数字电路第八章脉冲的变与换.ppt

第8章脉冲波形的变换与产生 本章内容和要求 主要内容讨论几种脉冲波形的变换和产生电路 单稳态触发器 施密特触发器 多谐振荡器 定时器等 教学要求掌握多谐振荡器 施密特触发器 单稳态触发器的电路构成和原理 掌握定时器的功能和具体应用 8 1单稳态触发器 单稳态触发器与前面介绍的触发器不同 它具有下述特点 1 电路有一个稳态 一个暂稳态 没有触发信号作用时电路处于稳态 2 在外来触发信号作用下 电路由稳态翻转到暂稳态 暂稳态不能长久保持 3 暂稳态维持一段时间后 会自动回到稳态 它的持续时间取决于延时环节RC电路的参数值 单稳态触发器的这些特点广泛应用于脉冲波形的变换 定时与延时中 8 1 1用CMOS门电路组成的微分型单稳态触发器 1 电路组成及工作原理 微分型单稳态触发器可由逻辑门和RC电路组成 由于构成单稳态触发器的两个逻辑门是由RC微分电路耦合 故称为微分型单稳态触发器 右图为CMOS门构成的单稳态触发器电路 a 图有错 Rd下端应接VDD 或不要Cd 直连VI 对TTL门 电路正确 但要求Rd RON 微分型单稳态触发器 图b 的工作过程及原理 外加触发信号 电路由稳态翻转到暂稳态 vIvo1vDvo 设CMOS门电路的电压传输特性理想化 且其反相器的阈值电压VTH VDD 2 没有触发信号时 电路处于一种稳态 没有触发信号时 VI为低电平 VD为高电平 电路的稳态是 vo1 VOH vo VOL 注意 vo即G2门输出vo2 正反馈过程达到的暂稳态是 vo VOH vo1 VOL 微分型单稳态触发器 图b 或非门及非门构成 的工作过程及原理 0 0 0 1 1 1 没有触发信号时 电路处于一种稳态 vo1 VOH vo2 VOL 电容端电压近似为0 vo 3 电容充电 电路由暂稳态自动返回至稳态 在暂稳态期间 电源经电阻R和门G1的导通工作管对电容C充电 电路发生下述正反馈过程 设此时触发器脉冲已消失 C充电vDvovo1 于是G1门迅速截止 G2门很快导通 电路由暂稳态自动返回至稳态 vo1 VOH vo VOL 电容将通过电阻R放电 使其上的电压恢复到初值 微分型单稳态触发器 图b 或非门及非门构成 的工作过程及原理 1 1 1 0 0 3 电容放电 电路由暂稳态自动返回到稳态 vo1 VOH vo2 VOL 2 外加触发信号后 电路进入暂稳态 vo2 VOH vo1 VOL 电容开始充电 vo 电路各点的工作波形 图8 1 2微分型单稳态触发器各点工作波形 vo2 2 微分型单稳态触发器主要参数的计算 1 输出脉冲宽度tw输出脉冲宽度tw 也就是暂稳态的维持时间 可以根据VD的波形进行计算 将触发脉冲作用的起始时刻t1作为时间起点 于是有VD 0 0 VD vDD RC 代人瞬态过程公式得VD t vDD 0 vDD e t 当t tw时 VD tw Vth 代人可求得tw RC 当Vth VDD 2 则tw 0 7RC 恢复时间tre暂稳态结束后 使电路恢复到初始状态所需要的时间称为恢复时间tre 一般要经过 3 5 为放电时间常数 的时间 放电才基本结束 故tre 3 RC 最高工作频率fmax设触发信号的时间间隔 即周期 为T 为使电路正常工作 应满足T tw tre 的条件 即最小时间间隔Tmin tw tre 因此 单稳态触发器的最高工作频率 3 讨论 如图8 1 2所示 在暂稳态结束瞬间 t t2 门G2的输入电压VD达到VDD Vth 为避免CMOS门损坏 器件内部设有保护二极管D 当输入脉冲宽度tpi很宽时 可在单稳态触发器的输入端加入Rd Cd组成的微分电路 如在G2的输出端加入反相器G3则可改善输出波形 若采用TTL与非门构成如图8 1 