第8章脉冲波形的变换与产生.ppt

1,第八章脉冲波形的变换与产生,数字电子电路,2,第八章 脉冲波形的变换与产生,概述,8.3 多谐振荡器,8.1 单稳态触发器,8.4 555定时器的原理和应用,8.2 施密特触发器,3,概述,数字电路区别于模拟电路的主要特点之一是：它的工作信号是离散的脉冲信号。最常用的脉冲信号是方波(矩形波)。如何产生方波以及对不理想的方波如何整形，是本章讨论的重点。,4,8.1 单稳态触发器,特点:,1、输出端只有一个稳定状态,另一个状态则是暂稳态。,2、加入触发信号,电路由稳态转入暂稳态。,3、经过一定时间以后,电路又会自动返回 原来的 稳定状态。,（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。,0,0,1,1,1、用CMOS或非门组成：,一、由门电路组成的微分型单稳态触发器,6,1,1,0,（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。,7,0,0,1,1,（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，C上的电荷逐渐增多，使uA升高。当uA上升到阈值电压UT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,当Vth=VDD/2时，tw=RCln2,9,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，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门G1被ui封住了，会使uo2的下降沿变缓。,t1,当 ui 发生负跳变后：uo1 和uA跟着正跳变，uo2 立即下跳（暂稳态）。,在ui负脉冲到来以前（稳态）：,R较小,2、用与非门组成：,1,0,1,uo1=0，uo2=1,0,Uo1向C充电，uA下降。,uA=UT时：uo2上跳。,之后uA继续下降。,Ui负脉冲过后，uo2保持高电平。,CMOS门电路：,12,稳态时，ui1，G1、G2均导通。uo10，uA0，uo20。ui负跳变到0时，G1截止，uo1随之跳变到1。由于电容电压不能跃变，uA仍为0，故门G2截止，uo2跳变到1。在G1、G2截止时，C通过R和G1的导通管放电，使uA逐渐上升。当uA上升到管子的开启电压UT时，如果ui仍为低电平，G2导通，uo2变为0。当ui回到高电平后，G1导通，C又通过R和G1的导通管充电，电路恢复到稳定状态。,（补充）积分型单稳态触发器：,GND,13,二、集成单稳态触发器,1、不可重复触发的集成单稳态触发器：,74 121是一种不可重复触发的集成化单稳态触发器。包括触发信号控制电路、微分型单稳态触发器及输出缓冲电路。单稳输出脉冲的宽度，主要由外接的定时电阻(R)和定时电容(C)决定。,14,74 121管脚图,15,74LS121功能表,16,74LS121的使用方法（P393):,1.采用内部定时电阻（2K）：9脚接到14脚。,tW=R Cln2,单位：RT:k、CT:Pf、tW:nS,定时电容接在10、11脚之间，定时电阻有两种选择：,2.采用外部定时电阻（1.440K）：9脚悬空，电阻接到11、14脚之间。,17,2、可重复触发的集成单稳态触发器：,MC14528管脚图,MC14528是一种可重复触发的集成单稳态触发器。包括三态门、积分型单稳态触发器控制电路及输出缓冲电路。,18,MC14528功能表,与前一种单稳态触发器的区别：当电路处在暂稳态，再来触发信号，暂稳态的时间将增加tw，即可重复触发。,19,三、单稳态触发器的应用,单稳的应用多种多样，如：定时、延时控制、整形（消噪）、多谐振荡器等等。,1、延时控制：,利用单稳可以取得延时作用，延长的时间可以通过 R、C调节。,t0,t1,t2,t3,用波形图表示如下:,用波形图表示如下:,移位寄存器清零,移位寄存器串行输入为1,循环重新开始,2、脉冲的定时,只有在tw时间内,与门才开门,信号A才能通过与门,24,8.2 施密特触发器,一、门电路组成的施密特触发器,假设非门的阈值电压VTH=VDD/2，R1 R2,当vi由高电压下降：,回差电压VT,当vi由0升高：,达到阈值电压VTH,达到阈值电压VTH,二、集成施密特触发器:,1、TTL集成施密特触发器,开始T1截止T2饱和,开始T1饱和T2截止,迅速导致T1截止 T2饱和,迅速导致T1饱和T2截止,当vi下降：,当vi升高：,由于R2R3，所以T1饱和时的vE低于所以T1饱和时的vE，使转变时的输入电压VT+高于VT-，两者差称回差电压VT,2、CMOS集成施密特触发器,vi=0：,当vi由高电平下降过程是上述的逆过程,T1、T2导通，T4、T5截止，vo 高电平，vo 高电平,vi升高：,当viVth，T4 先导通，开始T5截止，继续增大vi直到T1、T2 趋于截止，vo 开始减少。