数字电路第五版(康华光)8__脉冲波形的变换与产生

1 8脉冲波形的变换与产生 本章介绍获得矩形脉冲波的方法 有两种 1 利用脉冲信号产生电路 如多谐振荡器 直接产生所需的矩形脉冲波 2 利用波形变换电路亦称整形电路 如单稳态触发器和施密特触发器 将不理想的波形变换成所需的矩形脉冲波 集成555定时器可构成矩形脉冲波发生器与整形电路 2 2 掌握555定时器的工作原理以及由555定时器组成的单稳态触发器 施密特触发器 多谐振荡器的电路和工作原理 1 正确理解单稳态触发器 施密特触发器和多谐振荡器的基本概念 教学基本要求 3 8 1单稳态触发器 8 1 1单稳态触发器的概念 8 1 2单稳态触发器的应用 4 8 1 1单稳态触发器的概念 前面介绍的锁存器和触发器均具有两种稳定状态 故又称它们为双稳态触发器 在数字电路中还有一种单稳态触发器 它具有一个稳定状态和一个暂稳状态 在触发信号没有加入前 电路处于稳定状态 在外加触发脉冲作用下 电路可转换成另一个状态 但这个状态只是暂时维持的 经过一段时间之后 电路将自动返回到原来的稳定状态 单稳态触发器被广泛应用于脉冲的整形 把波形不规则的脉冲改造成宽度和幅度都一致的脉冲 也可用作脉冲的延时 定时及清除噪声等 5 6 电路在没有触发信号作用时处于一种稳定状态 1 单稳态触发器的工作特点 在外来触发信号作用下 电路由稳态翻转到暂稳态 由于电路中RC延时环节的作用 暂稳态不能长久保持 经过一段时间后 电路会自动返回到稳态 由于单稳态触发器的暂稳态持续时间 是靠RC定时电路的充 放电过程来维持的 故单稳态触发器的暂稳态持续时间取决于电路中的RC参数值 7 由门电路和RC电路组成的单稳态触发器 由MSI和RC电路组成的集成单稳态触发器 不可重复触发单稳态触发器 可重复触发单稳态触发器 用555定时器和RC电路组成的单稳态触发器 按电路形式不同 2 单稳态触发器的分类 工作特点划分 8 不可重复触发单稳态触发器 电路一旦被触发进入暂稳态后 再加入触发脉冲则无效 必须在暂稳态结束后才接受下一个触发脉冲 重新进入暂稳态 电路的输出脉宽不受其影响 可重复触发单稳态触发器 电路在被触发进入暂稳态后 若再次加入触发脉冲则这些触发脉冲有效 电路将重新被触发 使输出脉冲再继续维持tw宽度 如后面的图所示 故输出脉冲宽度将为 t tW 电路的输出脉宽可根据触发脉冲的输入情况的不同而改变 9 不可重复触发 可重复触发 被重复触发 t 10 74121逻辑功能表 3 集成单稳态触发器74121 不可重复触发 负跳变触发脉冲输入端 正跳变触发脉冲输入端 74121逻辑图 引脚图及定时电容 电阻的连接见教材393页所示 11 8 1 2单稳态触发器的应用 1 定时 利用单稳态触发器产生的一定宽度的脉冲作定时信号去控制另一个电路 则可使其在tW宽度内有效操作 如 单稳态触发器的RC取值不同 即其输出的脉冲宽度不同 与门的开启时间就不同 通过与门的脉冲个数也就不一样 12 2 延时 单稳电路1 单稳电路2 VI VO1 VO 在单稳电路1中 产生脉宽为tw1的矩形脉冲vo1 在单稳电路2中 利用vo1的下降沿触发产生脉宽为tw2的矩形脉冲vo 显然 单稳电路1起延时作用 单稳电路2用于产生输出脉冲 脉宽为tw2 即vo脉冲的上升沿相对输入信号VI的上升沿延迟了tw1的时间 两片74121组成的延时电路及其工作波形图见下 13 3 消除噪声 如用 I作为下降沿触发的计数器触发脉冲 干扰加入 就会造成计数错误 可用一单稳态电路消除干扰 噪声一般多为尖脉冲 如合理地选择R C的值 使单稳态电路产生的矩形脉冲的脉宽tw大于噪声尖脉冲宽度而小于信号脉宽 即可消除噪声 14 8 2施密特触发器 8 2 1施密特触发器的基本概念 8 2 2施密特触发器的应用 15 8 2 1施密特触发器的概念 施密特触发器是一种脉冲波整形电路 它可将边沿变化缓慢的输入信号波形 如锯齿波等 整形为矩形波 以适应数字电路的需要 施密特触发器 SchmittTrigger 简单的说就是具有滞后特性的数字传输门 施密特触发器也有两个稳定状态 但与一般触发器不同的是 施密特触发器采用电位触发方式 其状态由输入信号电位维持 对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号 施密特触发器有不同的阀值电压 16 1 施密特触发器的电压传输特性及工作特点 施密特触发器属于电平触发器件 当输入信号达到某一定电压值时 