数字电子技术及应用.ppt

第八章 脉冲波形的产生与整形 8 1脉冲信号8 2门电路构成的脉冲信号发生器及整形电路8 3集成555定时器及其应用 8 1脉冲信号 8 1 1脉冲信号的概念脉冲信号的种类很多 根据脉冲出现的形式可分为电脉冲和非电脉冲 在电子线路中使用的是电脉冲 简称为脉冲 广义的脉冲信号是指不连续的非正弦电压或电流 狭义的脉冲信号是指有规律的突变电压或电流 常见的脉冲有矩形波 三角波 锯齿波 阶梯波等等 图8 1 1给出了几种常见脉冲信号的波形图 图8 1 1 a 矩形波 b 三角波 c 锯齿波 d 阶梯波 8 1 2脉冲信号的参数矩形脉冲信号的一般波形如图8 1 2所示 图8 1 2 8 1 3脉冲信号的产生方法在数字系统中 常用以下两种方法产生所需要的脉冲信号 1 利用振荡器直接产生所需要的脉冲波形 这种电路不需要外加触发信号 只要电路参数选择合适 接通电源后电路即进入工作状态 自动产生脉冲信号 自激振荡 能够自动产生脉冲信号的电路称为多谐振荡电路或多谐振荡器 2 利用变换电路将已有的性能不符合要求的脉冲信号变换为符合要求的矩形脉冲信号 其变换电路本身不能产生脉冲信号 只能起到波形变换作用 变换电路也称为整形电路 这类电路包括单稳态触发器和施密特触发器 8 2门电路构成的脉冲信号发生器及整形电路 8 2 1多谐振荡器1 最简单的环形振荡器将奇数个非门首尾相接 构成环形 从任何一个门的输出端可得到高 低电平交替变化的方波 这就是最简单的环形振荡器 图8 2 1 a 所示的电路就是一个由3个TTL非门构成的环形振荡器 图8 2 1 b 为该电路各点的工作波形 图8 2 1 a 简单环形振荡器 b 工作波形 设3个门的特性相同 平均传输时间均为tpd 设某时刻uO由低电平跳变为高电平 同时uI也跳变为高电平 则G1 G2 G3门将依次翻转 经过3级门的传输时间3tpd后 使输出uO由高电平跳变为低电平 同时uI也跳变为低电平 则G1 G2 G3门再次翻转 经过3tpd时间后 又使输出uO由低电平跳变为高电平 如此周而复始跳变 形成矩形波 显然 uO低电平和高电平保持时间均为3tpd 所以 其振荡周期为T 6tpd 这种简单的环形振荡器振荡周期短 振荡频率不可调 所以 并不实用 在此基础上对电路进行改进 即可做到使振荡频率降低 振荡频率可调 2 RC环形多谐振荡器在简单环形振荡电路中引入RC电路作为延时环节 这样既可延时 又可通过调节R或C的值来调节振荡频率 电路如图8 2 2所示 RC构成延时环节 RS为限流电阻 对门G3起限流保护作用 图8 2 2 图8 2 3 振荡器的暂态时间和周期的近似计算公式为 8 2 1 8 2 2 8 2 3 式中 R C外接 调整其中任意一个即可调整周期T R1是 TTL门电路的参数 当 R1时 振荡周期为 T 2 2RC 8 2 4 3 石英晶体环形多谐振荡器决定振荡频率的主要因素是电路到达阈值电压UT的时间 而TTL与非门的UT本身就不稳定 另外 当电路状态接近转换时 电容的充 放电已经比较缓慢 UT的微小变化或者干扰都会严重地影响振荡周期 因此 在对频率稳定性要求较高的场合 普遍采用具有很高频率稳定性的石英晶体振荡器 关于石英晶体的特性请参阅模拟电子技术的有关资料 带有石英晶体的环形多谐振荡器如图8 2 4所示 其工作原理与RC环形多谐振荡器基本相同 图8 2 4 8 2 2单稳态触发器1 TTL与非门微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器是在基本RS触发器中插入RC微分环节而构成的 电路如图8 2 5所示 其工作原理如下 电路接通电源后 无触发脉冲输入时 即uI 1 电路处于稳态 G1门开通 uO1 0 G2门关闭 uO 1 图8 2 5 电路接通电源后 无触发脉冲输入时 即uI 1 电路处于稳态 G1门开通 uO1 0 G2门关闭 uO 1 在输入负触发脉冲后 uO1 1 由于电容C上的电压uC不能跃变 则uI2随uO1上跳并大于UT 使G2门开通 uO 0 电路由稳态翻转到暂态 在暂态期间 由于uO1不断给电容C电 电容电压uC上升 使uI2逐渐下降 当uI2下降到小于UT时 G2门关闭 uO 1 此时输入负触发脉冲已经消失 uI为高电平 G1门又打开 uO1 0 然后C放电 使uI2恢复到正常的低电平 电路进入稳态 其工作波形如图8 2 6所示 图8 2 6 输出脉冲宽度的近似计算公式为 8 2 5 式中 R0为与非门的输出电阻 R0 100 由以上分析可知 单稳态触发器有一个稳态和一个暂态 在输入负脉冲uI的作用下 输出从稳态转为暂态 