《数字电子技术教学》第06章 脉冲波形的产生与变换ppt课件

1、6.1.1 6.1.1 常用脉冲波形及参数常用脉冲波形及参数 6.2.1 6.2.1 用集成门电路构成的施密特触发器用集成门电路构成的施密特触发器 6.2.2 6.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器 6.1.2 RC6.1.2 RC电路的运用电路的运用 6.2.3 6.2.3 施密特触发器的运用施密特触发器的运用 触发器有什么特点？请画出与非门实现的根本RS触发器的电路图。请列出根本RS触发器的功能表。什么叫现态？次态？根本RS触发器的触发方式？MSI时序逻辑电路的分析步骤？脉冲信号：指忽然变化的电压或电流。脉冲电路的研讨重点：波形分析。数字电路的研讨重点：逻辑功能。 获得脉冲波形的方法

2、主要有两种：1利用脉冲振荡电路产生；2是经过整形电路对已有的波形进展整形、变换，使之符合系统的要求。 以下主要讨论几种常用脉冲波形的产生与变换电路：功能、特点及其主要运用简介1.RC电路：对矩形波进展微分、积分变换，或作脉冲分压器；2.施密特触发器：主要用以将非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很峻峭的矩形脉冲；3.单稳态触发器：主要用以将脉冲宽度不符合要求的脉冲变换成脉冲宽度符合要求的矩形脉冲；4.多谐振荡器：产生矩形脉冲；5.555定时器。6.1.1 6.1.1 常用脉冲波形及参数常用脉冲波形及参数 1. 常见的脉冲波形 脉冲波形是指突变的电流和电压的波形。 图6-1 常见的脉冲波形图 2.

3、矩形涉及其参数 图6-2 非周期性和周期性矩形波(a) 非周期性 (b) 周期性数字电路中用得最多的是矩形波。矩形波有周期性与非周期性两种。 图6-3 矩形波的主要参数 周期性矩形波的周期用T表示，有时也用频率f表示f =1/ T。 矩形波的另外几个主要参数： 1脉冲幅度Um 2脉冲宽度tw 3上升时间tr 4下降时间tf 5占空比q =t w /T 。通常q用百分比表示，假设q =50%，那么称为对称方波。 6.1.2 RC电路的运用电路的运用 可对矩形波进展变换，常用的有微分电路、积分电路和脉冲分压器。 图6-4 微分电路 1. 微分电路 可将矩形波变换为尖峰波条件可将矩形波变换为尖峰波条

4、件RCtw。 由于电路的输出由于电路的输出uO只反映输入波形只反映输入波形uI的突变的突变部分，故称为微分电路。部分，故称为微分电路。 2. 积分电路 图6-5 积分电路 b可将矩形波变换为三角波。可将矩形波变换为三角波。条件条件RCt wc 输出波形输出波形uO的边沿变差了。的边沿变差了。假设假设RCt w，即不满足积分电路的条件，即不满足积分电路的条件3. 脉冲分压器 在模拟电路中，常用电阻分压器来实现正弦波信号的无失真传输。 但是，对脉冲信号的传输，不能采用简单的电阻分压器，由于分布电容的影响，会使输出波形的边沿发生畸变。图6-6 脉冲分压器 为了实现脉冲信号的无畸变传输，需求采用脉冲分

5、压器。 各种示波器的输入衰减器采用的就是这种脉冲分压器。只需满足条件C1R1 =C2R2，那么可实现脉冲信号的无畸变传输。 主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿峻峭的矩形波。 特点：电路有两种稳定形状。两种稳定形状的维持和转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平触发。电压传输特性特殊，电路有两个转换电平上限触发转换电平UT+和下限触发转换电平UT。形状翻转时有正反响过程，从而输出边沿峻峭的矩形脉冲。 6.2.16.2.1用集成门电路构成的施密特触发器用集成门电路构成的施密特触发器 1. 电路组成 两个CMOS反相器，两个分压电阻。 图6-7 用集成门电路构成的施密特触发器a 电路 b逻辑