1a所示的单稳电路时 电阻R要小于0 7k 如果输入端采用Rd Cd微分电路时 Rd的数值应大于2k 以保证稳态时G2输入为低电平 G1输入为高电平 如用CMOS门 则电阻值不受此限制 图8 1 3宽脉冲触发的单稳电路 D 8 1 2集成单稳态触发器两种单稳态触发器的工作波形如下图所示 图a为不可重复触发的单稳态触发器的工作波形图b为可重复触发的单稳态触发器的工波形 两者的区别是 触发器在暂稳态期间 如有触发脉冲作用 前者不受影响 后者会重新被触发 暂稳态从最后触发沿起 继续延长tw时间 图8 1 4两种单稳电路工作波形 1 不可重复触发的集成单稳态触发器电路 不可重复触发的集成单稳态触发器电路引脚图 TTL集成器件74121图 1 不可重复触发的集成单稳态触发器电路连接 内部定时电阻 2k 外接定时电阻 1 4k 40k 之间 2 不可重复触发的集成单稳态触发器工作原理 电路由触发信号控制电路 微分型单稳态触发器及输出缓冲电路组成 74121的输出脉冲宽度tw 0 7RC 表8 1 174121功能表 3 逻辑功能 触发方式74121集成单稳态触发器有3个触发输入端 由功能表可知 在下列情况下 电路可由稳态翻转到暂稳态 有正脉冲输出 若A1 A2两个输入中有一个或两个为低电平 B发生由0到1的正跳变 若B和A1 A2均为高电平 A输入中有一个或两个产生由1到0的负跳变 4 工作波形 2 可重复触发的集成单稳态触发器电路 2 可重复触发的集成单稳态触发器电路芯片 可重复触发的集成单稳态触发器工作原理 电路主要由三态门 积分电路 控制电路组成的积分型单稳态触发器及输出缓冲电路组成 分析 可重复触发的集成单稳态触发器工作原理 触发与定时 注意 vth13 vth9 2 可重复触发的集成单稳态触发器MC14528 工作波形 脉冲宽度包括电容充电和放电两段 本图不含第2种触发方式 稳态 1 定时可使电路在一定脉冲宽度的时间内动作或不动作 图8 1 10单稳态触发器作定时电路的应用 tw tw 8 1 3单稳态触发器的应用 a 逻辑图 b 波形图 2 延迟 图8 1 11由单稳构成的延迟电路 VO0 延迟电路工作波形 vo脉冲的上升沿相对于输入信号vi的上升沿延迟了tw1时间 3 组成噪声消除电路 D CP R 噪声多表现为尖脉冲 宽度较窄 而有用的信号的宽度较宽 如图b 注意 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 施密特触发器的电压传输特性 1 电平触发 滞回特性 2 上限阈值电压VT 3 下限阈值电压VT 4 回差电压 V VT VT 图8 2 1施密特电路的传输特性 同相输出 反相输出 8 2 1门电路组成的施密特触发器 vI1 vo vI R1 R2 I为三角波 作如下假定 1 电路组成 由叠加原理得 vI1 0 0 只要vI1 Vth 则保持vO 0V 当vI1 Vth 电路发生正反馈 1 当vI 0V vI1 0V vO 0V 当vI上升 vI1也上升 2 工作原理分析 由叠加原理得G1门的VI1 vI1 1 只要vI1 Vth 则保持vO VOH 当vI1 Vth 电路产生如下正反馈 当vI下降 vI1也下降 0 将VDD 2Vth代人可得 回差电压 图8 2 3施密特触发器工作波形及传输特性曲线 vI1 3 工作波形及电压传输特性 VOH 图8 2 3施密特触发器工作波形及传输特性曲线 vI1 3 工作波形及电压传输特性 VOH 例8 2 1在图8 2 2所示的电路中 电源电压VDD 10V G1 G2选用CC4069反相器 其负载电流最大允许值IOH max 1 3mA 门的阈值电压VTH 1 2 VDD 5V 且 R1 R2 0 5 1 求VT VT 