數(shù)字電子電路—脈沖波形的產(chǎn)生及變換

1、1數(shù)字電子電路脈沖波形的產(chǎn)生及變換2第九章 脈沖波形的產(chǎn)生和變換概述9.1 多諧振蕩器9.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器9.4 555定時(shí)器的原理和應(yīng)用9.3 施密特觸發(fā)器3概述 數(shù)字電路區(qū)別于模擬電路的主要特點(diǎn)之 一是：它的工作信號(hào)是離散的脈沖信號(hào)。最常用的脈沖信號(hào)是方波 ( 矩形波)。如何產(chǎn)生方波以及對(duì)不理想的方波如何整形，是本章討論的重點(diǎn)。4 9.1 多諧振蕩器 矩形波發(fā)生器又稱多諧振蕩器。它可以由分立元件構(gòu)成，也可以由集成電路構(gòu)成。一、 門電路組成的多諧振蕩器： 利用邏輯門電路的傳輸延遲時(shí)間，將奇數(shù)個(gè)與非門首尾相接，就可以構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的環(huán)形振蕩器:111uo3uo2uo1111321uo3uo2uo

2、1 設(shè) uo3 的初始狀態(tài)為0:010101 用波形圖來(lái)表示,則為:0tuo3優(yōu)點(diǎn): 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,所用元件少。缺點(diǎn): 頻率太高,并且不可調(diào)整。6111RRS100CAuo1uouo2111uo3uo2uo1 在原電路的基礎(chǔ)上添加RC延時(shí)電路,便可以克服上圖的不足:0tuo0tuo20tuo10tuAUT假設(shè)：開始時(shí)uo=0電容上的電流，uA下降uAUT時(shí)，uo不反轉(zhuǎn)。111RRS100CAuo1uouo20100tuo0tuo20tuo10tuAUT當(dāng)uA=UT時(shí)，uo反轉(zhuǎn)，uo1、uo2也一起反轉(zhuǎn)。111RRS100CAuo1uouo20tuo0tuo20tuo10tuAUT 由于電容電壓

3、不能 突變,當(dāng)uo1 發(fā)生下跳時(shí),uA有一突變。U111RRS100CAuo1uouo20tuo0tuo20tuo10tuAUTUt1 后，uo2uo1，電容反向充電,uA上升。只要uAUT，uo就不反轉(zhuǎn)。t1111RRS100CAuo1uouo20tuo0tuo20tuo10tuAUTU 當(dāng)uA=UT 時(shí)(t2) ，uo、uo1、uo2再次反轉(zhuǎn)。t2111RRS100CAuo1uouo20tuo0tuo20tuo10tuAUTU由于uo1上跳，電容電壓不能突變，所以u(píng)A上跳，然后uA開始下降電流方向111RRS100CAuo1uouo2T0tuo0tuo20tuo10tuAUTU111RRS

4、100CAuo1uouo2二、 RC耦合式振蕩器11R1R2C1C2uR2uR1uo2uo111R1R2C1C2uR2uR1uo2uo1uo1uR1uR2uo20t0t0t0tUTUT1、對(duì)稱式：這個(gè)電路有兩個(gè)缺點(diǎn):一是不容易起振; 二是電路振蕩頻率的穩(wěn)定 性較差,容易受溫度、元件性能、電源波動(dòng)等因素的影響。( a )11R1R2C1C2uo2uo1( b) 通常，將兩個(gè)電阻改接成如圖( b)示，只要適當(dāng)選擇它們的大小，使兩個(gè)與非門的靜態(tài)工作點(diǎn)均處于放大區(qū)，起振便比較容易。11R1R2C1C2uR2uR1uo2uo111R1R2C1C2uo石英晶體( c) 石英晶體振蕩器常用 作數(shù)字系統(tǒng)的基準(zhǔn)