6、符号2. 任务原理 1任务过程 设CMOS反相器的阈值电压UTH=VDD/2，输入信号uI为三角波。 当uI=0V时， G1截止、G2导通，输出为UOL，即uO=0V。只需满足uI1UTH，电路就会处于这种形状第一稳态。当uI上升，使得uI1 =UTH时，电路会产生如下正反响过程： 电路会迅速转换为G1导通、G2截止，输出为UOH，即uO=VDD的形状第二稳态。此时的uI值称为施密特触发器的上限触发转换电平UT+。显然，uI继续上升，电路的形状不会改动。假设uI下降，uI1也会下降。当uI1下降到UTH时，电路又会产生以下的正反响过程： 电路会迅速转换为G1截止、G2导通、输出为UOL的第一稳

7、态。此时的uI值称为施密特触发器的下限触发转换电平UT。uI再下降，电路将坚持形状不变。 2任务波形与电压传输特性 施密特触发器将三角波uI变换成矩形波uO。 图6-8 施密特触发器的任务波形及电压传输特性a任务波形 b电压传输特性3.重要参数 上限触发转换电平UT+ 下限触发转换 电 平 U T 回差回差UT = UT+UT通常通常UT+UT改动改动R1和和R2的大小可以改动回差的大小可以改动回差UT 集成施密特触发器的UT+和UT的详细数值可从集成电路手册中查到。如CT74132的UT+1.7 V、UT0.9 V，所以，UTUT+UT1.7 V0.9 V0.8 V。 6.2.2 6.2.2

8、 集成施密特触发器集成施密特触发器 1.施密特反相器TTL的74LS14和CMOS的CC40106均为六施密特触发的反相器。下面以CC40106为例阐明其功能。 图6-9 施密特触发反相器(a) 原理框图 (b) 电压传输特性 (c) 逻辑符号 为了提高电路的性能，电路在施密特触发器为了提高电路的性能，电路在施密特触发器的根底上，添加了整形级和输出级。的根底上，添加了整形级和输出级。 整形级可以使输出波形的边沿更加峻峭，整形级可以使输出波形的边沿更加峻峭， 输出级可以提高电路的负载才干。输出级可以提高电路的负载才干。 2.施密特触发与非门电路 为了对输入波形进展整形，许多集成门电路采用了施密特

9、触发方式。比如CMOS的CC4093和TTL的74LS13就是施密特触发的与非门电路。 图6-10 施密特触发与非门的逻辑符号1. 波形变换 将变化缓慢的波形变换成矩形波如将三角波或正弦波变换成同周期的矩形波。图6-11 波形变换 6.2.36.2.3施密特触发器的运用施密特触发器的运用2.脉冲整形 在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，或者边沿产生振荡等。经过施密特触发器整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。 图6-12 脉冲整形 波形波形畸变畸变边沿边沿振荡振荡3脉冲鉴幅 将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只需那些幅度大于UT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。可

10、见，施密特触发器具有脉冲鉴幅才干。 图6-13 脉冲鉴幅 6.3.1 6.3.1 用集成门电路构成的单稳态触发器用集成门电路构成的单稳态触发器 6.3.2 6.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 6.3.3 6.3.3 单稳态触发器的运用单稳态触发器的运用 任务特点： 第一，它有稳态和暂稳态两个不同的任务形状； 第二，在外加脉冲作用下，触发器能从稳态翻转到暂稳态； 第三，在暂稳态维持一段时间后，将自动前往稳态，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外加触发信号无关。例：楼道的路灯 。6.3.1 6.3.1 用集成门电路构成的单稳态触发器用集成门电路构成的单稳态触发器 1. 电路组成

11、及任务原理 暂稳态是靠RC电路的充放电过程来维持的。由于图示电路的RC电路接成微分电路方式，故该电路又称为微分型单稳态触发器。 图6-14 集成门电路构成的单稳态触发器 1 输入信号uI为0时，电路处于稳态。 uI2=VDD，uO=UOL =0，uO1UOH =VDD。 2外加触发信号，电路翻转到暂稳态。当uI产生正跳变时，uO1产生负跳变，经过电容C耦合，使uI2产生负跳变，G2输出uO产生正跳变；uO的正跳变反响到G1输入端，从而导致如下正反响过程： 使电路迅速变为G1导通、G2截止的形状，此时，电路处于uO1=UOL、uO=uO2=UOH的形状。然而这一形状是不能长久坚持的，故称为暂稳态

