數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第10章 脈沖整形與產(chǎn)生電路ppt課件

1、第第10章章 脈沖整形與產(chǎn)生電路脈沖整形與產(chǎn)生電路脈沖整形與產(chǎn)生電路用于對脈沖波形進(jìn)行變脈沖整形與產(chǎn)生電路用于對脈沖波形進(jìn)行變換以及產(chǎn)生數(shù)字電路中的時鐘，是數(shù)字電路換以及產(chǎn)生數(shù)字電路中的時鐘，是數(shù)字電路中不可缺少的部分。本章介紹施密特觸發(fā)器、中不可缺少的部分。本章介紹施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、方波發(fā)生器以及定時器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、方波發(fā)生器以及定時器555的工作原理與應(yīng)用。的工作原理與應(yīng)用。10.1 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器10.1.1 由門電路組成的施密特觸發(fā)器由門電路組成的施密特觸發(fā)器1CMOS門電路組成的施密特觸發(fā)器門電路組成的施密特觸發(fā)器由由CMOS非門和電阻組成的施密特觸發(fā)器如圖非門和

2、電阻組成的施密特觸發(fā)器如圖10-1所示所示 假設(shè)該電路中非門假設(shè)該電路中非門G1和和G2的閾值電壓為的閾值電壓為 ，為保證輸入電壓的有效控，為保證輸入電壓的有效控制，取制，取R1R2。 THCC12VV2施密特觸發(fā)輸入端的門電路施密特觸發(fā)輸入端的門電路 由于施密特觸發(fā)輸入端采用了特殊的反饋電路，可根據(jù)輸入信號從低到高或由于施密特觸發(fā)輸入端采用了特殊的反饋電路，可根據(jù)輸入信號從低到高或是從高到低的變化來移動動作閾值，因此有抗干擾的作用，在實際中有很多應(yīng)用。是從高到低的變化來移動動作閾值，因此有抗干擾的作用，在實際中有很多應(yīng)用。具有施密特觸發(fā)輸入端典型的具有施密特觸發(fā)輸入端典型的TTL非門非門74

3、LS14傳輸特性如圖傳輸特性如圖10-3所示，引腳排列所示，引腳排列如圖如圖10-4所示。所示。該芯片典型的正向閾值該芯片典型的正向閾值VT+=1.6 V，負(fù)向閾，負(fù)向閾值值VT=0.8 V，回差電壓，回差電壓 =0.8 V。具有施密特觸發(fā)輸入的電路具有抗噪聲能具有施密特觸發(fā)輸入的電路具有抗噪聲能力，力，74LS14的抗噪聲應(yīng)用示意如圖的抗噪聲應(yīng)用示意如圖10-5所所示。示。10.1.2 施密特觸發(fā)器的應(yīng)用施密特觸發(fā)器的應(yīng)用 施密特觸發(fā)器可以把邊沿變化緩慢的周期信號轉(zhuǎn)換成矩形脈沖信號。圖施密特觸發(fā)器可以把邊沿變化緩慢的周期信號轉(zhuǎn)換成矩形脈沖信號。圖10-6是將正弦波轉(zhuǎn)換成矩形波的波形圖。是將正

4、弦波轉(zhuǎn)換成矩形波的波形圖。圖圖10-7是正弦波轉(zhuǎn)換方波的實際接線圖。是正弦波轉(zhuǎn)換方波的實際接線圖。圖圖10-7a是輸入是輸入50 Hz正弦波，輸出正弦波，輸出100 Hz方波的接線圖，方波的接線圖，圖圖10-7b是輸入是輸入50 Hz正弦波，輸出正弦波，輸出50 Hz的方波接線圖，的方波接線圖，10.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器10.2.1 門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖圖10-8所示的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由或非門、非門、電容和電阻組成。所示的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由或非門、非門、電容和電阻組成。 （2恢復(fù)時間恢復(fù)時間在暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，

5、需要延遲一個小的恢復(fù)時間在暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，需要延遲一個小的恢復(fù)時間tre后，才可以再進(jìn)行觸發(fā)。后，才可以再進(jìn)行觸發(fā)。由圖由圖10-10所示的恢復(fù)時間估算等效電路，有如下估算公式：所示的恢復(fù)時間估算等效電路，有如下估算公式： re(3tD5)R C其中其中RD是門電路輸入端保護(hù)二極管的等效導(dǎo)通電阻。是門電路輸入端保護(hù)二極管的等效導(dǎo)通電阻。（3分辨時間分辨時間允許兩個相鄰觸發(fā)脈沖之間的最小時間間隔，通常稱為分辨時間允許兩個相鄰觸發(fā)脈沖之間的最小時間間隔，通常稱為分辨時間tMIN，由以上分析，由以上分析有有若是觸發(fā)正脈沖的寬度大于輸出脈寬若是觸發(fā)正脈沖的寬度大于輸出脈寬tW，該電路也可以工作，