5、信號(hào)。 為獲得穩(wěn)定的振蕩頻率， 可在振蕩電路中串接石英晶體，組成石英晶體振蕩器， 如圖( c )所示。11R1R2C1C2uR2uR1uo2uo111R1R2C1C2uo2uo1( a )( b)17u1uo2uo10t0t0tUTUT2、非對(duì)稱式：11RCu1uo2uo1T1T2對(duì)于CMOS門組成的振蕩器18u1uo2uo10t0t0tUTUTT1T2第一段（T1）：第二段：19三、石英晶體振蕩器11R1R2C1C2uo石英晶體ffsX0電感性電容性 電阻R1、R2的作用是保證兩個(gè)反相器在靜態(tài)時(shí)都能工作在線性放大區(qū)。對(duì)TTL反相器，常取R1R20.7 k2k，而對(duì)于CMOS門，則常取R1R2

6、10k100k；C1C2是耦合電容，它們的容抗在石英晶體諧振頻率f0時(shí)可以忽略不計(jì)；石英晶體構(gòu)成選頻環(huán)節(jié)。209.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器特點(diǎn):穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)暫穩(wěn)態(tài)由外界觸發(fā)自動(dòng)返回學(xué)習(xí)的重點(diǎn):為什么會(huì)自動(dòng)返回?需多少時(shí)間?1、輸出端只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài), 另一個(gè)狀態(tài)則是暫穩(wěn)態(tài)。2、加入觸發(fā)信號(hào),電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。3、 經(jīng)過(guò)一定時(shí)間以后,電路又會(huì)自動(dòng)返回 原來(lái)的 穩(wěn)定狀態(tài)。（1）沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)電路工作在穩(wěn)態(tài)： 當(dāng)沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，ui為低電平。因?yàn)殚TG2的輸入端經(jīng)電阻R接至VDD，VA為高電平，因此uo2為低電平；門G1的兩個(gè)輸入均為0，其輸出uo1為高電平，電容C兩端的電壓接近為0。這是電路的穩(wěn)態(tài)，

7、在觸發(fā)信號(hào)到來(lái)之前，電路一直處于這個(gè)狀態(tài)：uo11，uo20。00111、用CMOS或非門組成：9.2.1 由門電路組成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器22110（2）外加觸發(fā)信號(hào)使電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài) 當(dāng)正觸發(fā)脈沖ui到來(lái)時(shí)，門G1輸出uo1由1變?yōu)?。由于電容電壓不能躍變，uA也隨之跳變到低電平，使門G2的輸出uO2變?yōu)?。這個(gè)高電平反饋到門G1的輸入端，此時(shí)即使ui的觸發(fā)信號(hào)撤除，仍能維持門G1的低電平輸出。但是電路的這種狀態(tài)是不能長(zhǎng)久保持的，所以稱為暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，uo10，uo21。230011（3）電容充電使電路由暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài) 在暫穩(wěn)態(tài)期間，VDD經(jīng)R和G1的導(dǎo)通工作管對(duì)C充電，隨

8、著充電的進(jìn)行，C上的電荷逐漸增多，使uA升高。當(dāng)uA上升到閾值電壓UT時(shí)，G2的輸出uo2由1變?yōu)?。由于這時(shí)G1輸入觸發(fā)信號(hào)已經(jīng)過(guò)去，G1的輸出狀態(tài)只由uo2決定，所以G1又返回到穩(wěn)定的高電平輸出。uA隨之向正方向跳變，加速了G2的輸出向低電平變化。最后使電路退出暫穩(wěn)態(tài)而進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)uo11，uo20。脈沖寬度：tp當(dāng)Vth=VDD/2時(shí)，tw=RCln225電路的改進(jìn) 當(dāng)ui的寬度很寬時(shí)，可在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端加一個(gè)RC微分電路，否則，在電路由暫穩(wěn)態(tài)返回到穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于門G1被ui封住了，會(huì)使uo2的下降沿變緩。 0tuiuo1uAuo20t0t0tt1當(dāng) ui 發(fā)生負(fù)跳變后： uo1

9、和uA跟著正跳變，uo2 立即下跳（暫穩(wěn)態(tài)）。在ui負(fù)脈沖到來(lái)以前（穩(wěn)態(tài)）：uo1uo2RC&1uiAR較小2、用與非門組成：101uo1=0，uo2=10Uo1向C充電，uA下降。uA=UT時(shí)：uo2上跳。之后uA繼續(xù)下降。Ui負(fù)脈沖過(guò)后，uo2保持高電平。uo1uo2RC&1uiAUT0tuiuo1uAuo20t0t0tt1tWCMOS門電路：28穩(wěn)態(tài)時(shí)，ui1，G1、G2均導(dǎo)通。uo10，uA0，uo20。ui負(fù)跳變到0時(shí)，G1截止，uo1隨之跳變到1。由于電容電壓不能躍變，uA仍為0，故門G2截止，uo2跳變到1。在G1、G2截止時(shí)，C通過(guò)R和G1的導(dǎo)通管放電，使uA逐漸上升。當(dāng)uA上

