数电-08脉冲波形的变换与产生.ppt

1,8 脉冲波形的变换与产生,基本要求,2、理解555定时器的工作原理，掌握其应用。,1、了解门电路组成的单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器的电路组成，理解其工作原理和应用；,2,概 述,1、单元电路类型:(1)单稳态触发器定时、延时，消除噪声(2)施密特触发器滤波整形，波形变换(3)多谐振荡器产生矩形波，时钟脉冲波(4)555定时器多用途器件,2、电路结构特点：(1)含有开关元件各种门电路产生高低电平(2)含有储能元件阻容延时元件等,3、电路工作特点：开关元件的状态转换导致电路的过渡过程,4、分析方法:波形图分析法,3,1、门坎电平（阈值电压)：VTH,TTL与非门,一般而言，开门电平(VON)和关门电平(VOFF)不相等。为分析方便，将其理想化处理，引入门坎电平（或阈值电平）的概念，记为VTH。,TTL与非门或反相器的电压传输特性为：,TTL与非门的VTH=1.4V；,预备知识：,开门电平VON：使与非门开通的输入高电平的最小值。关门电平VOFF：使与非门关闭的输入低电平的最大值。,输出高电平（逻辑1）与非门关闭,输出低电平（逻辑0）与非门开通,4,CMOS反相器的VTH=VDD/2。,同样，CMOS反相器也有门坎电平或（阈值电压)：VTH,5,2、TTL与非门的输出等效电路：,输出为高电平（与非门关闭）时：,输出为低电平（与非门开通）时：,输出电阻,6,3、TTL与非门的关门电阻和开门电阻:,&,vI,vO,输入端悬空，相当于接逻辑高电平；,输入端经电阻接电源电压，相当于接逻辑高电平；,输入端经电阻接地，输入端的电平与电阻阻值大小有关。,输出高电平 与非门关闭,输出低电平 与非门开通,7,ROFF=0.85k,RON=2.5k,RROFF与非门关闭，输出高电平；,RRON与非门开通，输出低电平。,关门电阻,开门电阻,而对于CMOS门电路而言：(1)输入端不许悬空；(2)输入端经电阻接电源时，与接逻辑高电平等效；(3)输入端经电阻接地时，与接逻辑低电平等效。,74LS系列：RON=9k,8,4、电容的储能作用：,(1)电容具有储能作用，当两端电压增大时，储存电场能；当两端电压减小时，释放电场能。,(2)微分电路：,(3)积分电路：,电容上的电压不能突变。,换路定律：vC(0+)=vC(0-),稳态时，电容相当于开路。,9,8.1 单稳态触发器,1)电路有一个稳态、一个暂稳态;2)在外加触发信号的作用下，电路由稳态翻转到暂稳态；3)经过一段时间，电路将自动由暂稳态返回到稳态；4)暂态的持续时间只取决于电路参数，而与所加触发信号的宽度无关。,与基本SR触发器区别！,单稳态触发器的特点：,后者为双稳态电路,10,8.1.1 用CMOS门电路组成的微分型单稳态触发器,两个与非门(或非门)+RC微分电路构成,1、电路组成：,注意与P389 图的不同：输入端未加微分电路,vI2,vI2,与作业类似,与基本SR锁存器有何不同？,输入为窄脉冲，输出为宽脉冲,11,(1)vI未加单正脉冲 vI=0,稳态时C开路vI2=1 vO=0,0V,0,1,0,1,2、或非门组成的微分型单稳态触发器的工作原理,电容两端电压相等，vC=0V,电路处于稳态,+,vO1=VDD,12,(2)vI加触发单正脉冲,电路进入暂稳态;,vO1=0，电容电压不能突变vI2下跳变 vO=1,vC,vO=1 vO1=0vO=1形成正反馈，即使vI正脉冲消失，输出仍能维持自锁。,0,1,0,此状态能否一直保持下去？