数字电子技术基础PPT第10章 脉冲整形与产生电路.ppt

第10章 脉冲整形与产生电路 脉冲整形与产生电路用于对脉冲波形进行变换以及产生数字 电路中的时钟，是数字电路中不可缺少的部分。本章介绍施 密特触发器、单稳态触发器、方波发生器以及定时器555的 工作原理与应用。 10.1 施密特触发器 10.1.1 由门电路组成的施密特触发器 1CMOS门电路组成的施密特触发器 由CMOS非门和电阻组成的施密特触发器如图10-1所示 假设该电路中非门G1和G2的阈值电压为 ，为保证输入电压的有效控 制，取R1R2。 2施密特触发输入端的门电路 由于施密特触发输入端采用了特殊的反馈电路，可根据输入信号从低到高或是 从高到低的变化来移动动作阈值，因此有抗干扰的作用，在实际中有很多应用。具 有施密特触发输入端典型的TTL非门74LS14传输特性如图10-3所示，引脚排列如图 10-4所示。 该芯片典型的正向阈值VT+=1.6 V，负向阈 值VT=0.8 V，回差电压 =0.8 V。 具有施密特触发输入的电路具有抗噪声能力 ，74LS14的抗噪声应用示意如图10-5所示 。 10.1.2 施密特触发器的应用 施密特触发器可以把边沿变化缓慢的周期信号转换成矩形脉冲信号。图10-6是 将正弦波转换成矩形波的波形图。 图10-7是正弦波转换方波的实际接线图。 图10-7（a）是输入50 Hz正弦波，输出100 Hz方波的接线图， 图10-7（b）是输入50 Hz正弦波，输出50 Hz的方波接线图， 10.2 单稳态触发器 10.2.1 门电路组成的单稳态触发器 1微分型单稳态触发器 图10-8所示的微分型单稳态触发器由或非门、非门、电容和电阻组成。 （2）恢复时间 在暂稳态结束进入稳态后，需要延迟一个小的恢复时间tre后，才可以再进行触发。 由图10-10所示的恢复时间估算等效电路，有如下估算公式： 其中RD是门电路输入端保护二极管的等效导通电阻。 （3）分辨时间 允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔，通常称为分辨时间tMIN，由以上分析有 若是触发正脉冲的宽度大于输出脉宽tW，该电路也可以工作，但是在t2时刻，由于G1 门输出不会出现低电平到高电平的跳变，因此不会出现正反馈，结果是输出脉冲VO 的下降沿变化缓慢。 2积分型单稳态触发器 图10-11所示的积分型单稳态触发器由非门G1、与门G2、电阻R和电容C组成。由 于电阻和电容组成了积分电路，所以称为积分型单稳态触发器 3基于74HC14的单稳态电路 （1）工作原理 利用74HC14输入端的施密特滞环特性，可以组成图10-13（a）所示的单稳态电路 ，图中7406是集电极开路非门，电阻R和电容C组成了RC充放电电路。该电路动作 过程波形如图10-13（b）所示 （3）74HC14组成延时灯开关 当按钮按下一次后，电容C上的电压为0，74HC14输出高电平，三极管9013 导通，继电器J1通电动作，常开触点J1闭合，电灯被点亮。随时间的推移，电源 通过电阻R1向电容C充电，其两端的电压越来越高，当达到74HC14的上限电压 VT+时，74HC14输出低电平，使继电器断电，常开触点J1断开，电灯灭。若是 在电容C电压未达到VT+时，按钮再次按下，将电容C上的电荷放掉，使电压为0 ，则开始新的充电过程，继续延迟时间常数R1C决定的时间。 *10.2.2 集成单稳态触发器74121 74121是不可重复触发的集成触发器，集成单稳态触发器74121的符号如图10 -16所示。符号图中，A1、A2和B是触发器输入端，在RINT端连接有2 k的内部 电阻。由于74121具有施密特触发器输入特性，所以具有较高的抗干扰特性，对输 入信号的边沿要求也不高。 74121的功能如表10-1所示。由功能表可以看出 ，74121在三个输入信号A1、A2和B之间满足表 中的关系时，在触发信号的脉冲沿触发。 一个使3个灯顺序点亮1s的电路如图10-19所示。该电路使用了3个单稳态触发器 74121，按钮按下时，产生下降沿触发信号。 10.3 多谐振荡器 10.3.1 门电路组成的多谐振荡器 该电路就在这两个稳态之间不 停地转换，产生振荡。振荡波 形如图10-23所示。 10.3.2 施密特型多谐振荡器 使用施密特触发器组成的多谐振荡器如图10-24所示。 