课题3触发器与脉冲波形电路.ppt

1、课题3触发器与脉冲波形电路,实训3. 1四路抢答器的设计 实训3. 2家用防盗报警器的设计,实训3. 1四路抢答器的设计,3.1.1触发器概述 3.1.1.1触发器 触发器是时序逻辑电路的基本单元，它由逻辑门及反馈电路构成，电路有两个互补的输出端口和口，其中口称为触发器的状态，有0, 1两种稳定状态，触发器必须具备以下工作特点。 触发器有0, 1两种稳定状态，Q=1称为触发器处于1态，Q=0称为触发器处于0态。 无外加信号触发时，触发器保持原来的稳定状态不变，即具有记忆功能。 外加信号触发后，触发器可从一种状态转为另一种状态。,下一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,3.1.1.2触发器的

2、功能描述 1.特性方程 触发器次态Qn+1与输入状态及现态Qn之间关系的逻辑表达式称为触发器的特性方程。这是一种函数形式的表示方式，它在实际电路分析时用得最多的一种方式。 2.状态转换图 状态转换图表示触发器从一个状态变化到另一个状态或保持原状不变时，对输入信号的要求。 3.工作波形图(时序图) 工作波形图即以波形的形式描述触发器状态与输入信号及时钟脉冲之间的关系，它是描述时序逻辑电路工作情况的一种基本方法。,下一页,上一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,4.特性表(功能表) 特性表是用表格的方式表示触发器从一个状态变化到另一个状态或保持原状态不变时，对输入信号的要求。 3.1.1.3触

3、发器分类 以电路结构形式来分，触发器可分为基本触发器、时钟触发器。其中时钟触发器有同步触发器、主从触发器、边沿触发器 根据逻辑功能的不同，触发器可分为RS触发器、JK触发器、D触发器、T触发器和T触发器。 由存储数据原理不同还可分为静态触发器和动态触发器。静态触发器依靠电路状态锁存数据;动态触发器由MOS管栅极上电容存储电荷存放数据，这里主要介绍静态触发器。,下一页,上一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,3.1.2基本RS触发器 3.1.2.1基本RS触发器电路组成及原理 与非门组成的RS触发器电路结构如图3一3(a)所示，逻辑符号如图3 -3(b)所示。 3.1.2.2基本RS触发器逻

4、辑功能的描述 根据以上的分析，把逻辑关系列成真值表，这种真值表称为触发器的特性表(功能表)，如表3一1所示。,下一页,上一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,3.1.2.3基本RS触发器的特点 1.基本RS触发器的动作特点 输入信号 直接加在与非门的输入端，在输入信号作用的全部时间内， 都能直接改变触发器的输出Q和 状态，这就是基本RS触发器的动作特点。 2.基本RS触发器的优缺点 优点:电路简单，是构成各种触发器的基础 缺点:输出受输入信号直接控制，不能定时控制，不能用时序控制。 有约束条件,下一页,上一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,3.1.3时钟触发器 数字电路中要实现各部分

5、协同工作，需要有统一的时钟脉冲来控制动作，简称为时钟CP ( Clock Pulse )，凡是有时钟信号控制的触发器均称为时钟触发器。时钟触发器又可分为同步触发器、主从触发器、边沿触发器 3.1.3.1同步触发器 时钟触发器最简单的一种就是同步RS触发器，电路属同步触发器结构，具有RS触发器的逻辑功能。 1.同步RS触发器 1)电路结构与工作原理 同步RS触发器的电路结构及逻辑符号如图3一6所示。,下一页,上一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,2)同步RS触发器逻辑功能的描述 根据基本RS触发器的特性，可分析出同步RS触发器的特性表(功能表)，如表3一2所示。 根据功能表，可以得到在CP