12、。 3电容C充电，电路由暂稳态自动前往稳态。 在暂稳态期间，VDD经R对C充电，使uI2上升。当uI2上升到达G2的UTH时，电路会发生如下正反响过程： 使电路迅速由暂稳态前往稳态，uO1=UOH、uO= uO2=UOL。从暂稳态自动前往稳态之后，电容C将经过电阻R放电，使电容上的电压恢复到稳态时的初始值。 图6-15 单稳态触发器任务波形 2.主要参数 1输出脉冲宽度tw 输出脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间。根据uI2的波形可以计算出： tw 0.7RC 2 恢复时间tre 暂稳态终了后，电路需求一段时间恢复到初始形状。普通，恢复时间tre为35放电时间常数通常放电时间常数远小于RC。

13、设触发信号的时间间隔为T，为了使单稳态触发器可以正常任务，该当满足Ttw +tre的条件，即Tmin= tw +tre。因此，单稳态触发器的最高任务频率为 fmax = 1/ Tmin = 1/tw +tre 在运用微分型单稳态触发器时，输入触发脉冲uI的宽度tw1应小于输出脉冲的宽度tw，即tw1tw，否那么电路不能正常任务。如出现tw1tw的情况时，可在触发信号源uI和G1输入端之间接入一个RC微分电路。 3.对输入触发脉冲宽度的要求 3最高任务频率fmax或最小任务周期Tmin6.3.2 6.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 用集成门电路构成的单稳态触发器虽然电路简单，但输出脉冲

14、宽度的稳定性较差，调理范围小，而且触发方式单一。因此实践运用中常采用集成单稳态触发器。 1. 输入脉冲触发方式 上升沿触发下降沿触发 2. 不可反复触发型与可反复触发型 图图a为不可反复为不可反复型触发单稳态触发器型触发单稳态触发器该电路在触发进入暂该电路在触发进入暂稳态期间如再次遭到触稳态期间如再次遭到触发，对原暂稳态时间没发，对原暂稳态时间没有影响，输出脉冲宽度有影响，输出脉冲宽度tw仍从第一次触发开场仍从第一次触发开场计算。计算。 图图b为可反复为可反复触发型单稳态触发器触发型单稳态触发器 该电路在触发进入该电路在触发进入暂稳态期间如再次被暂稳态期间如再次被触发，那么输出脉冲触发，那么输

15、出脉冲宽度可在此前暂稳态宽度可在此前暂稳态时间的根底上再展宽时间的根底上再展宽tw。 因此，采用可反复触发单稳态触发器时能比较因此，采用可反复触发单稳态触发器时能比较方便地得到继续时间更长的输出脉冲宽度。方便地得到继续时间更长的输出脉冲宽度。3. TTL集成单稳态触发器电路74121的功能及其运用74121是一种不可反复触发的单稳态触发器，它既可采用上升沿触发，又可采用下降沿触发，其内部还设有定时电阻Rint(约为2k)。 表6-1 74121电路的功能表 图6-16 74121的电路符号 触发输入端 输出端 外接定时元件引脚 内部电阻引脚 功能： 1触发方式： 图6-17 74121运用电路

16、2定时元件接法： 输出脉冲uO的宽度：tw 0.7RCext外接电容Cext普通取值范围为10 pF10F，在要求不高的情况下最大值可达1000F。图图(a)：外接电阻：外接电阻R=Rext1.440k。图图(b)：用内部电阻：用内部电阻RRint (约为约为2k)。6.3.36.3.3单稳态触发器的运用单稳态触发器的运用 1. 脉冲延时单稳态触发器的主要运用是整形、定时和延时。 图6-18单稳电路的延时作用 假设需求延迟脉冲的触发时间，可利用单稳电路来实现。 uO的下降沿比的下降沿比uI的下降沿延迟了的下降沿延迟了tw的时间。的时间。 2.脉冲定时 单稳态触发器可以产生一定宽度tw的矩形脉冲

