脉冲波形的变换与产生2

会计学1脉冲波形的变换与产生2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§8.4555定时器及其应用第1页/共69页单稳态触发器的特点它的突出特点是:输出端只有一个稳定状态,另一个状态则是暂稳态.加入触发信号后,它可以由稳定状态转入暂稳态,但是,经过一定时间以后,它又会自动返回原来的稳定状态。稳定状态稳定状态暂稳态由外界触发自动返回学习的重点:为什么会自动返回?需多少时间?§8.1单稳态触发器第2页/共69页一、电路及特点G1VI≥1≥1VCCG2VRRV02V01VDD+-二、原理VI=0VR=1V02=0V01=1VC=0V1、稳态V01=1V02=08.1.1用CMOS门电路组成的微分型单稳态触发器第3页/共69页G1VI≥1≥1VCCG2VRRV02V01VDD+-2、稳态暂稳态正反馈：V01=0V02=1V01V02VRVIV01=1V02=0V01=0V02=1第4页/共69页G1VI≥1≥1VCCG2VRRV02V01VDD+-3、暂稳态稳态C充电VRV02V01正反馈：V01=1V02=0V01=0V02=1V01=1V02=0第5页/共69页4、波形0tVI0tV010tVRVDDVthVDDVth+0tV02tw暂稳态t1t2暂稳态结束后,电容将通过电阻放电,使电容上的电压恢复到稳态时的初始值.G1VI≥1≥1VCCG2VRRV02V01VDD+-第6页/共69页三、主要参数计算1、输出脉冲宽度tw以VR计算当第7页/共69页2、恢复时间tre3、最高工作频率第8页/共69页8.1.2集成单稳态触发器可重复触发：在输出脉宽内，又输入一触发信号，输出响应该信号。不可重复触发：只有第一个触发信号有效，在脉宽范围内不响应第二个触发信号。74121是TTL集成器件，是不可重复触发的集成单稳态触发器。第9页/共69页集成单稳态触发器74121A1和A2是两个下降沿有效的触发信号输入端，B是上升沿有效的触发信号输入端。AABvovoextCRintCextextRVCCGND10111491634512774121第10页/共69页集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法:（a）使用外部电阻Rext且电路为下降沿触发的连接方式.（b）使用内部电阻Rint且电路为上升沿触发的连接方式。AABovovextCintRextextCRCCVGND10111491634512774121CCVextR1vICextAABovovextCintRextextCRCCVGND10111491634512774121vICextCCV第11页/共69页74121的主要参数(1)输出脉冲宽度tW使用外接电阻：tW≈0.7RextC使用内部电阻：tW≈0.7RintC（2）输入触发脉冲最小周期TminTmin=tW＋tretre是恢复时间。（3）周期性输入触发脉冲占空比q定义：q=tW/T最大占空比：qmax=tW/Tmin74121内部电阻=2kΩ，外接电阻Rext可在1.4～40kΩ之间选择，外接电容C可在10pF～10μF之间选择，所以，当R=2kΩ时，最大占空比qmax为67%；当R=40kΩ时，最大占空比qmax可达90%。第12页/共69页五．单稳态触发器的应用1.定时当v/O=1时，与门打开，vO=vF。当v/O=0时，与门关闭，vO为低电平。显然与门打开的时间是恒定不变的，就是单稳输出脉冲v/O的宽度tW。1&vIOvvO单稳与门vFtWvIvOvFOv第13页/共69页AABextCextR1274121(0)R1extCVCCC1vIvO0QAABextCextR1274121(1)R2extCVCCC2vOQVCC2.延时0tvI0tvo00tvotw1tw1用两片74121组成脉冲延时电路,从波形图可以看出,vo脉冲的上升沿相对输入信号vI的上升沿延迟了tw1时间。第14页/共69页3.整形单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲vO。vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于暂稳态时间。第15页/共69页1、特点一、电路及特点§8.2施密特触发器电平触发，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变；输入信号增加和减小时，电路有不同的阈值电压。回差特性第16页/共69页二、工作原理设VI为三角波，R1<R2,Vth=VDD/22、电路11VIV02R2G1G21V01R1VI1CMOS门第17页/共69页11VIV0R2G1G21V01R1VI11、VI=0V,VI1<Vth,V01=1,V0=0VI1V01V0VthV01=0,V0=1正反馈瞬间完成第18页/共69页V0从0到1的跳变前一瞬间所对应的VI=VT+故有第19页/共69页11VIV0R2G1G21V01R1VI12、V01=0,V0=1VI1V01V0VthV01=1,V0=0正反馈瞬间完成第20页/共69页3、结论VI>VT+，V0=1VI<VT-，V0=0回差电压：VIV01逻辑符号第21页/共69页4、波形0tVIVT+VT-V00tVDDV00VDDVIVT-VT+V011VIR2G1G21V01R1VI1VIV01逻辑符号第22页/共69页三、应用1.整形及变换三角波方波，正弦波方波①波形变换第23页/共69页0tVT+VT-2VT-1t0V010tV02②脉冲整形第24页/共69页2.