6、但是在，該電路也可以工作，但是在t2時刻，由于時刻，由于G1門輸出不會出現(xiàn)低電平到高電平的跳變，因此不會出現(xiàn)正反饋，結(jié)果是輸出脈沖門輸出不會出現(xiàn)低電平到高電平的跳變，因此不會出現(xiàn)正反饋，結(jié)果是輸出脈沖VO的下降沿變化緩慢。的下降沿變化緩慢。MINWrettt2積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖圖10-11所示的積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由非門所示的積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由非門G1、與門、與門G2、電阻、電阻R和電容和電容C組成。組成。由于電阻和電容組成了積分電路，所以稱為積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由于電阻和電容組成了積分電路，所以稱為積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 3基于基于74HC14的單穩(wěn)態(tài)電路的單穩(wěn)態(tài)電路（1工作原

7、理工作原理利用利用74HC14輸入端的施密特滯環(huán)特性，可以組成圖輸入端的施密特滯環(huán)特性，可以組成圖10-13a所示的單穩(wěn)態(tài)電路，所示的單穩(wěn)態(tài)電路，圖中圖中7406是集電極開路非門，電阻是集電極開路非門，電阻R和電容和電容C組成了組成了RC充放電電路。該電路動作過充放電電路。該電路動作過程波形如圖程波形如圖10-13b所示所示 （374HC14組成延時燈開關(guān)組成延時燈開關(guān) 當(dāng)按鈕按下一次后，電容當(dāng)按鈕按下一次后，電容C上的電壓為上的電壓為0，74HC14輸出高電平，三極管輸出高電平，三極管9013導(dǎo)通，繼電器導(dǎo)通，繼電器J1通電動作，常開觸點(diǎn)通電動作，常開觸點(diǎn)J1閉合，電燈被點(diǎn)亮。隨時間的推移，

8、閉合，電燈被點(diǎn)亮。隨時間的推移，電源通過電阻電源通過電阻R1向電容向電容C充電，其兩端的電壓越來越高，當(dāng)達(dá)到充電，其兩端的電壓越來越高，當(dāng)達(dá)到74HC14的上限的上限電壓電壓VT+時，時，74HC14輸出低電平，使繼電器斷電，常開觸點(diǎn)輸出低電平，使繼電器斷電，常開觸點(diǎn)J1斷開，電燈滅。斷開，電燈滅。若是在電容若是在電容C電壓未達(dá)到電壓未達(dá)到VT+時，按鈕再次按下，將電容時，按鈕再次按下，將電容C上的電荷放掉，使電上的電荷放掉，使電壓為壓為0，則開始新的充電過程，繼續(xù)延遲時間常數(shù)，則開始新的充電過程，繼續(xù)延遲時間常數(shù)R1C決定的時間。決定的時間。*10.2.2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7

9、4121 74121是不可重復(fù)觸發(fā)的集成觸發(fā)器，集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是不可重復(fù)觸發(fā)的集成觸發(fā)器，集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的符號如圖的符號如圖10-16所示。符號圖中，所示。符號圖中，A1、A2和和B是觸發(fā)器輸入端，在是觸發(fā)器輸入端，在RINT端連接有端連接有2 k的內(nèi)的內(nèi)部電阻。由于部電阻。由于74121具有施密特觸發(fā)器輸入特性，所以具有較高的抗干擾特性，對具有施密特觸發(fā)器輸入特性，所以具有較高的抗干擾特性，對輸入信號的邊沿要求也不高。輸入信號的邊沿要求也不高。 74121的功能如表的功能如表10-1所示。由功能表可以看出，所示。由功能表可以看出，74121在三個輸入信號在三個輸入信號A1、A2

10、和和B之間滿足表中之間滿足表中的關(guān)系時，在觸發(fā)信號的脈沖沿觸發(fā)。的關(guān)系時，在觸發(fā)信號的脈沖沿觸發(fā)。一個使一個使3個燈順序點(diǎn)亮個燈順序點(diǎn)亮1s的電路如圖的電路如圖10-19所示。該電路使用了所示。該電路使用了3個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器器74121，按鈕按下時，產(chǎn)生下降沿觸發(fā)信號。，按鈕按下時，產(chǎn)生下降沿觸發(fā)信號。10.3 多諧振蕩器多諧振蕩器10.3.1 門電路組成的多諧振蕩器門電路組成的多諧振蕩器該電路就在這兩個穩(wěn)態(tài)之間該電路就在這兩個穩(wěn)態(tài)之間不停地轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生振蕩。振不停地轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生振蕩。振蕩波形如圖蕩波形如圖10-23所示。所示。10.3.2 施密特型多諧振蕩器施密特型多諧振蕩器使用施密特

