数字电子技术第10章脉冲波形的产生.ppt

1 10 1概述 主要内容 多谐振荡器的概念单稳态触发器的概念施密特触发器的概念 2 1 双稳态触发电路又称为触发器 它具有两个稳定状态 两个稳定状态之间的转换都需要在外加触发脉冲的作用下才能完成 2 单稳态触发电路又称为单稳态触发器 它只有一个稳定状态 另一个是暂时稳定状态 简称 暂稳态 在外加触发信号作用下 可从稳定状态转换到暂稳态 暂稳态维持一段时间后 电路自动返回到稳态 暂稳态的持续时间取决于电路的参数 3 多谐振荡器能够自激产生连续矩形脉冲 它没有稳定状态 只有两个暂稳态 其状态转换不需要外加触发信号触发 而完全由电路自身完成 若对该输出波形进行数学分析 可得到许多各种不同频率的谐波 故称 多谐 3 10 2多谐振荡器 主要内容 门电路构成多谐振荡器的工作原理石英晶体多谐振荡器电路及其优点秒脉冲信号产生电路的构成方法 4 10 2 1门电路构成的多谐振荡器 利用门电路的传输延迟时间 将奇数个非门首尾相接就构成一个简单的多谐振荡器 如图所示 它由三个非门首尾相连而成 这个电路没有稳定状态 5 从任何一个非门的输出端都可得到高 低电平交替出现的方波 该电路的输出波形 在某一时刻输出uo由低电平0跳变为高电平1 则G1门 G2门和G3门将依次翻转 经过三级门的传输延迟时间3tpd后 使输出uo又由高电平1跳变为低电平0 如此循环跳变而形成矩形波 6 其振荡周期为6tpd 这种简单的多谐振荡器周期小 频率高 且频率不易调整和不稳定 所以在实际电路中很少使用 7 为了克服上述多谐振荡器的缺点 可在电路中引入RC延迟环节 构成如图所示电路 使uA电压延迟下降 8 工作原理分析 1 设在t0时刻 uI uo为低电平 则uo1为高电平 uo2为低电平 此时uo1经电容C 电阻R到uo2形成电容的充电回路 电容C上uc的电压逐渐增大 uA相应减小 当接近门电路的阈值电压UTH时 形成下述正反馈过程 uA uo uo1 正反馈的结果 使电路在t1时刻 uI uo变为高电平 则uo1为低电平 uo2为高电平 9 工作原理分析 2 电路在t1时刻 uI uo变为高电平 uo1为低电平 uo2为高电平 此时uo2经电阻R 电容C到uo1形成电容的放电回路 此后的过程与上相似 最后使电路在t2时刻返回到uI uo变为低电平 uo1为高电平 uo2为低电平的状态 10 工作原理分析 3 充电 放电 放电 充电 11 10 2 2采用石英晶体的多谐振荡器 两种常见的石英晶体振荡器电路 具有各种谐振频率的石英晶体 简称 晶振 已被制成标准化和系列化的产品出售 12 例10 1秒脉冲信号产生电路的设计 秒信号产生电路 1 13 秒信号产生电路 2 14 从Q4 Q10和Q12 Q14各输出端可分别得到频率为2048Hz 1024Hz 512Hz 256Hz 128Hz 64Hz 32Hz 8Hz 4Hz和2Hz的脉冲信号 15 10 3单稳态触发器 主要内容 单稳态触发器的工作特点门电路构成单稳态触发器的工作原理不可重复触发和可重复触发的区别集成单稳态触发器74LS121和74LS122的使用方法单稳态触发器在波形整形 定时和延时等方面的应用方法 16 10 3 1门电路构成的单稳态触发器 1 电路结构 微分型单稳态触发器 R ROFF 17 工作原理分析 1 原理概述 在外触发信号的作用下 电路由稳态进入暂稳态 然后在电容充放电的作用下 电路自动返回到稳定状态 1 无触发信号时uI为高电平 考虑到R ROFF 所以稳态时uI2为低电平 则uo为高电平 故uo1为低电平 电容C两端的电压近似为0V 只要触发信号不到来 电路就维持在uo1为低电平 uo为高电平这一稳定状态 18 工作原理分析 2 2 假设在t1时刻 输入端有触发信号 负脉冲信号 出现 则与非门G1的输出uo1变为高电平 由于电容C两端的电压不能突变 故uI2随uo1跳变为高电平 uo跳变为低电平 该低电平反馈到G1的输入端 使uo1仍维持在高电平 电路处于uo1为高电平 uo为低电平的暂稳状态 19 工作原理分析 3 在暂稳态期间 经电容C和电阻R到地形成充电回路 电容C开始充电 uI2开始逐渐下降 当接近门电路的阈值电压UTH时 设此时触发脉冲已消失 出现下述正反馈过程 uI2 uo uo1 此正反馈的结果 使电路自动返回到uo1为低电平 uo为高电平的稳定状态 电容开始放电 