,+,13,(3)VDD经R向电容C充电，vI2逐渐升高；,0,(4)当vI2阈值电压Vth时，电路状态将发生突变：,+,14,VDD+VTH,VDD+,vO由1变0vO=1(注意：此时vI的正脉冲已撤消),电容电压不能突变vC=Vth vI2上升到VDD+Vth,如果G2是CMOS门，由于保护二极管的作用 vI2只能上升到VDD+,Vth,0,0,0,1,暂态过程结束,+,15,VTH,+,VDD+,VDD+VTH,(5)恢复过程:,电路返回稳态:vI=0 vO1=1 vO=0 vI2=VDD,电容放电，vC恢复到稳态值;,等待下一次触发,特点:输入窄脉冲，输出宽脉冲。,16,(1)输出脉冲宽度tW,VDD+VTH,vI2,vO,VTH,VDD+,0,tW,tW=0.7RC,只取决于电路参数，与输入脉冲宽度无关。调节R或C，可改变tW宽度。,3、主要参数计算：,根据RC电路瞬态分析的三要素法：,R,VTH=VDD/2,17,(2)恢复时间tre,0,tre,一般认为经过(35)RC时间，电容已经放电完毕，即：,(3)最大工作频率：,则，触发脉冲的间隔(周期)最小不能小于tw+tre，即：Tmintw+tre,VDD+VTH,vR,vO,VTH,VDD+,tre=(35)RC,18,4、讨论：,(1)为保证触发脉冲为窄脉冲，输入端加RC微分电路,(2)为避免在瞬态结束瞬间vI2上跳变时损坏CMOS门，在器件内部有二极管保护电路。,(3)与非门组成的微分型单稳态触发器是负窄脉冲触发，输出负宽脉冲！,(4)若用TTL与非门组成微分型单稳态触发器，考虑到输入电流，则应R Roff，而Rd Ron。CMOS门组成的单稳态触发器中R、Rd 不受此限制。,19,补充：积分型单稳态触发器,工作原理：,1)稳态：vI=0，未加触发正脉冲,G1、G2封锁,vO1=vO=1vO1经R向C充电至vc=vO1=1,2)vI加触发正脉冲,电路由稳态变为暂态：,两个与非门+RC积分电路,0,1,1,1,0,0,20,1,0,0,3)vc经R和导通G1放电，电路自动返回稳态。,4)恢复过程,vI下跳变 G1封锁,vO1由0 1，vO1又经R向C充电，经3RC后，vc=1 稳态,vth,1,1,21,稳态 触发电容放电输出翻转输入消失电容充电恢复稳态,波形图,特点:输入宽脉冲，输出窄脉冲。,22,输出脉冲宽度tW取决于电容从vOH=3.6v放电至阈值电平1.4V的过渡时间。,RO=100 TTL与非门的输出电阻,23,(1)电路中无反馈电路状态转换过程较慢输出波形上升沿较差，,(2)电路要正常工作必须tpi tW 适用于宽脉冲触发的电路。,两点说明：,为此，后面再加一级整形电路,触发脉冲最小周期 Tmin5RC,24,积分型单稳态触发器：宽脉冲触发，触发脉冲宽度要求tpitW，尖峰脉冲干扰不会引起误动作抗干扰能力较强。但是由于没有正反馈，输出波形的边沿不理想。,微分型单稳态触发器：窄脉冲触发，容易引起误动作；电路中有正反馈，所以输出的边沿比较好。,两种单稳态触发器比较：,25,分为可重复触发和不可重复触发两类。,不可重复触发型电路进入暂稳态(被触发状态)时，不受触发输入影响，只有返回稳态后才可以被再次触发。可重复触发型电路在暂稳态中仍然可以接受输入，可以被重复触发，每触发一次，电路暂稳态会继续保持tW。