[计算机硬件及网络]第10章f12数电.ppt

教学内容 10 1概述 10 2施密特触发器 10 3单稳态触发器 10 4多谐振荡器 10 5555定时器及其应用 第十章 脉冲波形的产生和整形 教学要求 一 重点掌握的内容 1 555定时器及其应用 2 石英晶体多谐振荡器 二 一般掌握的内容 1 施密特触发器 单稳态触发器 多谐振荡器的工作特点和典型应用 2 施密特触发器 单稳态触发器输入电压与输出电压之间的关系 多谐振荡器振荡周期的估算方法 10 1概述 矩形脉冲信号的获取方法有两种 产生 不用信号源 加上电源自激振荡 直接产生波形 整形 输入信号源进行整形 脉冲产生电路 多谐振荡器 脉冲整形 变换 电路 施密特触发器 单稳态触发器 脉冲周期T 脉冲幅度Vm 脉冲宽度 上升时间tr 下降时间tf 占空比 施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路 10 2施密特触发器 2 7 2020 10 2施密特触发器 SchmittTrigger 第一输入信号从低电平上升的过程中 电路状态转换时对应的输入电平 与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同 第二在电路状态转换时 通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡 注 利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢地信号波形整形为边沿陡峭的矩形波 而且可以将叠加在矩形波脉冲高 低电平上的噪声有效地清除 施密特触发器时脉冲波形变换中经常使用的一种电路 它具有下面两个性能特点 10 2 1用门电路组成的施密特触发器 将两极反相器串接起来 通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端就够成施密特触发器电路 其电路及其图形符号如图10 2 1所示 图10 2 1 设反相器G1和G2均为CMOS门 其阈值电压为VTH VDD 2 输出高低电平分别为VOH VDD VOL 0 且R1 R2 2 7 2020 1 其工作原理 10 2 1用门电路组成的施密特触发器 当vI 0时 vo1 VOH vo VOL 0 此时G1门的输入电压为 10 2 1用门电路组成的施密特触发器 当vI从0逐渐升高到使得vA VTH时 反相器进入电压传输特性的放大区 转折区 故vA的增加 会引起下面的正反馈 即 使电路迅速跳变到vo VOH VDD 由叠加原理得 10 2 1用门电路组成的施密特触发器 设施密特触发器在输入信号vI正向增加时的门槛电压 阈值电压 为VT 称为正向阈值电压 此时vo 0 G1门的输入电压为 当vA VTH时 电路状态维持在vo VOH VDD不变 10 2 1用门电路组成的施密特触发器 当vI从高电平VDD逐渐下降到vA VTH时 由于也存在正反馈 即 使电路迅速跳变到vo VOL 0 此时施密特触发器在vI下降时对应输出电压由高电平转为低电平时的输入电压为VT 称为负向阈值电压 此时vo VDD G1门的输入电压为 2 7 2020 10 2 1用门电路组成的施密特触发器 由于VTH VDD 2 故 只要vI VT vo 0 施密特触发器的电压传输特性 将VT 和VT 之间的差值定义为回差电压 用 VT表示 10 2 1用门电路组成的施密特触发器 正向阈值电压 负向阈值电压 回差电压 VT VT VT 滞回电压传输特性 即输入电压的上升过程和下降过程的阈值电平不同 这是施密特触发器固有的特性 同相输出的施密特触发器 反相输出的施密特触发器 10 2 3施密特触发器的应用 1 用于波形变换 2 用于脉冲整形 3 用于脉冲鉴幅 施密特触发器能将幅度大于VT 的脉冲选出 4 用于构成多谐振荡器 本节小结 施密特触发器具有两个稳定的状态 是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路 而且由于具有滞回特性 所以抗干扰能力也很强 施密特触发器可以由分立元件构成 也可以由门电路及555定时器构成 施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广 10 3单稳态触发器 工作特点 1 电路中有一个稳态和一个暂稳态两个工作状态 2 在外界触发脉冲作用下 电路能从稳态翻转至暂稳态 在暂稳态维持一段时间后 再自动翻转至稳态 3 暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数与触发脉冲无关 10 3 1用门电路组成的单稳态触发器 单稳态触发器因为电路具有一个稳定状态而得名 它由两个门电路 一个RC电路组成 它的暂稳态通常都是靠RC电路的充 放电过程来维持的 根据RC电路的不同接法 分为微分型和积分型 0 1 0 1 0 1 稳态没有触发器电平时 vI为低电平 vO为低电平 vO1为高电平 微分型单稳态触发器 稳态至暂稳态当vI正跳变时 vO1由高到低 vI2为低电平 于是vO为高电平 即使vI触发器信号撤除 由于vO的作用 vO1仍可为低电平 1 0 1 0 C充电电路 1 暂稳态至稳态暂稳态期间 电源经电阻R和门G1对电容C充电 