数字电子技术-第10章 波形发生.ppt

1、本章重点和难点：重点：由555组成的三个电路的主要工作特性。难点：几种典型电路的工作原理分析。10脉冲波形产生和变换，下面主要讨论几种常用的脉冲波形产生和变换电路：(功能、特性和主要应用介绍)1。施密特触发器：主要用于将非矩形脉冲转换成上升沿和下降沿陡峭的矩形脉冲；2.单稳态触发器：主要用于将脉冲宽度不满意的脉冲转换成脉冲宽度满意的矩形脉冲；3.多谐振荡器：产生矩形脉冲；4.555定时器。10.1.1多谐振荡器由门电路、10.1多谐振荡器、10.1.2应时晶体多谐振荡器组成，1多谐振荡器没有稳定状态，只有两个瞬态。2通过对电容器充电和放电，两个瞬态相互交替，从而在没有外部触发的情况下产生自激振

2、荡。3输出周期性矩形脉冲信号，这被称为多谐振荡器，因为它包含丰富的谐波成分。10.1多谐振荡器，10.1.1多谐振荡器由门电路组成，环形振荡器是利用门电路固有的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相连而形成的。图中所示的电路是最简单的环形振荡器，由三个首尾相连的反相器组成。这个电路没有稳定状态。1.最简单的环形振荡器，t，简单的环形振荡器，t，t，t，10.1.1由门电路组成的多谐振荡器，1。最简单的环形振荡器，2。RC环形多谐振荡器。RC环形多谐振荡器是在简单环形振荡器电路中引入RC电路作为延迟环节而形成的。在图中，RC构成一个延迟链路，RS是一个限流电阻，用作栅极R3的限流保护。振荡器瞬态时间和

3、周期的近似计算公式为：tw10.98 (rr1) cw21.26rc，t=tw1tv20.98 (rr1) c1.26rc，其中r和c为外部连接，TTL与非门中r1为r1。在R1R处，振荡周期为：tw10.98 (rr1) ctw21.26rc，t=tw1tv20.98 (rr1) c1.26rc。上述公式可用于近似振荡周期。使用时应注意其假设是否成立，否则计算结果会有较大误差。T2.2RC，3。对称多谐振荡器，4。不对称多谐振荡器，和5。施密特触发器构成的多谐振荡器。上述多谐振荡器的一个共同特征是振荡频率不稳定，容易受到温度、电源电压波动和RC参数误差的影响。在数字系统中，矩形脉冲信号常被用

4、作控制和协调整个系统的时钟信号。因此，控制信号的频率不稳定性将直接影响系统的运行。显然，以上讨论的多谐振荡器不能满足要求，必须采用具有高频率稳定性的应时晶体多谐振荡器。10.1.2应时晶体多谐振荡器和应时晶体的阻抗频率特性图，应时晶体具有良好的频率选择特性。当振荡信号的频率与应时晶体的自然谐振频率F0相同时，应时晶体呈现非常低的阻抗，并且信号容易通过，而其他频率的信号被衰减。因此，可以通过在多谐振荡器的电路中串联连接应时晶体来形成石英晶体振荡器。此时，振荡频率仅取决于应时晶体的自然谐振频率F0，而与RC无关。在对称多谐振荡器的基础上，应时晶体可以串联起来形成一个石英晶体振荡器电路。该电路将产生

5、高稳定性的矩形脉冲，其振荡频率由应时晶体的串联谐振频率决定。目前，几乎所有的家用电子钟都使用带有石英晶体振荡器的矩形波发生器。由于它的高频率稳定性，它可以非常准确地传播。通常，选择振荡频率为32768赫兹的石英晶体谐振器，因为32768215将32768赫兹除以15倍，以获得1赫兹的时钟脉冲作为定时标准。10.2.1由门电路组成的差分单稳态触发器，10.2.2集成单稳态触发器，10.2.3单稳态触发器的应用，10.2单稳态触发器，1。工作特性：10.2单稳态触发器，概述，1。它有两种不同的工作状态：稳态和瞬态；其次，在外部脉冲的作用下，触发器可以从稳态变为瞬态；第三，在瞬态保持一段时间后，它将

