脈沖信號的產(chǎn)生與轉換

第六章脈沖信號的產(chǎn)生與轉換

數(shù)字電子技術基礎脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!一、微分電路和積分電路

RC電路在脈沖信號產(chǎn)生與轉換電路中有著廣泛的應用。(一)微分電路微分電路是一種能夠將輸入的矩形脈沖變換為正負尖脈沖的波形變換電路。微分電路的形式就是一個RC串聯(lián)電路，且要求電路的充放電時間常數(shù)τ=RC遠小于輸入矩形正脈沖的寬度tw。節(jié)預備知識脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!微分電路a)電阻下拉式b)電阻上拉式c)時序圖+V+充電放電+VDD+V充電+V脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!(二)積分電路積分電路也是一種常用的波形變換電路，它可以將矩形脈沖變換成近似三角波。其電路也是一個RC串聯(lián)電路，但從電容上取出輸出電壓，且要求電路的時間常數(shù)τ=RC遠大于輸入矩形正脈沖的寬度tw。脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!三、閾值電壓集成門電路的輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉時，所對應的臨界輸入信號電壓，用VTH表示。通常將轉折區(qū)中點所對應的輸入電壓稱為閾值電壓。一般TTL門電路取1.4V作為閾值電壓，CMOS門電路取1/2電源電壓作為閾值電壓。反相器的電壓傳輸特性脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!反相器對脈沖波形的整形和處理a）下拉式微分電路b）上拉式微分電路c）積分電路脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器a)電路圖b)時序波形圖

㈠工作原理

脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!2.加負觸發(fā)脈沖電路翻轉為暫穩(wěn)態(tài)當t=t1時，uI產(chǎn)生負跳變，使u01由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，由于電容兩端電壓uC不能突變，因而使uR產(chǎn)生同樣的正跳變，G2的輸出u02從高電平變?yōu)榈碗娖?，這是一個強列正反饋過程：1100?0?1?0?1正反饋過程：uI↓→u01↑→uR↑→u02↓┗━━━━┛結果使得電路迅速進入G1門關閉、G2門打開的暫穩(wěn)狀態(tài)。暫穩(wěn)狀態(tài)脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!4.恢復過程暫穩(wěn)態(tài)結束后，電容C上已充有一定的電壓，因此，電路返回穩(wěn)態(tài)后需經(jīng)C的放電過程，電容上的電壓才能恢復到穩(wěn)態(tài)時的數(shù)值，這一過程即為恢復過程?；謴瓦^程所需時間tre的大小與放電時間常數(shù)RC的大小有關?；謴瓦^程結束后，才允許輸入下一個觸發(fā)脈沖。1100tre=(3～5)RC

fmax=1/（tw+tre）

脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!二、集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單片集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有價廉、性能穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點，在數(shù)字電路中的應用日益廣泛，下面以74HC221為例介紹。74HC221為集成雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其中每個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單元均具有兩個觸發(fā)輸入端TR+和TR-(TR+為正邊沿觸發(fā)端，TR-為負邊沿觸發(fā)端)，和一個清零端R(低電平有效)，兩個互補的輸出端Q和Q。脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!三、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中一般用于整形（把不規(guī)則的波形轉換成寬度、幅度都相等的波形）、定時（產(chǎn)生一定寬度的矩形波）、以及延時（把輸入信號延遲一定時間后輸出）等。脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!(二)脈沖的定時利用寬度為tW的矩形脈沖作為與門的控制信號，只有在tW時間內，與門才打開，其它輸入信號才能通過。單穩(wěn)態(tài)電路的定時作用（低電平觸發(fā)）a)原理圖b)波形圖脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!數(shù)字電子技術基礎習題脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!一、CMOS型多諧振蕩器G1、G2為兩個反相器，R、C是定時元件。多諧振蕩器a）原理圖b）實際電路圖脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!㈠工作原理

