《電子技術(shù)基礎(chǔ)-數(shù)字電子技術(shù)》課件第8章

第8章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形8.1脈沖信號(hào)及參數(shù)8.2多諧振蕩器8.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器8.4施密特觸發(fā)器8.5555定時(shí)器及應(yīng)用小結(jié)技能實(shí)訓(xùn)

8.1脈沖信號(hào)及參數(shù)

在數(shù)字系統(tǒng)中經(jīng)常要用到脈沖信號(hào),脈沖信號(hào)是指在短暫時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生突變或躍變的電壓或電流信號(hào)。廣義的脈沖信號(hào)指凡不連續(xù)的非正弦電壓或電流,狹義的脈沖信號(hào)指規(guī)整的矩形脈沖。

實(shí)際的矩形脈沖并無(wú)理想的跳變,頂部也不平坦。矩形脈沖如圖8-1所示,為了全面描述矩形脈沖的特性,通常采用以下參數(shù)對(duì)它們進(jìn)行描述。

圖8-1矩形脈沖

8.2多諧振蕩器

8.2.1由CMOS非門(mén)構(gòu)成的多諧振蕩器

由于CMOS門(mén)電路輸入阻抗高,無(wú)需大電容就能獲得較大的時(shí)間常數(shù);而且CMOS門(mén)電路的閾值電壓穩(wěn)定,所以常用來(lái)構(gòu)成低頻多諧振蕩器。

1.電路組成

圖8-2由兩級(jí)CMOS門(mén)構(gòu)成的多諧振蕩器電路及工作波形。

電路由兩個(gè)CMOS非門(mén)G1、G2,兩個(gè)電阻Rs、R和一個(gè)電容C組成。R、C用作定時(shí)元件決定振蕩器的頻率,Rs是隔離電阻,理想情況下,由于CMOS門(mén)電路輸入阻抗非常高,所以電阻Rs中幾乎沒(méi)有電流,可將Rs短路。兩級(jí)非門(mén)經(jīng)Rs、C構(gòu)成閉環(huán)正反饋。

圖8-2CMOS門(mén)構(gòu)成多諧振蕩器(a)振蕩器電路;(b)工作波形

2.工作原理

首先在靜態(tài)時(shí),電容C開(kāi)路,電阻R上的電流也近似為零,故G1門(mén)的輸入和輸出電位相等ui1=uo1,即G1門(mén)的靜態(tài)工作點(diǎn)位于電壓傳輸特性的中點(diǎn),從而使G1的閾值電壓UTH=UDD/2。

(1)假設(shè)通電后,電路處于G1門(mén)關(guān)斷,輸出uo1高電平;G2門(mén)開(kāi)啟,輸出uo低電平狀態(tài),我們將它稱為第一暫態(tài)。這時(shí)uo1經(jīng)R對(duì)C進(jìn)行充電,使ui1逐步升高。當(dāng)ui1升高到ui1≥UTH時(shí),電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。G1門(mén)開(kāi)啟,輸出uo1跳變?yōu)榈碗娖?G2門(mén)關(guān)斷,輸出uo跳變?yōu)楦唠娖?與此同時(shí),ui1隨著uo上跳,電路進(jìn)入第二暫態(tài)。

(2)電路處于uo1低電平、uo高電平狀態(tài)后,電容C經(jīng)R先進(jìn)行放電,再進(jìn)行反充電,ui1逐步下降。當(dāng)ui1≤UTH時(shí),電路再次翻轉(zhuǎn),G1門(mén)關(guān)斷,輸出uo1高電平;G2門(mén)開(kāi)啟,輸出uo低電平。與此同時(shí),ui1隨著uo下跳,電路回到第一暫態(tài)。如此反復(fù)循環(huán),在G2輸出端得到振蕩方波。

3.參數(shù)估算

輸出方波的幅度：

Uom≈UDD(8-1)

輸出方波的周期：(8-2)電路中Rs的作用為隔離G1輸入端和RC放電回路,改善電源電壓UDD變化對(duì)振蕩頻率的影響,提高頻率穩(wěn)定性。通常取Rs≥2R。但是Rs過(guò)大會(huì)造成ui1波形移相,影響振蕩頻率的提高。8.2.2石英晶體多諧振蕩器