,不可重复触发,可重复触发,（74121、74221、74LS221）,（74122、74123、74LS122）,8.1.2 集成单稳态触发器,26,1、不可重复触发的集成单稳态触发器 74121,触发信号控制电路,微分型单稳触发器,定时元件的连接：,R：外接电阻或采用内部电阻,C：外接电容,输出缓冲电路,(1)电路结构：,27,Rext/Cext,Cext,Rint外接电阻/电容/内接电阻引脚,A1、A2、B触发输入,74121功能表,(2)引脚图和功能表,28,(3)工作波形：,A1A2=0B有上升沿,B=1,A1A2=1并A2有下降沿,B=1,A1A2=1并A1有下降沿,29,外接电容接在10，11引脚(Cext,Rext/Cext)之间，如果C有极性，正极接10脚(Cext),若使用内部电阻(2k)，把9引脚(Rint)接VCC若使用外部电阻(1.440k)，电阻两端分别接11,14脚(Rext,VCC),输出脉冲宽度tw=0.7RC,(4)定时方式：,30,8.1.3 单稳态触发器的应用,1、定时利用单稳态触发器输出一定宽度的脉冲控制其他电路，使之在tW时间内动作或不动作,用单稳态触发器控制脉冲的定时通过,31,vO的上升沿相对于vI的上升沿延迟了tW1的时间，其宽度由R1、C1决定！,2、延时将输入信号延迟一定时间之后输出。,32,3、消除噪声电路(脉宽鉴别电路),只要设置tW，使之小于有用信号宽度，而大于噪声宽度。,对有用信号，在输入仍保持阶段，CP有上升沿，可以输出信号；对干扰，在CP上升沿到来时，已经消失，所以被消掉。,(1)vI=0D=0，R=0，触发器清零;(2)vI=1 D=1，R=1，CP无上升沿，触发器输出不变;(3)vI=1 D=1，R=1，CP上升沿，触发器输出1。,vO,干扰脉冲,干扰脉冲,33,8.2 施密特触发器,具有两个稳态；电路状态的转换与维持均依赖于外加触 发电平，输入电压在某一点上会导致输出 电压的突变；输入信号电压上升和下降对应的阈值电 压不同。,VT+,VT-,VT+,VT-,输入信号为上升趋势的电压，对应阈值电压VT+输入信号为下降趋势的电压，对应阈值电压VT-,电压传输特性具有滞回特性：,称为回差,电路特点：,34,8.2.1 门电路组成的施密特触发器,1、电路组成：图反相器组成的施密特触发器,G1、G2：CMOS反相器；,设阈值电压Vth=VDD/2，R1R2,显然,G1门的输入vI1决定着电路的状态。状态翻转的临界时刻为vI1=Vth,根据叠加原理有,35,(1)当vI=0V时 G1门截止，G2门导通 vO=0V。,设输入为三角波,由此求得正阈值电压VT+,2、工作原理：,vI从0V逐渐,只要vI1 VTH，即vI VT+时，vO=0V不变。,vI从0V逐渐,当vI上升到使vI1=VTH时,36,(2)vI继续,当使vI1 Vth时，电路发生如下正反馈过程：,vI1 vo1 vo,电路状态很快转换为vo VDD，,由此负阈值电压VT-,vO=VDD,(3)vI，到达最大值后，只要vIVT-，vO保持VDD不变。,37,(4)vI继续，当vIVT-时，电路发生如下正反馈过程：,vI1 vo1 vo,电路状态很快转换为vo=0V。,(5)vI，到达最小值后上升，只要vI VT+，vO=0V不变。,重复上述过程，电路输出矩形波。,三角波,矩形波,若输入为三角波，,波形变换,38,若VTH=VDD/2,调节R1、R2，可以调节回差电压,逻辑符号,3、求回差,由,逻辑符号,电压传输特性,集成施密特触发器介绍了CC40106施密特反相器,电压传输特性,同相输出,反相输出,39,8.2.3 施密特触发器的应用：,1、波形变换,正弦波矩形波,三角波矩形波,40,2、波形整形消除噪声干扰,回差电压比较小,回差电压比较大,具有顶部干扰的输入信号,41,可以调节VT+作为鉴别门限,(3)幅度鉴别：,去除幅度小于某个值的脉冲，只要令VT+等于该值即可。