输出电压会发生突变 施密特触发器是一种特殊的门电路 与普通的门电路不同 施密特触发器电路有两个阈值电压 正向阈值电压 VT 和负向阈值电压 VT 正向阈值电压与负向阈值电压之差 称为回差电压 VT 普通门电路的电压传输特性曲线是单调的 施密特触发器的电压传输特性曲线则是滞后的 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用 可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号 输入的信号只要幅度大于VT 即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号 当输入电压由低向高增加 到达VT 时 输出电压发生突变 而输入电压Vi由高变低 到达VT 输出电压发生突变 因而出现输出电压变化滞后的现象 可以看出对于要求一定延迟启动的电路 它是特别适用的 17 施密特触发器具有两种稳定的工作状态 它处于哪一种稳态 则取决于输入信号的电平 当输入信号上升到VT 时 电路发生翻转 当输入信号下降到VT 时 电路又会发生翻转 显然两次翻转所对应的输入电平值是不同的 下图示为其电压传输特性 同相输出施密特触发器的传输特性和逻辑符号 反相输出施密特触发器的传输特性和逻辑符号 18 回差特性 回差特性是施密特触发器的一个重要特性 对回差特性的要求视其应用场合而有所不同 当用它作整形和波形变换时 希望回差电压越小越好 若回差电压大于信号电压幅度 则电路一旦翻转后就不能再次翻转 也就得不到矩形波输出了 当利用回差特性消除干扰时 要选择适当的电路参数 保证有一定回差电压 以消除叠加在输入信号上的干扰 由于施密特触发器具有回差电压 所以抗干扰能力较强 19 假定输入信号VI为三角波 电路的频率可变 不变 占空比可变 可变 如何改变占空比 改变回差电压即可 回差电压又称滞后电压 从该例可见 20 用门电路组成的施密特触发器 集成施密特触发器 用555定时器组成的施密特触发器 按电路结构不同分 2 施密特触发器的分类 21 8 2 2施密特触发器的应用 1 波形变换 可将三角波 正弦波等变成矩形波 22 波形的整形 数字系统中 矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变 出现上升沿和下降沿不理想的情况 可用施密特触发器整形后 获得较理想的矩形脉冲 常用作计数器的输入整形电路 使输入信号经整形后变成边沿陡峭的矩形脉冲 作为计数器的时钟脉冲 23 合理选择回差电压 可消除干扰信号 3 消除干扰信号 b 回差电压为 VT1的输出波形 c 回差电压为 VT2的输出波形 a 具有顶部干扰的输入信号 24 o I 脉冲幅度鉴别 幅度不同 不规则的脉冲信号加到施密特触发器的输入端时 能选择幅度大于所设值的脉冲信号进行输出 施密特触发器属于电平触发 其输出状态与输入信号的幅值有关 使电路的正向阈值电压等于规定的鉴幅电压V 则只有幅度超过V的信号脉冲才能使电路产生翻转 电路有相应输出 而幅度小于V的噪声则无输出 V VT 25 多谐振荡器的基本组成 开关器件 产生脉冲信号的高 低电平 反馈延迟环节 RC电路 利用RC电路的充放电特性实现延时 输出电压经延时后 反馈到开关器件输入端 改变电路的输出状态 以获得所需脉冲波形输出 多谐振荡器是一种自激振荡器 在接通电源之后 无需外加触发信号便能产生矩形脉冲波或方波 由于矩形脉冲波或方波中含有丰富的高次谐波 故称它为多谐振荡器 该电路没有稳态 只有两个暂稳状态 故又称为无稳态电路 8 3多谐振荡器 26 8 4555定时器及其应用 8 4 1555定时器 8 4 2用555定时器组成施密特触发器 8 4 3用555定时器组成单稳态触发器 8 4 4用555定时器组成多谐振荡器 27 8 4 1555定时器 555定时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路 因输入端设计有三个5k 的电阻而得名 此电路后来竟风靡世界 555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范 它成本低 性能可靠 只需外接少量的阻容元件 就可以实现多谐振荡器 单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路 