石英晶體特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)使其具有如圖8-3所示的頻率特性。

在石英晶體兩端加不同頻率的電壓信號(hào),它表現(xiàn)出不同的阻抗特性,fs為等效串聯(lián)諧振頻率(也稱為固有頻率),它只與晶體的幾何尺寸有關(guān)。石英晶體對(duì)頻率特別敏感,頻率超過(guò)或小于fs時(shí),其阻抗會(huì)迅速增大,而在fs處其等效阻抗近似為零。利用石英晶體組成的多諧振蕩器如圖8-4所示。圖8-3石英晶體頻率特牲圖8-4石英晶體多諧振蕩器

8.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

8.3.1微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.電路組成

由門(mén)電路組成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路如圖8-5所示,G1的輸出經(jīng)RC微分電路耦合到G2的輸入,而G2的輸出直接耦合到G1的輸入。RC組成定時(shí)電路,其中R的數(shù)值要小于G2的關(guān)門(mén)電阻(Roff)。圖8-5微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

2.工作原理

微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理可分為四個(gè)過(guò)程討論,參看圖8-6所示的工作波形。

1)穩(wěn)定狀態(tài)

在無(wú)觸發(fā)信號(hào)(ui高電平)時(shí),電路處于穩(wěn)態(tài),由于R＜Roff,因此G2關(guān)門(mén),輸出uo2為高電平,G1開(kāi)門(mén),輸出uo1為低電平。

2)觸發(fā)翻轉(zhuǎn)

當(dāng)在ui端加觸發(fā)信號(hào)(負(fù)脈沖)時(shí),G1關(guān)門(mén),uo1跳到高電平,由于電容C上電壓不能突變,使uR也隨之上跳,G2開(kāi)門(mén),uo2變?yōu)榈碗娖讲⒎答伒紾1的輸入端以維持G1的關(guān)門(mén)狀態(tài),電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。圖8-6微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形

3)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)

進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)后,uo1的高電平要通過(guò)電阻R到地給C充電,使uR逐漸下降,當(dāng)uR達(dá)到UTH后G2關(guān)門(mén),uo2變回高電平。也使G1開(kāi)門(mén),uo1變回低電平,電路回到穩(wěn)態(tài)。

4)恢復(fù)過(guò)程

暫態(tài)結(jié)束后,uo1回到低電平,已充電的C又沿原路放電,使uC恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值,為下一次觸發(fā)翻轉(zhuǎn)做準(zhǔn)備。

3．參數(shù)估算

由以上分析可知,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度取決于暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間,也就是取決于電阻R和電容C的大小,可近似估算如下：

tw≈0.7RC

(8-3)

在應(yīng)用微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器時(shí)對(duì)觸發(fā)信號(hào)ui的脈寬和周期有一定的限制。要求脈寬要小于暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間,周期要大于暫穩(wěn)態(tài)加恢復(fù)過(guò)程時(shí)間,這樣才能保證電路正常工作。8.3.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用較廣,電路形式也較多。其中集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由于外接元件少,工作穩(wěn)定、使用靈活方便而更為實(shí)用。

集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器根據(jù)工作狀態(tài)不同可分為不可重復(fù)觸發(fā)和可重復(fù)觸發(fā)兩種。其主要區(qū)別在于：不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫穩(wěn)態(tài)期間不受觸發(fā)脈沖影響,只有暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束觸發(fā)脈沖后才會(huì)再起作用?？芍貜?fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫穩(wěn)態(tài)期間還可接收觸發(fā)信號(hào),電路被重新觸發(fā),當(dāng)然,暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間也會(huì)順延。圖8-7是兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形。圖8-7兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形(a)不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器;(b)可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.74LS121組成及功能

TTL型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121是一種不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,其邏輯符號(hào)、外引線排列如圖8-8所示。

