數(shù)字電子技術-脈沖波形的產(chǎn)生和整形

1、學學 習習 要要 點點 了解多諧、單穩(wěn)、施密特觸發(fā)器的功了解多諧、單穩(wěn)、施密特觸發(fā)器的功能及應用能及應用 掌握掌握555定時器的工作原理及邏輯功能定時器的工作原理及邏輯功能 能夠靈活利用能夠靈活利用555定時器構成單穩(wěn)、多定時器構成單穩(wěn)、多諧、施密特觸發(fā)器諧、施密特觸發(fā)器1 多諧振蕩器多諧振蕩器 多諧振蕩器是一種自激振蕩器，電路在接通電源多諧振蕩器是一種自激振蕩器，電路在接通電源后無需外接觸發(fā)信號就能產(chǎn)生一定頻率和幅值的矩后無需外接觸發(fā)信號就能產(chǎn)生一定頻率和幅值的矩形波脈沖波或方波。形波脈沖波或方波。 多諧振蕩器多諧振蕩器 VCC 開開關關電電路路 延時環(huán)節(jié)延時環(huán)節(jié)開關器件：開關器件：產(chǎn)生高、

2、低電平；產(chǎn)生高、低電平； 多諧振蕩器電路應由哪幾部分組成？多諧振蕩器電路應由哪幾部分組成？反饋延遲環(huán)節(jié)：反饋延遲環(huán)節(jié)：利用利用RC電路電路的充放電特性實現(xiàn)延時，將輸?shù)某浞烹娞匦詫崿F(xiàn)延時，將輸出電壓恰當?shù)胤答伣o開關器件出電壓恰當?shù)胤答伣o開關器件使之改變輸出狀態(tài)，以獲得所使之改變輸出狀態(tài)，以獲得所需要的振蕩頻率。需要的振蕩頻率。1.1 由門電路構成多諧振蕩器由門電路構成多諧振蕩器 1. 電路組成電路組成 1 1 vI vO1 vO C R G1 G2 開關器件：開關器件：反饋延遲環(huán)節(jié)：反饋延遲環(huán)節(jié)：由由CMOS門電路組成的多諧振蕩器門電路組成的多諧振蕩器邏輯門電路邏輯門電路R、C 電路電路 2.

3、工作原理工作原理假定假定vO1 = 1，vO2 = 0 Vth=VDD/2 vI D1 D2 TP TN vO1 R C D4 D3 TP TN vO2 G1 G2 +VDD VC進入進入 第二暫穩(wěn)態(tài)第二暫穩(wěn)態(tài) vIvO1 vO2 t t1 t2 t t vO1VDD0vIVDDVth0vO2VDD0(1) 第一暫穩(wěn)態(tài)及第一暫穩(wěn)態(tài)及電路自動翻轉過程電路自動翻轉過程 01 vI D1 D2 TP TN vO1 R C D4 D3 TP TN vO2 G1 G2 +VDD VCvO1 = 0，vO2 = 1 Vth=VDD/2(2) 第二暫穩(wěn)態(tài)及第二暫穩(wěn)態(tài)及電路自動翻轉過程電路自動翻轉過程 二二

4、t t1 t2 t t vO1VDD0vIVDDVth0vO2VDD0T1T2vI vO1 vO 10 2. 工作原理工作原理 3. 振蕩周期振蕩周期T的計算的計算 t t1 t2 t t vO1VDD0vIVDDVth0vO2VDD0T1T2thDDDDVVVRCVVVRCTln0lnDDthDD1thDDVVRCVVRCTln00lnthDD2 ththDD221)(lnVVVVRCTTTDDTRC1n41.4RC T = T1(充充) + T2(放放)( )( )(0 )( )ettvvvv (0 )( )ln( )( )vvtv tv& R1 C2 R2C1uof(a) 石英晶