11、觸發(fā)器組成的多諧振蕩器如圖使用施密特觸發(fā)器組成的多諧振蕩器如圖10-24所示。所示。10.3.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器在振蕩周期要求準(zhǔn)確的場合，通常都采用石英晶體振蕩器，這是由于石英晶體的在振蕩周期要求準(zhǔn)確的場合，通常都采用石英晶體振蕩器，這是由于石英晶體的頻率穩(wěn)定度可達(dá)頻率穩(wěn)定度可達(dá)107以上。以上。1振蕩器的組成振蕩器的組成 振蕩器電路包含一個放大器和一個反饋網(wǎng)絡(luò)，如圖振蕩器電路包含一個放大器和一個反饋網(wǎng)絡(luò)，如圖10-26所示，振蕩器產(chǎn)生振所示，振蕩器產(chǎn)生振蕩的條件是放大器的增益蕩的條件是放大器的增益A與反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)與反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)F相乘必須大于相乘必須大于1，同時放大器

12、，同時放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)的總相移必須等于和反饋網(wǎng)絡(luò)的總相移必須等于360o的的n倍倍n為整數(shù)），只有這樣，才能保證某一為整數(shù)），只有這樣，才能保證某一頻率的信號在回路中不斷地得到放大，最終產(chǎn)生振蕩。振蕩器的振蕩頻率取決于頻率的信號在回路中不斷地得到放大，最終產(chǎn)生振蕩。振蕩器的振蕩頻率取決于反饋網(wǎng)絡(luò)的選頻能力，使用石英晶體選頻，可以使振蕩頻率非常穩(wěn)定。反饋網(wǎng)絡(luò)的選頻能力，使用石英晶體選頻，可以使振蕩頻率非常穩(wěn)定。 2電容反饋式振蕩電路電容反饋式振蕩電路電容反饋式振蕩電路如圖電容反饋式振蕩電路如圖10-27a所示，該電路所示，該電路又稱為電容三點(diǎn)式或考畢茲又稱為電容三點(diǎn)式或考畢茲Colpitts振蕩

13、電路。振蕩電路。3具有石英晶體的振蕩器具有石英晶體的振蕩器 把電容反饋式振蕩電路中的電感改為石英晶體，就構(gòu)成圖把電容反饋式振蕩電路中的電感改為石英晶體，就構(gòu)成圖10-29所示的單非門所示的單非門晶體振蕩器。該振蕩器只有當(dāng)石英晶體呈現(xiàn)電感性時才能振蕩，而石英晶體呈現(xiàn)電晶體振蕩器。該振蕩器只有當(dāng)石英晶體呈現(xiàn)電感性時才能振蕩，而石英晶體呈現(xiàn)電感性的諧振頻率在感性的諧振頻率在fs與與fp 之間，且之間，且fsfp，所以晶體的諧振頻率就是該振蕩器的工，所以晶體的諧振頻率就是該振蕩器的工作頻率。作頻率。 電路中電路中R的數(shù)值應(yīng)該足夠大，一般取的數(shù)值應(yīng)該足夠大，一般取210 M。目前各種諧振頻率的石英晶體。

14、目前各種諧振頻率的石英晶體已經(jīng)成為系列產(chǎn)品，所以可以組成各種工作頻率的振蕩器。已經(jīng)成為系列產(chǎn)品，所以可以組成各種工作頻率的振蕩器。在各種單片機(jī)、時鐘等芯片中常使用這種振蕩器作為時鐘信號源。在各種單片機(jī)、時鐘等芯片中常使用這種振蕩器作為時鐘信號源。例如，例如， 圖圖10-30所示的是所示的是74HC04組成的石英晶體振蕩器電路，該電路可以作為數(shù)字系組成的石英晶體振蕩器電路，該電路可以作為數(shù)字系統(tǒng)的時鐘源使用，圖中用一個非門產(chǎn)生振蕩，用另外一個非門對振蕩產(chǎn)生的波形整統(tǒng)的時鐘源使用，圖中用一個非門產(chǎn)生振蕩，用另外一個非門對振蕩產(chǎn)生的波形整形后輸出。形后輸出。 4有源晶體振蕩器有源晶體振蕩器將石英晶體