和 VT 2 试选择R1 R2值 vI1 解 vI1 解 1 2 为保证反相器G2输出高电平时不过载 应 当选R2 15k 时 R1 1 2 R2 7 5k 考虑到 vI1 8 2 2集成施密特触发器 CC40106 图8 2 4CMOS集成施密特触发器电路 1 施密特电路 设P沟道MOS管的开启电压为VTP N沟道MOS管的开启电压为VTN 输入信号VI为三角波 当VI 0时 VO VOH vs5 VDD VGSN6较高 当VI电位逐渐升高到VI VTN时 TN4先导通 VI电位逐渐升高 到TP1TP2趋于截止并使VI vs5 VTN时 TN5导通并引起如下正反馈过程 VO VS5 VGS5 RON5 TN5导通电阻 于是VO 为低电平 VO 0 电路原理分析 1 施密特电路 电路又转换到VO VOH的状态 在VDD VTN VTP 的条件下 VT 远大于VDD 2 且随着VDD增加而增加 而VT 也要比VDD 2低很多 2 整形级 利用两级反相器的正反馈作用使输出波形有陡直的上升沿和下降沿 3 输出级 反相器缓冲级 8 2 3施密特触发器的应用 1 波形的变换 图8 2 5利用施密特触发器实现波形变换 正弦波变矩形波 2 波形的整形和抗干扰 8 2 3施密特触发器的应用 波形的整形和抗干扰 8 2 3施密特触发器的应用 a 具有顶部干扰的输入波形 b 回差电压小时的输出波形 c 回差电压大时的输出波形 图8 2 7利用回差电压抗干扰 合理选择回差电压 可消除干扰信号 a b c 3 幅度鉴别 幅度超过vth 可设置vth vT 的脉冲使电路有脉冲输出 幅度小于vth的脉冲则电路没有脉冲输出 从而达到幅度鉴别的目的 8 3 1门电路组成的多谐振荡器 8 3 2用施密特触发器构成波形产生电路 8 3多谐振荡器 电路的组成及工作原理 振荡周期的计算 8 3 3石英晶体振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡器 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 由于多谐振荡器在工作过程中没有稳定状态 故又称为无稳态电路 8 3多谐振荡器 概述 8 3多谐振荡器 开关器件 如门电路 电压比较器 BJT管 作用是产生高 低电平 多谐振荡器电路应由哪几部分组成 反馈延迟环节 利用RC电路的充放电特性实现延时 将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态 以获得所需要的振荡频率 概述 8 3 1门电路组成的多谐振荡器 1 电路组成 开关器件 反馈延迟环节 由CMOS门电路组成的多谐振荡器 逻辑门电路 R C电路 2 工作原理 假定vO1 1 vO2 0 注意 Vth VON VOFF VDD 2 VC 1 第一暂稳态及电路自动翻转过程 vO vO2 vOH vDD vO1 0 vO 1 进入第二暂稳态 当vI达到Vth时 电路发生下述正反馈过程 VC vO1 0 vO2 1 2 第二暂稳态及电路自动翻转过程 二 T1 T2 进入第二暂稳态瞬间 vI将升至VOH V 本应升至VOH Vth 但由于保护二极管的钳位作用仅升 VOH V 电路又回到第一暂稳态 第二暂稳态 随后 电容C放电使vI下降至Vth后 电路又发生下述正反馈过程 3 振荡周期T的计算 T1 T2 T T1 充 T2 放 运用求解暂态过程的三要素法 对于第一暂稳态 以t1作为时间的起点 t为T1 t2 t1 vI 0 0V vI VDD RC 代人暂态公式求得 T1 T2 T RC1n4 1 4RC 在第二暂稳态 将t2作为时间的起点 则有vI 0 VDD vI 0 RC 