数电第八章 脉冲波形的变换与产生幻灯片.ppt

第1页，共53页，编辑于2022年，星期六教学基本要求教学基本要求1.正确理解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的电路正确理解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的电路 组成组成及工作原理。及工作原理。2.掌握多谐、单稳、施密特触发器掌握多谐、单稳、施密特触发器MSI器件的逻辑功能及主要指标器件的逻辑功能及主要指标计算。计算。3.掌握掌握555定时器的工作原理。定时器的工作原理。4.掌握由掌握由555定时器组成的多谐、单稳、施密特触发器的电路、定时器组成的多谐、单稳、施密特触发器的电路、工作原理及外接参数及电路指标的计算。工作原理及外接参数及电路指标的计算。第2页，共53页，编辑于2022年，星期六8.1 8.1 单稳态触发器单稳态触发器 电路在没有触发信号作用时处于一种稳定状态。电路在没有触发信号作用时处于一种稳定状态。在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态;由于电路中由于电路中RC延时环节的作用，暂稳态不能长保持延时环节的作用，暂稳态不能长保持,经过一段经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间仅取时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间仅取与与RC参数值有关。参数值有关。基本概念1.单稳态触发器的工作特点单稳态触发器的工作特点第3页，共53页，编辑于2022年，星期六2.单稳态触发器的分类单稳态触发器的分类 门电路组成的单稳态触发器门电路组成的单稳态触发器MSIMSI集成单稳态触发器集成单稳态触发器用用555555定时器组成的单稳态触发器定时器组成的单稳态触发器按电路形式不同按电路形式不同不可重复触发单稳态触发器不可重复触发单稳态触发器可重复触发可重复触发单稳态触发器单稳态触发器工作特点划分工作特点划分第4页，共53页，编辑于2022年，星期六8.1.1 8.1.1 用用CMOSCMOS门电路组成的微分型单稳态触发器门电路组成的微分型单稳态触发器 1.1.电路电路CMOS与非门构成的微分型与非门构成的微分型单稳态触发器单稳态触发器 CMOS或非门构成的微分型或非门构成的微分型单稳态触发器单稳态触发器 正脉冲触发正脉冲触发负脉冲触发负脉冲触发第5页，共53页，编辑于2022年，星期六 2.2.工作原理工作原理（以或非门构成的为例）（以或非门构成的为例）设定设定CMOS门电路电压传输特性理想门电路电压传输特性理想化，反相器的阈值电压：化，反相器的阈值电压：（1）没有触发信号时，）没有触发信号时，I=0，电路处，电路处于稳态。于稳态。电路处于一种稳态。只要没有正脉冲输入，电路状态一直保持。电路处于一种稳态。只要没有正脉冲输入，电路状态一直保持。I2 I2=1，O=0，O1O1 =1 ，C=0第6页，共53页，编辑于2022年，星期六（2）外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态）外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态 I外加正脉冲，外加正脉冲，O1跳变为跳变为“0”，C两端电压不能突变，两端电压不能突变，G2输入变为输入变为“0”，O=“1”，O2的高电平作为的高电平作为G1的输入，的输入，导致如下正反馈过程。导致如下正反馈过程。由于由于 O输出为高，即使触发信号输出为高，即使触发信号 I撤出，撤出，O1仍维持低电平，然而，电仍维持低电平，然而，电路的这种状态是不能长久保持的，故称为路的这种状态是不能长久保持的，故称为暂稳态暂稳态。O1=0，O2=1第7页，共53页，编辑于2022年，星期六（3）电容充电，电路由暂稳态自动返回稳态）电容充电，电路由暂稳态自动返回稳态 暂稳态期间，电源经暂稳态期间，电源经R对对C充电，充电，C升高，升高，I2也升高，当也升高，当 I2=Vth=0.5VDD时，时，电路发生以下正反馈过程（电路发生以下正反馈过程（I触发脉冲已触发脉冲已撤出）撤出）电路回到稳态：电路回到稳态：O=0，O1=1。