数电第八章脉冲波形的变换与产生课件.ppt

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1、第八章 脉冲波形的变换与产生,8.1 单稳态触发器8.2 施密特触发器8.3 多谐振荡器8.4 555定时器及其应用,教学基本要求,正确理解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的电路 组成及工作原理。掌握多谐、单稳、施密特触发器MSI器件的逻辑功能及主要指标计算。掌握555定时器的工作原理。掌握由555定时器组成的多谐、单稳、施密特触发器的电路、工作原理及外接参数及电路指标的计算。,8.1 单稳态触发器, 电路在没有触发信号作用时处于一种稳定状态。 在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态; 由于电路中RC延时环节的作用，暂稳态不能长保持,经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持

2、续时间仅取与RC参数值有关。,基本概念,1. 单稳态触发器的工作特点,2. 单稳态触发器的分类,8.1.1 用CMOS门电路组成的微分型单稳态触发器,1. 电路,CMOS与非门构成的微分型单稳态触发器,CMOS或非门构成的微分型单稳态触发器,正脉冲触发,负脉冲触发,2. 工作原理（以或非门构成的为例）,设定CMOS门电路电压传输特性理想化，反相器的阈值电压：,（1）没有触发信号时， I = 0，电路处于稳态。,电路处于一种稳态。只要没有正脉冲输入，电路状态一直保持。,I2 =1， O =0， O1 =1 ，C =0,（2）外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态,I外加正脉冲，O1跳变为“0”，C

3、两端电压不能突变，G2输入变为“0”，O=“1”，O2的高电平作为G1的输入，导致如下正反馈过程。,由于 O输出为高，即使触发信号 I撤出， O1仍维持低电平，然而，电路的这种状态是不能长久保持的，故称为暂稳态。, O1 = 0， O2 = 1,（3）电容充电，电路由暂稳态自动返回稳态,暂稳态期间，电源经R对C充电， C升高， I2也升高，当 I2 = Vth = 0.5VDD时，电路发生以下正反馈过程（ I触发脉冲已撤出）,电路回到稳态： O = 0， O1= 1。,转换后瞬间，电容两端的电压为 I2=VDD+Vth，暂稳态结束后，电容通过R放电，使C上的电压恢复到稳定状态时的初始值。,（4

4、）工作波形:,3. 主要参数的计算,（1） 输出脉冲宽度tw, C(0+) = 0； C() =VDD = RC；VTH = VDD /2,（2） 恢复时间tre,tre 3,（3） 最高工作频率 fmax,4. 讨论,（1）在暂稳态结束（t= t2）瞬间，门G2的输入电压I2达到VDD+VTH，可能损坏G2门，怎么办？,（2）用TTL门电阻R的取值可以是任意的吗？,采用TTL与非门构成单稳电路时，电阻R要小于0.7k。,8.1.2 集成单稳态触发器,不可重复触发,可重复触发,被重复触发,1. 不可重复触发的集成单稳态触发器 74121,电路的连接： C外接电阻容 R外接电阻或采用内部电阻 输

5、出脉冲宽度： tw0.7RC,74121功能表,2. 可重复触发的集成单稳态触发器( 略),8.1.3 单稳态触发器的应用,1. 定时,该电路可用于频率计,2. 延时,3. 组成噪声消除电路,单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度而小于信号脉宽，才可消除噪声。,8.2 施密特触发器,施密特触发器电压传输特性及工作特点, 施密特触发器属于电平触发器件，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。, 电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时，电路的阈值电压分别是正向阈值电压（VT+）和负阈值电压（VT-） 。,8.2.1 用门电路组成的施密特触发器,1. 电路组成,2. 工作原理,设电路中G1

6、、G2门翻转电压VthVDD/2，且R1 R2。输入为三角波。,由于为CMOS门，无输入电流，由叠加原理得：, 当 I=0时, I逐渐上升， I1也逐渐上升，当上升到Vth 时，电路翻转。,电路此时翻转对应的输入电压为正向阈值电VT+。,翻转后， O1=0， O=VDD， I继续上升， I1Vth， O=VDD不变。, I上升到最大后开始下降， I1也下降，当下降到略小于V th，电路翻转。,电路此时翻转对应的输入电压为负向阈值电VT-。,翻转后， O1= VDD， O=0， I继续下降， I1 Vth， O=0不变。, 回差电压：,电压传输特性,8.2.2 集成施密特触发器,8.2.3 施密

7、特触发器的应用,1波形变换,如将正弦波、三角波变换为矩形波信号；,2. 波形整形,3. 消除干扰信号,合理选择回差电压，可消除干扰信号。,4幅度鉴别,消除幅度较小的脉冲，鉴别出幅度高于VT+的脉冲,8.3 多谐振荡器,多谐振荡器：一种自激电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲波或方波。多谐振荡器在工作过程中不存在稳定状态，故称无稳态电路。,基本概念,基本组成：,开关器件：产生高、低电平。反馈延迟环节（ RC电路）：利用RC电路的充放电特性实现延时，输出电压经延时后,反馈到开关器件输入端，改变电路的输出状态,以获得所脉冲波形输出。,8.3.1 由CMOS门电路组