該芯片是14管腳、雙列直插結(jié)構(gòu),片內(nèi)集成了微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及控制、緩沖電路。A1、A2、B為觸發(fā)輸入端,Q和為互補(bǔ)輸出端,9、10和11腳為外接定時(shí)元件端。

74LS121的功能表如表8-1所示,前四行是穩(wěn)態(tài),后五行為暫穩(wěn)態(tài)。A1、A2為下降沿觸發(fā),B為上升沿觸發(fā)。當(dāng)A1、A2中至少有一個(gè)為低電平時(shí),B由0跳到1,或者B為高電平;當(dāng)A1、A2中至少有一個(gè)由1跳到0(另一個(gè)為高電平)時(shí),電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。圖8-8集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(a)邏輯符號(hào);(b)外引線圖

2.輸出脈寬

74LS121外接定時(shí)元件有兩種方式,如圖8-9所示。圖8-974LS121外接定時(shí)元件方式(a)外接Cext和Rext;(b)外接Cext8.3.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用十分廣泛,根據(jù)它所起的作用,可分為整形、定時(shí)、延時(shí)等應(yīng)用。

1.整形

在數(shù)字信號(hào)的采集、傳輸過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)遇到不規(guī)則的脈沖信號(hào)。這時(shí),便可利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將其整形。具體方法是將不規(guī)則的脈沖信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)加到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端,合理選擇定時(shí)元件,即可在輸出端產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào),如圖8-10所示。圖8-10單穩(wěn)態(tài)整形波形

2.定時(shí)

由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能根據(jù)需要產(chǎn)生一定寬度tw的脈沖輸出,所以常用作定時(shí)電路使用。即用計(jì)時(shí)開(kāi)始信號(hào)去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,經(jīng)tw時(shí)間后,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器便可給出到時(shí)信號(hào)。

3.延時(shí)

如圖8-11所示,ui負(fù)脈沖加到單穩(wěn)觸發(fā)端,在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端接一微分電路,則經(jīng)tw延時(shí)即可得一負(fù)脈沖uo′。圖8-11單穩(wěn)態(tài)延時(shí)波形

8.4施密特觸發(fā)器

8.4.1施密特觸發(fā)器的功能

施密特觸發(fā)器可以看成是具有不同輸入閾值電壓的邏輯門(mén)電路,既有門(mén)電路的邏輯功能,又有滯后電壓傳輸特性。圖8-12是施密特觸發(fā)器的邏輯符號(hào)和電壓傳輸特性。圖8-12施密特觸發(fā)器的邏輯符號(hào)和電壓傳輸特性(a)施密特觸發(fā)器的邏輯符號(hào);(b)電壓傳輸特性8.4.2由CMOS門(mén)構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

圖8-13是由CMOS非門(mén)構(gòu)成的施密特觸發(fā)器。圖8-13CMOS非門(mén)施密特觸發(fā)器由電路可得(利用疊加原理)(8-6)如在輸入端加一個(gè)三角波,如圖8-14所示,則電路有如下工作過(guò)程：

(1)ui=0V,G1關(guān)門(mén),uo1=Uo1H,G2開(kāi)門(mén),uo=UoL≈0V。帶入式(8-6),可得：(8-7)圖8-14施密特觸發(fā)器工作波形

(2)增大ui,ui1隨之增大。當(dāng)ui1=UTH時(shí),G1開(kāi)門(mén)、G2關(guān)門(mén)。由式(8-7)得(8-8)

此后只要ui＞UT+,uo=UoH≈UDD。帶入式(8-6),可得(3)減小ui,ui1隨之減小,當(dāng)ui1=UTH時(shí)有

(8-9)此時(shí)G1關(guān)門(mén),G2開(kāi)門(mén),uo=UoL;此后ui<UT－,ui1=R2/(R1+R2)·uI<UTH,保持uo=UoL。電路回差：由以上分析可得,只要調(diào)整電阻R1、R2的比率,就可調(diào)整電路的回差,非常方便。8.4.3集成施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器的滯后特性具有非常重要的實(shí)用價(jià)值,所以在很多邏輯電路中都加入了施密特功能,組成施密特式集成電路,如74LS13是帶有施密特觸發(fā)的雙四輸入與非門(mén),74LS14是帶有施密特觸發(fā)的六反相器,而我們前面介紹的74121是具有施密特觸發(fā)器的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。圖8-15是74LS14邏輯符號(hào)及外引線排列圖。圖8-15集成施密特觸發(fā)器74LS14(a)邏輯符號(hào);(b)外引線圖