,导致T1、T2迅速截止，vo=0,当vi-vS5 Vth：,28,集成施密特触发器：,29,三、施密特触发器应用举例：,1、波形变换：,30,2、脉冲整形与抗干扰：,3、脉冲鉴幅：,32,4、组成的单稳态触发器,33,34,8.3 多谐振荡器,矩形波发生器又称多谐振荡器。它可以由分立元件构成，也可以由集成电路构成。,一、门电路组成的多谐振荡器：,利用逻辑门电路的传输延迟时间，将奇数个与非门首尾相接，就可以构成一个简单的环形振荡器:,设 uo3 的初始状态为0:,0,1,0,1,0,1,用波形图来表示,则为:,优点:电路结构简单,所用元件少。,缺点:频率太高,并且不可调整。,36,在原电路的基础上添加RC延时电路,便可以克服上图的不足:,假设：开始时uo=0,电容上的电流，uA下降,uAUT时，uo不反转。,38,当uA=UT时，uo反转，uo1、uo2也一起反转。,39,由于电容电压不能 突变,当uo1 发生下跳时,uA有一突变。,40,t1 后，uo2uo1，电容反向充电,uA上升。,只要uAUT，uo就不反转。,t1,41,当uA=UT 时(t2)，uo、uo1、uo2再次反转。,t2,42,由于uo1上跳，电容电压不能突变，所以uA上跳，然后uA开始下降,43,二、RC耦合式振荡器,1、对称式：,这个电路有两个缺点:,一是不容易起振;,二是电路振荡频率的稳定 性较差,容易受温度、元件性能、电源波动等因素的影响。,(a),(b),通常，将两个电阻改接成如图(b)示，只要适当选择它们的大小，使两个与非门的静态工作点均处于放大区，起振便比较容易。,石英晶体振荡器常用 作数字系统的基准信号。,为获得稳定的振荡频率，可在振荡电路中串接石英晶体，组成石英晶体振荡器，如图(c)所示。,(a),(b),47,2、非对称式：,T1,T2,对于CMOS门组成的振荡器,48,第一段（T1）：,第二段：,49,三、用施密特触发器构成的波形产生电路,第一段（t1）：,50,第二段（t2）：,51,占空比可调：,52,四、石英晶体振荡器,电阻R1、R2的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对TTL反相器，常取R1R20.7 k2k，而对于CMOS门，则常取R1R210k100k；C1C2是耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率f0时可以忽略不计；石英晶体构成选频环节。,53,8.4 555定时器及其应用,555定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。1972年由西格尼蒂克斯公司（Signetics）研制；因内部有3个5K的电阻分压器，故称555。它使用方便、功能灵活、适用范围广、带负载能力较强,得到了非常广泛的应用。,目前555定时器有双极型和CMOS型两大类。,54,55,一、555定时器的电路结构与工作原理:,封装有两种：八脚圆形封装和八脚双列直插式封装,56,555定时器的内部电路包括以下几部分:一个由三个相等电阻组成的分压器;两个电压比较器:A1、A2;一个 SR 锁存器;一个反相器和一个晶体管T等。,57,管脚图,58,在5脚悬空时，三个电阻构成的分压器给两个比较器提供基准电压:A1 的为 2VCC/3,A2 的为 VCC/3。而在5脚接V5时，则给两个比较器提供基准电压:A1 的为 V5,A2 的为 V5/2。,59,当RD=0：,1,0,T可以导通,0,60,当vi1 2VCC/3,vi2 VCC/3：,0,1,1,0,0,T可以导通,61,当vi1 2VCC/3,vi2 VCC/3：,1,0,1,0,1,T 截止,62,当vi1 VCC/3：,1,1,SR锁存器保持，从而vo、T的状态都保持。,综合以上的分析结果,便可得到555的功能表:,保持,保持,0,导通,1,截止,0,导通,64,1、施密特触发器：,0,1,VCC/3,2VCC/3,VCC,2VCC/3,VCC/3,0,二、555定时器应用举例,思考：当在5脚处加入电压u5，情况如何变化？,65,VCC/3,2VCC/3,应用举例:波形变换,66,应用举例:简易灯光控制电路,67,2、单稳态触发器:,若S打开,则 ui=1;,若S合上,则 ui=0。