vI2升高 当vI2 VTH时 vO下降 vO1上升 但使vI2再次升高 最终vO1 1 vO 0 0 0 1 0 1 脉冲宽度要窄 tW 0 69RC C放电电路 当vI的脉冲宽度很宽时 在单稳态触发器的输入端加一个RC微分电路 否则 在电路由暂稳态返回到稳态时 由于门G1被vI封住了 会使vo的下降沿变缓 10 3 2集成单稳态触发器 tW 0 69RextCext 图10 3 10 外接电阻 下降沿触发 内部电阻 上升沿触发 目前使用的集成单稳态触发器有不可重复触发型和可重复触发型两种 不可重复触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态后 再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程 必须在暂稳态结束后 才接受下一个触发脉冲而转入暂稳态 可重复触发的单稳态触发器进入暂稳态后 如果再次加入触发脉冲 电路将重新被触发 使输出脉冲再继续维持一个tW宽度 不可重复触发型 可重复触发型 1定时 ui uo uF uFO tw 调整tw 1S 对uFO的脉冲计数可构成频率计 10 3 3单稳态触发器的应用 主要应用是整形 定时和延时 白灯亮的时间即为曝光时间TW TW 1 1RC 洗相曝光定时器 若S打开 则ui 1 若S合上 则ui 0 触摸定时控制开关 人手触摸P 触发 uo高电平 灯亮tw秒 tw 1 1RC 2整形 ui uo ui uo tw u6 uC 2VCC 3时 RD 1 ui 1VCC 3时 SD 1 uO 1保持 ui 1VCC 3时 SD 0 uO 1 在uO 1时 输入信号的波动 对输出的信号无影响 通常噪声多表现为尖脉冲 宽度较窄 而有用的信号都具有一定的宽度 因此 利用单稳态电路 将输出脉宽调节到大于噪声宽度而小于信号宽度即可消除噪声 3 消除噪声 4 脉冲延时 图单稳电路的延时作用 如果需要延迟脉冲的触发时间 可利用单稳电路来实现 uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间 例10 3 1由集成单稳态触发器74121组成的电路如图10 3 10所示 试定性画出输出端Q1和Q2的波形 并说明电路的功能 10 3 2集成单稳态触发器 74121 解 第一片的A1 A2 v I B Q 2 第二片的A1 A2 Q1 B vI 10 3 2集成单稳态触发器 74121 当vI 0时 第一片A1 A2 1 其输出Q1 0 第二片的B 0 A1 A2 0 其输出Q2 0 Q 2 1 10 3 2集成单稳态触发器 74121 当vI跳变为高电平时 如图10 3 11所示 则第一片的A1 A2出现下降沿 而B Q 2 1 故在Q1端输出一个正脉冲 10 3 2集成单稳态触发器 74121 图10 3 11 而第二片B vI 1 A1 A2 Q1 则在Q1的下降沿 Q2输出正脉冲 而第一片的B Q 2 则A1 A2 0 在Q 2上升沿的作用下 Q1输出一个正脉冲 电路不断振荡下去 10 3 2集成单稳态触发器 74121 图10 3 11 本节小结 单稳态触发器具有一个稳态和一个暂稳态 在单稳态触发器中 由稳态到暂稳态需要输入触发脉冲 暂稳态的持续时间即脉冲宽度是由电路的阻容元件RC决定的 与输入信号无关 单稳态触发器可以由门电路构成 也可以由555定时器构成 单稳态触发器可以用于产生固定宽度的脉冲信号 用途很广 10 4多谐振荡器 多谐振荡器又称无稳电路 主要用于产生各种方波或时间脉冲信号 它是一种自激振荡器 在接通电源之后 不需要外加触发信号 便能自动地产生矩形脉冲波 由于矩形脉冲波中含有丰富的高次谐波分量 所以习惯上又把矩形波振荡器称为多谐振荡器 性能特点 没有稳态 有两个暂稳态 工作不需要外加信号源 只需要电源 10 4 1对称式多谐振荡器 T 1 3RFC 10 4 2非对称式多谐振荡器 T 2 2RFC 10 4 3环形振荡器 利用延迟负反馈产生振荡 将任何大于 等于3的奇数个反相器首尾相连接成环形电路 都能产生自激振荡 电路简单 但不实用 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 T 2ntpd 10 4 4施密特触发器构成的多谐振荡器 10 4 5石英晶体多谐振荡器 在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求 前面几种电路频率稳定性不是很高 在对频率稳定性有较高要求时 应采用石英晶体多谐振荡器 电路的振荡频率取决于石英晶体的固有振荡频率 多谐振荡器的应用 1 门铃 SB按下 电源接通 振荡 喇叭发出声音 SB不按 电源断开 振荡器不工作 喇叭不响 T 0 7 10 103 2 100 103 0 01 10 6 S 简易电子琴就是通过改变R2的阻值来改变输出方波的周期 使外接的喇叭发出不同的音调 2 简易电子琴电路 3 防盗报警电路 思考 1 555接成何种电路 2 简述工作原理 多谐振荡器 本节小结 多谐振荡器没有稳定状态 只有两个暂稳态 工作不需要外加信号源 只需要电源 要想得到频率稳定性高的多谐振荡器时 应采用石英晶体多谐振荡器 10 5555定时器及其应用 555定时器是一种多用途的数字 模拟混合集成电路 