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第 6 章 脉冲信号的产生与变换

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第 6 章 脉冲信号的产生与变换

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  1. 第6章 脉冲信号的产生与变换 • 学习要点: • 555定时器的工作原理及逻辑功能 • 由555定时器构成单稳、多谐、施密特触 发器的方法

  2. 第6章 脉冲信号的产生与整形 6.1 施密特触发器 6.2 单稳态触发器 6.3 多谐振荡器 退出

  3. 6.1 施密特触发器 6.1.1 由门电路构成的施密特触发器 6.1.2 由555定时器构成的施密特触发器 6.1.3 施密特触发器的应用 退出

  4. 6.1.1 由门电路构成的施密特触发器 施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。 0 1 1 0

  5. 0 1 1 1

  6. 1 0 0 1

  7. 0 1 0 1

  8. 0 1 1 0

  9. 下限阈值电压 上限阈值电压 回差电压(滞后电压): ΔUT=UT+-UT- 前面介绍的施密特触发器的回差电压为: ΔUT=UT+-UT-=UT-(UT-UD)=UD= 0.7V 缺点是回差太小,且不能调整。

  10. 集成施密特触发器

  11. 6.1.2 由555定时器构成的施密特触发器

  12. 6.1.3 施密特触发器的应用

  13. 本节小结:   施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。而且由于具有滞回特性,所以抗干扰能力也很强。   施密特触发器可以由分立元件构成,也可以由门电路及555定时器构成。   施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。

  14. 6.2 单稳态触发器 6.2.1 由门电路构成的单稳态触发器 6.2.2 由555定时器构成的单稳态触发器 6.2.3 单稳态触发器的应用 退出

  15. 6.2.1 由门电路构成的单稳态触发器   单稳态触发器在数字电路中一般用于定时(产生一定宽度的矩形波)、整形(把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形)以及延时(把输入信号延迟一定时间后输出)等。   单稳态触发器具有下列特点: (1)电路有一个稳态和一个暂稳态。 (2)在外来触发脉冲作用下,电路由稳态翻转到暂稳态。 (3)暂稳态是一个不能长久保持的状态,经过一段时间后,电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关,仅决定于电路本身的参数。

  16. 0 1 1 0 (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:uo1=1,uo2=0。

  17. 1 0 1 (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,uo1=0,uo2=1。

  18. 0 1 1 0 脉冲宽度:tp=0.7RC (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uo1=1,uo2=0。

  19. 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。

  20.   稳态时,ui=1,G1、G2均导通。uo1=0,uA=0,uo2=0。  稳态时,ui=1,G1、G2均导通。uo1=0,uA=0,uo2=0。 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。

  21. TR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端,TR+是上升沿有效的触发信号输入端。Q和是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext是外接定时电阻和电容的连接端,外接定时电阻R(R=1.4kΩ~40kΩ)接在VCC和Rext/Cext之间,外接定时电容C(C=10pF~10μF)接在Cext(正)和Rext/Cext之间。74121内部已设置了一个2kΩ的定时电阻,Rin是其引出端,使用时只需将Rin与VCC连接起来即可,不用时则应将Rin开路。TR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端,TR+是上升沿有效的触发信号输入端。Q和是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext是外接定时电阻和电容的连接端,外接定时电阻R(R=1.4kΩ~40kΩ)接在VCC和Rext/Cext之间,外接定时电容C(C=10pF~10μF)接在Cext(正)和Rext/Cext之间。74121内部已设置了一个2kΩ的定时电阻,Rin是其引出端,使用时只需将Rin与VCC连接起来即可,不用时则应将Rin开路。 74121的输出脉冲宽度: tp≈0.7RC

  22. TR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端,TR+A、TR+B是两个上升沿有效的触发信号输入端。Q和是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext、Rin3个引出端是供外接定时元件使用的,外接定时电阻R(R=5kΩ~50kΩ)、电容C(无限制)的接法与74121相同。RD为直接复位输入端,低电平有效。TR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端,TR+A、TR+B是两个上升沿有效的触发信号输入端。Q和是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext、Rin3个引出端是供外接定时元件使用的,外接定时电阻R(R=5kΩ~50kΩ)、电容C(无限制)的接法与74121相同。RD为直接复位输入端,低电平有效。 当定时电容C>1000pF时,74122的输出脉冲宽度: tp≈0.32RC

  23. 6.2.2 由555定时器构成的单稳态触发器

  24.   接通VCC后瞬间,VCC通过R对C充电,当uc上升到2VCC/3时,比较器C1输出为0,将触发器置0,uo=0。这时Q=1,放电管T导通,C通过T放电,电路进入稳态。  接通VCC后瞬间,VCC通过R对C充电,当uc上升到2VCC/3时,比较器C1输出为0,将触发器置0,uo=0。这时Q=1,放电管T导通,C通过T放电,电路进入稳态。 ui到来时,因为ui<VCC/3,使C2=0,触发器置1,uo又由0变为1,电路进入暂稳态。由于此时Q=0,放电管T截止,VCC经R对C充电。虽然此时触发脉冲已消失,比较器C2的输出变为1,但充电继续进行,直到uc上升到2VCC/3时,比较器C1输出为0,将触发器置0,电路输出uo=0,T导通,C放电,电路恢复到稳定状态。

  25. 6.2.3 单稳态触发器的应用 延迟与定时 整形

  26. 本节小结:   单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成的单稳态触发器和基本RS触发器在结构上也极为相似,只有用于反馈的耦合网络不同。   单稳态触发器可以由门电路构成,也可以由555定时器构成。在单稳态触发器中,由一个暂稳态过渡到稳态,其“触发”信号也是由电路内部电容充(放)电提供的,暂稳态的持续时间即脉冲宽度也由电路的阻容元件决定。   单稳态触发器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,用途很广。

