好的数电课件第六章脉冲单元电路.ppt

第六章脉冲单元电路,6.2单稳态触发器,6.3施密特触发器,本章小结,概述,6.1多谐振荡器,概述数字信号实质上就是矩形波信号。矩形波有哪些技术指标？如何通过某些特定的电路获得不同频率的矩形波？如何将其它波形转换成矩形波？这些都是本章要讨论的内容。本章重点讨论用“555定时器”组成的多谐振荡器(矩形波产生)、单稳态触发器(定时、整形或延迟)和施密特触发器(矩形波变换与整形)。,一、矩形波,1、脉冲幅度；,2、脉冲宽度；,3、脉冲周期；,4、上升时间(上升沿)；,5、下降时间(下降沿)。,二、555定时器,1、555内部结构,由五大部分组成：分压器；电压比较器；基本RS锁存器；输出缓冲器；晶体管开关。,3脚：输出端uO；,1脚：接地端；,2、555芯片各引脚功能,2脚：触发输入端；,5脚：控制输入端CO；,4脚：复位输入端；,6脚：阈值电压输入端TH；,7脚：电容放电端uD；,8脚：供电电源端Vcc。,1,2,3,4,5,6,7,8,3、555芯片内部功能,Vcc经过三个5K的电阻分压之后，在P点的基准电位为：UP=2Vcc/3在N点的基准电位为：UN=Vcc/3,当时：C2输出低电平“0”。,当时：C1输出高电平“1”；,当时：C2输出高电平“1”。,当时：C1输出低电平“0”；,当时：C2输出高电平“1”。,当时：C1输出高电平“1”；,，导致输出电压uO为低电平，TD管饱和导通。,当时：,返回,其功能表如下：,6.1多谐振荡器,6.1.1用门电路构成的多谐振荡器,一、电路组成,由两级CMOS非门组成的、具有延迟环节的、正反馈网络的多谐振荡器。,二、内部结构,D1、D2、D3、D4均为保护二极管。,三、工作原理,假定门电路的传输特性为理想值，其开门电平UON和关门电平UOFF近似相等，我们称其为门坎(阈值)电压Uth，从上电路中可以看出Uth=VDD/2左右。,1、第一暂稳态及电路的自动翻转过程,假定uO1=UOH，uO2=uI=UOL为第一暂稳态(G1截止，G2导通)。,C将会被充电，充电路线如图所示：,随着C上的电压增加，将出现一个正反馈过程：,当uI上升到Uth门坎电压时，电路发生翻转进入第二暂稳态(G1导通，G2截止)。,uO1=UOL，uO2=UOH,电容开始反充电，其路线如图所示：,2、第二暂稳态及电路的自动翻转过程,电容电压不能突变，uI上的电压本应升到Uth+VDD，由于D1的导通uI被箝在VDD+U。,随着反充电时间的延长，C上的电压也开始反向增加，uI开始下降，又出现一个正反馈过程：,当uI下降到Uth门坎电压时，电路又发生翻转回到第一暂稳态(G1截止，G2导通)。,uO1=UOH，uO2=UOL,四、多谐振荡器的波形图,结论：电路在这两种状态中不断地重复，因此可以在输出端获得方波输出。,当C充电时输出低电平，反充电时则输出高电平。,五、振荡周期的估算,振荡周期T实际上就是这两个暂稳态时间的叠加(T=T1+T2)，可以根据三要素法则估算。,1、第一暂稳态的时间T1的估算,2、第二暂稳态的时间T1的估算,3、振荡周期T,6.1.2用555定时器构成的多谐振荡器,一、电路结构,1、R1、R2与C构成充电回路(当TD截止时)；,2、R2与C构成放电的回路(当TD导通时)；,3、6脚与2脚短接，两个运放共用一个参考输入电压uc(这是分析电路工作过程的关键点)；,4、电路从3脚向外输出矩形波uO。,二、工作过程,1、设第一个暂稳态TH为：,可看出TD管截止，电路出现了一条充电回路。,充电时间常数为：,如果没有其它变化，C上的电压将朝VCC的终值按指数规律增加。,可看出uO为0，TD管导通，电路出现了一条放电回路。,放电时间常数为：,电路进入了第二个暂稳态TL过程。C上的电压将朝0的终值按指数规律减小。,3、当C上的电压放电到时(见下表),可看出uO为1，TD管截止，电路又出现一条充电回路。,充电时间常数为：,电路又回到了第一个暂稳态TH，如此周而复始地产生连续矩形波的输出。,4、工作波形分析：,三、多谐振荡器振荡周期T的估算,从工作波形中可以看出：两个暂稳态的时间之和就是矩形波的振荡周期T=TH+TL。,整理得：,整理得：,四、多谐振荡器的占空比q(对称性)的估算,我们将脉冲宽度与重复周期的比值定义为占空比。,电路不能实现对称方波。