74LS14片內(nèi)有六個(gè)帶施密特觸發(fā)的反相器,正向閾值電壓UT+=1.6V,負(fù)向閾值電壓UT－=0.8V,回差電壓UH=0.8V。電路的邏輯關(guān)系為

圖8-16是74LS14的電壓傳輸特性。圖8-1674LS14電壓傳輸特性8.4.4施密特觸發(fā)器的應(yīng)用

施密特觸發(fā)器應(yīng)用非常廣泛,可用于波形的變換、整形,幅度鑒別,構(gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等。

1.波形的變換與整形

施密特觸發(fā)器可將正弦波等其他波形變換成矩形波,如圖8-17所示。

施密特觸發(fā)器可將受干擾的脈沖波形變換成標(biāo)準(zhǔn)波形,如圖8-18所示。圖8-17波形變換圖8-18波形整形

2.幅度鑒別

利用施密特觸發(fā)器可對(duì)一串脈沖進(jìn)行幅度鑒別,如圖8-19所示,將幅度較小的去除,保留幅度較大的脈沖。圖8-19幅度鑒別

3.構(gòu)成多諧振蕩器

利用施密特觸發(fā)器可構(gòu)成多諧振蕩器,圖8-20是電路及波形圖。它的原理是用電容端電壓控制施密特觸發(fā)器導(dǎo)通翻轉(zhuǎn),通過(guò)uo電壓的高低對(duì)電容進(jìn)行充放電。圖8-20用施密特觸發(fā)器構(gòu)成多諧振蕩器(a)電路圖;(b)波形圖

8.5555定時(shí)器及應(yīng)用

8.5.1555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)及功能

1.555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)

TTL型555定時(shí)器電路結(jié)構(gòu)、邏輯符號(hào)、外引線排列如圖8-21所示。它由三個(gè)分壓電阻(5kΩ),兩個(gè)電壓比較器(C1、C2)、基本RS觸發(fā)器(G1、G2)、反相緩沖器(G3)及放電管(V)組成。整個(gè)芯片有八個(gè)引腳,各引腳名稱如圖上所標(biāo)。圖8-21555定時(shí)器(a)電路結(jié)構(gòu);(b)邏輯符號(hào);(c)外引線圖

2.555定時(shí)器工作原理及功能

由三個(gè)5kΩ電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)為兩個(gè)電壓比較器提供了兩個(gè)參考電壓,它們是C1的同相輸入端電壓ui1+=(2/3)UCC和C2的反相輸入端電壓ui2－=(1/3)UCC,當(dāng)將輸入電壓分別加到復(fù)位控制端TH和置位控制端TR時(shí),它們將與ui1+和ui2－進(jìn)行比較以決定電壓比較器C1、C2的輸出,從而確定RS觸發(fā)器及放電管V的工作狀態(tài)。表8-2是555定時(shí)器的功能表。8.5.2用555定時(shí)器組成多諧振蕩器

1.電路組成

用555定時(shí)器組成多諧振蕩器電路如圖8-22所示。R1、R2和C為外接定時(shí)元件,復(fù)位控制端與置位控制端相連并接到定時(shí)電容上,R1和R2的接點(diǎn)與放電端相連,控制電壓端不用,通常外接0.01μF電容。圖8-22555組成多諧振蕩器

2.工作原理

接通電源后,UCC通過(guò)R1、R2對(duì)C充電,uC上升。開(kāi)始uC<UCC/3,即復(fù)位控制端TH<(2/3)UCC,置位控制端TR<UCC/3,定時(shí)器置位,Q=1、Q=0,放電管截止。