转换后瞬间，电容两端的电压为转换后瞬间，电容两端的电压为 I2=VDD+Vth，暂稳态结束后，电容通，暂稳态结束后，电容通过过R放电，使放电，使C上的电压恢复到稳定状态时的初始值。上的电压恢复到稳定状态时的初始值。第8页，共53页，编辑于2022年，星期六（4）工作波形）工作波形:第9页，共53页，编辑于2022年，星期六3.3.主要参数的计算主要参数的计算（1）输出脉冲宽度输出脉冲宽度tw C(0+)=0；C()=VDD =RC；VTH=VDD/2（2）恢复时间恢复时间tre tre 3（3）最高工作频率最高工作频率 fmax 第10页，共53页，编辑于2022年，星期六4.4.讨论讨论（1）在暂稳态结束（）在暂稳态结束（t=t2）瞬间，）瞬间，门门G2的输入电压的输入电压 I2达到达到VDD+VTH，可能损坏，可能损坏G2门，怎么门，怎么办？办？（2）用）用TTL门电阻门电阻R的取值可以是任意的取值可以是任意的吗？的吗？采用采用TTL与非门构成单稳与非门构成单稳电路时，电阻电路时，电阻R要小于要小于0.7k。第11页，共53页，编辑于2022年，星期六8.1.2 8.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器不可重复触发不可重复触发可重复触发可重复触发v vO Ov vI It tw wt tw w没有被重复触发vOvItwtw被重复触发第12页，共53页，编辑于2022年，星期六 1.1.不可重复触发的集成单稳态触发器不可重复触发的集成单稳态触发器 7412174121电路的连接：电路的连接：C外接电阻容外接电阻容 R外接电阻或采用内部电阻外接电阻或采用内部电阻 输出脉冲宽度：输出脉冲宽度：tw0.7RC第13页，共53页，编辑于2022年，星期六74121功能表功能表 HHA1A2BQL HL LHL LLHHH LHHHHHHL L不可触发，保持稳态不变。不可触发，保持稳态不变。A1、A2中有一个或两个为低电平，中有一个或两个为低电平，在在B端输入上升沿时电路被触发。端输入上升沿时电路被触发。B 为高电平，为高电平，A1、A2 中有一个为高中有一个为高电平，输入端有一个下降沿时或电平，输入端有一个下降沿时或A1、A2都为下降沿时电路被触发。都为下降沿时电路被触发。2.2.可重复触发的集成单稳态触发器可重复触发的集成单稳态触发器(略略)第14页，共53页，编辑于2022年，星期六8.1.3 8.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用1.1.定时定时 该电路可用于频率计该电路可用于频率计第15页，共53页，编辑于2022年，星期六2.2.延时延时第16页，共53页，编辑于2022年，星期六3.3.组成噪声消除电路组成噪声消除电路 单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度而小于信号脉宽，才可消单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度而小于信号脉宽，才可消除噪声。除噪声。第17页，共53页，编辑于2022年，星期六8.2 8.2 施密特触发器施密特触发器施密特触发器电压传输特性及工作特点 施密特触发器属于电平触发器件，当输入信号达到某一定电压值时，输出电施密特触发器属于电平触发器件，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。压会发生突变。电路有两个阈值电压。电路有两个阈值电压。输入信号增加和减少时，电路的阈值电压分输入信号增加和减少时，电路的阈值电压分别是正向阈值电压（别是正向阈值电压（VT+）和负阈值电压（）和负阈值电压（VT-）。第18页，共53页，编辑于2022年，星期六8.2.1 8.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器1.1.电路组成电路组成2.2.工作原理工作原理设电路中设电路中G1、G2门翻转电压门翻转电压VthVDD/2，且，且R1 Vth，O=VDD不变。