5、體多諧振蕩器(b) 石英晶體阻抗頻率特性0Xf0電容性電感性3 3、石英晶體石英晶體多諧振蕩器多諧振蕩器石英的選頻特性非常好，它有一個極其穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率，石英的選頻特性非常好，它有一個極其穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率，其他頻率的信號都被晶體所衰減。其他頻率的信號都被晶體所衰減。振蕩頻率等于石英晶體的諧振頻率振蕩頻率等于石英晶體的諧振頻率f0& R1 C2 R2C1& f0 f1 f2 f14 f32768Hz 16384Hz 8192Hz 2Hz 1HzC1C1C1C1 FF1 FF2 FF14 FF15 Q1 Q2 Q14 Q15多諧振蕩器多諧振蕩器分頻電路分頻電路1.2 多諧振蕩

6、器的應用多諧振蕩器的應用多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，不需要外加輸多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，不需要外加輸入信號，就可以自動地產(chǎn)生出矩形脈沖。入信號，就可以自動地產(chǎn)生出矩形脈沖。由門電路構成的多諧振蕩器和基本由門電路構成的多諧振蕩器和基本RS觸發(fā)器在結觸發(fā)器在結構上極為相似，只是用于反饋的耦合網(wǎng)絡不同。構上極為相似，只是用于反饋的耦合網(wǎng)絡不同。RS觸觸發(fā)器具有兩個穩(wěn)態(tài)，多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，所以又稱發(fā)器具有兩個穩(wěn)態(tài)，多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，所以又稱為無穩(wěn)電路。為無穩(wěn)電路。在多諧振蕩器中，由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到另一個暫在多諧振蕩器中，由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到另一個暫穩(wěn)態(tài)，其穩(wěn)態(tài)，其“觸發(fā)觸發(fā)”信號是由電路內(nèi)部

7、電容充（放）電信號是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，因此無需外加觸發(fā)脈沖。多諧振蕩器的振蕩提供的，因此無需外加觸發(fā)脈沖。多諧振蕩器的振蕩周期與電路的阻容元件有關。周期與電路的阻容元件有關。本本 節(jié)節(jié) 小小 結結2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2.1 由門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用2.1 由門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中一般用于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中一般用于（產(chǎn)生一定寬度（產(chǎn)生一定寬度的矩形波）、的矩形波）、（把不規(guī)則的波形轉換成寬度、幅度都相等（把不規(guī)則的波形轉換成寬度、幅度都相等的波形

8、）以及的波形）以及（把輸入信號延遲一定時間后輸出）等。（把輸入信號延遲一定時間后輸出）等。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有下列特點：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有下列特點：（1）電路有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。）電路有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。（2）在外來觸發(fā)脈沖作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)。）在外來觸發(fā)脈沖作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長久保持的狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，）暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長久保持的狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間與觸發(fā)脈沖無關，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間與觸發(fā)脈沖無關，僅決定于電路本身的參數(shù)。僅決定于電路本身的參數(shù)。根據(jù)根據(jù)RC電路的不同接法電路的不

9、同接法單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：微分型和積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：微分型和積分型門電路組成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器門電路組成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1. 電路電路 vO1vO2vcRvI&CMOS與非門構成的微分型與非門構成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 CMOS或非門構成的微分型或非門構成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 vO1vO2vcvI1 1 RvDDvO1vO2vRvIvDDvDDvDD+ vthtttttpivthtwt1t22. 工作原理工作原理a)沒有觸發(fā)信號時，沒有觸發(fā)信號時，電路處于一種穩(wěn)態(tài)電路處于一種穩(wěn)態(tài) vO1vO2vcvI1 1 RvRvDD0 00 00 01 11 1vO1vO

10、2vRvIvDDvDDvDD+ vthttttvthtpitwt1t22. 工作原理工作原理vo1 v R vO2 vIvR vO2 vO1 vO1vO2vcvI1 RvRvDD1 11 11 11 10 0b)外加觸發(fā)信號后，電路進入外加觸發(fā)信號后，電路進入暫穩(wěn)態(tài)暫穩(wěn)態(tài)c)電容放電，電路由暫穩(wěn)態(tài)自電容放電，電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返回到穩(wěn)態(tài)動返回到穩(wěn)態(tài)1 0 03. 主要參數(shù)的計算主要參數(shù)的計算vO1vO2vRvIvDDvDDvDD+ vthtttttpivthtwt1t2DDwDDtlnhVtRCVVtw0.7RC (1) 輸出脈沖寬度輸出脈沖寬度tw (2) 恢復時間恢復時間tre tre 3