代人暂态公式求得 将Vth VDD 2代入得 4 加补偿电阻的CMOS多谐振荡器 式T RC 4 1 4RC仅适于R RON P RON N RON P RON N 分别为CMOS门中NMOS PMOS管的导通电阻 C C分布 分布电容 的情况 一般的电路还在上图中增加一个补偿电阻Rs如上图 Rs可减少电源电压变化对振荡频率的影响 电源电压波动时 会使振荡频率不稳定 8 3 2用施密特触发器构成波形产生电路 对于典型值 VT 2VT 1 6V 输出电压摆幅为3V时 振荡频率f 0 7 RC 例8 3 1 如图电路 已知参数 求输出波形高电平和低电平持续时间及占空比 解 把数据代入公式即可 占空比为 8 3 3石英晶体振荡器 由门电路组成的多谐振荡器 周期T取决于RC和Vth 频率稳定性较差 为得到频率稳定性很高的脉冲波形 多采用由石英晶体组成的石英晶体振荡器 R 使反相器工作在线性放大区 C1 两个反相器间的耦合 C2 抑制高次谐波 以保证稳定的频率输出 优点 振荡频率稳定性高 常用作基准信号源 1 石英晶体振荡器电路 图8 3 8双相时钟发生器的逻辑图和波形图 2 石英晶体振荡器应用实例 双相时钟发生器 8 4 1555定时器 定时器应用举例 8 4555定时器及其应用 电路的组成 8 4 3用555定时器组成单稳态触发器 8 4 4用555定时器组成多谐振荡器 8 4 2用555定时器组成施密特触发器 工作原理 8 4 1555定时器 1 电路组成 555定时器是一种应用方便的中规模集成电路 只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳 多谐和施密特触发器 广泛用于信号的产生 变换 控制与检测 电阻分压器 电压比较器 基本RS触发器 复位输入端 0 输出缓冲反相器 集电极开路输出三极管 555定时器结构用方框图表示如下 555定时器的电路符号 C1 C2 1 Q Q VCC RD TD 5K 5K 5K vIC vI1 vI2 vO Vo 4 3 7 1 8 2 5 6 555 Q 附 电压比较器的工作原理 电压传输特性 U U UO为高电平U U UO为低电平 0 1 0 T vo vIC vI1 vI2 vo C1 C2 1 2 3 4 5 6 7 R S 5k 5k 5k 1 RD VCC 8 G 如果悬空 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 保持 保持 2 工作原理 图8 4 2由555定时器构成的施密特触发器 8 4 2用555定时器组成施密特触发器 用555定时器组成施密特触发器对近似正弦波的变换 0 1 3 V CC 2 3 V CC v I v O V OH 8 4 3用555定时器组成单稳态触发器 用555定时器组成单稳态触发器 不可重复触发单稳 v O o o t t 2 a 接通电源电路进入稳态 O 0 t t 1 工作原理 C1 C2 用555定时器组成单稳态触发器 b 当输入信号下降沿到达时 电路进入暂稳态 C1 tW tw RC1n3 1 1RC c 电容放电 电路自动返回到稳态 1 工作原理 工作原理归纳 1 没有触发信号时电路的工作状态Q 0 VO VOL TD导通此时电路处于稳态 稳态 2 触发信号到来Q 1 VO VOH TD截止此时电路进入暂稳态 暂稳态维持时间为电容充电到2VCC 3的时间 3 自动返回稳态充电使VC 2VCC 3时 电路返回到稳态 暂稳态 图8 4 6由555定时器构成的可重复触发单稳电路 电路图 波形 2 用555定时器组成可重复触发单稳 2 用555定时器组成可重复触发单稳 当VI输入负脉冲后 电路进入暂稳态 同时三极管T导通 