用于脉冲鉴幅——从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于VT+的输入脉冲。第25页/共69页一、由门电路组成的多谐振荡器11VIV02RG1G21V01充电§8.3多谐振荡器1.电路一种由CMOS门电路组成的多谐振荡器第26页/共69页一种由CMOS门电路组成的多谐振荡器G1G2D1D2vITPTNvO1RD3D4TPTNvO2VDDC图8.3.1多谐振荡器原理图第27页/共69页输入保护电路大部分场效应管输入端接二极管以保护管子不被击穿。VI送7.5V，VI1=5.7VVI送-5V，VI1=-0.7VVIVI15VV0TPTN11VIV02RG1G21V01第28页/共69页1)、暂态一设初态V01=1，V02=0VIV01V02VC不能突变Vth正反馈，C充电,进入暂稳态211VIV02RG1G21V01充电V01=0，V02=12.分析第29页/共69页结论：多谐振荡器的两个暂稳态的转换过程是通过电容C充放电作用实现，C充放电又集中体现在VI的变化上。2)、暂态二V01=0，V02=1正反馈，C放电,进入暂稳态1VIV01V02VC不能突变Vth11VIV02RG1G21V01放电V01=1，V02=0第30页/共69页T1----暂态一T2----暂态二0tV01V+VDD+0tVIVth0tV02T1T2t1t211VIV02RG1G21V01波形t3第31页/共69页3、振荡周期的计算VI(t)=VI(∞)+[VI(0+)-VI(∞)]e1第32页/共69页T=T1+T2=1.4RC3、占空比第33页/共69页11VIV02RG1G21V01RS加上RS前后，电容左端电压峰峰值的变化为：VDD----0Vth+VDD----Vth-VDD第34页/共69页加上RS前后，电容左端电压VI1峰峰值的变化为：VDD----0Vth+VDD----Vth-VDD11VIV02RG1G21V01RSVI1第35页/共69页0tV010tV02T1T2t1t20tVI1VthVth+VDDVth-VDD加上RS后，振荡电路的波形第36页/共69页加RS=10R后的振荡周期计算将Vth=1/2VDD代入T=T1+T2=RCln9=2.2RC第37页/共69页集成施密特触发器以芯片40106为例VIV01逻辑符号VR0VDDVT-VT+VI>VT+，V0=0VI<VT-，V0=1二、用施密特触发器构成多谐振荡器第38页/共69页1、用集成施密特触发器构成多谐振荡器VI0t0tVoVT-VT+T1T2a:充电，VC=VT+,V010b:放电，VC=VT-,V001VIV01RC第39页/共69页VI0t0tVoVT-VT+T1T2周期计算f=1/T-----振荡频率第40页/共69页2、用集成施密特触发器构成占空比可调的多谐振荡器VI0t0tVoVT-VT+T1T2VIV01R1R2D1D2思考:占空比如何调节?该振荡器的周期怎么求?第41页/共69页2、用集成施密特触发器构成占空比可调的多谐振荡器VI0t0tVoVT-VT+T1T2VIV01R1R2D1D2第42页/共69页三．石英晶体多谐振荡器1.石英晶体的选频特性有两个谐振频率。当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0；当f=fp时，为并联谐振，石英晶体的电抗无穷大。由晶体本身的特性决定：fs≈fp≈f0（晶体的标称频率）石英晶体的选频特性极好，f0十分稳定，其稳定度可达10-10～10-11。石英晶体的符号0ff0X电感性电容性fp第43页/共69页2.石英晶体多谐振荡器（1）串联式振荡器R1、R2的作用——使两个反相器在静态时都工作在转折区，成为具有很强放大能力的放大电路。对于TTL门，常取R1=R2=0.7～2kΩ，若是CMOS门则常取R1=R2=10～100MΩ；C1=C2是耦合电容。石英晶体工作在串联谐振频率f0下，只有频率为f0的信号才能通过，满足振荡条件。因此，电路的振荡频率=f0，与外接元件R、C无关，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。第44页/共69页一、555定时器的电路结构由以下几部分组成：（1）三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器。（2）两个电压比较器C1和C2。电压比较器的功能：v+>v-，vO=1v+<v-，vO=0（3）基本RS触发器、（4）放电三极管T及缓冲器G。§8.4555定时器及其应用第45页/共69页VORvCC(3)vICI1vvI2Ov,(7)(2)(6)(5)阈值输入控制电压触发输入放电端CC&&&1RSTG5kΩ5kΩ5kΩ12D(8)(4)电源复位(1)Q第46页/共69页第47页/共69页O12658437Ov,vI2I1vvICVCCv555DROVRCCD电源复位CC&&&1RSTG5kΩ5kΩ5kΩ12v(8)(4)(3)vICI1v(1)vI2Ov,(7)(2)(6)(5)阈值输入控制电压触发输入放电端第48页/共69页二．工作原理（1）4脚为复位输入端（RD），当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo为低电平。正常工作时，应将其接高电平。（2）5脚为电压控制端，当其悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3VCC和1/3VCC。（3）2脚为触发输入端，6脚为阈值输入端，两端的电位高低控制比较器C1和C2的输出，从而控制SR锁存器，决定输出状态。