11、d (3) 最高工作頻率最高工作頻率 fmax maxminwre11fTtt R(t)=VR( )VR(0+)VR( ) te(0 )( )ln( )( )vvtv tv vO1vO2vcvI1 1 RvRVCC4. 討論討論CdRdvDvI1vo2在暫穩(wěn)態(tài)結束在暫穩(wěn)態(tài)結束(t= t2)瞬間，門瞬間，門G2的輸入電壓的輸入電壓 R達到達到VDD+VTH，可能損壞可能損壞G2門，怎么辦？門，怎么辦？輸入的觸發(fā)脈沖的寬度可以是輸入的觸發(fā)脈沖的寬度可以是任意的嗎？如觸發(fā)脈沖的寬度任意的嗎？如觸發(fā)脈沖的寬度太寬會有什么問題？太寬會有什么問題？集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(a)vOvItwtw(b

12、)vOvItwtw不可重復觸發(fā)不可重復觸發(fā)可重復觸發(fā)可重復觸發(fā)被重復觸發(fā)被重復觸發(fā)不可重復觸發(fā)不可重復觸發(fā)(2) 功能表功能表74121功能表功能表 兩種觸發(fā)方式兩種觸發(fā)方式 1234567101112131498BCextRintCext/RextQQA1A2GNDNCNCNCVCCNC定時電容定時電容定時電阻定時電阻用內(nèi)部用內(nèi)部2k電阻電阻用外部電阻用外部電阻HHQA1A2BQLXHLXLHLXXLLHHHXLHHHHHHLXXL不可重復觸發(fā)的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不可重復觸發(fā)的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74121（3）電路連接）電路連接2.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用1. 定時定時 與與

13、門門 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 vA vB vO vI tw t vI VOH 0 vB VOH 0 t tPo t vA VOH 0 t vO VOH 0 t wuiuotp2. 整形整形 3. 延時延時 vO1vO2vRvIvDDvDDvDD+ vthtttttpivthtwt1t2單穩(wěn)單穩(wěn)進入暫穩(wěn)態(tài)，脈寬為進入暫穩(wěn)態(tài)，脈寬為0.7R1C1 v vccBA1 A2v vccSR1R2C1C2CextCext/RextCextCext/RextQQ2Q1Q7412174121( () )7412174121( () )vov vccv vccB A1 A2v vcc4. 組成多諧振蕩器組成多

14、諧振蕩器 0 00 0HHQA1A2BQLXHLXLHLXXLLHHHXLHHHHHHLXXL0 01 11 1 0 01 1 0 0單穩(wěn)單穩(wěn)進入暫穩(wěn)態(tài)，脈寬為進入暫穩(wěn)態(tài)，脈寬為0.7R2C2 1 1 0 0單穩(wěn)單穩(wěn)進入暫穩(wěn)態(tài)，脈寬為進入暫穩(wěn)態(tài)，脈寬為0.7R1C1 單穩(wěn)單穩(wěn)進入暫穩(wěn)態(tài)，脈寬為進入暫穩(wěn)態(tài)，脈寬為0.7R2C2 T=0.7(R1C1+R2C2) (a) 邏輯圖邏輯圖 RCCextCext/RextQ7412174121vov vccB A1 A2vIQC1DR5. 組成噪聲消除電路組成噪聲消除電路 噪聲噪聲 (b) 波形圖波形圖 QvovIDCP(R) (b) 波形圖波形圖 Qv

