《數(shù)字電子技術(shù)》第四章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生于整形

數(shù)字電子技術(shù),湖南計(jì)算機(jī)高等?？茖W(xué)校李中發(fā)胡錦制作,第4章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形,學(xué)習(xí)要點(diǎn)：555定時(shí)器的工作原理及邏輯功能由555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)、多諧、施密特觸發(fā)器的方法,第4章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形,4.1多諧振蕩器,4.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,4.3施密特觸發(fā)器,退出,4.1多諧振蕩器,4.1.1由門電路構(gòu)成的多諧振蕩器,4.1.2由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器,4.1.3多諧振蕩器的應(yīng)用,退出,4.1.1由門電路構(gòu)成的多諧振蕩器,能產(chǎn)生矩形脈沖的自激振蕩電路叫做多諧振蕩器。,1、RC環(huán)形多諧振蕩器,在t1時(shí)刻，ui1（uo）由0變?yōu)?，于是uo1（ui2）由1變?yōu)?，uo2由0變?yōu)?。由于電容電壓不能躍變，故ui3必定跟隨ui2發(fā)生負(fù)跳變。這個(gè)低電平保持uo為1，以維持已進(jìn)入的這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)期間，uo2（高電平）通過電阻R對(duì)電容C充電，使ui3逐漸上升。在t2時(shí)刻，ui3上升到門電路的閾值電壓UT，使uo（ui1）由1變?yōu)?，uo1（ui2）由0變?yōu)?，uo2由1變?yōu)?。同樣由于電容電壓不能躍變，故ui3跟隨ui2發(fā)生正跳變。這個(gè)高電平保持uo為0。至此，第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路進(jìn)入第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。,第一暫穩(wěn)態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過程,第二暫穩(wěn)態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過程,在t2時(shí)刻，uo2變?yōu)榈碗娖剑娙軨開始通過電阻R放電。隨著放電的進(jìn)行，ui3逐漸下降。在t3時(shí)刻，ui3下降到UT，使uo（ui1）又由0變?yōu)?，第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路返回到第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，又開始重復(fù)前面的過程。,2、CMOS多諧振蕩器,在t1時(shí)刻，uo由0變?yōu)?，由于電容電壓不能躍變，故ui1必定跟隨uo發(fā)生正跳變，于是ui2（uo1）由1變?yōu)?。這個(gè)低電平保持uo為1，以維持已進(jìn)入的這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)期間，電容C通過電阻R放電，使ui1逐漸下降。在t2時(shí)刻，ui1上升到門電路的開啟電壓UT，使uo1（ui2）由0變?yōu)?，uo由1變?yōu)?。同樣由于電容電壓不能躍變，故ui1跟隨uo發(fā)生負(fù)跳變，于是ui2（uo1）由0變?yōu)?。這個(gè)高電平保持uo為0。至此，第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路進(jìn)入第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。,第一暫穩(wěn)態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過程,第二暫穩(wěn)態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過程,在t2時(shí)刻，uo1變?yōu)楦唠娖?，這個(gè)高電平通過電阻R對(duì)電容C充電。隨著放電的進(jìn)行，ui1逐漸上升。在t3時(shí)刻，ui1上升到UT，使uo（ui1）又由0變?yōu)?，第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路返回到第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，又開始重復(fù)前面的過程。,3、石英晶體多諧振蕩器,電阻R1、R2的作用是保證兩個(gè)反相器在靜態(tài)時(shí)都能工作在線性放大區(qū)。對(duì)TTL反相器，常取R1R2R0.7k2k，而對(duì)于CMOS門，則常取R1R2R10k100k；C1C2C是耦合電容，它們的容抗在石英晶體諧振頻率f0時(shí)可以忽略不計(jì)；石英晶體構(gòu)成選頻環(huán)節(jié)。,振蕩頻率等于石英晶體的諧振頻率f0。,4.1.2由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器,1、555定時(shí)器,低電平觸發(fā)端,高電平觸發(fā)端,電壓控制端,復(fù)位端低電平有效,放電端,4.516V,0,0,1,2VCC/3,VCC/3,0,0,0,1,1,2VCC/3,VCC/3,1,0,0,1,1,1,1,0,2VCC/3,VCC/3,1,1,1,0,0,2、由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器,接通VCC后，VCC經(jīng)R1和R2對(duì)C充電。當(dāng)uc上升到2VCC/3時(shí)，uo=0，T導(dǎo)通，C通過R2和T放電，uc下降。當(dāng)uc下降到VCC/3時(shí)，uo又由0變?yōu)?，T截止，VCC又經(jīng)R1和R2對(duì)C充電。如此重復(fù)上述過程，在輸出端uo產(chǎn)生了連續(xù)的矩形脈沖。,4.1.3多諧振蕩器的應(yīng)用,秒信號(hào)發(fā)生器,多諧振蕩器,分頻電路,模擬聲響電路,將振蕩器的輸出電壓uo1，接到振蕩器中555定時(shí)器的復(fù)位端（4腳），當(dāng)uo1為高電平時(shí)振蕩器振蕩，為低電平時(shí)555定時(shí)器復(fù)位，振蕩器停止震蕩。,本節(jié)小結(jié)：,多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，不需要外加輸入信號(hào)，就可以自動(dòng)地產(chǎn)生出矩形脈沖。,多諧振蕩器可以由門電路構(gòu)成，也可以由555定時(shí)器構(gòu)成。由門電路構(gòu)成的多諧振蕩器和基本RS觸發(fā)器在結(jié)構(gòu)上極為相似，只是用于反饋的耦合網(wǎng)絡(luò)不同。RS觸發(fā)器具有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)，多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，所以又稱為無穩(wěn)電路。在多諧振蕩器中，由一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)過渡到另一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，其“觸發(fā)”信號(hào)是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，因此無需外加觸發(fā)脈沖。多諧振蕩器的振蕩周期與電路的阻容元件有關(guān)。,555定時(shí)器是一種應(yīng)用廣泛、使用靈活的集成器件，多用于脈沖產(chǎn)生、整形及定時(shí)等。,4.