《数字电路第八章脉冲的变与换.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电路第八章脉冲的变与换.ppt（96页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第8章 脉冲波形的 变换与产生,本章内容和要求,主要内容讨论几种脉冲波形的变换和产生电路:单稳态触发器，施密特触发器,多谐振荡器,定时器等。教学要求掌握多谐振荡器,施密特触发器,单稳态触发器的电路构成和原理。掌握定时器的功能和具体应用。,8.1 单稳态触发器,单稳态触发器与前面介绍的触发器不同，它具有下述特点：,1、电路有一个稳态、一个暂稳态,没有触发信号作用时电路处于稳态。,2、在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态，暂稳态不能长久保持。,3、暂稳态维持一段时间后，会自动回到稳态，它的持续时间取决于延时环节RC电路的参数值。单稳态触发器的这些特点广泛应用于脉冲波形的变换、定时与延时中。
2、,8.1.1 用CMOS门电路组成的微分型单稳态触发器,1、电路组成及工作原理,微分型单稳态触发器可由逻辑门和RC电路组成，由于构成单稳态触发器的两个逻辑门是由RC微分电路耦合，故称为微分型单稳态触发器。,右图为CMOS门构成的单稳态触发器电路。(a)图有错：Rd下端应接VDD；或不要Cd,直连VI，对TTL门，电路正确。但要求RdRON。,微分型单稳态触发器(图b)的工作过程及原理,外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态：vI vo1 vD vo,设CMOS门电路的电压传输特性理想化，且其反相器的阈值电压VTHVDD2,没有触发信号时，电路处于一种稳态。,没有触发信号时，VI为低电平，VD为高
3、电平，电路的稳态是：vo1=VOH,vo=VOL。注意：vo即G2门输出vo2,正反馈过程达到的暂稳态是：vo=VOH,vo1=VOL,微分型单稳态触发器(图b:或非门及非门构成)的工作过程及原理,0,0,0,1,1,1)没有触发信号时，电路处于一种稳态：vo1=VOH,vo2=VOL。(电容端电压近似为0）,(vo),（3）电容充电，电路由暂稳态自动返回至稳态,在暂稳态期间，电源经电阻R和门G1的导通工作管对电容C充电，电路发生下述正反馈过程（设此时触发器脉冲已消失）：C充电 vD vo vo1,于是G1门迅速截止，G2门很快导通，电路由暂稳态自动返回至稳态：vo1=VOH,vo=VOL，电
4、容将通过电阻R放电，使其上的电压恢复到初值。,微分型单稳态触发器(图b:或非门及非门构成)的工作过程及原理,1,1,1,0,0,3)电容放电，电路由暂稳态自动返回到稳态：vo1=VOH,vo2=VOL,2)外加触发信号后，电路进入暂稳态：vo2=VOH,vo1=VOL；电容开始充电。,(vo),电路各点的工作波形,图812 微分型单稳态触发器各点工作波形,(vo2),2、微分型单稳态触发器主要参数的计算,（1）输出脉冲宽度tw输出脉冲宽度tw，也就是暂稳态的维持时间，可以根据VD的波形进行计算。将触发脉冲作用的起始时刻t1作为时间起点，于是有VD(0+)=0,VD()=vDD,=RC,代人瞬态
5、过程公式得 VD(t)=vDD 0 vDDet/,当t=tw时，VD(tw)=Vth,代人可求得 tw=RC,当Vth=VDD/2,则tw0.7RC,恢复时间tre暂稳态结束后，使电路恢复到初始状态所需要的时间称为恢复时间tre。一般要经过（35）(为放电时间常数）的时间，放电才基本结束，故tre 3。RC.最高工作频率fmax 设触发信号的时间间隔（即周期）为T，为使电路正常工作，应满足T（tw tre）的条件，即最小时间间隔Tmin=tw tre,因此，单稳态触发器的 最高工作频率,3.讨论,如图8.1.2所示，在暂稳态结束瞬间（t=t2),门G2的输入电压VD达到VDDVth,为避免CM