15、ovI噪聲多表現(xiàn)為尖脈沖，寬度較窄，而有用的信號的寬度較寬。噪聲多表現(xiàn)為尖脈沖，寬度較窄，而有用的信號的寬度較寬。注意：單穩(wěn)觸發(fā)器的輸出脈寬應大于噪聲寬度注意：單穩(wěn)觸發(fā)器的輸出脈寬應大于噪聲寬度 而小于信號脈寬，才可消除噪聲。而小于信號脈寬，才可消除噪聲。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有一個穩(wěn)態(tài)。由門電路構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有一個穩(wěn)態(tài)。由門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和基本的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和基本RS觸發(fā)器在結構上也極為觸發(fā)器在結構上也極為相似，只有用于反饋的耦合網(wǎng)絡不同。相似，只有用于反饋的耦合網(wǎng)絡不同。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到穩(wěn)在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)，其態(tài)，其“觸發(fā)觸發(fā)”信號也是由電路

16、內(nèi)部電容充（放）信號也是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間即脈沖寬度也由電電提供的，暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間即脈沖寬度也由電路的阻容元件決定。路的阻容元件決定。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不能自動地產(chǎn)生矩形脈沖，但單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不能自動地產(chǎn)生矩形脈沖，但卻可以把其它形狀的信號變換成為矩形波，用途卻可以把其它形狀的信號變換成為矩形波，用途很廣。很廣。本本 節(jié)節(jié) 小小 結結3 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器3.1 由門電路構成的施密特觸發(fā)器由門電路構成的施密特觸發(fā)器3.2 施密特觸發(fā)器的應用施密特觸發(fā)器的應用施密特觸發(fā)器的工作特點：施密特觸發(fā)器的工作特點： 施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)器件，適用于緩慢變化的信號，施密特

17、觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)器件，適用于緩慢變化的信號，當輸入信號達到某一定電壓值時，輸出電壓會發(fā)生突變。當輸入信號達到某一定電壓值時，輸出電壓會發(fā)生突變。 電路有兩個閾值電壓。電路有兩個閾值電壓。 輸入信號增加和減少時，電路的閾值電輸入信號增加和減少時，電路的閾值電壓不同，電路具有如下圖所示的傳輸特性壓不同，電路具有如下圖所示的傳輸特性 。 o vI vO VOH VOL (a) VT+VT_ o vI vO1 VOH VOL (b) VT+VT_ 1 vovI 1 vovI概概 述述1 門電路組成的施密特觸發(fā)器門電路組成的施密特觸發(fā)器 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 v I1 1

18、 vovI21I1IO1212RRRRRRDDT2VV R1 R2 I為三角波為三角波 作如下假定：作如下假定： 21I12120thRRRRRR 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI1O211I2121I RRRRRR0 00 0只要只要vI1Vth，則保持，則保持vO=VOH當當vI1=Vth，電路產(chǎn)生如下正反饋，電路產(chǎn)生如下正反饋 ： 1T-th2(1)RVVR當當vI下降下降， vI1也也下降下降0 01T+th2(1)RVVR1TT+Tth22RVVVVR回差電壓回差電壓 vI vI1 vO1 vO vI VT+VT_vO00tt0vIvOVT+VT_VDD(a)

19、 工作波形工作波形(b) 傳輸特性曲線傳輸特性曲線 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI12 施密特觸發(fā)器的應用施密特觸發(fā)器的應用vIVT+VT 0tvOVOHVOL 0ttpovOvI11. 波形的整形及變換波形的整形及變換 vovIvov vT2v vT1ttt合理選擇回差電壓，可消除干擾信號。合理選擇回差電壓，可消除干擾信號。 為去掉干擾信號為去掉干擾信號回差電壓應如何選擇？回差電壓應如何選擇？2. 幅度鑒別幅度鑒別 vovI00ttVth(VT+)3. 多諧振蕩器多諧振蕩器 CvovIR112DDTT+DDTTDDTT+DDTT-lnln()lnTTTVVVRCRC

