数字电路08

第8章脉冲信号的产生与整形介绍施密特触发电路、单稳态触发电路和多谐振荡器。多谐振荡器能直接产生脉冲信号。施密特触发电路能对已有信号进行变换;单稳态触发电路可用于脉冲信号的定时、延时；在数字技术的各种应用中,经常要用到矩形波、方波、锯齿波等脉冲波形，其中矩形波和方波是较重要的波形。8.1555集成定时器555集成定时器是一种将模拟和数字电路集成于一体的电子器件,通过外加少量的阻容元件,能构成多种用途的电路。555集成定时器的型号较多，但所有双极型产品型号后的3位数字都是555，CMOS产品型号最后的4位数字都是7555。而且，它们的功能和外部引脚的排列完全相同。为了提高集成度,随后又生产了双定时器产品556（双极型）和7556（CMOS型）。8.1.1555定时器的电路结构1.分压器2.比较器3.RS锁存器4.三极管放电开关5.输出缓冲器组成：VCC+-∞UC1C1+-∞UC2C2&&QQOUT5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCOVCOVi1Vi2V’oRDVoTD8.1.2定时器的逻辑功能1）Vi12/3VCCVi21/3VCCVo=02）Vi12/3VCCVi21/3VCCVo=13）Vi12/3VCCVi21/3VCCVo不变当RD=1时：VCC+-∞UC1C1+-∞UC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCOVCOVi1Vi2V’oRDVoTD*Q的高低确定TD管是否导通。特点：555定时器能在很宽的电源电压范围内工作，并可承受较大的负载电流。双极型555定时器的电源电压范围为5~16V，最大的负载电流达200mA。CMOS型7555定时器的电源电压范围为3~18V，但最大负载电流在4mA以下。称TH为高电平触发端；TR低电平触发端。8.2施密特触发器施密特触发器(SchmittTrigger)逻辑符号及电压传输特性VoVoHVoLVT-VT+Vi0ViVo同相输出施密特触发电路当输入信号高于VT+时,电路处于一个稳定状态;当输入信号低于VT-时,电路处于另一个稳定状态;当输入信号处于两触发电平之间时,其输出保持原状态不变。VT+称作为上触发电平或正向阈值电压;VT-称作为下触发电平或负向阈值电压;ViVo反相输出施密特触发电路VoVoHVoLVT-VT+Vi0特点：1）有两个稳定状态VOH和VOL,但稳态要靠输入电平来维持；2）具有滞回电压传输特性.当输入信号高于VT+时,电路处于一个稳定状态;当输入信号低于VT-时,电路处于另一个稳定状态;当输入信号处于两触发电平之间时,其输出保持原状态不变。8.2.1用555定时器构成施密特触发电路1.电路组成Vo8462153555VCCViVoVCC+-∞UC1C1+-∞UC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTD··Vi2.工作原理1)当Vi1/3VCC时,VO=VOH;2)当1/3VCCVi2/3VCC时,VO保持,VO=VOH;3)当Vi2/3VCC时,VO=VOL.首先分析输入电压Vi由0逐渐升高的过程VoVCC+-∞UC1C1+-∞UC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTD··Vi4)当1/3VCCVi2/3VCC时,VO保持,VO=VOL;5)当Vi1/3VCC时,VO=VOH.其次分析输入电压Vi从2/3VCC逐渐开始下降的过程VoVCC+-∞UC1C1+-∞UC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTD··ViVit2/3VCC1/3VCC0VOt0VOHVOLVT+=2/3VCCVT-=1/3VCCΔVT=VT+－VT-=1/3VCC例:下列电路图为由555定时器构成的施密特触发电路(1)当R为无穷大时,试根据Vi输入波形画出输出波形;(2)欲使△VT=6V,则R应取多大?10V5VVOt0Vit015VR=5KVoVCC(15V)+-∞UC1C1+-∞UC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTD··ViR8.2.2集成施密特触发电路由于施密特触发电路的应用非常广泛，集成施密特触发电路的种类较多，有施密特非门74HC/HCT14、CC40106，施密特与非门74HC/HCT132、CC4093等。最小值/V最大值/VVDD/V参数VT+VT-51015510152.24.66.80.31.21.61.63.45.03.67.110.8CC40106阈值电压数值表8.2.3施密特触发电路的应用1.波形变换ViVo带反相器VitVOtVT+VT-00可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为同频率的矩形脉冲.2.脉冲整形ViVo带反相器VitVOtVT+VT-00可以适当调节施密特触发器的回差电压,得到整齐的矩形脉冲.3.幅度鉴别ViVo带反相器VitVOtVT+VT-00可以通过调整电路的VT+和VT-,将输入信号中幅度超过VT+的脉冲选出,幅度较小的脉冲消除,所以具有幅度鉴别能力.8.3单稳态触发电路单稳态触发电路特点:电路有一个稳定状态,一个暂稳定状态.在没有外界触发信号作用时,电路处于稳定状态;在外界信号作用下,电路由稳态转换为暂稳态,经过一段时间,电路自动返回到稳定状态.单稳态触发电路常用于脉冲的整形、定时和延时。8.3.1由555定时器构成的单稳态触发电路1.电路组成8462153555VCCVoVi7RCC∙∙∙VoVCC+-∞UC1C1+-∞UC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDVCViR0.1μVoVCC+-∞UC1C1+-∞UC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDVCViR0.1μ未加入负触发脉冲,当Vi为高电平１并稳定一段时间后，Q端一定为1(Q为0),Vo为低电平的稳定状态;(为什么)2.