10.3.3 石英晶体振荡器 在振荡周期要求准确的场合，通常都采用石英晶体振荡器，这是由于石英晶体的 频率稳定度可达107以上。 1振荡器的组成 振荡器电路包含一个放大器和一个反馈网络，如图10-26所示，振荡器产生振 荡的条件是放大器的增益A与反馈网络的反馈系数F相乘必须大于1，同时放大器 和反馈网络的总相移必须等于360o的n倍（n为整数），只有这样，才能保证某一 频率的信号在回路中不断地得到放大，最终产生振荡。振荡器的振荡频率取决于 反馈网络的选频能力，使用石英晶体选频，可以使振荡频率非常稳定。 2电容反馈式振荡电路 电容反馈式振荡电路如图10 -27（a）所示，该电路又称 为电容三点式或考毕兹（ Colpitts）振荡电路。 3具有石英晶体的振荡器 把电容反馈式振荡电路中的电感改为石英晶体，就构成图10-29所示的单非门 晶体振荡器。该振荡器只有当石英晶体呈现电感性时才能振荡，而石英晶体呈现电 感性的谐振频率在fs与fp 之间，且fsfp，所以晶体的谐振频率就是该振荡器的工 作频率。 电路中R的数值应该足够大，一般取210 M。目前各种谐振频率的石英晶体 已经成为系列产品，所以可以组成各种工作频率的振荡器。 在各种单片机、时钟等芯片中常使用这种振荡器作为时钟信号源。 例如， 图10-30所示的是74HC04组成的石英晶体振荡器电路，该电路可以作为数字系 统的时钟源使用，图中用一个非门产生振荡，用另外一个非门对振荡产生的波形整 形后输出。 4有源晶体振荡器 将石英晶体与非门组成的振荡器电路装在一个小的双列直 插封装（DIP）中，就组成了有源振荡器， 其特点如下： 全金属封装。 频率范围一般为1130 MHz。 TTL/CMOS兼容逻辑电平。 电源电压为3.35 V。 10.4 定时器555及其应用 10.4.1 定时器555的基本工作原理 定时器555是一种多功能集成电路，只要在外部接上几个电阻和电容，就可以组 成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。定时器555的内部结构框图和符号图 如图10-31所示。 从图10-31所示的内部结构框图可知，它由比较器1、比较器2、非门 G1与G2组成的SR锁存器和放电三极管Q1组成。 为了提高电路的带负载能力，输出端设置了缓冲器G4。双极性定时器555的电源 电压范围是516 V，最大负载电流达200 mA。CMOS型定时器555的电源电压范围 是318 V，最大负载电流为4 mA。 定时器555的输出高电平近似等于电源电压，低电平近似等于0 V。 10.4.2 定时器555组成施 密特触发器 用定时器555组成的施密 特触发器电路如图10-32 所示。 10.4.3 定时器555组成的单稳态触发器 定时器555组成单稳态触发器电路如图10-34（a）所示。定时器555组成单稳态 触发器的触发过程波形如图10-34（b）所示。 10.4.4 定时器555组成多谐振荡器 定时器555组成的多谐振荡器电路如图10-35（a）所示。 由占控比的表达式可知占控比始终大于50%，要使占空比小于等于50%，可以 使用图10-36所示的电路（脉冲占空比等于脉冲高电平时间除以脉冲周期）。 10.5 一些应用电路 【例10-1】 单脉冲与连续时钟产生电路。 解：在数字电路实验中，常需要连续时钟源和单脉冲时钟源，图10-37显示的就是 产生连续时钟和单脉冲时钟的电路。 【例10-2】 用定时器555实现长延时。 解：采用定时器555组成的长延时电路如图10-38所示。该电路是由定时器555组成 的单稳态触发电路，并增加按钮、继电器等元件组成。 图10-39 采用方波发生器的负电源电路 【例10-3】 负电源发生电路。 74HC04组成的负电源电路。 定时器555实现负电源电路。 74HC04组成的振荡器周期为T=2.2RC=2.2470 0.1 mF=103.410-60.1 us tW=0.69（2.2 k+222 k）3300 pF= 0.1 ms 【例10-4】 采用工频的秒脉冲发生器。 解：采用工频的秒脉冲发生器电路如图10-41所示。 【例10-5】 用 扫描数码管方 式显示100进制 计数器计数值 。 解：图10-42所 示的是用扫描 数码管方式显 示100进制计数 器计数值的电 路。 本章主要内容为： （1）施密特触发器，包括门电路组成的施密特触发