8、成的多谐振荡器,1电路组成及工作原理,电路中G1、G2由CMOS门电路组成，为讨论方便，设电路的电压传输特性曲线为理想化情况，即：,开门电平(VON)和关门电平(VOFF)相等且为Vth=0.5VDD(门坎电平)。,即：VI VON =Vth 门打开（输出低）， VI VOFF =Vth 门关闭（封锁，输出高）。,工作过程分析：, 第一暂稳态及自动翻转过程。,电源VDD经G1的TP管、R和G2的TN给C充电，使VI电压上升，当VI到达Vth时G1翻转，G2翻转，进入第二暂稳态。,上电时，C两端未充电， VO1 = 1，VI = VO2 = 0，为第一暂稳态。, 第二暂稳态及自动翻转过程,电路进

9、入第二暂稳态瞬间，VO1= 0，VO2= 1，C两端的压降为Vth，故VI应为Vth+VOH，即VthVDD。但由于二极管的钳位作用，VIVDD+V+（V+：二极管正向压降）。,C通过G2的TP和G1的TN及R放电，使VI下降，当VI下降至Vth后，G1、G2再次翻转，进入第一暂稳态，此时C两端电压为-Vth，翻转后VI应为-Vth，由于D的钳位，VIV-。,工作波形：,2振荡周期的计算,T1：,T2：,由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期T取决于R、C电路和VTH，频率稳定性较差。,8.3.2 用施密特触发器构成波形产生电路,8.3.3 石英晶体振荡器,双相脉冲产生电路,石英晶体振荡器,8.4

10、 555定时器及其应用,8.4.1 555定时器,555定时器是一种应用方便的中规模集成电路, 广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。,1. 电路结构, 3个阻值为5K的电阻组成的分压器(555电路) 两个电压比较器C1、C2 基本SR锁发器 放电三极管T 缓冲器G,2工作原理, RD为复位端，低电平有效，复位时输出为低，正常工作时，应接高电平。, 5 脚悬空时，比较器C1、C2的比较电压分别为 1/3VCC和2/3VCC。, VI12/3VCC VI21/3VCC,C1出高，C2出低，基本RS触发器置1，T截止，输出VO为高。, VI12/3VCC VI21/3VCC,C1出低，C2出高，R

11、S触发器置0，T导通，输出VO为低电平。, VI11/3VCC,C1出高，C2出高，RS触发器R=S=1，状态保持，整个电路保持原状态。,功能表,讨论：在控制电压输入端5脚施加一外电压，比较器的参考电压将如何变化，工作情况如何变化？,8.4.2 用555定时器组成施密特触发器,如何改变电路的阈值电压和回差电压?,施密特触发器的应用, 波形变换,电路的频率可变?占空比可变?如何改变占空比? 回差电压减小,占空比如何变化?如图电路，从7脚输出，则输出电压高低电平如何变化？,思考题, 波形产生电路(多谐振荡器 ),8.4.3 用555定时器组成单稳态触发器,1. 电路,2. 工作原理, 稳态（输出为

12、0）,上电时，VI1=VC=0 1/3VCC，输出状态随机为“0”或“1”，并暂时保持不变。, 若VO=1，T截止，C充电，VC上升，当VI1=VC 2/3VCC，VO=0，T导通，C放电，VI1=0，输出保持0。, 若VO=0，T导通， VI1=0，输出保持0。, 暂稳态,施加触发信号， VI2=VI=VIL 2/3VCC(此时，VI已撤出，即VI2=VI=VIH)， VO：10 ，T导通，C放电，VI1=0，输出保持0。,3. 电路参数,电路是可重复触发的单稳?如将5脚接电压V,电路的脉宽会改变吗?V增加,脉宽如何改变?减小?,思考题, 脉冲宽度调制器,4. 555组成的单稳态的应用, 用

13、555定时器组成可重复触发单稳,8.4.4 用555定时器组成多谐振荡器,1. 工作原理, 上电瞬间，VC0，VI1(6)=VI2(2)=0，VO=1，T截止，VCC通过R1、R2向C充电，VC上升。, 当VI1(6)=VI2(2)=VC2/3VCC，发生翻转，VO：10，T导通，7脚电压近似为0，C通过R2、T放电，VC下降。, 当VI1(6)=VI2(2)=VC1/3VCC，发生翻转，VO：01，T截止， VCC通过R1、R2向C充电，VC上升。 又进入（2），如此反复，形成振荡，输出一矩形波。,2. 参数计算, C放电时间（tPL）, C充电时间（tPH）, 矩形波周期T(频率f ), 占空比q,占空比可调多谐振荡器,说明：利用D1、D2的单向导电特性，将充电回路和放电回路分开。,充电：,放电：,调节R2可改变输出占空比，若使RARB，输出为方波。,