10、升到管子的開啟電壓UT時(shí)，如果ui仍為低電平，G2導(dǎo)通，uo2變?yōu)?。當(dāng)ui回到高電平后，G1導(dǎo)通，C又通過(guò)R和G1的導(dǎo)通管充電，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。（補(bǔ)充）積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：299.2.2 集成單穩(wěn)組件介紹一、不可重復(fù)觸發(fā)的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器： 74LS121是一種不可重復(fù)觸發(fā)的集成化單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。包括觸發(fā)信號(hào)控制電路、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及輸出緩沖電路。單穩(wěn)輸出脈沖的寬度，主要由外接的定時(shí)電阻( R )和定時(shí)電容( C )決定。3074LS121管腳圖QVSSQBCextRintNCRext / CextA1A2NCVDD1234567891014131211NCNC3174LS121功能表

11、A1 A2BQQ說(shuō) 明011x00001111x xx 00 x1 1穩(wěn)態(tài)觸發(fā)1111 1 0 xx 03274LS121的使用方法:1. 采用內(nèi)部定時(shí)電阻（2K ）：9腳接到14腳。tW = R Cln2單位 ： RT: k、CT: Pf、tW: nS定時(shí)電容接在10、11腳之間，定時(shí)電阻有兩種選擇：2. 采用外部定時(shí)電阻（1.440K ）：9腳懸空，電阻接到11、14腳之間。33二、可重復(fù)觸發(fā)的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：1CextVSS1Q1Q1TR-2TR+2TR-2Q2Q2RD1RD1TR+1Rext/1CextVDD123456789101615141312112Cext2Rext/2Cex

12、tMC14528管腳圖 MC14528是一種可重復(fù)觸發(fā)的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。包括三態(tài)門、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制電路及輸出緩沖電路。34MC14528功能表RDTR+QQ說(shuō) 明001x0001111x1穩(wěn)態(tài)觸發(fā)TR-xx1xx0清零與前一種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的區(qū)別： 當(dāng)電路處在暫穩(wěn)態(tài)，再來(lái)觸發(fā)信號(hào)，暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間將增加tw，即可重復(fù)觸發(fā)。359.2.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用 單穩(wěn)的應(yīng)用多種多樣,如:定時(shí)、延時(shí)控制、整形（消噪）、多諧振蕩器等等。 例如“ 延時(shí)控制 ” 利用單穩(wěn)可以取得延時(shí)作用,延長(zhǎng)的時(shí)間可以通過(guò) R、C調(diào)節(jié)。QAQCQBQDCPCLRRS0S1QAQCQBQDCPCLRRABCDEFGH7

13、4 L S 1 9 4 ( 1 )7 4 L S 1 9 4 ( 2 )R2C2A2Q2R1C1A2Q1B+ 5V移位輸入74121(2)時(shí)鐘S1S0A1A1B174121(1)37CPABCDEFGHQ 1Q 2t0t1t2t3用波形圖表示如下:38CPABCDEFGHQ 1Q 2t0t1t2t3用波形圖表示如下:移位寄存器清零H燈上升沿觸發(fā)Q1Q1的下降沿觸發(fā)Q2移位寄存器串行輸入為1循環(huán)重新開始399.3 施密特觸發(fā)器vivo0VOHVT+VT-vivo0VOHVT+VT-一、門電路組成的施密特觸發(fā)器11vivi1vo1voR1R2假設(shè)非門的閾值電壓VTH=VDD/2，R1R3，所以T1

