数字电子技术第7章脉冲波形的变换和产生

第7章脉冲波形的变换和产生7.1概述7.2集成555电路7.3施密特触发器7.4单稳态触发器7.5多谐振荡器7.1概述•数字电路中主要使用的数字信号主要是矩形脉冲信号，获取矩形脉冲波形的途径主要有两种：一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲;另一种则是通过各种整形电路将已有的周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。脉冲波几个主要参数:占空比Q-----表示脉冲宽度占整个周期的百分比上升时间tr和下降时间tf----从脉冲幅值的10%到90%上升下降所经历的时间(典型值ns)脉冲宽度(tw)----脉冲幅值的50%的两个时间所跨越的时间周期(T)----表示两个相邻脉冲之间的时间间隔tr脉冲宽度tw0.5V4.5V2.5V幅值=5.0V0.0V5.0Vtf0.5V2.5V4.5V7.2集成555电路7.2.1集成555CMOS电路结构7.2.2集成555工作原理555定时器双极型:驱动能力较强CMOS:功耗低，最低工作电压小，输入电阻高流行的产品主要有4个，BJT两个：555和556（含有两个555），CMOS两个：7555和7556（含有两个7555），现以CMOS集成定时器7555为例介绍其结构与功能。555定时器外接适当的电阻、电容能方便地构成多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等。555电路是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5kΩ电阻而得名。7555控制电压端TR7.2.1集成555CMOS电路结构低电平触发高电平触发复位端输出端放电端1地8234765电源18VDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥1Q≥1基本RS触发器C1、C2是两个电压比较器分压器:由三个等值电阻R串联而成G1111G2T驱动器和放电开关C1C2RRRTR18VDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥1Q≥1RRRG1111G2TC1C27.2.2集成555工作原理当＝L时，反相器G1输出高电平，R0110所以Q为低电平，OUT=L。使G2输入为高电平，T管导通。此时称为复位。假设D端通过电阻接到正电源，则D端为低电平。000TR18VDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥1Q≥1RRRG1111G2TC1C2当＝H时，R1.TH2UDD/3，电路的输出状态与无关，所以为任意输入×。TRQ101则C1输出为1，Q=0，OUT=0。T导通。01清零失效02.TH2VDD/3，TRVDD/3；00触发器保持原状态不变。C1输出为0；C2输出为0；TR18VDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥1Q≥1RRRG1111G2TC1C2当＝H时，R1清零失效Q=1，T管截止，OUT=1。C1=0；3.TH2VDD/3，TRVDD/3，C2=1，OUT=1称为电路置位或置“1”011017555功能表TRUDD/3TH(6)(4)(2)OUT(3)T管D(7)2VDD/32VDD/32VDD/3UDD/3HHHHH截止导通导通不变不变不变LLLLL☓☓☓集成定时器7555的主要参数：电源电压：VDD=3～18V触发电流：50pA复位电流：≤100pA输出电压VOL≤0.1V(UDD=15V,IOL=3.2mA)VOH≥14.8V(UDD=15V,IOH=1mA)最大功耗300mWR7.3施密特触发器7.3.1施密特触发器特性7.3.2施密特触发器的主要应用7.3.3施密特触发器电路7.3.1施密特触发器特性施密特触发器在性能上有两个重要的特点：第一，输人信号从低电平上升的过程中电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从髙电平下降过程中对应的输入转换电平不同。第二，在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲髙、低电平上的噪声有效地清除。施密特触发器电压传输特性及工作特点：①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。②电路有两个阈值电压。输入信号增加和减少时，电路的阈值电压分别是正向阈值电压（VT+）和负阈值电压（VT-）。同相输出施密特触发器反相输出施密特触发器1vIvO1vIvOOvIvoVT－VT+VOHVOLOVT+vOVOHVOLVT-vIVT+VT-OvItVOHVOLOvOt施密特触发器的输入输出波形图反相传输同相传输VT+VT-OvItVOHVOLOvOt将一周期性信号变换为矩形波，其输出脉冲宽度tW可通过改变阈值电压调节ΔVT。1.波形变换twΔTVttVOHVOLOuOVT+VT-OvIΔ=－TVTVTV7.3.2施密特触发器的主要应用2.信号整形将不规则的信号波形整成矩形脉冲。ttVOHVOLOvOVT+VT-OvI3.