  27. 6.3 多谐振荡器 6.3.1 由门电路构成的多谐振荡器 6.3.2 由555定时器构成的多谐振荡器 6.3.3 多谐振荡器的应用 退出

  28. 6.3.1 由门电路构成的多谐振荡器 能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。 1、RC环形多谐振荡器

  29. 第一暂稳态及其自动翻转的工作过程 在t1时刻,ui1(uo)由0变为1,于是uo1(ui2)由1变为0,uo2由0变为1。由于电容电压不能跃变,故ui3必定跟随ui2发生负跳变。这个低电平保持uo为1,以维持已进入的这个暂稳态。 在这个暂稳态期间,uo2(高电平)通过电阻R对电容C充电,使ui3逐渐上升。在t2时刻,ui3上升到门电路的阈值电压UT,使uo(ui1)由1变为0,uo1(ui2)由0变为1,uo2由1变为0。同样由于电容电压不能跃变,故ui3跟随ui2发生正跳变。这个高电平保持uo为0。至此,第一个暂稳态结束,电路进入第二个暂稳态。

  30. 第二暂稳态及其自动翻转的工作过程 在t2时刻,uo2变为低电平,电容C开始通过电阻R放电。随着放电的进行,ui3逐渐下降。在t3时刻,ui3下降到UT,使uo(ui1)又由0变为1,第二个暂稳态结束,电路返回到第一个暂稳态,又开始重复前面的过程。

  31. 2、CMOS多谐振荡器 第一暂稳态及其自动翻转的工作过程 在t1时刻,uo由0变为1,由于电容电压不能跃变,故ui1必定跟随uo发生正跳变,于是ui2(uo1)由1变为0。这个低电平保持uo为1,以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间,电容C通过电阻R放电,使ui1逐渐下降。在t2时刻,ui1上升到门电路的开启电压UT,使uo1(ui2)由0变为1,uo由1变为0。同样由于电容电压不能跃变,故ui1跟随uo发生负跳变,于是ui2(uo1)由0变为1。这个高电平保持uo为0。至此,第一个暂稳态结束,电路进入第二个暂稳态。

  32. 第二暂稳态及其自动翻转的工作过程 在t2时刻,uo1变为高电平,这个高电平通过电阻R对电容C充电。随着放电的进行,ui1逐渐上升。在t3时刻,ui1上升到UT,使uo(ui1)又由0变为1,第二个暂稳态结束,电路返回到第一个暂稳态,又开始重复前面的过程。

  33. 3、石英晶体多谐振荡器 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R1=R2=R=0.7 kΩ~2kΩ,而对于CMOS门,则常取R1=R2=R=10kΩ~100kΩ;C1=C2=C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。 振荡频率等于石英晶体的谐振频率f0。

  34. 6.3.2 由555定时器构成的多谐振荡器 4.5~16V 1、555定时器 复位端 低电平有效 电压 控制端 高电平 触发端 低电平 触发端 放电端

  35. ①R=0时,Q=1,uo=0,T导通。 0 0 1

  36. ①R=0时,Q=1,uo=0,T饱和导通。 ②R=1、UTH>2VCC/3、UTR>VCC/3时,C1=0、C2=1,Q=1、Q=0,uo=0,T饱和导通。 0 0 1 >2VCC/3 0 1 >VCC/3

  37. ①R=0时,Q=1,uo=0,T饱和导通。 ②R=1、UTH>2VCC/3、UTR>VCC/3时,C1=0、C2=1,Q=1、Q=0,uo=0,T饱和导通。 ③R=1、UTH<2VCC/3、UTR>VCC/3时,C1=1、C2=1,Q、Q不变,uo不变,T状态不变。 0 1 1 1 0 <2VCC/3 0 1 1 >VCC/3

  38. ①R=0时,Q=1,uo=0,T饱和导通。 ②R=1、UTH>2VCC/3、UTR>VCC/3时,C1=0、C2=1,Q=1、Q=0,uo=0,T饱和导通。 ③R=1、UTH<2VCC/3、UTR>VCC/3时,C1=1、C2=1,Q、Q不变,uo不变,T状态不变。 ④R=1、UTH<2VCC/3、UTR<VCC/3时,C1=1、C2=0,Q=0、Q=1,uo=1,T截止。 1 1 0 <2VCC/3 1 0 <VCC/3

  39. 2、由555定时器构成的多谐振荡器 接通VCC后,VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时,uo=0,T导通,C通过R2和T放电,uc下降。当uc下降到VCC/3时,uo又由0变为1,T截止,VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程,在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。

  40. 6.3.3 多谐振荡器的应用 多谐振荡器 秒信号发生器 分频电路

  41. 模拟声响电路 将振荡器Ⅰ的输出电压uo1,接到振荡器Ⅱ中555定时器的复位端(4脚),当uo1为高电平时振荡器Ⅱ振荡,为低电平时555定时器复位,振荡器Ⅱ停止震荡。

  42. 本节小结:   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。   多谐振荡器可以由门电路构成,也可以由555定时器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本RS触发器在结构上极为相似,只是用于反馈的耦合网络不同。RS触发器具有两个稳态,多谐振荡器没有稳态,所以又称为无稳电路。   在多谐振荡器中,由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态,其“触发”信号是由电路内部电容充(放)电提供的,因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。 555定时器是一种应用广泛、使用灵活的集成器件,多用于脉冲产生、整形及定时等。