6、OS门损坏，器件内部设有保护二极管D。当输入脉冲宽度tpi很宽时，可在单稳态触发器的输入端加入Rd、Cd 组成的微分电路。如在G2的输出端加入反相器G3则可改善输出波形。若采用TTL a所示的单稳电路时，电阻R要小于0.7 k。如果输入端采用Rd、Cd 微分电路时，Rd 的数值应大于2 k。以保证稳态时G2输入为低电平，G1输入为高电平。如用CMOS门，则电阻值不受此限制。,图813 宽脉冲触发的单稳电路,D,8.1.2 集成单稳态触发器两种单稳态触发器的工作波形如下图所示,图a为不可重复触发的单稳态触发器的工作波形图b为可重复触发的单稳态触发器的工波形。两者的区别是：触发器在暂稳态期间，如有
7、触发脉冲作用，前者不受影响，后者会重新被触发，暂稳态从最后触发沿起，继续延长tw时间。,图814 两种单稳电路工作波形,1.不可重复触发的集成单稳态触发器电路,不可重复触发的集成单稳态触发器电路引脚图,TTL集成器件74121图,(1)不可重复触发的集成单稳态触发器电路连接,内部定时电阻（2k)，外接定时电阻（1.4k-40 k之间)。,（2）不可重复触发的集成单稳态触发器工作原理,电路由触发信号控制电路、微分型单稳态触发器及输出缓冲电路组成。,74121的输出脉冲宽度tw0.7RC。,表8.1.1 74121功能表,（3）逻辑功能,触发方式74121集成单稳态触发器有3个触发输入端，由功能表
8、可知，在下列情况下，电路可由稳态翻转到暂稳态（有正脉冲输出）：,若A1,A2两个输入中有一个或两个为低电平，B发生由0到1的正跳变。,若B和A1,A2均为高电平，A输入中有一个或两个产生由1到0的负跳变。,（4）工作波形,2、可重复触发的集成单稳态触发器电路,2、可重复触发的集成单稳态触发器电路芯片,可重复触发的集成单稳态触发器工作原理,电路主要由三态门，积分电路、控制电路组成的积分型单稳态触发器及输出缓冲电路组成。分析：,可重复触发的集成单稳态触发器工作原理,触发与定时,注意：vth13 vth9,2.可重复触发的集成单稳态触发器MC14528,工作波形,脉冲宽度包括电容充电和放电两段。,本
9、图不含第2种触发方式,稳态,1.定时可使电路在一定脉冲宽度的时间内动作或不动作。,单稳态触发器作定时电路的应用,tw,t w,8.1.3 单稳态触发器的应用,(a）逻辑图,(b)波形图,2、延迟,图8.1.11 由单稳构成的延迟电路,(VO0),延迟电路工作波形：,vo脉冲的上升沿相对于输入信号vi的上升沿延迟了tw1时间。,3.组成噪声消除电路,D,CP,(R),噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号的宽度较宽。如图b,注意：单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度 而小于信号脉宽，才可消除噪声。,8.2 施密特触发器,施密特触发器的电压传输特性:,1、电平触发，滞回特性,2、上限阈值电压VT
10、+,3、下限阈值电压VT-,4、回差电压V=VT+-VT-,图821 施密特电路的传输特性,同相输出,反相输出,8.2.1 门电路组成的施密特触发器,v I1,vo,vI,R1 R2,I为三角波,作如下假定：,1.电路组成,由叠加原理得,vI1,0,0,只要vI1 Vth，则保持vO=0V,当vI1=Vth，电路发生正反馈：,1,当vI=0V，vI10V，vO=0V,当vI上升，vI1也上升,2.工作原理分析：,由叠加原理得G1门的VI1,vI1,1,只要vI1 Vth，则保持vO=VOH,当vI1=Vth，电路产生如下正反馈：,当vI下降，vI1也下降,0,将VDD=2Vth代人可得,回差电
11、压,图8.2.3 施密特触发器工作波形及传输特性曲线,vI1,3.工作波形及电压传输特性,VOH,图8.2.3 施密特触发器工作波形及传输特性曲线,vI1,3.工作波形及电压传输特性,VOH,例8.2.1 在图8.2.2所示的电路中，电源电压VDD=10V,G1，G2选用CC4069反相器，其负载电流最大允许值IOH(max)=1.3mA,门的阈值电压VTH(12)VDD=5V,且（R1R2)=0.5。,（1）求VT+,VT-和VT。,（2）试选择R1,R2值。,vI1,解：,vI1,解：（1）,（2）,为保证反相器G2输出高电平时不过载，应,当选R215k时，R1=(12)R2=7.5 k,
