4脉冲信号的产生与整形

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数字电子技术,第,4,章 脉冲信号的产生与整形,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,第,4,章 脉冲信号的产生与整形,4.1,多谐振荡器,4.2,单稳态触发器,4.3,施密特触发器,退出,4.1,多谐振荡器,4.1.1,由门电路构成的多谐振荡器,4.1.2,由,555,定时器构成的多谐振荡器,4.1.3,多谐振荡器的应用,退出,4.1.1,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,在,t,1,时刻，,u,i,1,（,u,o,）,由,0,变为,1,，于是,u,o1,（,u,i,2,）,由,1,变为,0,，,u,o2,由,0,变为,1,。由于电容电压不能跃变，故,u,i,3,必定跟随,u,i,2,发生负跳变。这个低电平保持,u,o,为,1,，以维持已进入的这个暂稳态。,在这个暂稳态期间，,u,o2,（,高电平）通过电阻,R,对电容,C,充电，使,u,i,3,逐渐上升。在,t,2,时刻，,u,i,3,上升到门电路的阈值电压,U,T,，使,u,o,（,u,i,1,）,由,1,变为,0,，,u,o1,（,u,i,2,）,由,0,变为,1,，,u,o2,由,1,变为,0,。同样由于电容电压不能跃变，故,u,i,3,跟随,u,i,2,发生正跳变。这个高电平保持,u,o,为,0,。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。,第一暂稳态及其自动翻转的工作过程,第二暂稳态及其自动翻转的工作过程,在,t,2,时刻，,u,o2,变为低电平，电容,C,开始通过电阻,R,放电。随着放电的进行，,u,i,3,逐渐下降。在,t,3,时刻，,u,i,3,下降到,U,T,，使,u,o,（,u,i,1,）,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。,2,、,CMOS,多谐振荡器,在,t,1,时刻，,u,o,由,0,变为,1,，由于电容电压不能跃变，故,u,i,1,必定跟随,u,o,发生正跳变，于是,u,i,2,（,u,o1,）,由,1,变为,0,。这个低电平保持,u,o,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,u,i,1,逐渐下降。在,t,2,时刻，,u,i,1,上升到门电路的开启电压,U,T,，使,u,o1,（,u,i,2,）,由,0,变为,1,，,u,o,由,1,变为,0,。同样由于电容电压不能跃变，故,u,i,1,跟随,u,o,发生负跳变，于是,u,i,2,（,u,o1,）,由,0,变为,1,。这个高电平保持,u,o,为,0,。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。,第一暂稳态及其自动翻转的工作过程,第二暂稳态及其自动翻转的工作过程,在,t,2,时刻，,u,o1,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，,u,i,1,逐渐上升。在,t,3,时刻，,u,i,1,上升到,U,T,，使,u,o,（,u,i,1,）,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。,3,、,石英晶体,多谐振荡器,电阻,R,1,、,R,2,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,R,1,R,2,R,0.7,k,2k,，,而对于,CMOS,门，则常取,R,1,R,2,R,10k,100k,；,C,1,C,2,C,是耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率,f,0,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,f,0,。,4.1.2,由,555,定时器构成的多谐振荡器,1,、,555,定时器,低,电平,触发端,高,电平,触发端,电压,控制端,复位端,低,电平有效,放电端,4.5,16V,0,0,1,R=0,时，,Q=1,，,u,o,=0,，,T,导通。,R=0,时，,Q=1,，,u,o,=0,，,T,饱和导通。,R=1,、,U,TH,2V,CC,/3,、,U,TR,V,CC,/3,时，,C,1,=0,、,C,2,=1,，,Q=1,、,Q=0,，,u,o,=0,，,T,饱和导通。,2V,CC,/3,V,CC,/3,0,0,0,1,1,R=0,时，,Q=1,，,u,o,=0,，,T,饱和导通。,R=1,、,U,TH,2V,CC,/3,、,U,TR,V,CC,/3,时，,C,1,=0,、,C,2,=1,，,Q=1,、,Q=0,，,u,o,=0,，,T,饱和导通。,2V,CC,/3,V,CC,/3,1,0,0,1,1,R=1,、,U,TH,2V,CC,/3,、,U,TR,V,CC,/3,时，,C,1,=1,、,C,2,=1,，,Q,、,Q,不变，,u,o,不变，,T,状态不变。,1,1,0,R=0,时，,Q=1,，,u,o,=0,，,T,饱和导通。,R=1,、,U,TH,2V,CC,/3,、,U,TR,V,CC,/3,时，,C,1,=0,、,C,2,=1,，,Q=1,、,Q=0,，,u,o,=0,，,T,饱和导通。,2V,CC,/3,V,CC,/3,1,1,1,0,0,R=1,、,U,TH,2V,CC,/3,、,U,TR,V,CC,/3,时，,C,1,=1,、,C,2,=1,，,Q,、,Q,不变，,u,o,不变，,T,状态不变。