工作原理1)稳态VoVCC+-∞UC1C1+-∞UC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDVCViR0.1μ当Vi来一个较短的负脉冲后,Q端改变状态,Vo由低电平跳变为高电平,电路进入暂稳态.而后经过一段时间后(这时Vi已返回1),Q自动返回到0的状态,即电路恢复到原来的稳态Vo为低电平.(为什么)2)暂稳态3.工作波形图VoVCC+-∞UC1C1+-∞UC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDVCViR0.1μVitVCt00VOt02/3VCCtwtw4.输出脉冲宽度估算输出脉冲宽度tw:就是暂稳期的持续时间,它等于电容电压Vc从0上升到2/3Vcc所需时间tw=RC×LnVcc-0Vcc-2/3Vcc=RC×Ln3≈1.1RC*Vi的负脉冲宽度要小于tw*输出脉冲宽度仅取决于外接定时元件R和C的数值,而与电源电压无关VitVCt00VOt02/3VCCtwtwVoVCC(15V)+-∞UC1C1+-∞UC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDVCViR0.1μ例.下图为由5G555构成的单稳态触发器,电路在t=0时刻处于稳态.(1)根据Vi的波形图画出Vc和Vo波形(假设Vi的负脉冲宽度小于RC);2)如在下图555定时器的5脚和1脚间并接一只10K的电阻,试说明输出波形会发生怎样的变化?Vit015V10VVCt0VOt0twtw8.3.2用施密特触发电路构成单稳态触发电路ViVoCRVR1.电路结构2.工作原理1)稳态时,输入Vi=0,VR=0时,输出Vo=VOH;2)暂稳态:当幅度为VDD(VT+)的正触发脉冲加到电路输入端时,电路状态翻转,Vo=VOL,进入暂稳态.随着对电容C的充电,VR按指数规律下降,当下降到略低于VT-时,电路状态再次翻转,返回到原来的稳态,输出Vo=VOH.VitVRt00VOt0VT+twVT-ViVoCRVRVitVRt00VOt0VT+twVT-*Vi的正脉冲宽度应大于twtw=RCln(VDD/VT-)3.工作波形图输出脉冲宽度tw:VR从初始值VDD下降到VT-所需要的时间8.3.3集成单稳态触发电路根据电路工作特性不同，集成单稳态触发电路分为不可重复触发和可重复触发两种。iVOVWtWt(a)不可重复触发单稳态触发电路工作波形iVOVWtWt(b)可重复触发单稳态触发电路工作波形1&≥1RICXRXCXA1A2BRextCextRxcx3459101161QQ功能表A1A2BQQ0×101×0101××00111×01111110××074121是不可重复触发单稳态触发电路1．不可重复触发单稳态触发电路1&≥1RICXRXCX3459101161QQVCCCext1&≥1RICXRXCX3459101161QQCextRextVCC两种连接方法：tw≈0.7RextCext2．可重复触发单稳态触发电路74122是一种可重复触发单稳态触发电路1&RICXRX/CX1A2A1B2BRDRintRextCextextR/CQQ123459111386DR1A2A1B2BQQDR1A2A1B2BQQ00111000101011111111111111110000001111111174122功能表74122的定时电阻、电容连接方式与74121相同，但输出脉冲宽度tw为：tw≈0.32RCext需要注意的是，74122是可重复的触发单稳态触发电路，只要在输出脉冲结束之前，重新输入触发信号，就可以方便地延长输出脉冲的持续时间。8.3.4单稳态触发电路的应用1.脉冲整形ViV0tt001&≥1RICXRXCX3459101161QQCextRextVCCViVo2.脉冲的延时1&≥1RICXRXCX3459101161Q1QC1R1VCCVi1&≥1RICXRXCX3459101161Q2QC2R2(1)(2)VoVCCt0Vit0t0tw1tw1tw2tdQ1Vo1&≥1RICXRXCX3459101161Q1QC1R1VCCVi1&≥1RICXRXCX3459101161Q2QC2R2(1)(2)VoVCC3.脉冲的定时1&≥1RICXRXCX3459101161QQCRVCCViVoVB&10tVi0tQ0tVB0tVO一个测频的例子8.4多谐振荡器能自行产生具有一定频率和一定脉宽的矩形脉冲的电路.多谐振荡器没有稳态,有两个暂稳态.且两暂稳态之间的相互转换都不需要外加触发信号,而是靠电路本身完成的.8.4.1用555定时器构成多谐振荡器VoVCC+-∞UC1C1+-∞UC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDR1.01μR2C8472153555VCCVo6R1C0.01uf∙∙∙∙R21.电路组成VoVCC+-∞UC1C1+-∞UC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDR1.01μR2CVCt0VOt02/3VCC1/3VCCT1T2TT1=(R1+R2)Cln2T2=R2Cln22.工作原理占空比:正脉宽T1与周期T之比T1R1+R2q=T=R1+2R21)Q=0,TD截止,VCC→R1→R2→C充电,VC按指数规律上升;2)当VC略大于2/3VCC，输出Vo由1转换为0；4)当VC降至略低于1/3VCC，输出Vo由0转换为1。3)Q=1,TD导通,C→R2→TD放电，VC按指数规律下降；①555构成振荡器电路简单,频率易于调节灵敏度较高;②上述电路占空比q=T1/T衡大于0.5,调节不方便.③555构成振荡器频率振荡低(一般不超过几百KHz),且频率稳定度不高.3.电路特点4.改进电路VoVCC+-∞UC1C1+-∞UC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDR1.01μ