数字电路--第6章脉冲波形的产生和整形

第六章脉冲波形的产生和整形,6-1概述,6-3单稳态触发器,6-4多谐振荡器,6-5555定时器及其应用,6-2施密特触发器,6-1概述,获取矩形脉冲波形（时钟）的途径有两种：,2、用整形电路把已有的周期性变化的波形整形产生,1、用多谐振荡器直接产生,矩形脉冲波形的整形电路:施密特触发器、单稳态触发器。,用门电路可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。,用555定时器也可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。,第六章脉冲波形的产生和整形,第六章脉冲波形的产生和整形,上升时间,脉冲宽度,下降时间,脉冲幅度,脉冲周期,占空比q=tW/T,6-2施密特触发器,6-2-1特点和用途,一、特点,2、内部正反馈：在状态转换时，通过电路内部的正反馈过程是输出电压波形的边沿变得很陡。,1、电压滞后传输：输入信号VI从低电平上升过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与VI从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同。,施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。,第六章脉冲波形的产生和整形,同相输出特性：,VT+,Vo,VI,VOL,VOH,二、输出特性,反相输出特性：,VT+,Vo,VI,VOL,VOH,0,0,当VI=0时，VO=VOL,当VI=0时，VO=VOH,正向阈值电平VT+：,VI上升时，引起Vo突变时对应的VI值。,负向阈值电平VT-：,VI下降时，引起Vo突变时对应的VI值。,第六章脉冲波形的产生和整形,第六章脉冲波形的产生和整形,VO1,VI,VI,VO,6-2-2用门电路构成施密特触发器,一、构成,（用CMOS非门）,第六章脉冲波形的产生和整形,二、计算回差电压VT,1、求VT+,在VI从0开始上升时，VO=VOL。,VOH,VOL,VTH,VT+,从求VI,入手求VT+：,VI,=VTH=VR2=,电路中电流流向和电位情况见图。,电路中有正反馈,第六章脉冲波形的产生和整形,2、求VT-,VOL,在VI从最大值开始下降时，VO=VOH。,VOH,VTH,VT-,从求VI,入手求VT-：,VI,=VTH=VOHVR2=,又：,故：,电路中电流流向和电位情况见图。,电路中有正反馈,第六章脉冲波形的产生和整形,3、求回差电压VT,当VDD一定时，调R1、R2，可调VT，即可调VT+VT-，可调VO脉宽。,三、逻辑符号,R1必须小于R2，否则电路进入自锁状态，不能正常工作,0,0,1,1,0,1,1,1,1,1,0,0,0,1,1,0,0,0,1,1,下限阈值电压,上限阈值电压,回差电压（滞回电压）：VTVTVT,前面介绍的施密特触发器的回差电压为：VVTVTVT(VTVD)VD0.7V缺点是回差太小，且不能调整。,四、举例,设VI为缓慢变化的三角波：,VI,t,VTH,VT+,VT-,VO,t,VOL,VOH,G1门的阈值电平,第六章脉冲波形的产生和整形,第六章脉冲波形的产生和整形,一、用于波形变换,例：,已知VI为半波，VIm=9V，,电路的VT+=6V，VT-=3V,VOH=VDD，试画VO波形。,9,6,3,VT+,VT-,VDD,VDD,6-2-3施密特触发器的应用,第六章脉冲波形的产生和整形,二、用于脉冲整形,VT+,VT-,VT+,VT-,第六章脉冲波形的产生和整形,VT+,VT-,三、用于脉冲鉴幅,第六章脉冲波形的产生和整形,第六章脉冲波形的产生和整形,6-3单稳态触发器,6-3-1特点和用途,一、特点,1、电路有一个稳态一个暂稳态。,2、外加触发信号，电路翻转为暂态。,暂态维持一段时间，自动返回稳态,3、暂态维持时间的长短，只和电路参数有关，与触发信号的幅度、电源电压的高低无关。,二、用途,1、整形输出矩形波。,2、定时输出一定宽度的矩形波。,3、延时将输入信号延长一定时间后输出。,（1）没有触发信号时电路工作在稳态当没有触发信号时，ui为低电平。因为门G2的输入端经电阻R接至VDD，VA为高电平，因此uo2为低电平；门G1的两个输入均为0，其输出uo1为高电平，电容C两端的电压接近为0。这是电路的稳态，在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：uo11，uo20。,0,0,1,1,(CMOS),1,1,0,（2）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态当正触发脉冲ui到来时，门G1输出uo1由1变为0。由于电容电压不能跃变，uA也随之跳变到低电平，使门G2的输出uO2变为1。这个高电平反馈到门G1的输入端，此时即使ui的触发信号撤除，仍能维持门G1的低电平输出。但是电路的这种状态是不能长久保持的，所以称为暂稳态。暂稳态时，uo10，uo21。,0,0,1,1,（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态在暂稳态期间，VDD经R和G1的导通工作管对C充电，随着充电的进行，使uA升高。当uA上升到阈值电压VTH时，G2的输出uo2由1变为0。由于这时G1输入触发信号已经过去，G1的输出状态只由uo2决定，所以G1又返回到稳定的高电平输出。uA随之向正方向跳变，加速了G2的输出向低电平变化。最后使电路退出暂稳态而进入稳态，此时uo11，uo20。,脉冲宽度：tp=0.7RC,电路的改进,当ui的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个RC微分电路。,TR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端，TR+是上升沿有效的触发信号输入端。Q和Q是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻R（R=1.4k40k）接在VCC和Rext/Cext之间，外接定时电容C（C=10pF10F）接在Cext（正）和Rext/Cext之间。