脉冲信号的产生与转换

数字电子技术基础一、微分电路和积分电路RC电路在脉冲信号产生与转换电路中有着广泛的应用。(一)微分电路微分电路是一种能够将输入的矩形脉冲变换为正负尖脉冲的波形变换电路。微分电路的形式就是一个RC串联电路，且要求电路的充放电时间常数τ=RC远小于输入矩形正脉冲的宽度tw。第一节预备知识微分电路a)电阻下拉式b)电阻上拉式c)时序图+V+充电放电+VDD+V充电+V当电路的时间常数τ=RCtw时，即使电路的形式完全一样，但这样的RC电路是耦合电路，而不是微分电路，其输出电压uo与输入电压uI的波形近似相同。耦合电路的时序图(二)积分电路积分电路也是一种常用的波形变换电路，它可以将矩形脉冲变换成近似三角波。其电路也是一个RC串联电路，但从电容上取出输出电压，且要求电路的时间常数τ=RC远大于输入矩形正脉冲的宽度tw。积分电路a)电路图b)波形图三、阈值电压集成门电路的输出状态发生翻转时，所对应的临界输入信号电压，用VTH表示。通常将转折区中点所对应的输入电压称为阈值电压。一般TTL门电路取1.4V作为阈值电压，CMOS门电路取1/2电源电压作为阈值电压。反相器的电压传输特性三、利用反相器对微积分脉冲进行整形处理前述的微分电路和积分电路虽然可对波形进行变换，但其输出波形并不是一个标准的时钟脉冲，为了得到标准的时钟脉冲信号，可利用反相器对其进行整形处理。反相器对脉冲波形的整形和处理a）下拉式微分电路b）上拉式微分电路c）积分电路单稳态触发器特点是：（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。第二节单稳态触发器一、微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器a)电路图b)时序波形图㈠工作原理1.电路的稳态当uI为高电平且RRoff(关门电阻)时，G2门关闭，u02为高电平，G1门由于输入全为1而打开，u01为低电平。此时，电路处于稳定状态。11002.加负触发脉冲电路翻转为暂稳态当t=t1时，uI产生负跳变，使u01由低电平跳变为高电平，由于电容两端电压uC不能突变，因而使uR产生同样的正跳变，G2的输出u02从高电平变为低电平，这是一个强列正反馈过程：1100►0►1►0►1正反馈过程：uI↓→u01↑→uR↑→u02↓┗━━━━┛结果使得电路迅速进入G1门关闭、G2门打开的暂稳状态。暂稳状态3.电路自动返回稳态电路在暂稳态期间，u01为高电平，经R到地不断对电容充电，使uC按指数规律上升，uR按指数规律下降，当uR下降到G2门的阈值电压时，电路将产生下列的正反馈过程：1011►0►0►1正反馈过程：C充电→uC↑→uR↓→u02↑→u01↓┗━━━━━┛结果使得电路自动返回到G1打开、G2关闭的稳态。暂稳态的持续时间，即输出脉冲宽度tw与充电时间常数RC的大小有关，RC越大，tW越宽。脉冲宽度：tW≈0.7RC4.恢复过程暂稳态结束后，电容C上已充有一定的电压，因此，电路返回稳态后需经C的放电过程，电容上的电压才能恢复到稳态时的数值，这一过程即为恢复过程。恢复过程所需时间tre的大小与放电时间常数RC的大小有关。恢复过程结束后，才允许输入下一个触发脉冲。1100tre=(3～5)RCfmax=1/（tw+tre）㈡主要参数1.输出脉冲宽度设VDD=5V、VTH=2.5V，估算公式得到tW≈0.7RCR、C的单位分别为MΩ和μF，tw的单位为秒。2.恢复实间tretre=(3～5)RC3.最高重复触发频率fmaxfmax=1/（tw+tre）二、集成单稳态触发器单片集成单稳态触发器具有价廉、性能稳定、使用方便等优点，在数字电路中的应用日益广泛，下面以74HC221为例介绍。74HC221为集成双单稳态触发器，其中每个单稳态触发器单元均具有两个触发输入端TR+和TR-(TR+为正边沿触发端，TR-为负边沿触发端)，和一个清零端R(低电平有效)，两个互补的输出端Q和Q。