,五、改进占空比(可调)的多谐振荡器,1、电路结构：,D1和D2的作用就是将充电与放电的回路隔离开来。,充电回路,放电回路,2、振荡周期T：,3、占空比q：,所以调整电位器(改变R1和R2的比例)就可获得不同占空比的矩形波输出。当R1=R2时，可输出对称方波。,6.1.2用石英晶体构成的多谐振荡器,一、石英晶体振荡器的优点,振荡频率的稳定性极高，其振荡频率不受温度、电源和器件参数的变化而改变（见模电课件第九章波形发生器），仅与石英晶体内部特性有关。,由石英晶体的电抗频率特性可以看出，在f等于fS时，其电抗为0，在其它频率时，呈现较大的容抗或感抗。,容性,容性,感性,二、电路结构,1、R1、R2可以使两个非门(倒相器)工作在放大区域。,2、C1、C2起耦合作用(也可以不要，直接耦合方式)。,对于TTL型非门：,对于CMOS型非门：,三、工作原理,这是一个典型的正反馈电路，其振荡频率仅由石英晶体的谐振频率fS决定，与电路中的R、C无关。,返回,6.2单稳态触发器,6.2.1用555定时器构成的单稳态触发器,电路只有一个稳定的状态，当受到外来触发脉冲时，变到了一个暂时稳定的状态。经过一段时间后，电路自动回复到了原来稳定的状态。,一、电路结构,1、R与C构成充电回路(TD截止时)；,2、C通过7脚构成放电回路(TD导通时)；,3、电路从3脚输出；,4、从2脚端输入触发负脉冲；,5、在6脚TH端与地之间接C，所以UC的变化是分析电路的关键点。,二、工作过程,1、当无负触发信号输入时电路为稳定状态：,可以看出TD管导通，UC=0、UD=0。,2、当有负触发信号输入时，电路为暂稳态：,从下表可以看出TD管截止，uO=1，C被充电。充电时间常数为RC。,只要UC上的充电电压小于2Vcc/3，电路就维持这个暂稳态不变。,3、当C充电使UC大于2Vcc/3时，电路立即回到原来的稳态。,从下表可以看出TD管导通，uO=0，C开始放电。,只要电路没有新的触发负脉冲输入，电路就一直稳定在这个状态。,放电时间常数趋于0，很快结束。,4、工作波形分析：,三、单稳态触发器输出脉冲宽度TW的估算,从工作波形中可以看出：输出脉冲宽度就是电路的延迟时间。换句话说：就是暂稳态时电容从0充电至2Vcc/3所需的时间。,四、单稳态触发器恢复时间TR的估算,根据电路分析课程中RC过渡过程三要素公式可得：,整理得：,所以：,因为：,五、单稳态触发器最高工作频率fmax的估算,为了使电路能够可靠触发，即要保证在下一个触发负脉冲到来时，电路应处在稳定的状态。,触发脉冲的周期：,单稳态触发器的最高工作频率：,六、注意,1、输入脉冲之间的最小间隔TminTW+TR，否则电路的暂稳态还未结束时，又有新触发负脉冲输入，此时电路状态将出现混乱。2、触发负脉冲的宽度必须小于暂态宽度TW，一般常用微分电路解决这个问题。,6.2.2集成单稳态触发器,此触发器分为可重复和非重复触发两大类：可重复触发是在暂态期间允许新的触发脉冲进入；非重复触发是在暂态期间不允许新的触发脉冲进入。,一、非重复触发的单稳态集成电路(74121),1、芯片逻辑符号及引脚功能,TR-A、TR-B是两个下降沿触发信号的输入端；,TR+是一个上升沿触发信号的输入端；,Q和是两个互补输出端；,Rext/Cext、Cext为外接定时电阻和电容的端口；,Rint为内置2k定时电阻的引出端口。,表示非重触发,只要TR不发生变化，电路就一直保持在稳态。,2、状态功能表,外部TR有三种下降沿的触发方式，但内部TR仍是上升沿触发（）。,外部TR有两种上升沿的触发方式，内部TR也是上升沿触发（）。,3、实用电路,当触发信号还没有输入时：由状态功能表得知电路处于稳态，uO=0。,当有负触发信号输入时：,由状态功能表得知电路变到暂稳态，uO=1。暂稳态的时间由RC来确定。,电路相关参数：,输入脉冲最小周期Tmin:,最大占空比qmax:,输出脉冲宽度TW:,外接定时电阻R的取值范围:,外接定时电容C的取值范围:,若使用内置的定时电阻时，9脚直接接电源。,二、可重触发的单稳态集成电路(74122/74LS122),1、芯片逻辑符号及引脚功能,表示可重触发,TR-A、TR-B是两个下降沿触发信号的输入端；,TR+A、TR+B是两个上升沿触发信号的输入端；,Q和是两个互补输出端；,是直接复位输入端；,Rext/Cext、Cext为外接定时电阻和电容的端口；,Rint为内置2k定时电阻的引出端口。