,42,8.3 多谐振荡器,一种自激振荡电路，无需外界触发即可产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波，没有稳定状态无稳态电路。,矩形波中含有多种谐波分量，又称为多谐振荡器。,电路特点：,(1)电路中含有开关器件,如门电路、电压比较器、BJT等 用以产生高低电平；,(2)具有反馈网络将输出电压反馈给开关器件使之改变输出状态自动进入振荡状态；,(3)具有延时环节(RC充放电回路）以获得所需要的振荡频率。,43,8.3.1 门电路组成的多谐振荡器,1、电路组成：,G1、G1：CMOS反相器开关器件；,R、C：延时环节兼作反馈网络。,44,2、工作原理,(1)t=0时刻接通电源，假定C未充电；vO1=VOH=VDD,则vI=vO2=VOL=0;,(2)vO1高电平，vO2低电平，vO1通过R向C充电,vI电压逐渐升高。,此状态能否一直保持下去？,第一暂态,45,(3)当vI上升至VTH时,门电路G1发生状态翻转，vO1=0 vO2=VDD电容两端电压不能突变vC=VTH vI=vO2+vC=VDD+VTH,对CMOS门电路而言，VTH=1/2VDD,vI应该上升到1.5VDD，但是由于保护二极管的作用，vI不能上升那么高，仅到达VDD+V+,46,电容C通过R放电或由vO2反向充电，vI电压逐渐下降。,(4)vO1=0,vO2=VDD,在vI下降至Vth之前，vO1=0，vO2=VDD，保持不变。,此状态能否一直保持下去？,第二暂态,47,(5)当vI下降到VTH,门电路G1再次发生状态变化vO1=VDD,vO2=0此时vC=VDD-VTH,电容电压不能突变vI=VTH-VDD=-(VDD-VTH),CMOS门电路-(VDD-VTH)=-1/2VDD,由于保护二极管的作用，vI只能下降到-V-,48,(6)vI=-V-vO1=VDD vO2=0，电路又回到第一暂稳态。,周而复始，电路产生多谐振荡。,49,3、振荡频率计算：,由RC电路的瞬态响应(三要素法)：,根据vI求t,三要素法见阎石主编数字电子技术基础 P274275,50,求T1:t1为时间起点0+；求T2:t2为时间起点0+；,vO1=VDD,vO2=0,计算T1：,vI(0+)=-V-vI(T1)=VTH vI()=VDD,51,vI()=0vI(T2)=VTHvI(0+)=VDD+V+,vO1=0,vO2=VDD,计算T2：,52,V+,V-的值大约为保护二极管的正向导通电压0.7V,相对于VDD可以忽略不计对CMOS门电路：VTH=1/2VDD，则有,调节R或C可以改变T或f,8.3.2 施密特触发器构成的的多谐振荡器,T1,T2,54,1、石英晶体的电路符号和选频特性,电抗频率特性,当 f=f0 时,电抗 X=0,8.3.3 石英晶体振荡器（了解）,频率稳定度(f0/f0)可达10-1010-11。,55,限流电阻,结合工作波形说明其工作原理:,补充:RC环形多谐振荡器,将奇数个与非门（反相器）首尾相接，添加RC延时电路即可构成。,RC延时环节兼作反馈网络。,整形,56,(1)设:电源合闸瞬间vA vth,电容反向充电vA下降,在vR vth时，vo不翻转。,vC经R放电(或vo1向C反向充电),vA,第一暂态,57,(2)当vRvth时，vo翻转vo1、vo2也随着一起翻转。,由于电容电压不能突变,当vo1 发生下跳变时,vR下跳变同样的值。,58,只要vRvth，vo就不翻转。,(3)由于vo1vo2，vo2经R向C正向充电 vR;,第二暂态,59,(4)当vAvth 时，vo、vo1、vo2翻转。,由于电容电压不能突变,当vo1发生上跳变时,vA将上跳变同样的值。