17、，利用这个脉冲去控制某一电路，那么可使它在tw时间内动作(或者不动作)。 图6-19脉冲定时6.4.1 6.4.1 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器 6.4.2 6.4.2 环形振荡器环形振荡器 6.4.3 6.4.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 1多谐振荡器没有稳定形状，只需两个暂稳态。 2经过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，无需外触发。 3输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的谐波分量，故称作多谐振荡器。6.4.1 6.4.1 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器 1. 电路组成由两个TTL反相器经电容交叉耦合而成。通常令C1=C2=C，R1=R2=RF。为了使静

18、态时反相器任务在转机区，具有较强的放大才干，应满足ROFFRFRON的条件。 图6-20对称式多谐振荡器 2.任务原理 假定接通电源后，由于某种缘由使uI1有微小正跳变，那么必然会引起如下的正反响过程 ： 使uO1迅速跳变为低电平、uO2迅速跳变为高电平，电路进入第一暂稳态。以后，uO2的高电平对C1电容充电使uI2升高，电容C2放电使uI1降低。由于充电时间常数小于放电时间常数，所以充电速度较快，uI2首先上升到G2的阈值电压UTH，并引起如下的正反响过程： 使uO2迅速跳变为低电平、uO1迅速跳变为高电平，电路进入第二暂稳态。以后，C1放电、C2充电，C2充电使uI1上升，会引起又一次正反

19、响过程，电路又回到第一暂稳态。这样，周而复始，电路不停地在两个暂稳态之间振荡，输出端产生了矩形脉冲。 图6-21 对称式多谐振荡器的任务波形 3.主要参数 矩形脉冲的振荡周期为 T1.4RFC当取RF1k、CI00 pF100 F时，那么该电路的振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内变化。6.4.2 6.4.2 环形振荡器环形振荡器 1. 最简单的环形振荡器 图6-22最简单的环形振荡器(a) 电路 (b) 任务波形利用集成门电路的传输延迟时间，将奇数个反相器首尾相连便可构成最简单的环形振荡器。该电路没有稳定形状。 如此周而复始，便产生了自激振荡。振荡周期T=6tpd。 2. RC环形振荡器 最简单

20、的环形振荡器构成非常简单，但是并不适用。由于集成门电路的延迟时间tpd极短，而且振荡周期不便调理。图6-23 RC环形振荡器 利用电容利用电容C的充放电，改动的充放电，改动uI3的电平的电平(由于由于RS很小很小,在分析时往往忽略它。在分析时往往忽略它。)来控制来控制G3周期性的导周期性的导通和截止，在输出端产生矩形脉冲。通和截止，在输出端产生矩形脉冲。 R S 是 限 流 电 阻是 限 流 电 阻维护维护G3，通，通常选常选100左右。左右。添加RC延迟环节，即可组成RC环形振荡器电路。 图6-24 RC环形振荡器的任务波形 电路的振荡周期为 T2.2RCR不能选得太大普通1k左右，否那么电

21、路不能正常振荡。 。 3. CMOS反相器构成的多谐振荡器 R的选择应使G1任务在电压传输特性的转机区。此时，由于uO1即为uI2，G2也任务在电压传输特性的转机区，假设uI有正向扰动，必然引起下述正反响过程： 图6-25 CMOS反相器构成的多谐振荡器 使uO1迅速变成低电平，而uO2迅速变成高电平，电路进入第一暂稳态。此时，电容C经过R放电，然后uO2向C反向充电。随着电容C的的放电和反向充电，uI不断下降，到达uIUTH时，电路又产生一次正反响过程： 从而使uO1迅速变成高电平，uO2迅速变成低电平，电路进入第二暂稳态。此时，uO1经过R向电容C充电。 随着电容C的不断充电，uI不断上升

22、，当uIUTH时，电路又迅速跳变为第一暂稳态。如此周而复始，电路不停地在两个暂稳态之间转换，电路将输出矩形波。 振荡周期为 T1.4RC 图6-26CMOS反相器构成多谐振荡器的任务波形 6.4.36.4.3石英晶体振荡器石英晶体振荡器 前面引见的多谐振荡器的一个共同特点就是振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压动摇和RC参数误差的影响。而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的任务。因此，控制信号频率不稳定会直接影响到系统的任务，显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必需采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。 石英晶体的阻抗频率特性图 石英晶体具有很好的选频特性。