6、=1的条件下的触发器的特性方程。同步RS触发器的特性方程:,下一页,上一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,触发器的逻辑功能可用功能表、特性方程、逻辑表达式外，还可用状态转换图来描述。状态转换图直观地描述触发器从一种状态转换到另一种状态或保持不变的输入信号条件。图3一7是同步RS触发器的状态转换图，图中的两个圆圈表示触发器的两个稳定状态,箭头表示状态转换的方向，箭头线旁边标注了实现此转换的信号条件。,下一页,上一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,3)动作特点 (1)电平触发控制 在CP = 1期间接收输入信号，CP = 0时状态保持不变，与基本RS触发器相比，对触发器状态的转变增加了

7、时间控制，这种在一个时钟周期的整个高电平期间或整个低电平期间都能接收输入信号并改变状态的触发方式称为“电平触发”。因此引起的在一个时钟脉冲周期中，触发器发生多次翻转的现象叫做“空翻”。空翻降低了电路的抗干扰能力，这是同步触发器的一个缺点，它使得时序电路不能按时钟节拍工作，造成系统的误动作，只能用于数据锁存，不能用于计数器、寄存器、存储器等 (2) R, S之间有约束 不能允许出现R和S同时为1的情况，否则会使触发器处于不确定的状态。,下一页,上一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,2.同步JK触发器 1)符号及动作特点 同步JK触发器的动作特点与同步RS触发器动作特点相似，只是没有输入约束

8、条件，符号如图3一9所示 2)逻辑功能 同步JK触发器具有置0、置1、保持、和翻转的逻辑功能，特性表见表3一3特性方程如下,下一页,上一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,3.同步D触发器 1)符号及动作特点 同步D触发器(也称D锁存器)的动作特点也是与同步RS触发器动作特点相似，D端是数据输入端，符号如图3一10所示。 2)逻辑功能 同步D触发器在CP = 1时，输出端的状态随输入状态的改变而改变，CP = 0时输出端的状态不变，特性表见表3一4特性方程如下,下一页,上一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,3.1.3.2主从触发器 为了提高触发器的可靠性，规定了每一个CP周期内输出端

9、的状态只能动作一次，主从触发器是建立同步触发器的基础上，解决了触发器在CP=1期间内，触发器的多次翻转的空翻现象 1.主从触发器的基本结构 主从触发器的基本结构包含有两个结构相同的同步触发器，即主触发器和从触发器，它们的时钟信号相位相反，框图见图3一11 ( a)，符号见图3一11(b)。,下一页,上一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,2.主从触发器的动作特点 如图3一11所示的主从RS触发器，主从触发器的触发翻转分为以下两个节拍。 当CP = 1时，CP = 0，从触发器被封锁，保持原状态不变。这时，G7、G8打开，主触发器工作，接收R和S端的输入信号 当CP由1跃变到0时，即CP=0

10、, CP 1。主触发器被封锁，输入信号R、S不再影响主触发器的状态。而这时，由于CP = 1, G3 C4打开，从触发器接收主触发器输出端的状态。 C P=1期间，主触发器接收输入信号;C P=0期间，主触发器保持不变，而从触发器接受主触发器状态。因此，主从触发器的状态只能在C P下降沿时刻翻转。这种触发方式称为主从触发式，克服了空翻现象。,下一页,上一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,3.主从触发器的逻辑功能 主从触发器的逻辑功能、特性表、特性方程与对应的同步触发器相同。 3.1.3.3边沿触发器 为了进一步提高触发器的抗干扰能力和可靠性，我们希望触发器的输出状态仅仅取决于CP上升沿或

11、下降沿时刻的输入状态，而在此前和此后的输入状态对触发器无任何影响，具有此特性的触发器就是边沿触发器。 动作特点:只能在CP上升沿(或下降沿)时刻接收输入信号，因此，电路状态只能在CP上升沿(或下降沿)时刻翻转。这种触发方式称为边沿触发式。 边沿触发器的逻辑功能、特性表、特性方程与对应的同步触发器相同，不同只在于CP的上沿或下沿接收输入信号，输出状态的动作也只在CP的上沿或下沿。,下一页,上一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,3.1.4常见集成触发器的型号和功能 集成基本RS触发器有TTL和CMOS类型，如74 LS279 S是TTL基本型的四RS触发器，CC4044是CMOS基本型的四R