14、飽和時(shí)的vE低于所以T1飽和時(shí)的vE，使轉(zhuǎn)變時(shí)的輸入電壓VT+高于VT-，兩者差稱回差電壓VT 2、CMOS集成施密特觸發(fā)器vi=0：當(dāng)vi由高電平下降過(guò)程是上述的逆過(guò)程T1 、 T2導(dǎo)通， T4 、 T5截止，vo 高電平，vo 高電平vi升高：當(dāng)viVth，T4 先導(dǎo)通，開始T5截止，繼續(xù)增大vi直到T1、T2 趨于截止，vo 開始減少。vo vs5vGS5RON5導(dǎo)致T1、T2迅速截止， vo =0當(dāng)vi- vS5 Vth：43集成施密特觸發(fā)器：44三、施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例：1、波形變換：452、脈沖整形： 3、脈沖鑒幅： 474、組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 RCvivovA48495、組成的多

15、諧振蕩器 RCvivo第一段（t1）：50第二段（t2）：51CR1R2VO占空比可調(diào)：529.4 555定時(shí)器及其應(yīng)用 555定時(shí)器是將模擬電路和數(shù)字電路集成于 一體的電子器件。它使用方便,帶負(fù)載能力較強(qiáng), 目前得到了非常廣泛的應(yīng)用。 9.4.1 555定時(shí)器: 555定時(shí)器的內(nèi)部電路包括以下幾部分 : 一個(gè)由三個(gè)相等電阻組成的分壓器; 兩個(gè)電壓比較器: A1、A2 ;一個(gè) RS 觸發(fā)器; 一個(gè)反相器和一個(gè)晶體管T等。53RSQQ-+A1A2VCCvi1vicvi2vo/TvoRD87645321RRR&5412345678555VCCvo/vi1vicGNDvi2v0RD電源放電閾值電控壓

16、制地觸發(fā)輸出復(fù)位電源電壓范圍:4.5V 18V管腳圖RSQQ+-A1A2VCCvi1vicvi2vo/voRD87645321R&RR55 三個(gè)電阻構(gòu)成的分壓器給兩個(gè)比較器提供基準(zhǔn)電壓: A1 的為 2VCC / 3 , A2 的為 VCC / 3 。voRSQQ+-A1A2VCCvi1vicvi2vo/TRD87645321RRR&56voRSQQ+-A1A2VCCvi1vicvi2vo/TRD87645321RRR&當(dāng)RD =0 ：10T可以導(dǎo)通57voRSQQ+-A1A2VCCvi1vicvi2vo/TRD87645321RRR&當(dāng)vi1 2VCC / 3 , vi2 VCC / 3 ：

17、01100T可以導(dǎo)通58voRSQQ+-A1A2VCCvi1vicvi2vo/TRD87645321RRR&當(dāng)vi1 2VCC / 3 , vi2 VCC / 3 ：10101T 截止59voRSQQ+-A1A2VCCvi1vicvi2vo/TRD87645321RRR&當(dāng)vi1 VCC / 3 ：11RS觸發(fā)器保持，從而vo、T的狀態(tài)都保持。60 綜合以上的分析結(jié)果,便可得到555的功能表:閾值端觸發(fā)端vi1vi2RD晶體管Tvo保持保持2VCC /3VCC /3大于小于1大于2VCC /3VCC /3大于10導(dǎo)通2VCC /3VCC /3小于小于11截止0導(dǎo)通0 xxRSQQ+-A1A2V

18、CCvi1vicvi2vo/voRD87645321R&RR61 9.4.2 555定時(shí)器應(yīng)用舉例(1) 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器: 微電機(jī)起動(dòng)停車控制電路。4816235S2S1RRCVCCvi1vi2voM微電機(jī)555S1 : 起動(dòng)按鈕S2 : 停車按鈕4816235S2S1RRCVCCvi1vi2M微電機(jī)555vo 僅按下起動(dòng)按鈕 S1 , 則 vi1 VCC / 3 ; 未按 S2 , 當(dāng)然 vi2 VCC / 3 , vi2 2VCC / 3 , 未按 S1 , 當(dāng)然vi2 VCC / 3 , 這時(shí) uo = 0 , 電機(jī)停止運(yùn)行。 如果松開 S2 , 電機(jī)仍不轉(zhuǎn)動(dòng) 。閾值端觸發(fā)端vi1vi2大