12、考虑到,vI1,8.2.2 集成施密特触发器(CC40106),图8.2.4 CMOS集成施密特触发器电路,(1)施密特电路,设P沟道MOS管的开启电压为VTP,N沟道MOS管的开启电压为VTN,输入信号VI为三角波。当VI=0时，,VO=VOH,vs5VDDVGSN6较高,当VI电位逐渐升高到VI VTN时，TN4先导通，VI电位逐渐升高,到TP1TP2趋于截止并使VI-vs5 VTN 时，TN5导通并引起如下正反馈过程：VOVS5 VGS5RON5(TN5导通电阻),于是VO为低电平，VO=0.,电路原理分析：,(1)施密特电路,电路又转换到VO=VOH的状态。,在VDDVTN+|VTP|
13、的条件下，VT+远大于VDD2，且随着VDD增加而增加。而VT-也要比VDD2低很多。,(2)整形级,利用两级反相器的正反馈作用使输出波形有陡直的上升沿和下降沿。,(3)输出级反相器缓冲级,8.2.3 施密特触发器的应用,1.波形的变换,图8.2.5 利用施密特触发器实现波形变换：正弦波变矩形波,2.波形的整形和抗干扰,8.2.3 施密特触发器的应用,波形的整形和抗干扰,8.2.3 施密特触发器的应用,(a)具有顶部干扰的输入波形,（b)回差电压小时的输出波形,(c)回差电压大时的输出波形,图8.2.7利用回差电压抗干扰,合理选择回差电压，可消除干扰信号。,(a),(b),(c),3.幅度鉴别
14、,幅度超过vth(可设置vth vT+）的脉冲使电路有脉冲输出；幅度小于vth的脉冲则电路没有脉冲输出。从而达到幅度鉴别的目的。,8.3.1 门电路组成的多谐振荡器,8.3.2 用施密特触发器构成波形产生电路,8.3 多谐振荡器,电路的组成及工作原理,振荡周期的计算,石英晶体振荡器,多谐振荡器是一种自激振荡器，电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲波或方波。由于多谐振荡器在工作过程中没有稳定状态，故又称为无稳态电路。,8.3多谐振荡器,概 述,8.3 多谐振荡器,开关器件：如门电路、电压比较器、BJT管；作用是产生高、低电平；,多谐振荡器电路应由哪几部分组成？,反馈延
15、迟环节：利用RC电路的充放电特性实现延时，将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态，以获得所需要的振荡频率。,概 述,8.3.1 门电路组成的多谐振荡器,1.电路组成,开关器件：反馈延迟环节：,由CMOS门电路组成的多谐振荡器,逻辑门电路,R、C 电路,2.工作原理,假定vO1=1，vO2=0,注意：Vth=VON=VOFF=VDD/2,VC,(1)第一暂稳态及电路自动翻转过程,vOvO2;vOHvDD,vO1=0，vO=1,进入 第二暂稳态：,当vI达到Vth时，电路发生下述正反馈过程：,VC,vO1=0，vO2=1,(2)第二暂稳态及电路自动翻转过程,二,T1,T2,进入第二暂稳态瞬
16、间，vI将升至VOH+V+(本应升至VOH+Vth,但由于保护二极管的钳位作用仅升（VOH+V+）,电路又回到第一暂稳态。,第二暂稳态：,随后，电容C放电使vI下降至Vth后，电路又发生下述正反馈过程：,3.振荡周期T的计算:,T1,T2,T=T1(充)+T2(放),运用求解暂态过程的三要素法：,对于第一暂稳态，以t1作为时间的起点，t为 T1=t2t1,vI(0+)0V,vI()=VDD,=RC,代人暂态公式求得,T1,T2,TRC1n41.4RC,在第二暂稳态，将t2作为时间的起点，则有vI(0+)VDD，vI()=0，=RC，代人暂态公式求得,将Vth=VDD/2代入得,4、加补偿电阻的
17、CMOS多谐振荡器,式T=RC41.4 RC仅适于RRON(P)+RON(N)RON(P)、RON(N)分别为CMOS门中NMOS、PMOS管的导通电阻、C C分布（分布电容）的情况。,一般的电路还在上图中增加一个补偿电阻Rs如上图，Rs可减少电源电压变化对振荡频率的影响,电源电压波动时，会使振荡频率不稳定。,用施密特触发器构成波形产生电路,对于典型值：VT+=2VT=1.6V,输出电压摆幅为3V时，振荡频率 f0.7/RC,例8.3.1：如图电路，已知参数，求输出波形高电平和低电平持续时间及占空比。,解：,把数据代入公式即可,占空比为,石英晶体振荡器,由门电路组成的多谐振荡器，周期 T 取决