O12658437Ov,vI2I1vvICVCCv555DR第49页/共69页施密特触发器——具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。一.用555定时器构成的施密特触发器1.电路组成及工作原理三．定时器应用举例VCC2R1265VCCRDO5553Ov7vI2I1vvIC8412IvCCVv第50页/共69页VORvCC(3)vICI1vvI2Ov,(7)(2)(6)(5)阈值输入控制电压触发输入放电端CC&&&1RSTG5kΩ5kΩ5kΩ12D(8)(4)电源复位(1)Q第51页/共69页2.电压滞回特性和主要参数（1）电压滞回特性第52页/共69页（a）正向阈值电压VT+——vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。VT+=2/3VCC。（b）负向阈值电压VT———vI下降过程中，vO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。VT—=1/3VCC。（2）主要静态参数（3）回差电压ΔVTΔVT=VT+－VT—=1/3VCC第53页/共69页单稳态触发器——有一个稳态和一个暂稳态；在触发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。二．用555定时器组成单稳态触发器1.电路组成及工作原理（1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态当vI=1时，电路工作在稳定状态，即vO=0，vC=0。（2）vI下降沿触发当vI下降沿到达时，vO由0跳变为1，电路由稳态转入暂稳态。26VCCRDO5553vI2I1v84v7RVCCC150.01μFC1vCvI第54页/共69页2C3VCCvttOOttOvvOtIVCC01tW26VCCRDO5553vI2I1v84v7RVCCC150.01μFC1vCvI第55页/共69页（4）自动返回（暂稳态结束）时间当vC上升至2/3VCC时，vO由1跳变0，三极管T由截止转为饱和导通，电容C经T迅速放电，电压vC迅速降至0V，电路由暂稳态重新转入稳态。（3）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，三极管T截止，VCC经R向C充电。时间常数τ1=RC，vC由0V开始增大，在vC上升到2/3VCC之前，电路保持暂稳态不变第56页/共69页（5）恢复过程当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的放电三极管T放电，时间常数τ2=RCESC，经过（3～5）τ2后，电容C放电完毕，恢复过程结束。26VCCRDO5553vI2I1v84v7RVCCC150.01μFC1vCvI2C3VCCvttOOttOvvOtIVCC01tW第57页/共69页2.主要参数估算(1)输出脉冲宽度Tw（用三要素法计算）上式说明，单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节tW。第58页/共69页（2）恢复时间tretre=（3～5）τ2（3）最高工作频率fmaxvI周期的最小值：Tmin=tW＋tre因此，单稳态触发器的最高工作频率应为:第59页/共69页多谐振荡器——能产生矩形脉冲波的自激振荡器。三．用555定时器构成的多谐振荡器1.电路组成及工作原理26VCCRDO5553vI2I1v84v7RRVCC12C150.01μFC1vCP第60页/共69页2.振荡频率的估算（1）电容充电时间T1：（用三要素法计算）（2）电容放电时间T2第61页/共69页（5）输出波形占空比q（3）电路振荡周期TT=T1+T2=0.7(R1+2R2)C（4）电路振荡频率f第62页/共69页3．占空比可调的多谐振荡器电路利用半导体二极管的单向导电特性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。可计算得：T1=0.7R1CT2=0.7R2C占空比：26VCCRDO5553vI2I1v84v7VCCC150.01μFC1vCD1D21R2R第63页/共69页4．555构成的压控振荡器26VCCRDO5553vI2I1v84v7RRVCC12C150.01μFC1vCP第64页/共69页本章小结1．多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。用555定时器可以组成多谐振荡器，用石英晶体也定时器可以组成多谐振荡器。石英晶体振荡器的特点是fo的稳定性极好。2．施密特触发器和单稳态触发器，虽然不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，为数字系统提供标准的脉冲信号。第65页/共69页3．555定时器是一种用途很广的集成电路，除了能组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器以外，还可以接成各种灵活多变的应用电路。4．除了555定时器外，目前还有556（双定时器）和558（四定时器）等。重点：用555定时器组成多谐振荡器，施密特触发器和单稳态触发器的电路、应用、参数及计算（VT+、VT-、△VT、TW、T、f、q）、波形图。第66页/共69页作业8.1.2，8.1.3，8.2.2，8.3.38.4.3，8.4.4第67页/共69页第68页/共69页