23、当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率fo一样时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易经过，而其它频率的信号那么被衰减掉。因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率fo，而与RC无关。图6-27石英晶体振荡器电路 在对称式多谐振荡器的根底上，串接一块石英晶体，就可以构成一个石英晶体振荡器电路。该电路将产生稳定度极高的矩形脉冲，其振荡频率由石英晶体的串联谐振频率fo决议。 目前，家用电子钟几乎都采器具有石英晶体振荡器的矩形波发生器。由于它的频率稳定度很高，所以走时很准。通常选用振荡频率为32768HZ的石英晶体谐振器，由于3276

24、8215，将32768HZ经过15次二分频，即可得到1HZ的时钟脉冲作为计时规范。6.5.1 5556.5.1 555定时器定时器 6.5.2 5556.5.2 555定时器的运用举例定时器的运用举例为数字模拟混合集成电路。可产生准确的时间延迟和振荡，内部有3个5K的电阻分压器，故称555。在波形的产生与变换、丈量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了运用。 各公司消费的555定时器的逻辑功能与外引线陈列都完全一样。 双极型产品CMOS产品单555型号的最后几位数码5557555双555型号的最后几位数码5567556优点驱动才干较大低功耗、高输入阻抗电源电压任务范围516V318V负

25、载电流可达200mA可达4mA6.5.1 5556.5.1 555定时器定时器 1. 电路组成图6-28 555定时器(a) 原理图 (b)外引线陈列图电阻分压器电压比较器根本RS触发器放电管T缓冲器1 电阻分压器 由3个5k的电阻R组成，为电压比较器C1和C2提供基准电压。 2 电压比较器C1和C2。当UU时， UC输出高电平，反之那么输出低电平。CO为控制电压输入端。当CO悬空时，UR12/3VCC，UR21/3VCC。当COUCO时，UR1UCO，UR21/2UCO TH称为高触发端，TR 称为低触发端。 3 根本RS触发器 其置0和置1端为低电平有效触发。R是低电平有效的复位输入端。正

26、常任务时，必需使R处于高电平。 4 放电管T T是集电极开路的三极管。相当于一个受控电子开关。 输出为0时，T导通，输出为1时，T截止。 5缓冲器 缓冲器由G3和G4构成，用于提高电路的负载才干。2.任务原理 TH接至反相输入端，当THUR1时，UC1输出低电平，使触发器置0，故称为高触发端有效时置0； TR接至同相输入端，当TRUR2时，UC2输出低电平，使触发器置1，故称为低触发端有效时置1。 表6-2 555定时器的功能表 6.5.2 6.5.2 555555定时器的运用举例定时器的运用举例1.构成施密特触发器 思索：施密特触发器的特点？思索：施密特触发器的特点？回差特性：上升过程和下降

27、过程有不同的转回差特性：上升过程和下降过程有不同的转换电平换电平UTUT和和UTUT。 如何与如何与555定时器发生联络？定时器发生联络？ 内部比较器有两个不同的基准电压内部比较器有两个不同的基准电压UR1和和UR2。 1.构成施密特触发器 图6-29 555定时器构成的施密特触发器a电路 b任务波形假设在假设在UIC加上控制电压，加上控制电压，那么可以改动电路的那么可以改动电路的UT+和和UT。 2. 构成单稳态触发器 1得到负脉冲外触发：使高触发置0端TH有效暂稳态0自动前往：经过电容C的充放电使低触发置1端TR有效稳态1 思绪：外触发自动前往 2得到正脉冲 外触发：使低触发置1端TR有效暂稳态1 自动前往：经过电容C的充放电使高触发置0端TH有效稳态0图6-30 555定时器构成的单稳态触发器a电路 b任务波形 任务原理：稳态为0 低触发有效置1 T截止， C充电 自动高触发返0 提高基准电压稳定性的滤波电容 输出脉冲的宽度tw1.1RC。当