74HC221典型接线图三、单稳态触发器的应用单稳态触发器在数字电路中一般用于整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）、定时（产生一定宽度的矩形波）、以及延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。(一)脉冲的整形无论输入到单稳态触发器的脉冲波形如何，只要符合触发电压，能使单稳态电路翻转，就能在输出端得到一定宽度、一定幅度、前后沿较陡的规则矩形脉冲。单稳态电路的整形作用（高电平触发）(二)脉冲的定时利用宽度为tW的矩形脉冲作为与门的控制信号，只有在tW时间内，与门才打开，其它输入信号才能通过。单稳态电路的定时作用（低电平触发）a)原理图b)波形图(三)脉冲的延时微分型单稳态电路输出u02的下降沿相对于输入触发脉冲uI的下降沿滞后了tW时间，称这个时间为延迟时间。74HC221组成的脉冲延时电路a)电路图b)时序图数字电子技术基础习题多谐振荡器没有稳定的状态，又称无稳态电路，它不需外加触发信号便能产生一系列矩形脉冲，在数字系统中常用作矩形脉冲源，作为时序电路的时钟信号。所谓的多谐，是指电路所产生的矩形脉冲中含有许多高次谐波的意思。第三节多谐振荡器一、CMOS型多谐振荡器G1、G2为两个反相器，R、C是定时元件。多谐振荡器a）原理图b）实际电路图多谐振荡器波形图㈠工作原理1.第一暂稳态及其自动翻转的过程假定在接通电源的瞬间，电路最初处于G1关闭、G2打开状态（设这时为电路的第一暂稳态），即u01=1，u02=0。此时，uO1经电阻R到uO2对电容C充电，uI的电位等于uC与u02之和。随着充电的进行，uI的电位不断上升，当uI上升到G1门的阈值电压VTH后，电路发生下述正反馈过程：10正反馈过程：uI↑→u01↓→u02↑┗━━━━━┛结果导致G1门迅速打开，G2门迅速关闭，电路进入第二暂稳态，即u01=0，u02=1。►0►1+㈠工作原理2.第二暂稳态及其自动翻转的过程：电路进入第二暂稳态瞬间，u02由0上跳至+VDD，由于电容两端电压不能突变，则uI也将上跳VDD。此后，电容C通过电阻R及uo1、uo2开始放电，使uI的电位不断下降，当uI降至G1门的VTH后，电路又发生下列正反馈过程：01►0►1+正反馈过程：uI↓→u01↑→u02↓└─────┘结果使G1门迅速关闭，G2门迅速打开，电路又返回到第一暂稳态。㈡输出脉冲参数的计算1.振荡周期T若G1门的阈值电平VTH=VDD/2，则振荡周期可按下式估算T≈2.2RC2.振荡脉冲幅度VmVm≈VDD二、可控型多谐振荡器可控型多谐振荡器a）与非门构成b）或非门构成Uk=0停振Uk=1停振10三、占空比和频率可调的多谐振荡器占空比q是指矩形波高电平持续时间与其周期之比占空比和频率可调的多谐振荡器a)电路图b)波形图1010四、石英晶体振荡器石英晶体a)符号b)阻抗频率特性石英晶体振荡器a)两级反相器构成b)一级反相器构成施密特触发器可以把变化十分缓慢的不规则脉冲波形转换成数字电路所需的矩形脉冲。施密特触发器具有以下特点：它属于电平触发方式，即不仅状态的翻转需外加的触发信号，而且，状态的维持也需外加触发信号。另外，施密特触发器对于变化方向不同的输入信号，具有不同的阈值电压。第四节施密特触发器一、用门电路构成施密特触发器施密特触发器a）逻辑图b）逻辑符号c）波形图d）传输特性uo（1）ui＝0时，R＝1，S＝0，uo为高电平，这是第一种稳态。01100uo0.7V111（2）ui＝UD=0.7V时，R＝1，S＝1，RS触发器不翻转，uo仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。0uo1.4V111（3）ui继续上升到UT+=UT=1.4V时，R＝0，S＝1，RS触发器翻转，uo为低电平，这是第二种稳态。电路翻转后ui再上升，电路状态不变。►00►1►0uo1.4V1011（4）ui上升到最大值后下降时，若ui下降到UT，R＝1，S=1，RS触发器不翻转，电路仍维持在第二种稳态。