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,4.2.1由門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,4.2.2由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,4.2.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用,退出,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中一般用于定時(shí)（產(chǎn)生一定寬度的矩形波）、整形（把不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換成寬度、幅度都相等的波形）以及延時(shí)（把輸入信號(hào)延遲一定時(shí)間后輸出）等。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有下列特點(diǎn)：,（1）電路有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。（2）在外來觸發(fā)脈沖作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)是一個(gè)不能長久保持的狀態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間后，電路會(huì)自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間與觸發(fā)脈沖無關(guān)，僅決定于電路本身的參數(shù)。,4.2.1由門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,（1）沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)電路工作在穩(wěn)態(tài)當(dāng)沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，ui為低電平。因?yàn)殚TG2的輸入端經(jīng)電阻R接至VDD，VA為高電平，因此uo2為低電平；門G1的兩個(gè)輸入均為0，其輸出uo1為高電平，電容C兩端的電壓接近為0。這是電路的穩(wěn)態(tài)，在觸發(fā)信號(hào)到來之前，電路一直處于這個(gè)狀態(tài)：uo11，uo20。,0,0,1,1,1,1,0,（2）外加觸發(fā)信號(hào)使電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)正觸發(fā)脈沖ui到來時(shí)，門G1輸出uo1由1變?yōu)?。由于電容電壓不能躍變，uA也隨之跳變到低電平，使門G2的輸出uO2變?yōu)?。這個(gè)高電平反饋到門G1的輸入端，此時(shí)即使ui的觸發(fā)信號(hào)撤除，仍能維持門G1的低電平輸出。但是電路的這種狀態(tài)是不能長久保持的，所以稱為暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，uo10，uo21。,0,0,1,1,（3）電容充電使電路由暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)在暫穩(wěn)態(tài)期間，VDD經(jīng)R和G1的導(dǎo)通工作管對(duì)C充電，隨著充電的進(jìn)行，C上的電荷逐漸增多，使uA升高。當(dāng)uA上升到閾值電壓UT時(shí)，G2的輸出uo2由1變?yōu)?。由于這時(shí)G1輸入觸發(fā)信號(hào)已經(jīng)過去，G1的輸出狀態(tài)只由uo2決定，所以G1又返回到穩(wěn)定的高電平輸出。uA隨之向正方向跳變，加速了G2的輸出向低電平變化。最后使電路退出暫穩(wěn)態(tài)而進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)uo11，uo20。,脈沖寬度：tp=0.7RC,電路的改進(jìn),當(dāng)ui的寬度很寬時(shí)，可在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端加一個(gè)RC微分電路，否則，在電路由暫穩(wěn)態(tài)返回到穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于門G1被ui封住了，會(huì)使uo2的下降沿變緩。,穩(wěn)態(tài)時(shí)，ui1，G1、G2均導(dǎo)通。uo10，uA0，uo20。ui負(fù)跳變到0時(shí)，G1截止，uo1隨之跳變到1。由于電容電壓不能躍變，uA仍為0，故門G2截止，uo2跳變到1。在G1、G2截止時(shí)，C通過R和G1的導(dǎo)通管放電，使uA逐漸上升。當(dāng)uA上升到管子的開啟電壓UT時(shí)，如果ui仍為低電平，G2導(dǎo)通，uo2變?yōu)?。當(dāng)ui回到高電平后，G1導(dǎo)通，C又通過R和G1的導(dǎo)通管充電，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。,TR-A、TR-B是兩個(gè)下降沿有效的觸發(fā)信號(hào)輸入端，TR+是上升沿有效的觸發(fā)信號(hào)輸入端。Q和是兩個(gè)狀態(tài)互補(bǔ)的輸出端。Rext/Cext、Cext是外接定時(shí)電阻和電容的連接端，外接定時(shí)電阻R（R=1.4k40k）接在VCC和Rext/Cext之間，外接定時(shí)電容C（C=10pF10F）接在Cext（正）和Rext/Cext之間。74121內(nèi)部已設(shè)置了一個(gè)2k的定時(shí)電阻，Rin是其引出端，使用時(shí)只需將Rin與VCC連接起來即可，不用時(shí)則應(yīng)將Rin開路。,74121的輸出脈沖寬度：tp0.7RC,4.2.2由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,4.2.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用,延遲與定時(shí),整形,本節(jié)小結(jié)：,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有一個(gè)穩(wěn)態(tài)。由門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和基本RS觸發(fā)器在結(jié)構(gòu)上也極為相似，只有用于反饋的耦合網(wǎng)絡(luò)不同。,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以由門電路構(gòu)成，也可以由555定時(shí)器構(gòu)成。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，由一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)，其“觸發(fā)”信號(hào)也是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間即脈沖寬度也由電路的阻容元件決定。,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不能自動(dòng)地產(chǎn)生矩形脈沖，但卻可以把其它形狀的信號(hào)變換成為矩形波，用途很廣。,4.3施密特觸發(fā)器,4.3.1由門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器,4.3.2由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器,4.3.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用,退出,4.3.1由門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器,施密特觸發(fā)器是一種能夠把輸入波形整形成為適合于數(shù)字電路需要的矩形脈沖的電路。,0,0,1,1,0,1,1,1,1,1,0,0,0,1,1,0,0,0,1,1,下限閾值電壓,上限閾值電壓,回差電壓（滯后電壓）：UTUTUT,前面介紹的施密特觸發(fā)器的回差電壓為：UTUTUTUT