15、與非門組成的振蕩器電路裝在一個小的雙列將石英晶體與非門組成的振蕩器電路裝在一個小的雙列直插封裝直插封裝DIP中，就組成了有源振蕩器，中，就組成了有源振蕩器，其特點(diǎn)如下：其特點(diǎn)如下： 全金屬封裝。全金屬封裝。 頻率范圍一般為頻率范圍一般為1130 MHz。 TTL/CMOS兼容邏輯電平。兼容邏輯電平。 電源電壓為電源電壓為3.35 V。10.4 定時器定時器555及其應(yīng)用及其應(yīng)用10.4.1 定時器定時器555的基本工作原理的基本工作原理 定時器定時器555是一種多功能集成電路，只要在外部接上幾個電阻和電容，就可以組是一種多功能集成電路，只要在外部接上幾個電阻和電容，就可以組成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)

16、態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。定時器成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。定時器555的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和符號圖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和符號圖如圖如圖10-31所示。所示。 從圖從圖10-31所示的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖可知，它由比較器所示的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖可知，它由比較器1、比較器、比較器2、非門、非門G1與與G2組成的組成的SR鎖存器和放電三極管鎖存器和放電三極管Q1組成。組成。 為了提高電路的帶負(fù)載能力，輸出端設(shè)置了緩沖器為了提高電路的帶負(fù)載能力，輸出端設(shè)置了緩沖器G4。雙極性定時器。雙極性定時器555的電源的電源電壓范圍是電壓范圍是516 V，最大負(fù)載電流達(dá)，最大負(fù)載電流達(dá)200 mA。CMOS型定時器型定時器55

17、5的電源電壓范圍的電源電壓范圍是是318 V，最大負(fù)載電流為，最大負(fù)載電流為4 mA。 定時器定時器555的輸出高電平近似等于電源電壓，低電平近似等于的輸出高電平近似等于電源電壓，低電平近似等于0 V。10.4.2 定時器定時器555組成施組成施密特觸發(fā)器密特觸發(fā)器用定時器用定時器555組成的施密組成的施密特觸發(fā)器電路如圖特觸發(fā)器電路如圖10-32所示。所示。10.4.3 定時器定時器555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器定時器定時器555組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路如圖組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路如圖10-34a所示。定時器所示。定時器555組成單穩(wěn)態(tài)組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)過程波形如圖觸發(fā)器的觸發(fā)過程波

18、形如圖10-34b所示。所示。10.4.4 定時器定時器555組成多諧振蕩器組成多諧振蕩器定時器定時器555組成的多諧振蕩器電路如圖組成的多諧振蕩器電路如圖10-35a所示。所示。 由占控比的表達(dá)式可知占控比始終大于由占控比的表達(dá)式可知占控比始終大于50%，要使占空比小于等于，要使占空比小于等于50%，可，可以使用圖以使用圖10-36所示的電路脈沖占空比等于脈沖高電平時間除以脈沖周期）。所示的電路脈沖占空比等于脈沖高電平時間除以脈沖周期）。10.5 一些應(yīng)用電路一些應(yīng)用電路【例【例10-1】 單脈沖與連續(xù)時鐘產(chǎn)生電路。單脈沖與連續(xù)時鐘產(chǎn)生電路。解：在數(shù)字電路實驗中，常需要連續(xù)時鐘源和單脈沖時鐘

19、源，圖解：在數(shù)字電路實驗中，常需要連續(xù)時鐘源和單脈沖時鐘源，圖10-37顯示的就是顯示的就是產(chǎn)生連續(xù)時鐘和單脈沖時鐘的電路。產(chǎn)生連續(xù)時鐘和單脈沖時鐘的電路。【例【例10-2】 用定時器用定時器555實現(xiàn)長延時。實現(xiàn)長延時。解：采用定時器解：采用定時器555組成的長延時電路如圖組成的長延時電路如圖10-38所示。該電路是由定時器所示。該電路是由定時器555組成組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，并增加按鈕、繼電器等元件組成。的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，并增加按鈕、繼電器等元件組成。圖圖10-39 采用方波發(fā)生器的負(fù)電源電路采用方波發(fā)生器的負(fù)電源電路【例【例10-3】 負(fù)電源發(fā)生電路。負(fù)電源發(fā)生電路。 74HC04組成的負(fù)電源電路。組成的負(fù)電源電路。 定時器定時器555實現(xiàn)負(fù)電源電路。實現(xiàn)負(fù)電源電路。74HC04組成的振蕩器周期為T=2