电容C放电 输入负脉冲撤除后 电容C充电 在VC未达到2 3VCC之前 VI输入新的负脉冲 T再导通 电容C放电 又充电 使暂稳态继续 此电路可用作失落脉冲检测 工作过程 图8 4 7脉冲宽度调节器 通过在5脚加一个变化电压实现 a 逻辑图 8 4 4用555定时器组成多谐振荡器 图8 4 8用555定时器组成多谐振荡器电路 vo 2 3 V CC 1 3 V CC v C 0 t 1 t 2 tPL tPH tPL R2C1n2 0 7R2C tpH R1 R2 C1n2 0 7 R1 R2 C 不变 不变 导通 0 截止 1 导通 0 T VO VI2 VI1 输出 输入 截止 用555定时器组成多谐振荡器 tPL RBC1n2 0 7RBC tpH RAC1n2 0 7RAC 占空比可调 电路图 8 1 2 8 1 3 8 2 1 8 3 3 8 4 1 8 4 4 作业 第八章小结 1 集成单稳态触发器分为非重复触发和可重复触发两大类 在暂稳态期间 出现的触发信号对非重复触发单稳电路没有影响 而对可重复触发单稳电路可起到连续触发作用 2 在数字电路中 施密特触发器实质上是具有滞后特性的逻辑门 它有两个阈值电压 电路状态与输入电压有关 不具备记忆功能 除施密特反相器外还有施密特与非门 或非门等 3 在多谐振荡器中 电路从暂稳态过渡到另一个状态 其 触发 信号是由电路内部电容充 放 电提供的 因此无需外部触发脉冲 暂稳态持续的时间是脉冲电路的主要参数 它与电路的阻容元件取值有关 电路中RC电路充 放电过程对相应门输入电平的影响是分析电路的关键 4 多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源后自行产生矩形波输出 在频率稳定性要求较高的场合通常采用石英晶体振荡器 5 定时器是一种应用广泛的集成器件 多用于脉冲产生 整形及定时等 除555定时器外 目前还有556 双定时器 558 四定时器 等 习题选解 解 分析所给的时序关系可知 Va与CP呈4分频关系 而Vb是在Va的下降沿触发下产生脉宽为tw的正脉冲 8 1 4某控制系统要求产生的信号Va Vb与系统时钟CP的时序关系如图题8 1 4所示 试用4位二进制计数器74LVC161 集成单稳74121设计该信号产生电路 画出电路图 依题意 用4位二进制计数器74161组成对CP4分频电路得到Va信号 再用Va作为74121的触发信号 根据tw选择RC的值 使tw 0 7RC 这样在74121的Q端即可得到Vb的波形 74161是具有异步清零功能的计数器 也可以把之接成4进制计数器 即把QC作为非门的输入端 输出端接RD 所得的Va波形和题目要求完全一样 如果波形如下图 电路又如何 电路图更改如下 8 2 2集成施密特电路和集成单稳态触发器74121构成的电路如图题8 2 2所示 已知集成施密特电路的VDD 10V R 100k C 0 01 F VT 6 3V VT 2 7V Cext 0 01 Rext 30k 1 分别计算VO1的周期及VO2的脉宽 2 根据计算结果画出VO1 VO2的波形 图题8 2 2 解 1 集成施密特触发器组成多諧振荡器 当S开关接高电平后 电路开始振荡 其振荡周期用教材 8 3 7 式计算 单稳输出脉宽为 波形示意图如右 注意VC上升和下降均为指数规律 以直线代替只是示意而已 解 若电路接通电源瞬间 VO 0 即VO3 1 则VO1为0 VO2为1 由于电容端电压 VC 0 不能突变 VR也为0 从而保持VO3 1 这是电路第一暂稳态 VO1 0 VO2 1 VO3 1 VO 0 8 3 2RC环形多谐振荡电路如图题8 3 2所示 试分析电路的振荡过程 画出VO1 VO2