19、于大于小于小于小于大于保持保持RD晶體管Tvo0111001導(dǎo)通導(dǎo)通截止VCC /32VCC /3VCC /32VCC /32VCC /3VCC /3XX63(2) 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器: 洗相曝光定時(shí)器若S打開 , 則 ui = 1 ;若S合上 , 則 ui = 0 。0t0t0tuiuCTuo2VCC /3TWRSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRuiRRTCTS64 接通電源后，設(shè)按鈕 S 處于打開狀態(tài),電容已充電至穩(wěn)態(tài)。則：依前分析可知： 此時(shí)uo = 0 , 555內(nèi)的晶體管T導(dǎo)通 , 電容 CT 被短路,vi2 VCC /3 。Uo保持0狀態(tài)。vi1 2VCC /

20、3vi2 VCC /3 RSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRuiRRTCTS0tuiuo = 0 , 555內(nèi)的管T導(dǎo)通 , 電容 CT 被短路。0tuCT2VCC /30tuoRSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRuiRRTCTS0tui S按下時(shí), vi2 VCC /3，已有 vi1 2VCC /3 , 且按鈕已 松開， vi2 VCC /3 , 則uo = 0 ; 555內(nèi)的晶體管T也由截止變成導(dǎo)通 , 電容CT 迅速放電而變成 0V。0tui0tuCT2VCC /30tuoRSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&

21、RRuiRRTCTS 由以上過(guò)程可以看出 : 按鈕每按動(dòng)一次 , uo 便輸出一個(gè)正脈沖,其寬度 TW 由 RT CT 決定 。0tui0tuCT2VCC /30tuoTWRSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRuiRRTCTS48162357uouiVCCRRTCTvo/vi1vi2SJJ紅白D1D2按一次按鈕 S未按uo0J的線圈不通電J 的結(jié)點(diǎn)不動(dòng)作紅燈白燈亮滅1通電閉合亮滅700tui0tuCT2VCC /30tuoTW71觸摸定時(shí)控制開關(guān) 555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。只要用手觸摸一下金屬片P，由于人體感應(yīng)電壓相當(dāng)于在觸發(fā)輸入端（管腳2）加入一個(gè)負(fù)脈沖，555

22、輸出端輸出高電平，燈泡（RL）發(fā)光，當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間（tW）結(jié)束時(shí)，555輸出端恢復(fù)低電平，燈泡熄滅。該觸摸開關(guān)可用于夜間定時(shí)照明，定時(shí)時(shí)間可由RC參數(shù)調(diào)節(jié)。觸摸、聲控雙功能延時(shí)燈555和T1、R3、R2、C4組成單穩(wěn)定時(shí)電路，定時(shí)（即燈亮）時(shí)間約為1分鐘。當(dāng)擊掌聲傳至壓電陶瓷片時(shí)，HTD將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)T2、T1放大，觸發(fā)555，使555輸出高電平，觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管SCR，電燈亮；同樣，若觸摸金屬片A時(shí)，人體感應(yīng)電信號(hào)經(jīng)R4、R5加至T1基極，也能使T1導(dǎo)通，觸發(fā)555，達(dá)到上述效果。73(3) 多諧振蕩器: 簡(jiǎn)易電子琴電路首先說(shuō)明如何用555 定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器:vC0tVCC /3

23、2VCC /30tvo輸出波形RSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRR1CR2vo/vC 設(shè)電容C 原先未充電, 故 vi1 = vi2 VCC /3 , 此時(shí) uo = 1 , 555內(nèi)的晶體管 T 截止 , 電源通過(guò) R1 和 R2 對(duì)電容 C 充電。uC0tVCC /32VCC /30tuo 在 uC 沒有充電到 2VCC /3 之前, uo 保持 1 不變。RSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRR1CR2vo/uCuC0tVCC /32VCC /30tuo uC一旦充至2VCC /3，則 vi1 = vi2 =2VCC /3 、uo由1翻轉(zhuǎn)為 0 。同時(shí)555內(nèi)的晶體管 T 導(dǎo)通,電容 C 經(jīng) R2 、T放電, 一直至VCC /3 ，使得uo 回到 1 , 進(jìn)入循環(huán) .t1t2t3 在 uC 沒有充電到 2VCC /3 之前, uo 保持 1 不變。RSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRR1CR