第8章 脉冲波形的变换与产生

第八章脉冲波形的变换与产生第八章脉冲波形的变换与产生§8.1单稳态触发器§8.2施密特触发器§8.3多谐振荡器§8.4555定时器及其应用一、电路及特点G1VI≥1≥1VCCG2VRRV02V01VDD+-二、原理VI=0VR=1V02=0V01=1VC=0V1、稳态V01=1V02=0§8.1单稳态触发器G1VI≥1≥1VCCG2VRRV02V01VDD+-2、稳态暂稳态正反馈：V01=0V02=1V01V02VRVIV01=1V02=0V01=0V02=1G1VI≥1≥1VCCG2VRRV02V01VDD+-3、暂稳态稳态C充电VRV02V01正反馈：V01=1V02=0V01=0V02=1V01=1V02=04、波形0tVI0tV010tVRVDDVthVDDVth+0tV02tw暂稳态t1t2暂稳态结束后,电容将通过电阻放电,使电容上的电压恢复到稳态时的初始值.三、主要参数计算1、输出脉冲宽度tw以VR计算0)(1RtVthVtV)(2RDDVV)(RthDDDDDDthDDRRRRwVVVRCVVVRCVtVVtVRCtttln0ln)()()()(ln2112当DDthVV21RCtw7.02、恢复时间tredret33、最高工作频率rewttTf1min1max单稳态触发器的特点单稳态触发器简称单稳。它的突出特点是:输出端只有一个稳定状态,另一个状态则是暂稳态.加入触发信号后,它可以由稳定状态转入暂稳态,但是,经过一定时间以后,它又会自动返回原来的稳定状态。稳定状态稳定状态暂稳态由外界触发自动返回学习的重点:为什么会自动返回?需多少时间?四、集成单稳态触发器可重复触发：在输出脉宽内，又输入一触发信号，输出响应该信号。不可重复触发：只有第一个触发信号有效，在脉宽范围内不响应第二个触发信号。74121是TTL集成器件，是不可重复触发的集成单稳态触发器。集成单稳态触发器74121A1和A2是两个下降沿有效的触发信号输入端，B是上升沿有效的触发信号输入端。AABvovoextCRintCextextRVCCGND10111491634512774121集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法:（a）使用外部电阻Rext且电路为下降沿触发的连接方式.（b）使用内部电阻Rint且电路为上升沿触发的连接方式。AABovovextCintRextextCRCCVGND10111491634512774121CCVextR1vICextAABovovextCintRextextCRCCVGND10111491634512774121vICextCCV74121的主要参数(1)输出脉冲宽度tW使用外接电阻：tW≈0.7RextC使用内部电阻：tW≈0.7RintC（2）输入触发脉冲最小周期TminTmin=tW＋tretre是恢复时间。（3）周期性输入触发脉冲占空比q定义：q=tW/T最大占空比：qmax=tW/Tmin74121内部电阻=2kΩ，外接电阻Rext可在1.4～40kΩ之间选择，外接电容C可在10pF～10μF之间选择，所以，当R=2kΩ时，最大占空比qmax为67%；当R=40kΩ时，最大占空比qmax可达90%。五．单稳态触发器的应用1.定时当v/O=1时，与门打开，vO=vF。当v/O=0时，与门关闭，vO为低电平。显然与门打开的时间是恒定不变的，就是单稳输出脉冲v/O的宽度tW。1&vIOvvO单稳与门vFtWvIvOvFOvAABextCextR1274121(0)R1extCVCCC1vIvO0QAABextCextR1274121(1)R2extCVCCC2vOQVCC2.延时0tvI0tvo00tvotw1tw1用两片74121组成脉冲延时电路,从波形图可以看出,vo脉冲的上升沿相对输入信号vI的上升沿延迟了tw1时间。3.整形单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲vO。vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于暂稳态时间。IvtWOv1、问题的提出一、电路及特点2、电路11VIV02R2G1G21V01R1VI1§8.2施密特触发器3、特点电平触发，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变；输入信号增加和减小时，电路有不同的阈值电压。二、工作原理0211212I1VRRRVRRRVI设VI为三角波，R1R2,Vth=VDD/211VIV0R2G1G21V01R1VI11、VI=0V,VI1Vth,V01=1,V0=0VI1V01V0VthV01=0,V0=1正反馈瞬间完成V0从0到1的跳变前一瞬间所对应的VI=VT+故有TthVRRRVV212I1thTVRRV)1(210211212I1VRRRVRRRVI11VIV0R2G1G21V01R1VI12、V01=0,V0=1VI1V01V0VthV01=1,V0=0正反馈瞬间完成3、结论VIVT+，V0=1VIVT-，V0=0回差电压：thTTTVRRVVV212VIV01逻辑符号4、波形0tVIVT+VT-V00tVDDV00VDDVIVT-VT+V011VIR2G1G21V01R1VI1VIV01逻辑符号三、应用1.整形及变换三角波方波，正弦波方波0tVT+VT-2VT-1t0V010tV022.用于脉冲鉴幅——从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于VT+的输入脉冲。1)、暂态一设初态V01=1，V02=0VIV01V02VC不能突变Vth正反馈，C充电,进入暂稳态2一、由门电路组成的多谐振荡器11VIV02RG1G21V01充电V01=0，V02=1§8.3多谐振荡器1.电路一种由CMOS门电路组成的多谐振荡器G1G2D1D2vITPTNvO1RD3D4TPTNvO2VDDC图8.3.1多谐振荡器原理图结论：多谐振荡器的两个暂稳态的转换过程是通过电容C充放电作用实现，C充放电又集中体现在VI的变化上。