電子技術(shù)(數(shù)字部分)任希主編第7章脈沖波形的變換和產(chǎn)生

電子技術(shù)（數(shù)字部分）第7章脈沖波形的變換和產(chǎn)生7.1概述7.2集成555電路7.3施密特觸發(fā)器7.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7.5多諧振蕩器27.1概述數(shù)字電路中主要使用的數(shù)字信號(hào)主要是矩形脈沖信號(hào)，獲取矩形脈沖波形的途徑主要有兩種：一種是利用各種形式的多諧振蕩器電路直接產(chǎn)生所需要的矩形脈沖;另一種則是通過各種整形電路將已有的周期性變化波形變換為符合要求的矩形脈沖。3脈沖波幾個(gè)主要參數(shù):占空比Q-----表示脈沖寬度占整個(gè)周期的百分比上升時(shí)間tr

和下降時(shí)間tf----從脈沖幅值的10%到90%上升

下降所經(jīng)歷的時(shí)間(典型值ns)脈沖寬度(tw)----脈沖幅值的50%的兩個(gè)時(shí)間所跨越的時(shí)間周期(T)----表示兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔

tr脈沖寬度

tw

0.5V

4.5V

2.5V

幅值=5.0V

0.0V

5.0V

tf0.5V

2.5V

4.5V

47.2集成555電路7.2.1集成555CMOS電路結(jié)構(gòu)7.2.2集成555工作原理5555定時(shí)器雙極型: 驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)CMOS: 功耗低，最低工作電壓小， 輸入電阻高流行的產(chǎn)品主要有4個(gè)，BJT兩個(gè)：555和556（含有兩個(gè)555），CMOS兩個(gè)：7555和7556（含有兩個(gè)7555），現(xiàn)以CMOS集成定時(shí)器7555為例介紹其結(jié)構(gòu)與功能。

555定時(shí)器外接適當(dāng)?shù)碾娮?、電容能方便地?gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器等。

555電路是美國Signetics公司1972年研制的用于取代機(jī)械式定時(shí)器的中規(guī)模集成電路，因輸入端設(shè)計(jì)有三個(gè)5kΩ電阻而得名。67555控制電壓端TR7.2.1集成555CMOS電路結(jié)構(gòu)低電平觸發(fā)高電平觸發(fā)復(fù)位端輸出端放電端1地8234765電源18VDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥

1Q≥

1基本RS觸發(fā)器

C1、C2是兩個(gè)電壓比較器分壓器:由三個(gè)等值電阻R串聯(lián)而成G1111G2T驅(qū)動(dòng)器和放電開關(guān)C1C2RRR7TR18VDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥

1Q≥

1RRRG1111G2TC1C27.2.2集成555工作原理當(dāng)＝L時(shí)，反相器G1輸出高電平，0110所以Q為低電平，OUT=L。使G2輸入為高電平，T管導(dǎo)通。此時(shí)稱為復(fù)位。假設(shè)D端通過電阻接到正電源，則D端為低電平。0008TR18VDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥

1Q≥

1RRRG1111G2TC1C2當(dāng)＝H

時(shí)，1.TH>2UDD/3，電路的輸出狀態(tài)與無關(guān)，所以為任意輸入×。101則C1輸出為1，

Q=0，

OUT=0。T導(dǎo)通。01清零失效02.TH<2VDD/3，>VDD/3；00觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。

C1輸出為0；

C2輸出為0； 9TR18VDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥

1Q≥

1RRRG1111G2TC1C2當(dāng)＝H

時(shí)，1清零失效Q=1，T管截止，OUT=1。C1=0；3.TH<2VDD/3，<VDD/3，C2=1，

OUT=1稱為電路置位或置“1”01101107555功能表<UDD/3TH(6)

(4)(2)OUT(3)T管D(7)>2VDD/3<2VDD/3<2VDD/3>UDD/3HHHHH截止導(dǎo)通導(dǎo)通不變不變不變LLLLL???集成定時(shí)器7555的主要參數(shù)：電源電壓：

VDD=3～18V

觸發(fā)電流：

<50pA復(fù)位電流：

≤100pA

輸出電壓

VOL≤

0.1V(UDD=15V,IOL=3.2mA)

VOH≥

14.8V(UDD=15V,IOH=1mA)最大功耗

300mW117.3施密特觸發(fā)器7.3.1施密特觸發(fā)器特性7.3.2施密特觸發(fā)器的主要應(yīng)用7.3.3施密特觸發(fā)器電路127.3.1施密特觸發(fā)器特性13施密特觸發(fā)器在性能上有兩個(gè)重要的特點(diǎn)：第一，輸人信號(hào)從低電平上升的過程中電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與輸入信號(hào)從髙電平下降過程中對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。第二，在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。利用這兩個(gè)特點(diǎn)不僅能將邊沿變化緩慢的信號(hào)波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形脈沖髙、低電平上的噪聲有效地清除。施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性及工作特點(diǎn)：①施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)器件，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到某一定電壓值時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生突變。②電路有兩個(gè)閾值電壓。輸入信號(hào)增加和減少時(shí)，電路的閾值電壓分別是正向閾值電壓（VT+）和負(fù)閾值電壓（VT-）。同相輸出施密特觸發(fā)器反相輸出施密特觸發(fā)器