不变。第20页，共53页，编辑于2022年，星期六 I上升到最大后开始下降，上升到最大后开始下降，I1也下降，也下降，当下降到略小于当下降到略小于V th，电路翻转。，电路翻转。电路此时翻转对应的输入电压为负向阈值电电路此时翻转对应的输入电压为负向阈值电VT-。翻转后，翻转后，O1=VDD，O=0，I继续下降，继续下降，I1 VON=Vth 门打开（输出低），门打开（输出低），VI VOFF=Vth 门关闭（封锁，输出高）。门关闭（封锁，输出高）。第29页，共53页，编辑于2022年，星期六工作过程分析：工作过程分析：第一暂稳态及自动翻转过程。第一暂稳态及自动翻转过程。电源VDD经G1的TP管、R和G2的TN给C充电，使VI电压上升，当VI到达Vth时G1翻转，G2翻转，进入第二暂稳态。上电时，上电时，C两端未充电，两端未充电，VO1=1，VI=VO2=0，为，为第一暂稳态第一暂稳态。第30页，共53页，编辑于2022年，星期六 第二暂稳态及自动翻转过程第二暂稳态及自动翻转过程 电路进入第二暂稳态瞬间，电路进入第二暂稳态瞬间，VO1=0，VO2=1，C两端的压降为两端的压降为Vth，故，故VI应为应为Vth+VOH，即，即VthVDD。但由于二极管的钳位作用，。但由于二极管的钳位作用，VIVDD+V+（V+：二极管正向压降）。二极管正向压降）。C通过G2的TP和G1的TN及R放电，使VI下降，当VI下降至Vth后，G1、G2再次翻转，进入第一暂稳态，此时C两端电压为-Vth，翻转后VI应为-Vth，由于D的钳位，VIV-。第31页，共53页，编辑于2022年，星期六工作波形：工作波形：2 2振荡周期的计算振荡周期的计算 T1：T2：由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期T取决于取决于R、C电路和电路和VTH，频率稳定性，频率稳定性较差。较差。第32页，共53页，编辑于2022年，星期六8.3.2 8.3.2 用施密特触发器构成波形产生电路用施密特触发器构成波形产生电路第33页，共53页，编辑于2022年，星期六8.3.3 8.3.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器双相脉冲产生电路双相脉冲产生电路石英晶体振荡器石英晶体振荡器CPQf1f2第34页，共53页，编辑于2022年，星期六8.4 5558.4 555定时器及其应用定时器及其应用8.4.1 5558.4.1 555定时器定时器555定时器是一种应用方便的中规模集成电路定时器是一种应用方便的中规模集成电路,广泛用于信号的产生、变换、广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。控制与检测。1.1.电路结构电路结构 3个阻值为个阻值为5K的电阻组的电阻组成的分压器成的分压器(555电路电路)两个电压比较器两个电压比较器C1、C2 基本基本SR锁发器锁发器 放电三极管放电三极管T 缓冲器缓冲器G 第35页，共53页，编辑于2022年，星期六2 2工作原理工作原理 RD为复位端，低电平有效，复位时输出为低，正常工作时，应接为复位端，低电平有效，复位时输出为低，正常工作时，应接高电平。高电平。第36页，共53页，编辑于2022年，星期六 5 脚悬空时，比较器脚悬空时，比较器C1、C2的比较电的比较电压分别为压分别为 1/3VCC和和2/3VCC。VI12/3VCC VI22/3VCC VI21/3VCCC1出低，出低，C2出高，出高，RS触发器置触发器置0，T导通，输出导通，输出VO为低电平。为低电平。VI11/3VCCC1出高，出高，C2出高，出高，RS触发器触发器R=S=1，状态保持，整个电路保持原状态。，状态保持，整个电路保持原状态。第37页，共53页，编辑于2022年，星期六功能表功能表 输 入输 出复位RD阈值输入vI1触发输入vI2R S输出vO放电管T0 0导通12/3Vcc1/3Vcc0 10导通12/3Vcc1/3Vcc1 01截止11/3Vcc1 1不变不变讨论：在控制电压输入端5脚施加一外电压，比较器的参考电压将如何变化，工作情况如何变化？