6、自动返回到稳态。瞬态的持续时间取决于电路本身的参数，与外部触发信号无关。例子：走廊里的路灯。2.单稳态触发器的组成：10.2单稳态触发器，由门电路和RC电路组成；3.单稳态触发器的分类和概述。根据RC电路的不同连接，单稳态触发器可以分为差分型和积分型。10.2.1由门电路组成的差分单稳态触发器，1。电路，由互补金属氧化物半导体与非门组成的差分单稳态触发器，由互补金属氧化物半导体或非门组成的差分单稳态触发器。工作原理，a)当没有触发信号时，电路处于稳定状态，vo1，VO2，VC，VI，r，VR，vdd，0 10.2.1差分单稳态触发器由门电路、2组成。工作原理，vo1，VO2，VC，VI，r，V

7、R，vdd，1，1，1，0，10.2.1差分单稳态触发器由门电路、3组成。主要参数的计算：(1)输出脉冲宽度tw，由10.2.1门组成的差分单稳态触发器，R(T)=VR(VR)(VR(0)VR(R(0)=0R()=VDD=RC，(2)瞬态恢复时间tre一般情况下，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)。让触发信号的时间间隔为t，为了使单稳态触发器正常工作，必须满足Ttw tre的条件，即Tmin=tw tre。因此，单稳态触发器的最高工作频率为fmax=1/Tmin=1/(tw tre)。当使用差分单稳态触发器时，输入触发脉冲uI的宽度tw1应小于输出脉冲的宽度tw

8、，即tw1tw，否则电路无法正常工作。在tw1tw的情况下，可以在触发信号源ui和G1输入端之间连接一个RC差分电路。4。输入触发脉冲宽度要求，(3)最大工作频率fmax(或最小工作周期Tmin)，3。主要参数的计算，10.2.1由门电路组成的差分单稳态触发器，10.2.2集成单稳态触发器及其应用。由集成门电路组成的单稳态触发器电路虽然简单，但输出脉冲宽度稳定性差，调整范围小，容易触发，因此在实际应用中经常使用集成单稳态触发器。1。输入脉冲触发模式，上升沿触发下降沿触发，2。不可重复触发类型和可重复触发类型。图(a)显示了不可重复触发单稳态触发器。如果电路在触发器进入瞬态期间再次被触发，它将不

9、会影响初始瞬态时间，并且输出脉冲宽度tw仍将从第一个触发器开始计算。图(b)是一个可重复触发的单稳态触发器。如果电路在瞬态期间再次被触发，输出脉冲宽度可以在先前瞬态时间的基础上加宽tw。因此，当使用可重复触发单稳态触发器时，可以方便地获得更长持续时间的输出脉冲宽度。3.TTL集成单稳态触发器电路74121的功能及应用。74121是一种不可重复的单稳态触发器，可以通过上升沿或下降沿触发，内部有一个定时电阻Rint(约2k)。74121电路功能表，74121电路符号，触发输入端，输出端，外部时序元件引脚，内部电阻引脚，功能：(1)触发模式：74121应用电路，(2)时序元件连接：输出脉冲宽度Uo:

10、tw 0.7 RCExt外部电容Cext一般取值范围10。图(a):外部电阻R=Rext(1.440k)。图(b):使用内阻RRint(约2k)。脉冲延迟，单稳态触发器的主要应用是整形、定时和延迟。单稳态电路的延迟功能。如果需要延迟脉冲触发时间，可以通过单稳态电路实现。uO的下降沿比uI的下降沿延迟两倍。10.2.3单稳态触发器的应用，(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，如果用这个脉冲来控制某个电路，它可以在tw时间内动作(或不动作)。脉冲定时、10.2.3单稳态触发器的应用、10.3.1由门电路组成的施密特触发器、10.3.2集成施密特触发器及其应用、10.3施密特触

11、发器、返回，主要用途：将缓慢变化的信号波形转换成陡沿矩形波。特点：电路有两种稳定状态。两个稳定状态的维持和转换完全取决于所施加的触发信号。触发模式：水平触发。电压传输特性特殊，电路有两个过渡电平(上触发过渡电平UT和下触发过渡电平UT)。当状态反转时，有一个正反馈过程，从而输出具有陡峭边缘的矩形脉冲。10.3施密特触发器，10.3.1施密特触发器由门电路组成，1。电路组成，两个CMOS反相器和两个分压电阻。施密特触发器由集成门电路(a)电路(b)逻辑符号2组成。工作原理：(CMOS反相器的阈值电压uth设为vdd/2，输入信号ui为三角波。当uI=0V时，G1断开，G2接通，输出为UOL，即u