它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表 家用电器 电子测量及自动控制等方面 广泛用于信号的产生 变换 控制与检测 555的具体应用 1 构成施密特触发器 用于TTL系统的接口 整形电路或脉冲鉴幅等 2 构成单稳态触发器 用于定时 延时 整形及一些定时开关中 3 构成多谐振荡器 组成信号产生电路 28 1 555定时器的引脚及其功能 555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路 如定时器 分频器 脉冲信号发生器 元件参数和电路检测电路 玩具游戏机电路 音响告警电路 电源交换电路 频率变换电路 自动控制电路等 29 触发输入 阈值输入 控制电压 输出端 接地端 放电端 复位端 电源端 5 18V 30 电阻分压器 电压比较器 基本SR锁存器 输出缓冲反相器 放电三极管 三极管开关 2 电路结构 它由3个5k 的电阻串联组成的分压器 产品因此得名 电压比较器C1和C2 基本SR锁存器 放电三极管T及输出缓冲器G组成 为比较器C1和C2提供参考电压 其输出控制SR锁存器和放电三极管T的状态 为外接电路提供放电通路 其集电极 7脚 一般要外接上拉电阻 提高定时器的带负载能力 隔离负载对定时器的影响 31 3 工作原理 101 011 10不变 截止导通不变 0 0 32 4 555定时器功能表 33 8 4 2用555定时器组成施密特触发器 将555定时器的阈值输入端和触发输入端相接 即构成反相输出的施密特触发器 此电路的正向阈值电压 VT 和负向阈值电压 VT 为何 VT 2VCC 3 VT VCC 3 回差电压呢 如何改变电路的阈值电压和回差电压 0 01 F 34 1 用555定时器组成施密特触发器的简化电路 如何改变电路的阈值电压和回差电压 在VIC 电压控制 端加控制电压VIC 可通过改变控制电压的大小来调节阈值电压 VT VIC VT VIC 2 和回差电压 VT VIC 2 35 2 555组成的施密特触发器的应用 波形变换 36 波形产生电路 多谐振荡器 37 8 4 3用555定时器组成单稳态触发器 1 电路及其工作原理 VCC 38 外加触发信号 i VCC 3 电路转换到暂态 输出为1 触发信号消除后 电容充电至2VCC 3时 电路由高电平自动转换到低电平 稳态输出为0 10 0 0 导通截止截止 放电充电 若接通电源后 Q 0 V0 0 T导通 电容通过放电三极管T放电 使VC 0 V0保持低电平不变 若接通电源后 Q 1 T截止 电源通过电阻向电容充电 当VC上升到2VCC 3时 由于锁存器为0 V0为低电平 此时 T导通 电容C放电 V0保持低电平不变 因此 电路通电后在没有触发信号时 电路只有一种稳态V0 0 0 1 1 1 Q 0 39 tw RC1n3 1 1RC 2 工作波形及输出脉宽的计算 电路是可重复触发的单稳 否 如将5脚接电压V 电路的脉宽会改变吗 会 V增加 即VT 加大 脉宽如何改变 增宽 VC从零电平上升到2VCC 3的时间 即为输出电压Vo的脉宽tw 40 脉冲宽度调制器 工作波形 3 555组成的单稳态的应用 如果将单稳态电路的电压控制端加入一个变化电压 当控制电压升高时 电路的阈值电压升高 输出的脉冲宽度随之增加 而当控制电压降低时 电路的阈值电压也降低 单稳的输出脉宽则随之减小 如果加入的控制电压是如右下图所示的三角波 则在单稳的输出端便可得到一串随控制电压变化的脉宽调制波形 电路图 41 用555定时器组成可重复触发单稳 电路图 工作过程及波形图见教材420页 42 8 4 4用555定时器组成多谐振荡器 1 电路组成 43 1 电路第一暂态 输出为1 电容充电 电路转换到第二暂态 输出为0 2 工作原理 2 电路第二暂稳态 电容放电 电路转换到第一暂态 输出为1 电路第一暂态 输出为1 接通电源后 电容C充电 当VC上升到2VCC 3时 由于锁存器为0 Vo为低电平 电路转换到第二暂态 输出为0 此时 T导通 电容C通过R2和T放电 当VC 1 0 截止 充电 0 导通 放电 下降到VCC 3时 Vo翻转为高电平 当放电结束时 T截止 VCC向C充电 当VC上升到2VCC 3时 Vo又翻转为低电平 如此周而复始 于是 在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波 0 1 0 1 1 0 1