uo1.4V～0.7V1011（5）ui继续下降到UT-=UT-UD=0.7V时，R＝1，S＝0，RS触发器翻转，uo为高电平，电路返回到第一种稳态。uo此施密特触发器的回差电压为：ΔUT＝UT＋－UT－＝UT－(UT－UD)＝UD＝0.7V缺点是回差太小，且不能调整。施密特触发器a）逻辑图b）逻辑符号c）波形图d）传输特性uo下限阈值电压上限阈值电压回差电压（滞后电压）：ΔUT＝UT＋－UT－二、集成施密特触发器集成施密特触发器性能一致性比较好，触发阈值电压稳定。CD40106内含六个独立的施密特触发器单元，每个单元有一个触发输入端和一个输出端，且输出和输入为反相逻辑关系，其引脚排列与CD4069相同。对CMOS电路来说，施密特触发器的回差电压与电源电压VDD有关，VDD越高，回差电压越大，且回差越大，其抗干扰能力就越强。但当回差电压较大时要求uI的变化幅度也要大。三、基本应用电路施密特触发器的应途十分广泛。(一)波形的变换和整形波形的变换a)电路图b)波形图波形的整形a)施密特整形b)反相器整形(二)多谐振荡器利用施密特触发器也可以构成多谐振荡器。当VDD为+5V时，振荡频率计算公式可用下式估算：f=1/(0.8RC)若R、C单位分别取KΩ和μF，则f的单位为KHz。多谐振荡器a）多谐振荡器b）可控多谐振荡器c）占空比和频率可调的多谐振荡器(三)单稳态触发器利用施密特触发器的回差特性可以很方便地构成单稳态触发器。上升沿触发型单稳态触发器a）电路图b）时序图下降沿触发型单稳态触发器a)电路图b)时序图(四)脉冲幅度鉴别脉冲的幅度鉴别数字电子技术基础习题555定时器又称时基电路，是一种用途很广泛的单片集成电路。若在其外部配上少许阻容元件，便能构成各种不同用途的脉冲电路，如振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等。同时，由于它的性能优良，使用灵活方便，在工业自动控制、家用电器和电子玩具等许多领域得到广泛的应用。第五节集成555定时器555定时器的产品有双极型和CMOS型：双极型型号为555(单)和556(双)；CMOS型产品型号是7555(单)和7556(双)。•双极型定时器的电源电压在4.5～16V之间，输出电流较大(200mA)，能直接驱动继电器等负载，并能提供与TTL、CMOS电路相容的逻辑电平；•CMOS型则功耗低、适用电源电压范围宽(通常在3V～18V)、定时元件的选择范围大、输出电流比双极型小。一、电路结构集成555定时器a)电路原理图b)引脚排列图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电压输出端102VCC/3VCC/3••基本RS触发器特性表1110101000不定nQ1nQSR电压比较器UPUNUNUP-UO(sat)+UO(sat)UNUPUO二、工作原理2/3VCC1/3VCC••2/3VCC1/3VCC2/3VCC1/3VCC012/3VCC111/3VCC01同高出低同低出高不同保持复位0三、典型应用(一）555构成施密特触发器当uI1/3VCC时，uO输出高电平；当uI2/3VCC时，uO输出低电平；当1/3VCCuI2/3VCC时，uO输出保持原来状态不变。uI由小变大时，uI=2/3VCC时触发翻转；uI由大变小时，uI=1/3VCC才翻转。形成输出对输入的滞后特性。THTR施密特触发器a）电路图b）传输特性c）波形图由于该施密特触发器两阈值电平为1/3VCC和2/3VCC，因而该电路存在1/3VCC的回差电压。(二)构成单稳态触发器单稳态触发器a)电路图b)波形图当接通电源后，＋VCC经R给C充电，uC不断升高。当uC2/3VCC时，u0=0，放电管V饱和导通。随后,C经⑦脚迅速放电，使uC迅速减小到0V，u0=0状态，这就是它的稳定状态。THTRD1当②脚输入一幅值低于1/3VCC的窄负脉冲触发信号时，u0=1、放电管V截止，电路由稳态进入暂稳态。随后，C开始充电，当uC上升到略