12、O=0V。只要满足uI1UTH，电路就会处于这种状态(第一稳态)。当uI上升，使uI1=UTH时，电路将产生以下正反馈过程：电路将迅速切换到G1开，G2关，输出将是UOH，即uO=VDD(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持续上升，电路的状态不会改变。如果uI下降，uI1也会下降。当uI1下降到UTH时，电路将产生以下正反馈过程：电路将快速切换到第一稳态，G1断开，G2接通，UOL输出。此时的uI值称为施密特触发器的下限触发跃迁电平UT。如果uI再次下降，电路将保持相同的状态。(2)施密特触发器的工作波形和电压传输特性，将三角波uI转换为矩形波uO。施密

13、特触发器的工作波形和电压传输特性(一)工作波形(二)电压传输特性，3。重要参数，上触发开关电平UT，下触发开关电平UT，齿隙UT=UT UT(通常为UT UT)改变R1和R2的大小可以改变齿隙UT，并解决：(1) mosfet，(3)输出电压波形，(2)传输特性，例如，CT74132的UT 1.7 V和UT0.9 V，因此UT UT1.7 V0.9 V0.8 V.10.3.2集成施密特触发器及其应用，1。施密特反相器、TTL 74LS14和CMOS CC40106都是六个施密特触发器反相器。以下以CC40106为例说明其功能。施密特触发器反相器(a)原理框图(b)电压传输特性(c)逻辑符号为了

14、提高电路性能，在施密特触发器的基础上增加了一个整形级和一个输出级。整形级可以使输出波形的边沿更陡，输出级可以提高电路的负载能力。施密特触发器与非门电路为了整形输入波形，许多集成门电路采用施密特触发器形式。例如，CMOS的CC4093和TTL的74LS13是由施密特触发的与非门电路。施密特触发与非门的逻辑符号。1.波形变换，将缓慢变化的波形变换成矩形波(如将三角波或正弦波变换成相同周期的矩形波)。波形变换，10.3.3施密特触发器的应用，2。脉冲整形在数字系统中，矩形脉冲传输后经常会出现波形失真或边沿振荡。施密特触发器整形可以获得理想的矩形脉冲波形。脉冲整形、波形失真、边沿振荡、3脉冲幅度鉴别。

15、一系列不同幅度的脉冲信号被加到施密特触发器的输入端，只有那些幅度大于ut的脉冲才会在输出端产生输出信号。由此可见，施密特触发器具有脉冲幅度鉴别能力。、脉冲幅度鉴别、10.4.1 555定时器、10.4 555定时器及其应用和10.4.2 555定时器是典型的应用，它们是数字和模拟混合集成电路。它能产生精确的时间延迟和振荡。里面有三个5K电阻分压器，所以叫做555。它已被应用于许多领域，如波形产生与转换、测量与控制、家用电器、电子玩具等。10.4 555定时器及其应用。不同公司生产的555定时器的逻辑功能和外部引线排列完全相同。图9.4.1 555集成定时器、555集成定时器、10.4.1 55

16、5定时器、电源端子、放电端子、GND、低电平触发端子、高电平触发端子、电压控制端子、复位端子和输出端子。555定时器是一种应用方便的中型集成电路，只需少量外部阻容元件即可实现单稳态和多谐波，广泛应用于信号产生、转换、控制和检测。10.4.1 555定时器、电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、复位输入(0)、输出缓冲反相器、集电极开路输出三极管、1、电路组成，(1)电阻分压器由三个5k电阻R组成，为电压比较器C1和C2提供参考电压。(2)电压比较器，C1和C2。当UU时，UC输出高电平，否则输出低电平。vI1称为高触发端，vI2称为低触发端。(3)基本RS触发器的0端和1端由低电平有效触发。

17、RD是低电平有效复位输入。在正常操作中，研发必须处于高水平。放电管是集电极开路的三极管。相当于一个受控电子开关，当输出为0时，t开启，当输出为1时，t关闭。缓冲缓冲器由G3和G4组成，用于提高电路的负载能力。0，1，0，10.4.1 555定时器，如果暂停，0，1，0，1，1，1，0，1，1，hold，hold，2，工作原理，功能：在外部触发信号的作用下，它可以从稳态转到另一个瞬态，当瞬态维持一定时间后，它会自动返回稳态。10.4.2应用555定时器，(1)电路结构，r和c是定时元件，(2)工作原理，工作波形和参数估计，1。稳态时，VCC在接通电源后通过r给c充电，这使得uC上升。此电路的触发