,然后电容又反向充电，vA开始下降如此，周而复始,60,由此产生多谐振荡：,说明：由于与非门输出电阻和电路中电容的影响，当与非门输出由01时，在上跳变瞬间，其高电平达不到3.6V（因为充电电流在输出电阻Ro上有电压降）；随着充电电流的减小，输出高电平升高，如图所示。,振荡周期T:,61,T 2.2 RC,若VOH=3V，Vth=1.4V,见阎石主编数字电子技术基础 P486,由RC电路的瞬态响应(三要素法)：,即：,若R1+RSR，忽略与非门输出电阻，且VOL0，,则有,62,8.4 555定时器及其应用,预备知识：电压比较器模拟电子中有详述,电压比较器是运算放大器的非线性应用（开环）,运算放大器是一种高输入阻抗、低输出阻抗、高增益、低漂移的直耦式多级放大器。,符号,同相输入端,反相输入端,当vI+vI-时，vO=+VOmax输出为逻辑1；,当vI+vI-时，vO=-VOmax输出为逻辑0；,一种应用极为广泛的中规模集成电路，用于信号产生、变换、控制与检测。,63,RD,控制电压,阈值输入,触发输入,放电端,复位端,电源,接地,输出端,1、电路结构:,芯片有八个管脚,阈值输入,触发输入,控制电压,放电端,输出端,复位端,电源,接地,64,(2)vI12/3VCC;vI21/3VCCR=0,S=0Q=1vO=1，TD截止;,(3)vI11/3VCCR=1,S=1Q保持vO保持，TD保持;,(4)vI12/3VCC;vI21/3VCCR=1,S=0Q=1vO=1，TD截止;,(1)vI12/3VCC;vI21/3VCC R=0,S=1Q=0 vO=0，TD导通,2、工作原理,RD=0时，TD导通，vO=0,RD,1/3VCC,2/3VCC,设RD=1、VCO悬空，,由于三个电阻的分压关系，,R,S,65,555 定时器的功能表,则电路相应的所有阈值都发生变化。,思考：RD=1时，若加控制电压VCO，如何？,阈值输入,触发输入,R=0S=1,R=1S=0,R=1S=1,R=0S=0,66,3、555定时器的应用,a.vI1/3VCC时，C1输出高电平，C2输出低电平，vO1=1,c.1/3VCC vI2/3VCC时，C1输出高电平，C2输出高电平，即R=S=1，vO1保持。,(1)构成施密特触发器:,b.vI2/3VCC时，C1输出低电平，C2输出高电平，vO1=0,R,S,67,如果vI从小变大，vI2/3VCCvO1=0,如果vI从大变小，vI2/3VCCvO1=01/3VCCvI2/3VCCvO1=0 vI1/3VCCvO1=1,设vI输入为三角波,VT+=2/3VCC;VT-=1/3VCC反相输出的施密特触发器,R,S,68,若在5引脚上加控制电压，可以改变VT+,VT-,电压传输特性：,vO1=0时，vO2=0V;vO1=1时，vO2=VCC1,R,S,69,波形图,三角波,矩形波,波形变换,70,(2)构成多谐振荡器:,a.电源合闸，VCC经R1、R2向C充电，vC增大，在vC2/3 VCC时，vO=1，放电管TD截止；,b.vC继续增大，当vC2/3 VCC时，vO=0，放电管TD导通；,c.vC经R2 和放电管TD放电，vC下降，当vC1/3 VCC时，vO=1，放电管TD又截止；,d.VCC又经R1、R2向C充电，vC增大,周而复始，vO输出矩形波。