12、S触发器，见图3一16 (a)及(b)。 集成钟控型的触发器也有TTL和CMOS类型，见图3一17 (a)及(b)。 74 LS 175属于TTL边沿型四D触发器，为CP上升沿触发。表3 -5列出了一些常用的集成触发器型号。,下一页,上一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,3.1.5触发器功能的转化 3. 1. 5. 1 JK触发器转换为D触发器 电路如图3一18所示。 3. 1 .5. 2JK触发器转换为T触发器和T触发器 1. JK触发器转换为T触发器 T触发器示具有保持和翻转功能的触发器，特性方程为 要把JK触发器转换为T触发器，则令J=T, K=T，也就是把JK触发器的J和K端相连

13、作为T输入端，就可实现JK触发器转变为T触发器，电路如图3一19所示。,下一页,上一页,返回,实训3. 1四路抢答器的设计,2. JK触发器转换为T，触发器 T触发器是翻转触发器,特性方程为 将JK触发器的J端和K端并联接到高电平构成了T触发器，电路如图3一20所示。 3. 1 .5. 3 D触发器转换为T触发器 电路如图3 -21所示。,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,3. 2. 1 555集成定时器 555定时器是一种应用极为广泛的中规模模数混合集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳触发器、多谐多谐振荡器和施密特触发器。因此在波形的产生与变换、

14、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。由于它内部有3个5 k的电阻分压器，故称555定时器。 555定时器根据内部器件的类型可分为双极型(TTL型)和单极型(CMOS型)，它们都有单或双定时器的集成芯片。双极型和单极型的定时器的性能如表3一6所示。,下一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,3. 2. 1. 1内部电路结构 如图3一24 (a),(b)所示分别为555定时器内部逻辑电路结构图、符号、外管脚分布图。 3.2.1.2工作原理 见表3一7所示的555功能表。 利用555定时电路的功能特性可以构成施密特触发器，单稳态触发器以及多谐振荡器。 3. 2. 2脉冲产生

15、电路 脉冲信号是数字电路中最常用的工作信号。下面以图3 - 25所示实际矩形脉冲波形来说明描述脉冲波形的主要参数。,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,1.脉冲幅度Um 脉冲电压波形变化的最大值，单位为伏(v)。 2.脉冲上升时间tr 脉冲波形从0. 1Um上升到0. 9Um，所需的时间。 3.脉冲下降时间tf 脉冲波形从0. 9 Um下降到0. 1 Um,所需的时间。 4.脉冲宽度tw 脉冲上升沿到0. 5Um下降沿0. 5Um所需的时间，单位和tr ， tf相同。,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,5.脉冲周期T 在周期性脉冲中，相邻两个脉冲波形重

16、复出现所需的时间，单位和tr ， tf相同。 6.脉冲频率f 每秒时间内，脉冲出现的次数。单位为赫磁(MHz)、千赫磁(kHz)兆赫磁(MHz)，f =1/T。 7.占空比q 脉冲宽度tw与脉冲重复周期T的比值，q = tw /T。它是描述脉冲波形疏密的参数。,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,脉冲信号的获得经常采用两种方法:一是利用振荡电路直接产生所需的矩形脉冲。这一类电路称为多谐振荡器;二是利用整形电路，将已有的脉冲信号变换为所需要的矩形脉冲这一类电路包括单稳态触发器和施密特触发器。 3. 2. 2. 1用555定时器构成的多谐振荡器 1.电路结构 图3 - 26 (