第38页，共53页，编辑于2022年，星期六8.4.2 8.4.2 用用555555定时器组成施密特触发器定时器组成施密特触发器 I I如何改变电路的阈值电压和回差电压如何改变电路的阈值电压和回差电压?第39页，共53页，编辑于2022年，星期六 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 波形变换波形变换电路的频率可变电路的频率可变?占空比可变占空比可变?如何改变占空比如何改变占空比?回差电压减小回差电压减小,占空比如何变化占空比如何变化?如图电路，从如图电路，从7脚输出，则输出电压高低电平如何变化？脚输出，则输出电压高低电平如何变化？思考题第40页，共53页，编辑于2022年，星期六 波形产生电路波形产生电路(多谐振荡器多谐振荡器)C Cv vo ov vI IR R1 1第41页，共53页，编辑于2022年，星期六C Cv vo ov vI IR R1 1v vo ov vI IV VT+T+V VT_T_V VOLOLV VOHOHT T1 1T T2 20 0t t0 0t t第42页，共53页，编辑于2022年，星期六8.4.3 8.4.3 用用555555定时器组成定时器组成单稳态触发器单稳态触发器1.1.电路电路第43页，共53页，编辑于2022年，星期六2.2.工作原理工作原理 稳态（输出为稳态（输出为0）上电时，上电时，VI1=VC=0 1/3VCC，输出状态随机为输出状态随机为“0”或或“1”，并暂时保持不变。，并暂时保持不变。若若VO=1，T截止，截止，C充电，充电，VC上升，当上升，当VI1=VC 2/3VCC，VO=0，T导通，导通，C放电，放电，VI1=0，输出保持，输出保持0。若若VO=0，T导通，导通，VI1=0，输出保持，输出保持0。第44页，共53页，编辑于2022年，星期六 暂稳态暂稳态 施加触发信号，施加触发信号，VI2=VI=VIL 2/3VCC(此时，此时，VI已撤出，即已撤出，即VI2=VI=VIH)，VO：10，T导通，导通，C放电，放电，VI1=0，输出保持，输出保持0。第45页，共53页，编辑于2022年，星期六3.3.电路参数电路参数 电路是可重复触发的单稳电路是可重复触发的单稳?如将如将5脚接电压脚接电压V,电路的脉宽会改变吗电路的脉宽会改变吗?V增加增加,脉宽如何脉宽如何改变改变?减小减小?思考题第46页，共53页，编辑于2022年，星期六 脉冲宽度调制器脉冲宽度调制器 工作波形工作波形4.5554.555组成的单稳态的应用组成的单稳态的应用第47页，共53页，编辑于2022年，星期六 用用555定时器组成定时器组成可重复触发单稳可重复触发单稳第48页，共53页，编辑于2022年，星期六8.4.4 8.4.4 用用555555定时器组成定时器组成多谐振荡器多谐振荡器1.1.工作原理工作原理 上电瞬间，上电瞬间，VC0，VI1(6)=VI2(2)=0，VO=1，T截止，截止，VCC通过通过R1、R2向向C充电，充电，VC上升。上升。第49页，共53页，编辑于2022年，星期六 当当VI1(6)=VI2(2)=VC2/3VCC，发生翻转，发生翻转，VO：10，T导通，导通，7脚电压近似为脚电压近似为0，C通过通过R2、T放电，放电，VC下降。下降。当当VI1(6)=VI2(2)=VC1/3VCC，发生翻转，发生翻转，VO：01，T截止，截止，VCC通过通过R1、R2向向C充电，充电，VC上升。上升。又进入（又进入（2），如此反复，形成振荡，输出一矩形波。），如此反复，形成振荡，输出一矩形波。第50页，共53页，编辑于2022年，星期六2.2.参数计算参数计算 C放电时间（放电时间（tPL）C充电时间（充电时间（tPH）矩形波周期矩形波周期T(频率频率f)占空比占空比q 第51页，共53页，编辑于2022年，星期六占空比可调多谐振荡器占空比可调多谐振荡器 说明：利用说明：利用D1、D2的单向导电特性，的单向导电特性，将充电回路和放电回路分开。将充电回路和放电回路分开。充电：充电：放电：放电：调节调节R2可改变输出占空比，若使可改变输出占空比，若使RARB，输出为方波。，输出为方波。第52页，共53页，编辑于2022年，星期六第53页，共53页，编辑于2022年，星期六