,R=1,、,U,TH,2V,CC,/3,、,U,TR,V,CC,/3,时，,C,1,=1,、,C,2,=0,，,Q=0,、,Q=1,，,u,o,=1,，,T,截止。,2,、由,555,定时器构成的多谐振荡器,接通,V,CC,后，,V,CC,经,R,1,和,R,2,对,C,充电。当,u,c,上升到,2V,CC,/3,时，,u,o,=0,，,T,导通，,C,通过,R,2,和,T,放电，,u,c,下降。当,u,c,下降到,V,CC,/3,时，,u,o,又由,0,变为,1,，,T,截止，,V,CC,又经,R,1,和,R,2,对,C,充电。如此重复上述过程，在输出端,u,o,产生了连续的矩形脉冲。,4.1.3,多谐振荡器的应用,秒信号发生器,多谐振荡器,分频电路,模拟声响电路,将振荡器,的输出电压,u,o1,，,接到振荡器,中,555,定时器的复位端（,4,脚），当,u,o1,为高电平时振荡器,振荡，为低电平时,555,定时器复位，振荡器,停止震荡。,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。,4.2,单稳态触发器,4.2.1,由门电路构成的单稳态触发器,4.2.2,由,555,定时器构成的单稳态触发器,4.2.3,单稳态触发器的应用,退出,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。,4.2.1,由门电路构成的单稳态触发器,（,1,）没有触发信号时电路工作在稳态,当没有触发信号时，,u,i,为低电平。因为门,G,2,的输入端经电阻,R,接至,V,DD,，,V,A,为高电平，因此,u,o2,为低电平；门,G,1,的两个输入均为,0,，其输出,u,o1,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：,u,o1,1,，,u,o2,0,。,0,0,1,1,1,1,0,（,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,u,i,到来时，门,G,1,输出,u,o1,由,1,变为,0,。由于电容电压不能跃变，,u,A,也随之跳变到低电平，使门,G,2,的输出,u,O2,变为,1,。这个高电平反馈到门,G,1,的输入端，此时即使,u,i,的触发信号撤除，仍能维持门,G,1,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，,u,o1,0,，,u,o2,1,。,0,0,1,1,（,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，,V,DD,经,R,和,G,1,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,u,A,升高。当,u,A,上升到阈值电压,U,T,时，,G,2,的输出,u,o2,由,1,变为,0,。由于这时,G,1,输入触发信号已经过去，,G,1,的输出状态只由,u,o2,决定，所以,G,1,又返回到稳定的高电平输出。,u,A,随之向正方向跳变，加速了,G,2,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,u,o1,1,，,u,o2,0,。,脉冲宽度：,t,p,=0.7RC,电路的改进,当,u,i,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,G,1,被,u,i,封住了，会使,u,o2,的下降沿变缓。,稳态时，,u,i,1,，,G,1,、,G,2,均导通。,u,o1,0,，,u,A,0,，,u,o2,0,。,u,i,负跳变到,0,时，,G,1,截止，,u,o1,随之跳变到,1,。由于电容电压不能跃变，,u,A,仍为,0,，故门,G,2,截止，,u,o2,跳变到,1,。在,G,1,、,G,2,截止时，,C,通过,R,和,G,1,的导通管放电，使,u,A,逐渐上升。当,u,A,上升到管子的开启电压,U,T,时，如果,u,i,仍为低电平，,G,2,导通，,u,o2,变为,0,。当,u,i,回到高电平后，,G,1,导通，,C,又通过,R,和,G,1,的导通管充电，电路恢复到稳定状态。,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。,R,ext,/,C,ext,、,C,ext,是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻,R,（,R,=1.4k,40k,）,接在,V,CC,和,R,ext,/,C,ext,之间，外接定时电容,C,（,C,=10pF,10F,）,接在,C,ext,（,正）和,R,ext,/,C,ext,之间。,74121,内部已设置了一个,2k,的定时电阻，,R,in,是其引出端，使用时只需将,R,in,与,V,CC,连接起来即可，不用时则应将,R,in,开路。,74121,的输出脉冲宽度：,t,p,0.7,RC,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。,R,ext,/,C,ext,、,C,ext,、,R,in,3,个引出端是供外接定时元件使用的，外接定时电阻,R,（,R,=5k,50k,）、,电容,C,（,无限制）的接法与,74121,相同。,R,D,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：,t,p,0.32,RC,4.2.2,由,555,定时器构成的单稳态触发器,接通,V,CC,后瞬间，,V,CC