数字电路与逻辑设计-第8章 脉冲波形的产生与变换

第八章 脉冲波形的产生与变换,8.1 概述,8.2 多谐振荡器,8.3 单稳态触发器,8.4 施密特触发器,第八章 脉冲波形的产生与变换,数字系统中的时钟脉冲、触发脉冲、控制信号等是由脉冲发生器产生的。本章介绍几种脉冲发生和脉冲变换电路。,8.1 概述,8.1 .1 脉冲波形产生与变换电路的组成,脉冲电路组成,延迟电路,正反馈电路,开关元件,RC电路组成，其暂态方程为：,由上式求得状态转换所需时间：,8.1 .2 555定时器,分压,比较,RS触发器,缓冲输出,电压控制端,高电平触发端,低电平触发端,放电端,放电管,输出端,复位端,接地端,电源端,8.1 .2 555定时器,分压器：由3个5K电阻组成，当电压控制端(5脚)悬空时，Va=2/3Vcc，Vb =1/3Vcc，分别作为两个比较器的基准电平。改变5脚的输入，可改变a、b的基准电平。,1/3 UCC,不允许,2/3 UCC,8.1 .2 555定时器,综上所述，555功能表为：,8.2.3 由555定时器组成的多谐振荡器,多谐振荡器是一种无稳态触发器，接通电源后，不需外加触发信号，就能产生矩形波输出。由于矩形波中含有丰富的谐波，故称为多谐振荡器。,多谐振荡器是一种常用的脉冲波形发生器,触发器和时序电路中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器产生的。,8.2 多谐振荡器,8.2.3.由555定时器组成的多谐振荡器,接通电源,通电前uC=0,1,2/3 UCC,C充电,C放电,1,0,uo1= VoL,ui3=uth + VoL VoH uth,uoVoL ，ucVoL uth,uo= VoL,C充电，ui3=uth,+ ,第一暂态保持,uoVoH,第二暂态开始，如此往复并稳定下来。,8.2.2. 石英晶体时钟脉冲发生器,石英晶体是SiO2结晶体，其符号及等效阻抗的频率特性如图所示。,由图可见石英晶体具有很强的选频性且频率特性非常稳定。当外加电压频率等于其固有频率fo时，其阻抗最小，而其他频率信号经过石英晶体时严重衰减。,1. 石英晶体片简介：,8.2.2. 石英晶体时钟脉冲发生器,(1) 从第一暂稳态自动翻转到第二暂稳态的过程。,电源刚接通时，电容C2两端电压为0，G1输入为低电平,2. 石英晶体时钟脉冲发生器：,+,+,(),此正反馈过程保证电路进入第一暂稳态。同时高电平uo经R1对C1、C2充电，当C2充电到G1的开门电平时，uo输出低电平。经过同样的正反馈过程保证电路进入第二暂稳态。,将石英晶体与多谐振荡器中的C3串联。石英晶体对其固有频率fo相当于阻抗最小的电阻，与C3构成正反馈电路。,8.2.2. 石英晶体时钟脉冲发生器,(2) 从第二暂稳态自动翻转到第一暂稳态的过程。,2. 石英晶体时钟脉冲发生器：,+,+,(+),此正反馈过程保证电路进入第二暂稳态。同时C1、C2放电，C3充电。当C2电压放到G1的关门电平时，uo又输出高电平 。,这样的过程周而复始，电路输出一系列方波。,石英晶体振荡器的振荡频率取决于石英晶体片的固有频率，与电路中的电阻电容值无关。,当uo输出低电平时：,8.3.1由与非门组成的单稳态触发器,单稳态触发器只有一个稳定状态，在触发 脉冲的作用下触发器可以翻转为另一状态，但经过一段时间延时后，触发器又自动恢复到稳定状态。单稳态触发器一般用做定时、整形及延时。,8.3 单稳态触发器,在基本RS触发器的正反馈通道中串联一个RC微分电路构成微分型单稳态触发器。