,68,接通电源后，设按钮 S 处于打开状态，电容已充电至稳态。则：,依前分析可知：此时vo=0，555内的晶体管T导通，电容 C 被短路，vi2 VCC/3。vo保持0状态。,69,vo=0,555内的管T导通,电容 C 被短路。,S按下时,vi2 VCC/3，已有 vi1 2VCC/3,故 vo=1。此时555 内的晶体管 T 截止,C 将充电。只要 vC 未充至 2VCC/3，vo=1 的状态不会改变。,一旦 vC 2VCC/3,且按钮已 松开，vi2 VCC/3,则vo=0;555内的晶体管T也由截止变成导通,电容C 迅速放电而变成 0V。,由以上过程可以看出:按钮每按动一次,vo 便输出一个正脉冲,其宽度 TW 由 RT C 决定。,73,74,如果5脚接一外加电压u5？,思考,P421：脉冲宽度调制器,75,应用举例:洗相曝光定时器,76,应用举例：触摸定时控制开关,555定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片P，由于人体感 应电压相当于在触发输入端（管脚2）加入一个负脉冲，555输出端输出高电平，灯泡（RL）发光，当暂稳态时间（tW）结束时，555输出端恢复低电平，灯泡熄灭。该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由RC参数调节。,77,3、多谐振荡器:,首先说明如何用555 定时器构成多谐振荡器:,设电容C 原先未充电,故 vi1=vi2 VCC/3,此时 uo=1,555内的晶体管 T 截止,电源通过 R1 和 R2 对电容 C 充电,在 vC 没有充电到 2VCC/3 之前,vo 保持 1 不变。,uC一旦充至2VCC/3，则 vi1=vi2=2VCC/3，uo由1翻转为 0。同时555内的晶体管 T 导通,电容 C 经 R2、T放电,一直至VCC/3，使得uo 回到 1,进入循环.,t1,t2,t3,在 uC 没有充电到 2VCC/3 之前,uo 保持 1 不变。,80,第一段（t1）：,81,第二段（t2）：,t1=(R1+R2)C ln2t2=R2 C ln2T=t1+t2=(R1+2R2)C ln2,83,如何改变矩形波的占空比？,改变充放电回路的时间常数即可。充电时间常数：（R1+R2）C 放电时间常数：R2C,84,t1=R1 C ln2,t2=R2 C ln2,T=(R1+R2)C ln2,85,简易电子琴就是通过改变R2 的阻值来改变输出方波的周期,使外接的喇叭发出不同的音调。,应用举例:简易电子琴电路,u5,如果5脚接一外加电压u5？,思考,87,88,t1,t2,可用前面类似的方法计算输出波形的振荡周期：,t1：vC(0)=u5/2、vC()=VCC、1=(R1+R2)C。当t=t1时，vC(t1)=u5代入三要素方程。于是可解出,t2：vC(0)=u5、vC()=0V、1=R2C、当t=t2时，vC(t2)=u5/2代入公式。于是可解出,振荡周期:,89,一般的振荡器若要改变振荡频率必须改变选频网络的参数值。上述555定时器构成的振荡器，只要改变加入5脚的控制电压就可改变振荡器的频率，这样的振荡器就是电压控制振荡器，简称压控振荡器，用VCO表示。,为了使u5的控制作用明显，u5应是一个低阻的信号源。,90,4、双稳态触发器:微电机起动停车控制电路。,S1:起动按钮,S2:停车按钮,仅按下起动按钮 S1,则 vi1 VCC/3;未按 S2,当然 vi2 2VCC/3,故 uo=1,电机转动。,即使放开 S1,vi1 VCC/3,vi2 2VCC/3,uo 保持为 1,电机继续转动。,如果仅按下按钮 S2,vi1 2VCC/3,未按 S1,当然vi2 VCC/3,这时 uo=0,电机停止运行。,如果松开 S2,电机仍不转动。,练习一：下图为一心律失常报警电路，图中vI是经过放大后的心电信号，其幅值vIm=4V。（1）对应vI分别画出图中vo1、vo2、vo三点的电压波形；（2）说明电路的组成及工作原理。,94,练习二：一过压监视电路如图所示，试说明当监视电压vx超过一定值时，发光二极管D将发出闪烁的信号。提示：当晶体管T饱和时，555的管脚1端可认为处于地电位。,95,练习三：间歇振荡器,96,练习四：报警器,练习五：触摸、声控双功能延时灯,555和T1、R3、R2、C4组成单稳定时电路，定时（即灯亮）时间约为1分钟。当击掌声传至压电陶瓷片时，HTD将声音信号转换成电信号，经T2、T1放大，触发555，使555输出高电平，触发导通晶闸管SCR，电灯亮；同样，若触摸金属片A时，人体感应电信号经R4、R5加至T1基极，也能使T1导通，触发555，达到上述效果。,