隨后uC越充越高,當(dāng)uC≥(2/3)UCC時(shí),復(fù)位控制端TH>(2/3)UCC,置位控制端TR>(1/3)UCC,定時(shí)器復(fù)位,Q=0、Q=1,放電管飽和導(dǎo)通,C通過(guò)R2經(jīng)V放電,uC下降。

當(dāng)uC≤(1/3)UCC時(shí),又回到復(fù)位控制端TH<(2/3)UCC,置位控制端TR<(1/3)UCC,定時(shí)器又置位,Q=1、Q=0,放電管截止,C停止放電而重新充電。如此反復(fù),形成的振蕩波形如圖8-23所示。圖8-23多諧振蕩器波形8.5.3用555定時(shí)器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.電路組成

用555定時(shí)器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路如圖8-24所示。R和C為外接定時(shí)元件,復(fù)位控制端與放電端相連并連接定時(shí)元件,置位控制端作為觸發(fā)輸入端,同樣,控制電壓端不用外接0.01μF電容。圖8-24555組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

2.工作原理

波形如圖8-25所示。靜態(tài)時(shí),觸發(fā)輸入ui高電平,UCC通過(guò)R對(duì)C充電,uC上升。當(dāng)

時(shí),復(fù)位控制端,而ui高電平使置位控制端,定時(shí)器復(fù)位,Q=0、=1,放電管飽和導(dǎo)通,C經(jīng)V放電,uC迅速下降。由于ui高電平使,所以即使

,定時(shí)器也仍保持復(fù)位,Q=0、=1,放電管始終飽和導(dǎo)通,C可以將電放完,uC≈0,電路處于穩(wěn)態(tài)。圖8-25單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形當(dāng)觸發(fā)輸入ui低電平時(shí),使置位控制端,而此時(shí)uC≈0又使復(fù)位控制端,則定時(shí)器置位,Q=1、

=0,放電管截止,電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。之后,UCC通過(guò)R對(duì)C充電,uC上升。當(dāng)

時(shí),復(fù)位控制端,而此時(shí)ui已完成觸發(fā)回到高電平使置位控制端,定時(shí)器又復(fù)位,Q=0、

=1,放電管又導(dǎo)通,電路回到穩(wěn)態(tài)。C經(jīng)V再放電,電路恢復(fù)結(jié)束。

此單穩(wěn)態(tài)電路的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間可按下式估算tW≈1.1RC(8-14)8.5.4用555定時(shí)器組成施密特觸發(fā)器

1.電路組成

用555定時(shí)器組成的施密特觸發(fā)器電路如圖8-26所示。復(fù)位控制端與置位控制端相連并作為輸入端,3腳為輸出端。圖8-26555定時(shí)器組成的施密特觸發(fā)器

2.工作原理

設(shè)輸入為三角波電壓信號(hào)如圖8-27所示。由電路可知,當(dāng)輸入

時(shí),

,定時(shí)器置位,輸出uo為高電平。當(dāng)輸入時(shí),

,定時(shí)器復(fù)位,輸出uo為低電平?？梢钥闯?此電路的正、負(fù)向閾值電壓分別為(8-15)(8-16)回差電壓為(8-17)如果在控制電壓端CO加控制電壓UCO,則正、負(fù)向閾值電壓和回差電壓均會(huì)相應(yīng)改變?yōu)?/p>

555定時(shí)器成本低,功能強(qiáng),使用靈活方便,是非常重要的集成電路器件。由它組成的各種應(yīng)用電路變化無(wú)窮。圖8-27施密特觸發(fā)器波形小結(jié)

脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形電路主要包括多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器。多諧振蕩器用于產(chǎn)生脈沖及方波信號(hào),而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器主要用于對(duì)波形進(jìn)行整形和變換,它們都是電子系統(tǒng)中經(jīng)常使用的單元電路。

多諧振蕩器沒(méi)有穩(wěn)定狀態(tài),只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換完全靠電路本身電容的充電和放電自動(dòng)完成。因此,多諧振蕩器接通電源后就能輸出周期性的矩形脈沖。改變R、C定時(shí)元件數(shù)值的大小,可調(diào)節(jié)振蕩頻率