而从暂态转为稳态是电路自身自动完成的 2 单稳态触发器的应用1 脉冲整形 单稳态触发器输出脉冲的宽度和幅度是确定的 利用这一特性可将宽度和幅度不规则的脉冲整形成规则脉冲 其方法是将不规则脉冲加在输入端uI 从输出端uO取出 2 脉冲定时 由于单稳态触发器产生一定宽度tw的矩形脉冲 利用这个脉冲去控制某电路 可使其在tw时间内动作 或不动作 其逻辑电路如图8 2 7 a 所示 工作波形如图8 2 7 b 所示 图8 2 7 a 逻辑电路 b 工作波形 3 脉冲延时 由于单稳态触发器输出脉冲uO的下降沿滞后输入脉冲 uI下降沿tw时间 这个时间称为延迟时间 用uO去触发其它电路 则其它电路的动作滞后uI的时间为tw 3 集成单稳态触发器由于单稳态触发器应用非常广泛 因此 在TTL电路和CMOS电路中都生产了集成单稳态触发器 74LS121就是其中的一种 1 74LS121的电路组成74LS121的逻辑电路如图8 2 8 a 所示 管脚排列及逻辑符号分别如图8 2 8 b c 所示 该电路由三部分组成 G1 G4门组成触发脉冲形成电路 用来对触发脉冲上升沿触发或下降沿触发的选择 G5 G7及外接电阻Rext 外接电容Cext组成微分型单稳态触发器 工作原理与图8 2 5相同 G8 G9门组成输出缓冲级 用于提高电路的带负载能力 图8 2 8 a 逻辑电路 b 管脚排列图 c 逻辑符号 当需要下降沿触发时 触发脉冲从A1或A2端输入 另一端接高电平1 B端接高电平1 G4门的输入端除与G1门输出端相连的端外 其余全为1 在触发脉冲到来前 G1门输出为低电平0 uI5 0 当触发脉冲到来后 G1门跳变高电平1 uI5 1 后面的工作过程与上升沿触发相同 74LS121的逻辑功能如表8 2 1所示 表8 2 174LS121的逻辑功能表 输出脉冲宽度可用下式估算 8 2 6 通常Rext的取值在2k 30k 之间 Cext的取值在10pF 10 F之间 得到的tW在20ns 200ns之间 另外 还可以用74LS121内部设置的电阻Rint取代外接电阻Rext 不过因Rint的阻值不太大 约为2k 需要得到较宽的输出脉冲时仍需外接电阻 3 集成单稳态触发器的分类 目前使用的集成单稳态触发器分为两大类 一类是不可重复触发型 另一类是可重复触发型 不可重复触发型一旦被触发进入暂态后 再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程 必须在暂态结束后 才能接受下一个触发脉冲 其工作波形如图8 2 9 a 所示 74LS121为不可重复触发型单稳态触发器 可重复触发型在电路被触发进入暂态后 如果再加入触发脉冲电路即被重新触发 使输出脉冲再继续维持一个输出脉冲宽度tW 其工作波形如图8 2 9 b 所示 74LS122为可重复触发型单稳态触发器 图8 2 9 a 不可重复触发型 b 可重复触发型 8 2 3施密特触发器1 TTL与非门构成的施密特触发器1 电路组成 用3个与非门和1个二极管即可构成施密特触发器 其原理电路及逻辑符号如图8 2 10所示 在原理电路中 G1门为反相器 G2 G3门构成基本RS触发器 二极管VD起电平偏移作用 在逻辑符号中 输出端的小圆圈表示输出与输入反相 图8 2 10 a 原理电路 b 逻辑符号 图8 2 11 图8 2 12 2 施密特触发器的应用1 波形变换 施密特触发器可以将非矩形波转换为矩形波 图8 2 13是应用施密特触发器将三角波转换成矩形的波形图 2 脉冲整形 当输入脉冲信号受到干扰而发生畸变时 可以用施密特触发器的回差特性将受干扰的信号整形成较好的矩形脉冲 其波形图如图8 2 14所示 3 脉冲鉴幅 如果输入信号为一组幅度不等的脉冲 且需要将幅度大于UT 的脉冲信号挑选出来时 可用施密特触发器对输入脉冲的幅度进行幅度鉴别 简称 鉴幅 其波形图如图8 2 15所示 图8 2 13 图8 2 14 图8 2 15 8 3集成555定时器及其应用8 3 15G555的电路结构及工作原理1 电路组成图8 3 1 a 是5G555的原理电路 其由五个部分组成 三个电阻R构成分压电路 为运放A1和A2提供参考电压UR1和UR2 运放A1和A2构成两个电压比较器 G1门和G2门组成基本RS触发器 三极管V构成开关电路 G3门为输出缓冲器 5G555的管脚排列如图8 3 1 b 所示 图8 3 1 a 原理电路 b 管脚排列 表8 3 15G555的功能表 8 3 1 图8 3 2 图8 3 3 图8 3 4 图8 3 5 8 3 2 图8 3 6 3 构成多谐振荡器 1 电路组成 利用5G555定时器构成的多谐振荡器如图8 3 7