,2、状态功能表,只要无论有否触发输入，电路都复位。,只要TR不发生变化，电路就一直保持在稳态。此稳态与复位后的状态相同。,外部TR有六种上升沿的触发方式，内部TR也是上升沿触发（）。,注意：当清0后若回到1，这就有可能给单稳态电路发出触发信号。为了避免这种情况，可采用改变上表中最后两行其它条件的方法。,外部TR有三种下降沿的触发方式，但内部TR仍然是上升沿触发（）。,3、实用知识,输出脉冲宽度由外接定时元件确定。R的选取范围为：550k；C的选取范围为：10pF以上。常用于较长时间的延时用途。(电路连接图与74121相同)当C1000pF时：,恢复时间tre，与74121相同，电路也需要一段恢复时间后才能从暂稳态返回到稳态。,优点1、利用可重触发功能，可以增加脉冲的宽度和延迟时间。换句话说：在下一个触发脉冲的作用下原暂稳态被中止，又开始新的暂稳态(在数控系统中常用于硬件“看门狗”技术)；,优点2、利用异步清0功能还可以缩短输出脉冲的宽度，使单稳态触发器的应用价值得到提升；3、器件内部设有补偿电路，因此脉宽的稳定性高，Vcc及环境温度的变化对TW的影响较小。因此单稳态电路可以做波形整形、定时及延迟电路。,返回,6.3施密特触发器,6.3.1用555定时器构成的施密特触发器,施密特电路在受到不同电平的触发脉冲作用时，具有两个稳定的状态。另外施密特电路的阈值电压不相等，具有滞后特性（回差现象）。,一、电路结构,1、2和6短接，两个运放共用一个输入电压；,2、VDD对7脚TD管提供集流，TD管截止时输出的高电位由VDD确定；,3、3脚输出端Q(uO2)与7脚uO1的相位相同；,二、工作原理,4、5脚UCO端若开路，电路的阈值电压就是555电路原始阈值电压。,1、当uI=0时：,相当于2脚和6脚都输入了低电平，则3脚和7脚都输出高电平。,2、当uI由0增加，但小于2Vcc/3(P点电位)时：,电路状态同1所述，不发生变化。,3、当uI大于2Vcc/3时：,相当于2脚和6脚都输入高电平，则3脚和7脚都输出低电平。,4、当uI由大于2Vcc/3且继续增加时：,电路状态同3所述，不发生变化。,5、当uI开始下降，处于2Vcc/3uIVcc/3(在N点电位以上)时：,电路状态同4所述，不发生变化。,6、当uI小于Vcc/3时：,相当于2脚和6脚都输入低电平，则3脚和7脚都输出高电平。,7、当uI由小于Vcc/3，且继续下降时：,电路状态同6所述，不发生变化。,三、工作波形,四、滞回特性,我们规定当输出Q由UOH跳到UOL时，所对应的输入电压称为UT+(上限阈值电压)；当输出Q由UOL跳到UOH时，所对应的输入电压称为UT-(下限阈值电压)。它们的差值叫回差电压UT。一般常用电压传输特性曲线来描述。,1、定义,2、电压传输特性曲线（UCO开路）,3、回差电压的调整,若给5脚输入一个控制电压US，则改变了P和N点的电位。因此可以调整回差电压的大小。,在P点：,在N点：,所以：,今后我们只要改变US就可以任意调整回差。,一、电路结构及表示符号,1、由两级CMOS反相器构成；,6.3.2由CMOS构成的施密特触发器,2、R1为限流电阻，R2为反馈电阻，且R1R2；,3、CMOS门输出的高电平为VDD，低电平为0；,4、CMOS门的阈值电压UTVDD/2。,二、工作原理（若给下电路输入一个三角波形）,1、当uI=0时：,G1门截止，G2门导通，uO=0V，这是第一个稳态。,2、当uI继续上升，但未到CMOS门开门的阈值电压UT时：,由于uO=0V，所以：,电路仍在第一个稳态。,结果导致G1门导通，G2门截止，uO1=0V，uO=VDD，电路翻转到第二个稳态并维持下去。,3、当uI继续上升，到了CMOS门开门的阈值电压UT并且超过UT时：,电路产生正反馈过程：,4、当uI开始下降，但未到CMOS门关门的阈值电压UT时：,由于uO=VDD，所以：,电路仍在第二个稳态。,结果又导致G1门截止，G2门导通，uO1=VDD，uO=0V，电路翻转回第一个稳态并维持下去。,5、当uI继续下降，到了CMOS门关门的阈值电压UT并且低于UT时：,电路又产生正反馈过程：,三、CMOS门的回差特性,1、上限阈值电压UT+的估算：,因为UT+是发生在uI增加直到电路发生翻转的过程中对应(UT+=uI)的，那么从下式可推出：,所以：,2、