,1,8.3.1由与非门组成的单稳态触发器,8.3 单稳态触发器,1、未触发时电路处于稳定状态,未触发时，输入ui为高电平(用“1”表示)。,1,0,0,1,由以上正反馈保证电路处于稳定状态uo=VoH。,2、外加触发信号，电路由稳定状态翻转到暂稳态,0,由以上正反馈保证电路能翻转到暂稳态uo=VoL。由于uo的低电平送回到G1的输入端，所以即使此时ui的触发低脉冲消失，输出也不会改变。,8.3.1由与非门组成的单稳态触发器,8.3 单稳态触发器,3、电容充电，电路由暂稳态自动返回稳定状态,电路进入暂稳态的同时，uo1的高电平对C充电。,随着uc，充电电流减小，电阻R上的电压也减小，当VA降低到G2的关门电平VoFF时，G2输出uo由低电平VoL跃变到高电平VoH。暂稳态结束，电路返回稳定状态。, ,G2关门前一瞬间，电容两端电压ucVoH - VoFF 。,8.3.1由与非门组成的单稳态触发器,8.3 单稳态触发器,4、电容两端电压的恢复过程,暂稳态结束时，uo1为低电平。由于电容两端的电压不能突变，所以A点电位跃变为VoL-(VoH- VoFF),此后电容开始放电，放电结束时，VA约为0，电容电压uc也约为0，为触发器下次翻转作好准备。,电路中各点电平变化如图所示。,暂稳态维持的时间TP取决于RC充电的快慢。而触发器由暂稳态回到稳态的恢复时间TR决定于RC电路的放电时间。,为了保证单稳态电路正常工作，要求触发信号ui的周期TTP+TR,由555定时器组成的单稳态触发器,8.3.2由555定时器组成的单稳态触发器,1. 稳定状态(ui为高电平),(地),接通电源,2/3 UCC,0,1,1,Q=0,导通,1,稳定状态,2. 暂稳状态(外加触发信号),(地),Q=1,截止,暂稳状态,0,2/3 UCC,Q=1,0,1,稳定状态,R,T导通，C通过T放电,uC 0,接通电源,上升到2/3 UCC,因此暂稳态的长短取决于RC时间常数,R,4. uC的恢复过程:,从C放电开始到uC=uT(sat)所需时间TR. TR0,5. 暂态维持时间的计算:,例1：单稳态触发器构成定时检测,例2：单稳态触发器构成短时用照明灯,若S未按下, 则 ui = 1,若S按下, 则 ui = 0,8.4 施密特触发器,施密特触发器是一种双稳态触发器。它不同于一般双稳态触发器的是：它是电平触发，普通触发器是脉冲触发；它具有类似于磁滞回线形状的电压传输特性。它广泛应用于整形、延时电路。,8.4 施密特触发器,1、接入电源，电路进入第一稳态,设uc(0)=0,接入电源,ui =0,ud =0ue,uO =1,同时电源给电容C充电, ,ud =ue,第一稳态,2、输入电压变化时，输出状态相应改变,ui 0,电容电压不能突变,ueuc+ui,Va,R=0,uO =0,第二稳态,若ui,此后，即使ui，只要ui Vb，输出都保持第二稳态不变，只有当uiVb时，输出才回第一稳态。工作波形如图所示：,波形显示，Va和Vb是使触发器翻转的高、低电平，分别称为上限触发门槛电平和下限触发门槛电平。两电平之间的差值称为回差电压VH。,此电路的回差电压： VH 2/3UCC 1/3UCC 1/3UCC,由于施密特触发器具有回差特性，所以具有较强的抗干扰能力。回差越大抗干扰能力越强。,VT=VT+-VT- =(1/3)VCC,电压传输特性,VT+,VT-,特点：VT+VT-使输出波形边沿变陡。,1,欲调节回差的大小，可在5端加入电压ucd。,8.4 施密特触发器,欲调节输出电压的大小，使之不同于与非门的高、低电平可将7端通过电阻接于电源Vcc2。,8.4 施密