数字电子技术基础 教学课件 ppt 作者 沈任元_ 第6章_脉冲波形的产生与整形

第六章 脉冲波形的产生与整形,主要内容 555定时器的工作原理、逻辑功能 及由555构成的脉冲电路。 由门电路构成的脉冲电路。,脉冲电路分类：,脉冲电路作用：,脉冲波形的产生和整形。,脉冲电路构成：,开关电路 + RC电路,改变电路的稳态，产生暂态。,控制暂稳态时间的变化规律。,脉冲电路与数字电路的比较：,6.1 预备知识,611 脉冲概念,几种脉冲信号 矩形脉冲的参数,6.1.2 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。 1. 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=RC 远小于输入矩形正脉冲的宽度tw。,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=RC tw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=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,电容充放电知识复习：,(1) 电容两端的电压不能突变，Vc（0） Vc（0）， 电容充放电需要时间，有过渡过程，其时间长短只与 RC有关,工程上取3；,（2）开始充放电（换路）瞬间，阻抗很小，相当短路； 充放电结束，电路处于稳态，C支路电流为0，阻抗很大， 相当开路；,（3）简单RC电路中，各处电压、电流均按指数规律变化；,（4）在简单RC电路中,6.2 555定时器,555定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。它使用方便,带负载能力较强, 目前得到了非常广泛的应用。,集成555定时器 a)内部电路 b)引脚排列图,555定时器的内部电路包括以下几部分 : 两个电压比较器: A1、A2 ; 一个基本RS 触发器; 一个晶体管V； 由三个相等电阻组成的分压器; 一个反相器等。,一、电路组成（P201）,电压比较器,u-u+,u+u-,+UO(sat),-UO(sat),u+,u-,uO,A,u+ 同相输入端,u- 反相输入端,集成555定时器 a)内部电路 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,4.516V,电压 输出端,1,0,2VCC/3,VCC/3,基本RS触发器特性表,二、功能和工作原理,2/3VCC,1/3VCC,2/3VCC,1/3VCC,2/3VCC,1/3VCC,0,1,2/3VCC,1,1,1/3VCC,0,1,同高出低,同低出高,不同保持,复位,0,三、 555构成脉冲波形的产生与整形电路 （一）施密特触发器,三、 555构成脉冲波形的产生与整形电路 （一）施密特触发器 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。,TH,TR,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。,思考题与习题,暂稳态：,(二) 单稳态触发器 单稳态触发器 a)电路图 b)波形图,(二) 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。,TH,TR,D,1,当脚输入一幅值低于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上升到略大于2/3VCC时,u0=0，V饱和导通，C经脚迅速放电，电路从暂稳态又返回稳态。,TH,TR,D,1, 0,脉冲宽度：tW1.1RC,充电,VCC,暂稳时间：tW1.1RC,图6-13 图6.12电路的电压波形,(三) 多谐振荡器 用555定时器接成的多谐振荡器,(三) 多谐振荡器,电路的电压波形,电源接通后，VCC经R1 、R2 给电容器C充电，使uC逐渐升高，在uC1/3VCC时，u0输出高电平。当uC上升到超过1/3VCC时，输出u0仍为高电平。,充电,(第一暂稳态 ),当uC继续上升略超过2/3VCC时，输出u0=0。放电管V饱和导通。 随后，C经R2及脚内导通的放电管V到地放电，uC迅速下降。当uC下降到略低于1/3VCC时，输出u0=1。放电管V截止，电容器又再次充电，其电位再次上升，如此循环下去，输出端u0就连续输出矩形脉冲。,充电,+,1,(第二暂稳态 ),输出脉冲参数的计算 tP1 0.7(R1+R2)C tP2 0.7R2C 振荡周期:T =tP1+tP2 0.7(R1+2R2)C 振荡频率:f =1/T =1/0.7(R1+2R2)C 占空比q = tP1/（tP1+tP2）=R1+R2/（R1+2R2）,充电,+,放电,演示,占空比可调的矩形脉冲发生器 充电回路 VCCR1VD1C地 放电回路 C VD2R2脚V地 忽略二极管正向导通电阻估算: tP10.7R1C tP20.7R2C 振荡周期 T =tP1+tP20.7(R1+R2)C 占空比 q =R1/(R1+R2),充电,+,1,放电,演示,思考题与习题,图6-59 报警电路,6.1.2 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。 1. 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=RC 远小于输入矩形正脉冲的宽度tw。,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=RC tw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=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,电容充放电知识复习：,(1) 电容两端的电压不能突变，Vc（0） Vc（0）， 电容充放电需要时间，有过渡过程，其时间长短只与 RC有关,工程上取3；,（2）开始充放电（换路）瞬间，阻抗很小，相当短路； 充放电结束，电路处于稳态，C支路电流为0，阻抗很大， 相当开路；,（3）简单RC电路中，各处电压、电流均按指数规律变化；,（4）在简单RC电路中,6.4 门电路构成的脉冲波形的产生与整形电路,1. 微分型单稳态触发器,由与非门和RC 微分电路构成，二个与非门首尾 相接交叉耦合， RC 为定时元件。,窄脉冲触发,微分电路,(1)电路构成:,641 用门电路组成的单稳态触发器,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,2. 积分型单稳态触发器,（P209P211）,施密特触发器 a）逻辑图 b）逻辑符号 c）波形图 d）传输特性,642 用门电路组成的施密特触发器,0,1,1,0,0,uo,0.7V,1,1,1,0,uo,1.4V,1,1,1, 0,0, 1, 0,uo,1.4V,1,0,1,1,uo,1.4V0.7V,1,0,1,1,uo,此施密特触发器的回差电压为： UTUTUTUT(UTUD)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）： UT UTUT,1、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,643 用门电路组成的多谐振荡器,多谐振荡器波形图,（1） 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：,1,0,正反馈过程： uI u01u02 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,+,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：,0,1, 0, 1,+,正反馈过程： uI u01u02 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。,+,（2） 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 T2.2RC 2) 振荡脉冲幅度Um UmVDD,2、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,1,0,3、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,1,0,1,0,4、石英晶