为下一次触发作准备 20 微分型单稳态触发器的工作波形 充电 放电 21 10 3 2集成单稳态触发器 目前使用的集成单稳态触发器有不可重复触发和可重复触发 其工作波形如图所示 不可重复触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态之后 即使再有触发脉冲作用 电路的工作过程也不受其影响 可重复触发单稳态触发器在暂稳态期间 如又有触发脉冲作用 电路会被重新触发 使暂稳态继续延迟一个tW时间 22 集成单稳态触发器中 74121 74LS121 74221 74LS221等是不可重复触发的单稳态触发器 74122 74123 74LS123等是可重复触发的单稳态触发器 23 外接电阻Rext的取值范围为2k 40k 外接电容Cext取值为10pF 1000 F Cext接在10 11脚之间 Rext接在11和电源UCC 14脚 之间 此时9脚开路 当需要电阻较小时 可以直接使用阻值约为2k 的内部电阻Rint 此时将Rint接UCC 即9 14脚相接 24 有两种边沿触发方式 输入A1或A2是下降沿触发 输入B是上升沿触发 看懂功能表 25 10 3 3单稳态触发器的应用 1 脉冲整形 2 定时控制 26 3 脉冲延时脉冲延时一般包括两种情况 一是边沿延时 输出脉冲信号的下降沿相对于输入脉冲信号的下降沿延时了tw 二是脉冲信号整体延时一段时间 27 a 利用一个单稳态触发器即可实现 b 可采用两个单稳态触发器来实现 其中 第一个单稳态触发器采用上升沿触发 其输出脉冲宽度等于所要求的延时时间 第二个单稳态触发器采用下降沿触发 并使其输出脉冲宽度等于第一个单稳态触发器输入脉冲的宽度即可 第一个单稳态触发器 第二个单稳态触发器 28 仿真软件演示脉冲延时 29 10 4施密特触发器 主要内容 施密特触发器的电压传输特性施密特触发器进行波形变换的工作原理施密特触发器进行波形整形的工作原理施密特触发器构成多谐振荡器的工作原理 30 10 4 1概述 施密特触发器的输出与输入信号之间的关系可用电压传输特性表示 31 TTL集成施密特触发器有74LS13 74LS14 74LS132等 74LS13为施密特触发的双四输入与非门 74LS14为施密特触发的六反相器 74LS132为施密特触发的四两输入与非门 CMOS集成施密特触发器有74C14 74HC14等 32 10 4 2施密特触发器的应用 1 波形变换利用施密特触发输入反相器可以把正弦波 三角波等变化缓慢的波形变换成矩形波 仿真软件演示 33 2 脉冲整形有些信号在传输过程中或放大时往往会发生畸变 通过施密特触发器电路 可对这些信号进行整形 34 3 幅度鉴别 35 4 构成多谐振荡器由7414施密特触发器构成的多谐振荡器 该电路非常简单 仅有两个施密特触发器 一个电阻和一个电容组成 36 接通电源瞬间 电容C上的电压为0 因此输出uo1为高电平 此时uo1通过电阻R对电容C充电 电压uI逐渐升高 当uI达到UT 时 施密特触发器翻转 输出uo1为低电平 此后电容C又通过R放电 uI随之下降 当uI降到UT 时 触发器又翻转 如此周而复始地形成振荡 充电 放电 37 仿真软件演示 38 10 5555定时器及其应用 主要内容 555定时器的内部电路结构及工作原理555定时器的逻辑功能555定时器构成施密特触发器555定时器构成单稳态触发器555定时器构成多谐振荡器 39 1 电路结构 10 5 1电路组成及工作原理 1 电阻分压电路 2 两个电压比较器C1和C2 3 基本RS触发器 4 一个放电三极管T 40 工作原理分析 1 RD的功能 复位5脚的功能 控制或改变比较器的参考电压 通常悬空 此时 比较器C1的参考电压为比较器C2的参考电压为 41 工作原理分析 2 四种情况下输出信号及三极管T状态的分析 表10 2 42 10 5 2555定时器构成施密特触发器 将555定时器的uI6和uI2输入端连在一起作为信号的输入端 即可组成施密特触发器 假设输入信号是一个三角波 根据功能表10 2分析 43 10 5 3555定时器构成单稳态触发器 1 稳定状态为0 如果没有外加触发脉冲到来 则该输出状态一直保持不变 稳态 44 稳态 2 暂稳态为1 当外加负触发脉冲 UCC 3 后 输出状态保持暂稳态1不变 当电容C继续充电到大于2UCC 3时 电路又发生翻转 输出uo回到0 T导通