18、于R C 和 Vth，频率稳定性较差。为得到频率稳定性很高的脉冲波形，多采用由石英晶体组成的石英晶体振荡器。,R：使反相器工作在线性放大区,C1：两个反相器间的耦合,C2：抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出。,优点：振荡频率稳定性高，常用作基准信号源,1.石英晶体振荡器电路,图838双相时钟发生器的逻辑图和波形图,2.石英晶体振荡器应用实例：双相时钟发生器,8.4.1 555定时器,定时器应用举例,8.4 555定时器及其应用,电路的组成,用555定时器组成单稳态触发器,8.4.4 用555定时器组成多谐振荡器,8.4.2 用555定时器组成施密特触发器,工作原理,8.4.1 555定时器,1
19、、电路组成,555定时器是一种应用方便的中规模集成电路,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。,电阻分压器,电压比较器,基本RS触发器,复位输入端(0),输出缓冲反相器,集电极开路输出三极管,555定时器结构用方框图表示如下：,555定时器的电路符号,+,+,C1,C2,&,&,1,Q,Q,+VCC,RD,TD,5K,5K,5K,vIC,vI1,vI2,vO,Vo,4,3,7,1,8,2,5,6,555,(Q),附：电压比较器的工作原理,电压传输特性,U+U-，UO为高电平U+U-，UO为低电平,0,1,0,T,vo,vIC,vI1,v
20、I2,vo,C1,C2,+,-,-,+,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),R,S,&,5 k,5 k,5 k,&,&,1,RD,VCC,(8),G,如果悬空,0,1,0,1,0,1,0,1,1,0,1,1,1,保持,保持,2.工作原理,图842由555定时器构成的施密特触发器,8.4.2 用555定时器组成施密特触发器,用555定时器组成施密特触发器对近似正弦波的变换,0,1,3,V,CC,2,3,V,CC,v,I,v,O,V,OH,用555定时器组成单稳态触发器,用555定时器组成单稳态触发器不可重复触发单稳,v,O,o,o,t,t,2,a、接通电源电路进入稳态O=0,
21、t,t,1、工作原理,C1_,C2+,用555定时器组成单稳态触发器,b、当输入信号下降沿到达时,电路进入暂稳态,C1+,tW,tw=RC1n31.1RC,c、电容放电,电路自动返回到稳态,1、工作原理,工作原理归纳,1、没有触发信号时 电路的工作状态Q=0，VO=VOL，TD导通此时电路处于稳态,稳态,2、触发信号到来Q=1，VO=VOH，TD截止此时电路进入暂稳态，暂稳态维持时间为电容充电到2VCC/3的时间,3、自动返回稳态充电使VC=2VCC/3时，电路返回到稳态,暂稳态,图846由555定时器构成的可重复触发单稳电路,电路图,波形,2、用555定时器组成可重复触发单稳,2、用555定
22、时器组成可重复触发单稳,当VI输入负脉冲后，电路进入暂稳态，同时三极管T导通，电容C放电。输入负脉冲撤除后，电容C充电，在VC未达到2/3VCC之前，VI输入新的负脉冲，T再导通，电容C放电、又充电，使暂稳态继续。此电路可用作失落脉冲检测。,工作过程：,图847脉冲宽度调节器通过在5脚加一个变化电压实现,(a)逻辑图,8.4.4 用555定时器组成多谐振荡器,图用555定时器组成多谐振荡器电路,vo,2,3,V,CC,1,3,V,CC,v,C,0,t,1,t,2,tPL,tPH,tPL=R2C1n20.7R2C,tpH=(R1+R2)C1n20.7(R1+R2)C,不变,不变,导通,0,截止,
23、1,导通,0,T,VO,VI2,VI1,输 出,输 入,截止,用555定时器组成多谐振荡器,tPL=RBC1n20.7RBC,tpH=RAC1n20.7RAC,占空比可调,电路图,812，813，821，833，841，844，,作业：,第八章小结,1.集成单稳态触发器分为非重复触发和可重复触发两大类，在暂稳态期间，出现的触发信号对非重复触发单稳电路没有影响，而对可重复触发单稳电路可起到连续触发作用。,2.在数字电路中，施密特触发器实质上是具有滞后特性的逻辑门，它有两个阈值电压。电路状态与输入电压有关，不具备记忆功能。除施密特反相器外还有施密特与非门、或非门等。,3.在多谐振荡器中，电路从暂稳