该电路功能灵活 适用范围广 只要外围电路稍作配置 即可构成单稳态触发器 多谐振荡器或施密特触发器 因而可应用于定时 检测 控制 报警等方面 集成555定时器因为其内部有3个精密的5K 电阻而得名 后来国内外许多公司和厂家都相继生产出双极型和CMOS型555集成电路 虽然CMOS型3个分压电阻不再是5K 但仍然延用555名称 目前一些厂家在同一基片上集成2个555单元 型号后加556 同一基片上集成4个555单元 型号后加558 集成555定时器具体元件简介555定时器的封装一般有两种 八脚圆形封装八脚双列直插式封装 10 5 1555定时器的电路结构与功能 放电三极管 精密电阻 SR锁存器 控制电压 触发输入 复位端 输出 放电端 阈值输入 电源5 16V 注意 工作中不使用VCO时 一般都通过一个0 01 F的电容接地 交流接地 以旁路高频干扰 当VCO悬空时 VR1 2 3Vcc VR2 1 3Vcc 由电路框图和功能表可以得出如下结论 1 555定时器有两个阈值电压 分别是和 2 输出端3脚和放电端7脚的状态一致 输出低电平对应放电管饱和 在7脚外接有上拉电阻时 7脚为低电平 输出高电平对应放电管截止 在有上拉电阻时 7脚为高电平 3 输出端状态的改变有滞回现象 回差电压为 施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路 10 5 2555定时器接成施密特触发器 2 7 2020 施密特触发器 SchmittTrigger 第一输入信号从低电平上升的过程中 电路状态转换时对应的输入电平 与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同 第二在电路状态转换时 通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡 注 利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢地信号波形整形为边沿陡峭的矩形波 而且可以将叠加在矩形波脉冲高 低电平上的噪声有效地清除 施密特触发器时脉冲波形变换中经常使用的一种电路 它具有下面两个性能特点 二六搭一 555定时器接成施密特触发器 交流接地 VT VT 回差电压 VT VCO VT 1 2VCO 回差电压 正向阈值电压 负向阈值电压 回差电压 VT VT VT 滞回电压传输特性 即输入电压的上升过程和下降过程的阈值电平不同 这是施密特触发器固有的特性 同相输出的施密特触发器 反相输出的施密特触发器 10 2 3施密特触发器的应用 1 用于波形变换 2 用于脉冲整形 3 用于脉冲鉴幅 施密特触发器能将幅度大于VT 的脉冲选出 4 用于构成多谐振荡器 工作特点 1 电路中有一个稳态和一个暂稳态两个工作状态 2 在外界触发脉冲作用下 电路能从稳态翻转至暂稳态 在暂稳态维持一段时间后 再自动翻转至稳态 3 暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数与触发脉冲无关 10 5 3555定时器接成单稳态触发器 七六搭一 上R下C 555定时器接成单稳态触发器 vI下降沿到达 vO输出高电平 TD截止 VCC经R向C充电 当vC 2 3VCC时 触发器翻转 vO输出低电平 TD导通 电容C经TD迅速放电 vI下一个下降沿到达 重复上述过程 特性 这个单稳态触发器是负脉冲触发的 稳态时 这个单稳态触发器输出低电平 暂稳态时 这个触发器输出高电平 该电路输出脉冲宽度为tw 1 1RC 1定时 ui uo uF uFO tw 调整tw 1S 对uFO的脉冲计数可构成频率计 10 3 3单稳态触发器的应用 主要应用是整形 定时和延时 白灯亮的时间即为曝光时间TW TW 1 1RC 洗相曝光定时器 若S打开 则ui 1 若S合上 则ui 0 触摸定时控制开关 人手触摸P 触发 uo高电平 灯亮tw秒 tw 1 1RC 2整形 ui uo ui uo tw u6 uC 2VCC 3时 RD 1 ui 1VCC 3时 SD 1 uO 1保持 ui 1VCC 3时 SD 0 uO 1 在uO 1时 输入信号的波动 对输出的信号无影响 通常噪声多表现为尖脉冲 宽度较窄 而有用的信号都具有一定的宽度 因此 利用单稳态电路 将输出脉宽调节到大于噪声宽度而小于信号宽度即可消除噪声 3 消除噪声 4 脉冲延时 图单稳电路的延时作用 如果需要延迟脉冲的触发时间 可利用单稳电路来实现 uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间 多谐振荡器又称无稳电路 主要用于产生各种方波或时间脉冲信号 它是一种自激振荡器 在接通电源之后 不需要外加触发信号 便能自动地产生矩形脉冲波 由于矩形脉冲波中含有丰富的高次谐波分量 所以习惯上又把矩形波振荡器称为多谐振荡器 性能特点 没有稳态 有两个暂稳态 工作不需要外加信号源 只需要电源 10 5 4555定时器接成多谐振荡器 用施密特触发器构成多谐振荡器 振荡周期 T 0 69 R1 2R2 C 输出脉冲占空比 例10 5 1 555定时器接成多谐振荡器 多谐振荡器的应用 1 门铃 SB按下 电源接通 振荡 喇叭发出声音 SB不按 电源断开 振荡器不工作 喇叭不响 T 0 7 10 103