17、 a)所示为由555定时器和外接元件R1, R2, C构成的多谐振荡器，脚2和脚6直接相连，它将自激发，成为多谐振荡器。 2.工作原理 如图3 -26 (b)所示，电路的工作原理可归纳为随电容G充电、放电而状态变化的过程。,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,3. 2. 2. 2石英晶体多谐振荡器 矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个数字系统的工作，往往要求采用频率稳定度很高的多谐振荡器以满足数字系统的准确性，无论定时器构成的多谐振荡器还是门电路构成的多谐振荡器频率稳定性都不如石英晶体多谐振荡器。 石英晶体多谐振荡器见图3 28,石英晶体的电抗频率特性见图3一29。,

18、下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,3. 2. 3单稳态电路 单稳态电路指的是该电路的输出信号只能在一种状态(逻辑高或低)下是稳定的，而当电路的输出处在另一种状态下时不能稳定的保持住，会自动地回到稳定的状态。单稳态的特点是:有一个稳定状态和一个暂稳状态;在触发脉冲作用下，能由稳定状态翻转到暂稳状态;暂稳态维持一定时间后，它将自动返回到稳定状态，暂稳态维持的时间长短，与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,3. 2. 3. 1 555定时器构成的单稳态电路 1.电路结构 555定时器构成的单稳态触发器如图3一30所示。

19、 2.工作原理 无触发信号时:VCC通过R对C充电，当VCC上升到2/3 VCC比较器C1输出为0，将触发器置0, V0 =0。这时Q=1，放电管T导通，C通过T放电，电路进入稳态 暂稳态:Vi负脉冲到来时, 使C2 =0,触发器置1，放电管T截止， V0又由0变为1，电路进入暂稳态。,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,暂稳态自动返回稳态:由于暂稳态期间， 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，直至Vc上升到2/3Vcc时，比较器C1输出为0，将触发器置0，电路输出V0 =0 ,T导通，G放电，电路恢复到稳定状态。 在触发信号

20、下Vc和输出V0的相应波形见图3一31。,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,3.主要参数的计算 1)输出脉冲的宽度tw 输出脉冲宽度就是暂稳态维持时间，也就是定时电容的充电时间。等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的维持时间取决于外接电阻R和电容C的大小。tw等于电容电压在充电过程中从0上升到2/3Vcc(所需要的时间，即: tw=1.1RC 2)恢复时间tre 一般取tre= (35) 2,即认为经过35倍的时间常数电容就放电完毕,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,3)最高工作频率fmax 正常工作许满足Tmintw + tre 最小周期Tmin=tw

21、+ tre 最高工作频率,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,3. 2. 3. 2集成单稳态触发器 集成单稳态触发器，具有功能全、温度特性好、抗干扰能力强、通过改变外接电容和电阻参数，就可方便调节脉冲宽度，集成单稳态触发电路广泛应用于电子电路系统中。 集成单稳态触发器根据工作状态不同可以分为不可重复触发和可重复触发两种。其主要区别是在于:不可重复触发在暂稳态期间不受触发脉冲影响，只有暂稳态接触触发脉冲才起作用，即一旦被触发由稳态翻转到暂稳态后，即使有新的触发信号到来，其既定的暂稳态过程也会照样进行下去，直至结束为止;可重复触发在暂稳态过程中还可以接收触发信号，重新开始暂稳态

22、过程。该电路在触发进入暂稳态期间如再次被触发，则输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽t w，如图3一33所示,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,常见的集成单稳态触发器有TTL型的74121, 221, 122, 123，高速CMOS型的74H0123 , 221 , 4538 , CMOS4000型的C C4098/14528等。下面介绍常用的74121芯片。 芯片74121是不可重复触发的单稳态触发器，其引脚排列及逻辑符号如图3 - 34所示逻辑符号中的 标识表示不可重复触发的单稳态触发器。 工作原理与微分型的单稳态出发其基本相同, 功能表如表3 -8所示。采用