74121内部已设置了一个2k的定时电阻，Rin是其引出端，使用时只需将Rin与VCC连接起来即可，不用时则应将Rin开路。,74121的输出脉冲宽度：tp0.7RC,第六章脉冲波形的产生和整形,3、应用举例,1）脉冲整形,TW=0.69RC,第六章脉冲波形的产生和整形,2）输出脉冲延时,触发后，电路延时TW时间再输出。,TW=0.69RC,第六章脉冲波形的产生和整形,3）定时输出,只在触发之后的TW时间内有VA输出。,TW,6-4多谐振荡器,用途：产生脉冲波形。,第六章脉冲波形的产生和整形,多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号就能自动的产生矩形脉冲。,特点：在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。,第六章脉冲波形的产生和整形,6-4-1用门电路构成多谐振荡器,一、环形振荡器,1、组成,利用门电路的传输延迟时间tpd，将奇数个反相器首尾相接。,VO1,VO2,VO3,电路没有稳定状态。因为在静态（假定没有振荡）下任何一个反相器的输入和输出都不可能稳定在高电平或低电平。,第六章脉冲波形的产生和整形,2、工作波形,tpd,TW,TW=ntpd；,n是门的数目。,一般，tpd=,TTL类几十ns,CMOS类几百ns,（所以，环形振荡器的振荡频率f特别高）,VO1,VO2,VO3,二、RC环形多谐振荡器,在t1时刻，ui1（uo）由0变为1，于是uo1（ui2）由1变为0，uo2由0变为1。由于电容电压不能跃变，故ui3必定跟随ui2发生负跳变。这个低电平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，uo2（高电平）通过电阻R对电容C充电，使ui3逐渐上升。在t2时刻，ui3上升到门电路的阈值电压VTH，使uo（ui1）由1变为0，uo1（ui2）由0变为1，uo2由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故ui3跟随ui2发生正跳变。这个高电平保持uo为0。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。,第一暂稳态及其自动翻转的工作过程,第二暂稳态及其自动翻转的工作过程,在t2时刻，uo2变为低电平，电容C开始通过电阻R放电。随着放电的进行，ui3逐渐下降。在t3时刻，ui3下降到VTH，使uo（ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。,第六章脉冲波形的产生和整形,6-4-2用施密特触发器构成多谐振荡器,1、组成,VI,VO,施密特触发器的反相输出端经过RC积分电路接回输入端。,第六章脉冲波形的产生和整形,2、工作原理,接通VCC瞬间，C中无电荷，所以：,1）VC=0,VI=0,VO=1,3、电压波形,0,0,VT+,VT-,T1,T2,T,若是CMOS电路，,T1=RCln,VDD-,VDD-,T=T1+T2；,f=1/T；,q=T1/T,VT-,VT+,T2=RCln,0-,0-,VT+,VT-,则：,VI,VO,第六章脉冲波形的产生和整形,4、电路改进,占空比可调电路如图：,充电经过R2，放电经过R1，,q=T1/T,T=T1+T2,调节R1或R2，即可调节q,第六章脉冲波形的产生和整形,6-4-3石英晶体多谐振荡器,一、石英晶体,许多应用场合。要求多谐振荡器的振荡频率f十分稳定，（如数字钟的秒脉冲频率）。上述电路的f都达不到要求。最简便的稳频方法是在多谐振荡器中接入石英晶体，构成石英晶体多谐振荡器。,石英晶体的固有振荡频率fo由结晶方向、外形尺寸决定；频率稳定度（fo/fo)可达10-1010-11。,第六章脉冲波形的产生和整形,符号,二、石英晶体振荡器,1、组成,将石英晶体接到多谐振荡器的正反馈回路中。,2、工作原理,当VO的频率f=fo时，反馈最强，电路才起振。,fo的稳定度极高，这就解决了多谐振荡器的稳频问题。,石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有频率f0,而与外接电阻，电容无关。,第六章脉冲波形的产生和整形,3、参数选择,各种固有振荡频率fo的石英晶体已做成成品，可根据所购晶体的fo选择电路的外接RF和C，,fo一般都很高，应利用分频器将fo分频为所需频率。,例如，需要频率为1Hz的秒脉冲，可选购fo=32768Hz的晶振，通过15次二分频获得1Hz。,多谐振荡器,分频电路,秒信号发生器,第六章脉冲波形的产生和整形,6-5555定时器及其应用,555集成定时器是一种将模拟和数字电路集成于一体的电子器件,通过外加少量的阻容元件,能构成多种用途的电路.,555定时器电路的结构及工作原理1.电路结构国产双极型定时器CB555的电路结构:,它由三个5K电阻、,比较器C1和C2、,基本RS触发器,和放电管TD组成。,第六章脉冲波形的产生和整形,第六章脉冲波形的产生和整形,当ic端不接控制电压Vic时：,1）Vi12/3VCCVi21/3VCCVo=0,2）Vi12/3VCCVi21/3VCCVo=1,3）Vi11/3VCCVo不变,2、由555定时器构成的施密特触发器,2、由555定时器构成的单稳态触发器,4、由555定时器构成的多谐振荡器,接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。,接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。,占空比小于50%,第六章脉冲波形的产生和整形,模拟声响电路,将振荡器的输出电压Vo1，接到振荡器中555定时器的复位端（4脚），当Vo1为高电平时振荡器振荡，为低电平时555定时器复位，振荡器停止振荡。,第六章脉冲波形的产生和整形,555定时器应用举例：,下图是用555定时器接成的延时报警器。当开关S断开后，经过一定的延迟时间后扬声器开始发出声音。试求延迟的时间TD和扬声器发出声音