24、态过渡到另一个状态，其“触发”信号是由电路内部电容充(放)电提供的，因此无需外部触发脉冲。暂稳态持续的时间是脉冲电路的主要参数,它与电路的阻容元件取值有关。电路中RC电路充、放电过程对相应门输入电平的影响是分析电路的关键。,4.多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源后自行产生矩形波输出。在频率稳定性要求较高的场合通常采用石英晶体振荡器。,5.定时器是一种应用广泛的集成器件，多用于脉冲产生、整形及定时等。除555定时器外，目前还有556(双定时器)、558(四定时器)等。,习题选解,解：分析所给的时序关系可知，Va与CP呈4分频关系，而Vb是在Va的下降沿触发下产生脉宽为tw的正脉冲.,8.1
25、.4 某控制系统要求产生的信号Va、Vb与系统时钟CP的时序关系如图题8.1.4 所示。试用4位二进制计数器74LVC161、集成单稳74121设计该信号产生电路，画出电路图。,依题意，用4位二进制计数器74161组成对CP4分频电路得到Va信号，再用Va作为74121的触发信号，根据tw选择RC的值，使tw0.7RC,这样在74121的Q端即可得到Vb的波形。,74161是具有异步清零功能的计数器，也可以把之接成4进制计数器，即把QC作为非门的输入端，输出端接RD，所得的Va波形和题目要求完全一样。,如果波形如下图，电路又如何？,电路图更改如下：,8.2.2 集成施密特电路和集成单稳态触发器
26、74121构成的电路如图题8.2.2 所示。已知集成施密特电路的VDD=10V,R=100k,C=0.01F,VT+=6.3V,VT-=2.7V,Cext=0.01,Rext=30k.（1）分别计算VO1的周期及VO2的脉宽。（2）根据计算结果画出VO1、VO2的波形。,图题8.2.2,解：（1）集成施密特触发器组成多諧振荡器，当S开关接高电平 后，电路开始振荡，其振荡周期用教材（8.3.7）式计算,单稳输出脉宽为,波形示意图如右，注意VC上升和下降均为指数规律，以直线代替只是示意而已,解：若电路接通电源瞬间,VO=0,即VO31，则VO1为0，VO2为1。由于电容端电压(VC0)不能突变，V
27、R也为0，从而保持VO31，这是电路第一暂稳态；VO10，VO21，VO31，VO0。,8.3.2 RC环形多谐振荡电路如图题8.3.2所示，试分析电路的振荡过程，画出VO1、VO2、VR、VO3及VO的波形。,此暂稳态不能长久保持，VO2高电平通过R向电容C充电，使VR上升，一旦VR达到门坎电平，就会产生如下正反馈过程：,电路进入第二暂稳态：VO11，VO20，VO30，VO1。,同样第二暂稳态也不能长久保持，VO1高电平通过R及G2门向电容C反向充电，使VR按指数规律下降，一旦VR达到门坎电平，又产生如右正反馈过程：,结果电路又回到第一暂稳态。如此周而复始，产生振荡。,波形如右：,电路第一
28、暂稳态；VO10，VO21，VO31，VO0。,电路第二暂稳态：VO11，VO20，VO30，VO1。,本题解忽略RS及逻辑门输入阻抗的影响,8.4.3 图题8.4.3（a）所示为心律失常报警电路，经放大后的心电信号VI如图8.4.3（b）所示，VI的幅值VIm 4V。（1）对应VI分别画出图中A、B、E 三点波形；（2）说明电路的组成及工作原理。,(a),(b),解：（1）图（a）中定时器555组成施密特触发器，将输入心电信号变换为脉冲信号；（2）555与BJT、R、C组成可重复触发的单稳，RC参数取值使单稳输出脉宽tw大于正常心电信号周期。分析该电路可画出各点电压波形。根据各点波形可知，当
29、心律失常产生漏波时，E点输出低电平，发光二极管D2亮，心电情况正常时，发光二极管D1亮。,(a),(b),VI,波形,3.331.67,解：前级555为多諧振荡器，后级555构成单稳态触发器。调节多諧振荡器电位器R1可改变其输出频率，多諧振荡器的输出经C3、R4微分电路变换为窄脉冲后，作为单稳触发信号，由于单稳的定时元件C5、R5不变，故输出脉宽不变。于是，在单稳的输出端得到频率可调而脉宽不变的矩形波。其振荡频率变换范围为,8.4.5 图题8.4.5所示电路为两个555定时器构成的频率可调而脉宽不变的方波发生器，试说明工作原理；确定频率变化的范围和输出脉宽；解释二极管D在电路中的作用。,输出脉宽为,二极管D在电路中起限幅削波的作用，避免2VCC的大电压加到单稳输入端，造成555过压损坏。,