23、外接定时电阻Rext的电路连接如图3一35所示。输出脉冲宽度按下式估算,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,3. 2. 3. 3单稳态触发器的应用 1.脉冲延时 如图3一36所示是利用74121组成的脉冲延时电路。 2.整形 经过长距离传输后，脉冲信号的边沿会变差或波形上叠加某些干扰，利用整形可使其变成符合要求的波形。 3.定时 由于单稳态触发器能根据要求产生一定宽度tw的脉冲输出，利用这个脉冲去控制某一电路，则可使它在tw时间内动作(或者不动作)。即用计时开始信号去触发单稳态触发器，经tw时间后，单稳态触发器可输出定时信号。,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警

24、器的设计,3. 2. 4施密特触发器 施密特触发器主要用以将非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲，是一种特殊的双稳态时序电路。 与一般的双稳态触发器相比，它具有如下特点:施密特有两个稳定状态(即具有双稳态)，电路通过用外加输入电位触发两个稳态之间的转换;它有两个触发比较电平，即它的传输特性具有一个迟滞回线。 施密特触发器可以看成是具有不同输入阀值电压的逻辑门电路，它既具有门电路的逻辑功能，又有滞后电压传输特性。图3一39是施密特触发器的传输特性以及逻辑符号。,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,3. 2. 4. 1用555构成的施密特触发器 1.电路结构 如图3

25、 - 40所示的施密特触发器电路 2.工作原理 3.主要参数计算 此电路的正、负向阀值电压分别为 回差电压为,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,3. 2. 4. 2集成施密特电路 由于施密特触发器的应用非常广泛，所以无论是在TTL电路中还是在CMOS电路中，都有单片集成的施密特触发器产品。 常用的集成CMOS施密特触发器芯片有CC40106 (6施密特反相器，引脚与CC4069兼容)、CC4093 (2输入端4施密特与非门，引脚与CC4011兼容);常用的TTL施密特触发器有74LS24/74LS132 (2输入端4施密特与非门，引脚与74 LS00兼容)、74LS14/

26、74LS19 ( 6施密特反相器，引脚与74 LS04兼容)、74LS13/74LS18 (4输入端双施密特与非门，引脚与74 LS20兼容)，见图3 -41。,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,3. 2. 4. 3施密特触发器的应用举例 1.波形变换 施密特触发器可用于将模拟信号波形转换成矩形波，如图3一42所示。 2.波形整形 若数字信号在传输过程中受到干扰如图3一43所示,可利用施密特触发器的回差特性将它整形成规则的矩形波。 3.幅度鉴别 施密特触发器的翻转取决于输入信号是否高于V+或低于V-，利用此特性可以构成幅度鉴别器，用以从一串脉冲中检出符合幅度要求的脉冲。,

27、下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,3. 2. 5集成门电路组成的脉冲波形电路 3. 2. 5. 1集成门电路组成脉冲产生电路 1. CMOS门电路组成的多谐振荡器 由两个CMOS反相器构成的多谐振荡器的电路和波形图见图3 45。 电路的基本工作原理是利用电容器的充放电，当输入电压达到与非门的阀值电压UTH时，门的输出状态即发生变化因此，电路输出的脉冲波形参数直接取决于电路中阻容元件的数值。 2.带RC电路的环形振荡器 将三非门振荡环中G2用R C延迟非门代替就构成RC环形多谐振荡器见图3一46。电路中RS为限流电阻。,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,3. 2. 5. 2门电路组成单稳态电路 与非门电路组成的单稳态电路见图3一47。与基于RS触发器不同，构成单稳态触发器的两个逻辑门是由RC藕合的，由于图示电路的RC电路接成微分电路形式，故该电路又称为微分型单稳态触发器。 1.工作原理 输入信号ui为0时，电路处于稳态。 外加触发信号，电路翻转到暂稳态。 电容C充电，电路由暂稳态自动返回稳态。,下一页,上一页,返回,实训3. 2家用防盗报警器的设计,2.参数计算 1)输出脉冲宽度tw 输出脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间。根据的波形Ui2可以计算出 2)恢复时间tre 暂稳态结束后，电路需要一段时间恢复到初始状态。