20、RVVVVVCVVVV vovIVT+VT_VOLVOHT1T20t0t施密特觸發(fā)器是一種能夠把輸入波形整施密特觸發(fā)器是一種能夠把輸入波形整形成為適合于數(shù)字電路需要的矩形脈沖的電形成為適合于數(shù)字電路需要的矩形脈沖的電路。而且由于具有滯回特性，所以抗干擾能路。而且由于具有滯回特性，所以抗干擾能力也很強。力也很強。施密特觸發(fā)器在脈沖的產(chǎn)生和整形電路施密特觸發(fā)器在脈沖的產(chǎn)生和整形電路中應用很廣。中應用很廣。本本 節(jié)節(jié) 小小 結結4 555定時器定時器4.1 555定時器的結構和功能分析定時器的結構和功能分析4.2 555定時器構成多諧振蕩器定時器構成多諧振蕩器4.3 555定時器構成單穩(wěn)態(tài)定時器定時

21、器構成單穩(wěn)態(tài)定時器4.4 555定時器構成施密特觸發(fā)器定時器構成施密特觸發(fā)器555定時器是一種應用方便的中規(guī)模集成電路定時器是一種應用方便的中規(guī)模集成電路,只需外只需外接少量的阻容元件就可以構成單穩(wěn)、多諧和施密特觸接少量的阻容元件就可以構成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。發(fā)器。廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。 1 555定時器定時器電阻分壓器電阻分壓器電壓比較器電壓比較器基本基本RS觸發(fā)器觸發(fā)器復位輸入端復位輸入端(0)輸出緩沖反相器輸出緩沖反相器集電極開路輸出三極管集電極開路輸出三極管 TvovICvI1vI2voC1C2+-+(1)(2)(3)(4)(

22、5)(6)(7)RS&5 k 5 k 5 k &1RDVCC(8)G1、電路組成、電路組成控制電壓控制電壓觸發(fā)輸入觸發(fā)輸入放電端放電端閥值輸入閥值輸入0 01 10 0 TvovICvI1vI2voC1C2+-+(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)RS&5 k 5 k 5 k &1RDVCC(8)G CC32VCC31V如果懸空如果懸空CC32V CC31V 0 01 10 01 10 0CC32V CC31V 1 10 01 11 10 01 1CC32V CC31V 1 11 1保持保持保持保持2、工作原理、工作原理CC32VCC31V0 00 010

23、 01 1信號消失后，信號消失后，狀態(tài)未定狀態(tài)未定 555定時器功能表定時器功能表不變不變不變不變1導通導通01截止截止11導通導通00放電管放電管T輸出輸出(VO)復位復位(RD)觸發(fā)輸入觸發(fā)輸入(VI2)閾值輸入閾值輸入(VI1)輸輸 出出輸輸 入入CC31V CC31V CC31V CC32V CC32V CC32V 2 定時器應用舉例定時器應用舉例 VCC vI R vO 0.01 F C vC 8 4 555 7 6 2 3 5 1 一、一、用用555定時器組成定時器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器器不可重復觸發(fā)單穩(wěn)不可重復觸發(fā)單穩(wěn)不變不變不變不變導通導通0截止截止1導通導通0 T VOV

24、I2VI1輸輸 出出輸輸 入入CC31V CC31V CC31V CC32V CC32V CC32V vO vI o v o C t t2 t1 )(-CCVa、接通電源電路進入穩(wěn)態(tài)、接通電源電路進入穩(wěn)態(tài) O =0t t 2 3 VCC o Vc=0 23 VCC 13 VCC1、工作原理、工作原理 t vO VOH o vI o t vC o 1 3 VCC 2 3 VCC t t2 t1 0 VCC vI R vO 0.01 F C vC 8 4 555 7 6 2 3 5 1 一、一、用用555定時器組成定時器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不變不變不變不變導通導通0截止截止1導通導通0 T VOVI2VI1輸輸 出出輸輸 入入CC31V CC31V CC31V CC32V CC32V CC32V b、當輸入信號下降沿到達時、當輸入信號下降沿到達時, 電路進入暫穩(wěn)態(tài)電路進入暫穩(wěn)態(tài) tWtw=RC1n31.1RC c、電容放電、電容放電, 電路自動返回到穩(wěn)態(tài)電路自動返回到穩(wěn)態(tài) 1、工作原理、工作原理一、一、用用555定