,R,S,71,占空比：q(%)=tPH/(tPL+tPH)*100%=(R2+R1)/(2R2+R1)*100%,VCC经R1、R2向C充电,VC经R2和放电管TD放电,可见占空比只与电阻有关系,72,充电路径：tPH=RACln2,放电路径：tPL=RBCln2,占空比：q(%)=tPH/(tPL+tPH)*100%=RA/(RA+RB)*100%,占空比可调的方波发生器,利用D单向导电特性，将充、放电回路分开，再加上电位器调节，便构成了占空比可调的多谐振荡器,73,(3)构成单稳态触发器,电路组成：触发信号从触发输入端vI2(2)输入，将放电端(7)与阈值输入端(6)vI1相连，同时对电源和对地分别接入R和C，,74,(3)构成单稳态触发器,a.电路的稳态:vc=0，vo=0，R=S=1,vI=1(未加触发负脉冲)：,1）vO=0，TD导通，vC迅速放电至0V，R=S=1 vO保持低电平不变 2）vO=1，TD截止，VCC经R向C充电，当vC2/3 VCC时，R=0，S=1 vO=0VTD导通，vC迅速放电至0V R=S=1 vO保持低电平不变。,b.vI加触发负脉冲，电路翻转为暂态：vI下跳变，当vI 1/3 VCC时，S=0，R=1 Q=1,vO跳变为高电平，与此同时，TD截止，电容被充电。,75,(3)构成单稳态触发器,c.当C充电至2/3VCC时，R=0。如输入端触发脉冲已消失，即S=1 Q=0，于是vO跳变为低电平，同时TD导通，电容迅速放电至0V，电路恢复到稳态。,76,波形图：,该触发器是不可重复触发型,因为触发器回0的唯一条件是vC上升至2/3VCC时，R=0。,77,在暂态过程中，即使vI有新的负脉冲，vo仍保持为1，电路状态不变，直至暂态结束。,另外注意：此单稳态触发器为窄脉冲触发！,78,在5引脚外，接控制电压VCO可改变tW,暂态持续时间tW：由过渡过程三要素法求得,tW对应vC从0V充电到2/3VCC所需的时间,此时，VTH=1/2 VCO,79,可重复触发的单稳态触发器,加一个PNP型放电管T，其e极接6、7脚，c极接地，b极接vI，,使vC多了一个放电途径，当vI为0时，T导通，vC放电。,起什么作用？,80,触发过程：,触发脉冲vI下跳变，进入暂稳态，T导通，C放电。S=0，此时R=1 Q=1,vO跳变为高平，电路进入暂稳态；与此同时，TD截止，,可重复触发单稳触发器,vI上跳变，电容充电。,(3)若在C未充电到2/3VCC时，输入端又有触发脉冲，则电容通过T放电，在负脉冲消失后再次充电暂稳态一直持续到两个触发脉冲的间隔大于tW,C充电至2/3VCC时为止。,(2)当C充电至2/3VCC时，R=0，并S=1 Q=0，于是vO跳变为低电平，同时TD导通，电容迅速放电至0V，电路恢复到稳态。,81,施密特触发器,可重复触发单稳态触发器,失落脉冲检测器,82,报警信号,83,多谐振荡器的振荡频率,代入R3、C2、f的值，求出,R2=0.61 k,8.4.4,注意此处的连接,84,85,波形图：,vo1,t,0,VDD+VD+,多谐振荡器输出一定周期的矩形波,微分电路输出尖脉冲,二极管限幅,单稳态触发器,输出脉宽一定的矩形波,但tW保持不变！,频率可调、脉宽不变的方波发生器,86,(1)多谐振荡器产生矩形波，时钟脉冲波(2)单稳态触发器定时、延时，消除噪声(3)施密特触发器滤波整形，波形变换(4)555定时器多用途器件,小 结,end,87,作业1:,(只定性画出波形图),(2)8.3.2,8.3.3(均只定性画出波形图),(3)8.4.3,8.4.4,8.4.5,作业2:,作业3:,88,小测验：,分别采用反馈清零法和反馈置数法两种方法用集成同步四位二进制加法计数器74161实现24进制计数器，画出逻辑示意图。,CET、CEP：使能端，高电平有效；CP：时钟脉冲输入端；CR：异步清零端，低电平有效；PE：同步置数端，低电平有效；TC：进位输出端；D3D2D1D0：置数输入端；Q3Q2Q1Q0：输出端。,