的多諧振蕩器。
NE555不穩定多諧振蕩器

 

       555定時器在這里作為基本的不穩定多諧振蕩器連接,產生連續的輸出波形。引腳2和6連接在一起,因此它將在每個定時周期重新觸發自身,從而用作不穩定振蕩器。電容器,C1通過電阻充電時,R1和電阻,R2,但只有通過電阻器放電時,R2為另一側R2被連接到放電端子,銷7。然后定時周期噸1和噸2被給定為:

•    t 1  = 0.693(R 1  + R 2)C 1
•    t 2  = 0.693(R 2)C 1
•    T = t 1  + t 2 = 0.693(R 1 + 2R 2)C 1
       取決于RC時序周期,電容器C1兩端的電壓范圍為1/3 Vcc至大約2/3 Vcc。這種類型的電路非常穩定,因為它是從單個電源軌工作的,其振蕩頻率與電源電壓Vcc無關。

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