2)、暂态二V01=0，V02=1正反馈，C放电,进入暂稳态1VIV01V02VC不能突变Vth11VIV02RG1G21V01放电V01=1，V02=03)、输入保护电路大部分场效应管输入端接二极管以保护管子不被击穿。VI送7.5V，VI1=5.7VVI送-5V，VI1=-0.7VVIVI15VV0TPTN11VIV02RG1G21V01T1----暂态一T2----暂态二0tV01V+VDD+0tVIVth0tV02T1T2t1t211VIV02RG1G21V014)、波形11VIV02RG1G21V01RS加上RS前后，电容左端电压峰峰值的变化为：VDD----0Vth+VDD----Vth-VDD2、振荡周期的计算VI(t)=VI(∞)+[VI(0+)-VI(∞)]et)()2()()(ln112IIIIVtVVtVRCttTRCRCVVVRCTDDthDD7.02ln0ln1RCVVRCTDDDD7.0020ln2T=T1+T2=1.4RC3、占空比%50PLpHpHtttq加上RS前后，电容左端电压VI1峰峰值的变化为：VDD----0Vth+VDD----Vth-VDD11VIV02RG1G21V01RSVI10tV010tV02T1T2t1t20tVI1VthVth+VDDVth-VDD加上RS后，振荡电路的波形加RS=10R后的振荡周期计算thDDthDDDDthDDDDthVVVVRCVVVVVRCT2lnln1ththDDththDDVVVRCVVVRCTln00ln2将Vth=1/2VDD代入T=T1+T2=RCln9=2.2RC集成施密特触发器以芯片40106为例VIV01逻辑符号VR0VDDVT-VT+VIVT+，V0=0VIVT-，V0=1二、用施密特触发器构成多谐振荡器1、用集成施密特触发器构成多谐振荡器VI0t0tVoVT-VT+T1T2a:充电，VC=VT+,V010b:放电，VC=VT-,V001VIV01RCVI0t0tVoVT-VT+T1T2TTTDDTDDVVRCVVVVRCTTTlnln21周期计算f=1/T-----振荡频率2、用集成施密特触发器构成占空比可调的多谐振荡器VI0t0tVoVT-VT+T1T2VIV01R1R2D1D2思考:占空比如何调节?该振荡器的周期怎么求?2、用集成施密特触发器构成占空比可调的多谐振荡器VI0t0tVoVT-VT+T1T2VIV01R1R2D1D2TTTDDTDDVVCRVVVVCRTTTlnln2121三．石英晶体多谐振荡器1.石英晶体的选频特性有两个谐振频率。当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0；当f=fp时，为并联谐振，石英晶体的电抗无穷大。由晶体本身的特性决定：fs≈fp≈f0（晶体的标称频率）石英晶体的选频特性极好，f0十分稳定，其稳定度可达10-10～10-11。石英晶体的符号0ff0X电感性电容性fp2.石英晶体多谐振荡器（1）串联式振荡器R1、R2的作用——使两个反相器在静态时都工作在转折区，成为具有很强放大能力的放大电路。对于TTL门，常取R1=R2=0.7～2kΩ，若是CMOS门则常取R1=R2=10～100MΩ；C1=C2是耦合电容。石英晶体工作在串联谐振频率f0下，只有频率为f0的信号才能通过，满足振荡条件。因此，电路的振荡频率=f0，与外接元件R、C无关，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。（2）并联式振荡器RF是偏置电阻，保证在静态时使G1工作转折区，构成一个反相放大器。晶体工作在略大于fS与fP之间，等效一电感，与C1、C2共同构成电容三点式振荡电路。电路的振荡频率=f0。反相器G2起整形缓冲作用，同时G2还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。复习比较器vIvO-+A+VCC-VEEVREFvIOT234ttvOVOHOVOLVREFvIOT234ttvOVOHOVOLVREFvIvO-+A+VCC-VEEVREF§8.4555定时器及其应用一、555定时器的电路结构由以下几部分组成：（1）三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器。（2）两个电压比较器C1和C2。电压比较器的功能：v+v-，vO=1v+v-，vO=0（3）基本RS触发器、（4）放电三极管T及缓冲器G。VORvCC(3)vICI1vvI2Ov,(7)(2)(6)(5)阈值输入控制电压触发输入放电端CC&&&1RSTG5kΩ5kΩ5kΩ12D(8)(4)电源复位(1)QO12658437Ov,vI2I1vvICVCCv555DROVRCCD电源复位CC&&&1RSTG5kΩ5kΩ5kΩ12v(8)(4)(3)vICI1v(1)vI2Ov,(7)(2)(6)(5)阈值输入控制电压触发输入放电端二．工作原理（1）4脚为复位输入端（RD），当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo为低电平。正常工作时，应将其接高电平。（2）5脚为电压控制端，当其悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3VCC和1/3VCC。（3）2脚为触发输入端，6脚为阈值输入端，两端的电位高低控制比较器C1和C2的输出，从而控制RS触发器，决定输出状态。施密特触发器——具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。一.用555定时器构成的施密特触发器1.电路组成及工作原理三．定时器应用举例VCC2R1265VCCRDO5553Ov7vI2I1vvIC8412IvCCVvCC&&&1RSTG5kΩ5kΩ5kΩ12VRvCCDO(8)(4)(3)电源复位vICI1v(1)vI2Ov,(7)(2)(6)(5)阈值输入控制电压触发输入放电端Q2.电压滞回特性和主要参数（1）电压滞回特性（a）上限阈值电压VT+——vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低