幅度鉴别施密特触发器的输出状态取决于输入信号的电压值，因此可用作幅度鉴别。ttVOHVOLOvOVT+VT-OvI阴影部分电压大于VT+7.3.3施密特触发器电路VCCVD8455562vIRvO2vO1VIC0.01F7351vIVCC23VCC13OvOOtt输入电压vI由小增大但小于2VDD/3时，vOl=vO2=H。当vI增大到2VDD/3时电路状态发生翻转，vO1、vO2均由H跳变为L。vI2VDD/3，vOl=vO2=L保持不变。显然VT+＝2VDD/3。vI由最大值下降到VDD/3以前，电路输出一直为低电平。当vI下降到VDD/3时，电路再次翻转，输出由L跳变为H。vI继续下降，vOl=vO2=H保持不变，显然VT-=VDD/3，回差△VT=VDD/3。集成555电路构成施密特触发器7.4单稳态触发器7.4.1集成555定时器构成单稳态触发器7.4.2集成单稳态触发器7.4.3单稳态触发器应用单稳态电路具有以下几个特点：1.电路只有以一个稳定状态（稳态），另一个是暂稳定状态（暂稳态）。2.在外加触发脉冲的作用下，电路从稳态进入暂稳态，经过一定的时间，电路状态自动进入稳态。3.暂稳态维持的时间决定于单稳态电路自身的参数（如电路中相关电阻和电容的参数），与外加触发信号无关。7.4.1集成555定时器构成单稳态触发器VCCvIRvO0.01FCvC84555762351②外加触发信号，电路转换到暂态，输出为1③触发信号消除后，电容充电电路自动转换到稳态输出为0①没有触发信号时(υi)电路处于稳态，输出为013VCCvIOvCOvOO23VCCtWttttw=RC1n3≈1.1RCTR18VDD4R25CO6THOUTDQ≥1Q≥1RRRG1111G2TC1C2清零失效555电路构成单稳态触发器触发前00R1C0.01uF1010放电TR18VDD4R25CO6THOUTDQ≥1Q≥1RRRG1111G2TC1C200R1C0.01uF1010触发t00vCt001011vI(TR)vC(D)vO(OUT)当D端vC电压充电到2VDD/3时，比较器C1输出为高电平，Q端为低电平，T管输入为高电平，输出OUT翻转，T管导通。暂稳态结束2UDD/3t12VDD/3010暂稳态结束tw=1.1RCtre恢复时间单稳态触发器的主要参数1.输出脉冲宽度tW=1.1RC,Vc(t)=2Vdd/3时，经由下式计算得到2.恢复时间tre/CDD()(1e)tvt=VC通过T管导通电阻R′放电，经过(3～5)τ放基本结束，所以tre=(3～5)R′C。td指为保证单稳正常工作允许触发脉冲最小的时间间隔。显然td=tW＋tre3.分辨时间td4.输出脉冲幅度VmVm决定于输出信号高低电平之差7.4.2集成单稳态触发器集成单稳态触发器根据工作状态不同可分为不可重复触发和可重复触发两种。其主要区别在于：不可重复触发单稳态触发器在暂稳态期间不受触发脉冲影响，只有暂稳态结束触发脉冲才会再起作用。可重复触发单稳态触发器在暂稳态期间还可接收触发信号，电路被重新触发，暂稳态时间也会顺延。VCCVCC1.TTL双单稳态电路7422174221的功能表2．CMOS双单稳态电路4538VDD4538的功能表7.4.3单稳态触发器应用1．定时2．脉冲延迟vI1vO1(vI2)vO23．脉冲整形vIvO7.5多谐振荡器7.5.1用门电路组成的多谐振荡器7.5.2石英晶体多谐振荡器7.5.3集成555定时器构成多谐振荡器多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时无需外加触发脉冲，就能输出具有一定频率的矩形波。但非门的平均传输延迟时间过短，且不稳定，故实用中常加入RC电路。奇数个非门接成环形，可形成各点电平高低的交替变化。环形振荡器RRC1C1CMOS环形振荡器改进的环形振荡器对于含有RC元件的脉冲电路，关键是电容的充放电，而关键连接点就是与电容相连的门电路的输入端。7.5.1用门电路组成的多谐振荡器QQC1C2R2G1G2R1AB电路有两种工作过程：正反馈过程和暂稳态过程正反馈过程：uQuAuBuQuA正反馈过程QQC1C2R2G1G2R1ABQQBA暂稳态过程暂稳态过程:C1C2充放电正反馈过程达到阈值电压一、石英晶体石英晶体谐振器具有极高的稳定性，用它作为谐振元件做成的晶体振荡器的频率稳定度可优于10－9。电路符号等效电路CPCLR频率特性fPfSf0X7.5.2石英晶体多谐振荡器二、晶体振荡器多谐振荡器电路石英晶体多谐振荡器QQC1C2R2G1G2R1ABQQC1C2R2G1G2R1ABC1只起耦合作用，其值应取得大一些。工作在串联谐振频率第一状态：电容C上开始没有电荷，TR=vC=0V，由功能表知：TH=TRVDD/3，vO=高电平，T截止，VDD经R1、R2对C充电，使TH逐渐升高。vCvO0VVDDVDD/32VDD/3tW1≈0.7(R1+R2)CtW2≈0.7R2CvO555845137260.01uFCOR1COUTRVDDR2DTRTHvC向C充电第二状态：TH和TR的电压逐步升高，当到达2VDD/3时，vO突变低电平，T导通，电容C经过R2和T管放电。C放电电容C经过R2和T管放电，使得TH和TR的电压逐步下降，当降到VDD/3时，vO又变高电平，T截止，重新对C充电。回到一态。脉冲幅度Vm≈VDD振荡频率CRRf)2(43.1217.5.3集成555定时器构成多谐振荡器