OVT+

vO

VOH

VOL

VT-

vI

14VT+VT-OvItVOHVOLOvOt施密特觸發(fā)器的輸入輸出波形圖反向傳輸同向傳輸VT+VT-OvItVOHVOLOvOt15將一周期性信號(hào)變換為矩形波，其輸出脈沖寬度tW可通過改變進(jìn)行調(diào)節(jié)ΔVT。1.波形變換twΔttVOHVOLOuOVT+VT-OvIΔ=－7.3.2施密特觸發(fā)器的主要應(yīng)用162.信號(hào)整形將不規(guī)則的信號(hào)波形整成矩形脈沖。

ttVOHVOLOvOVT+VT-OvI173.幅度鑒別施密特觸發(fā)器的輸出狀態(tài)取決于輸入信號(hào)的電壓值，因此可用作幅度鑒別。ttVOHVOLOvOVT+VT-OvI陰影部分電壓大于VT+187.3.3施密特觸發(fā)器電路19輸入電壓vI由小增大但小于2VDD/3時(shí)，vOl=vO2=H。當(dāng)vI增大到2VDD/3時(shí)電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，vO1、vO2均由H跳變?yōu)長。vI>2VDD/3，vOl=vO2=L保持不變。顯然VT+＝2VDD/3。vI由最大值下降到VDD/3以前，電路輸出一直為低電平。當(dāng)vI下降到VDD/3時(shí)，電路再次翻轉(zhuǎn)，輸出由L跳變?yōu)镠。vI繼續(xù)下降，vOl=vO2=H保持不變，顯然VT-=VDD/3，回差△VT=VDD/3。集成555電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器7.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7.4.1集成555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7.4.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7.4.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用20單穩(wěn)態(tài)電路具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1.電路只有以一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)），另一個(gè)是暫穩(wěn)定狀態(tài)（暫穩(wěn)態(tài)）。2.在外加觸發(fā)脈沖的作用下，電路從穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過一定的時(shí)間，電路狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。3.暫穩(wěn)態(tài)維持的時(shí)間決定于單穩(wěn)態(tài)電路自身的參數(shù)（如電路中相關(guān)電阻和電容的參數(shù)），與外加觸發(fā)信號(hào)無關(guān)。7.4.1集成555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器21②外加觸發(fā)信號(hào)，電路轉(zhuǎn)換到暫態(tài)，輸出為1③觸發(fā)信號(hào)消除后，電容充電電路自動(dòng)轉(zhuǎn)換到穩(wěn)態(tài)輸出為0①?zèng)]有觸發(fā)信號(hào)時(shí)(υi)電路處于穩(wěn)態(tài)，輸出為0

13VCCtw=RC1n3≈1.1RC

TR18VDD4R25CO6THOUTDQ≥

1Q≥

1RRRG1111G2TC1C2清零失效555電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

觸發(fā)前00R1C0.01uF1010放電22TR18VDD4R25CO6THOUTDQ≥

1Q≥

1RRRG1111G2TC1C200R1C0.01uF1010觸發(fā)t00vCt001011vI(TR)vC(D)vO(OUT)當(dāng)D端vC電壓充電到2VDD/3時(shí)，比較器C1輸出為高電平，Q端為低電平，T管輸入為高電平，輸出OUT翻轉(zhuǎn)，T管導(dǎo)通。暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束2UDD/3t12VDD/3010暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束tw=1.1RCtre恢復(fù)時(shí)間23單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要參數(shù)1.輸出脈沖寬度tW2.

恢復(fù)時(shí)間tre

C通過T管導(dǎo)通電阻R′放電，經(jīng)過(3～5)τ放基本結(jié)束，所以tre=(3～5)

R′C。

td指為保證單穩(wěn)正常工作允許觸發(fā)脈沖最小的時(shí)間間隔。顯然

td=tW＋tre3.分辨時(shí)間td4.輸出脈沖幅度VmVm決定于輸出信號(hào)高低電平之差

247.4.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器根據(jù)工作狀態(tài)不同可分為不可重復(fù)觸發(fā)和可重復(fù)觸發(fā)兩種。其主要區(qū)別在于：不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫穩(wěn)態(tài)期間不受觸發(fā)脈沖影響，只有暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束觸發(fā)脈沖才會(huì)再起作用?？芍貜?fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫穩(wěn)態(tài)期間還可接收觸發(fā)信號(hào)，電路被重新觸發(fā)，暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間也會(huì)順延。1.TTL雙單穩(wěn)態(tài)電路7422174221的功能表262．CMOS雙單穩(wěn)態(tài)電路45384538的功能表277.4.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用281．定時(shí)2．脈沖延遲3．脈沖整形7.5多諧振蕩器7.5.1用門電路組成的多諧振蕩器7.5.2石英晶體多諧振蕩器7.5.3集成555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器29多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)無需外加觸發(fā)脈沖，就能輸出具有一定頻率的矩形波。但非門的平均傳輸延遲時(shí)間過短，且不穩(wěn)定，故實(shí)用中常加入RC電路。奇數(shù)個(gè)非門接成環(huán)形，可形成各點(diǎn)電平高低的交替變化。環(huán)形振蕩器

RRC1C1CMOS環(huán)形振蕩器改進(jìn)的環(huán)形振蕩器對(duì)于含有RC元件的脈沖電路，關(guān)鍵是電容的充放電，而關(guān)鍵連接點(diǎn)就是與電容相連的門電路的輸入端。7.5.1用門電路組成的多諧振蕩器30QQC1C2R2G1G2R1AB電路有兩種工作過程：正反饋過程和暫穩(wěn)態(tài)過程正反饋過程：uQuAuBuQuA正反饋過程QQC1C2R2G1G2R1ABQQBA暫穩(wěn)態(tài)過程暫穩(wěn)態(tài)過程:C1C2充放電正反饋過程達(dá)到閾值電壓31一、石英晶體石英晶體諧振器具有極高的穩(wěn)定性，用它作為諧振元件做成的晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度可優(yōu)于10－9。電路符號(hào)等效電路CPCLR頻率特性fPfSf0X7.5.2石英晶體多諧振蕩器32二、晶體振蕩器

多諧振蕩器電路石英晶體多諧振蕩器QQ