1.暫穩(wěn)態(tài)及其自動翻轉的過程假定在接通電源的瞬間，電路最初處于G1關閉、G2打開狀態(tài)（設這時為電路的暫穩(wěn)態(tài)），即u01=1，u02=0。此時，uO1經(jīng)電阻R到uO2對電容C充電，uI的電位等于uC與u02之和。隨著充電的進行，uI的電位不斷上升，當uI上升到G1門的閾值電壓VTH后，電路發(fā)生下述正反饋過程：10正反饋過程：

uI↑→u01↓→u02↑┗━━━━━┛結果導致G1門迅速打開，G2門迅速關閉，電路進入第二暫穩(wěn)態(tài)，即u01=0，u02=1。?0?1+脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!㈡輸出脈沖參數(shù)的計算1.振蕩周期T

若G1門的閾值電平VTH=VDD/2，則振蕩周期可按下式估算

T≈2.2RC2.振蕩脈沖幅度Vm

Vm≈VDD

脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!三、占空比和頻率可調的多諧振蕩器占空比q是指矩形波高電平持續(xù)時間與其周期之比占空比和頻率可調的多諧振蕩器a)電路圖b)波形圖1010脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!石英晶體振蕩器a)兩級反相器構成b)一級反相器構成脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!一、用門電路構成施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器a）邏輯圖b）邏輯符號c）波形圖d）傳輸特性uo脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!0.7V1110uo脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!>1.4V1011uo脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!此施密特觸發(fā)器的回差電壓為：ΔUT＝UT＋－UT－＝UT－(UT－UD)＝UD＝0.7V缺點是回差太小，且不能調整。施密特觸發(fā)器a）邏輯圖b）邏輯符號c）波形圖d）傳輸特性uo下限閾值電壓上限閾值電壓回差電壓（滯后電壓）：ΔUT＝UT＋－UT－脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!三、基本應用電路施密特觸發(fā)器的應途十分廣泛。(一)波形的變換和整形波形的變換a)電路圖b)波形圖脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!(二)多諧振蕩器利用施密特觸發(fā)器也可以構成多諧振蕩器。當VDD為+5V時，振蕩頻率計算公式可用下式估算：f=1/(0.8RC)若R、C單位分別取KΩ和μF，則f的單位為KHz。多諧振蕩器a）多諧振蕩器b）可控多諧振蕩器c）占空比和頻率可調的多諧振蕩器脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!下降沿觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器a)電路圖b)時序圖脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!數(shù)字電子技術基礎習題脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!555定時器的產(chǎn)品有雙極型和CMOS型：雙極型型號為555(單)和556(雙)；CMOS型產(chǎn)品型號是7555(單)和7556(雙)。雙極型定時器的電源電壓在4.5～16V之間，輸出電流較大(200mA)，能直接驅動繼電器等負載，并能提供與TTL、CMOS電路相容的邏輯電平；CMOS型則功耗低、適用電源電壓范圍寬(通常在3V～18V)、定時元件的選擇范圍大、輸出電流比雙極型小。脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!基本RS觸發(fā)器特性表1110101000不定脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!二、工作原理2/3VCC1/3VCC??>2/3VCC>1/3VCC<2/3VCC>1/3VCC01<2/3VCC11<1/3VCC01同高出低同低出高不同保持復位0脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!施密特觸發(fā)器a）電路圖b）傳輸特性c）波形圖由于該施密特觸發(fā)器兩閾值電平為1/3VCC和2/3VCC，因而該電路存在1/3VCC的回差電壓。脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!當接通電源后，＋VCC經(jīng)R給C充電，uC不斷升高。當uC>2/3VCC時，u0=0，放電管V飽和導通。隨后,C經(jīng)⑦腳迅速放電，使uC迅速減小到0V，u0=0狀態(tài)，這就是它的穩(wěn)定狀態(tài)。THTRD1脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!VCC暫穩(wěn)時間：tW≈1.1RC脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!電源接通后，＋VCC經(jīng)R1、R2給電容器C充電，使uC逐漸升高，在uC<1/3VCC時，u0輸出高電平。當uC上升到超過1/3VCC時，輸出u0仍為高電平。充電(暫穩(wěn)態(tài))脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!輸出脈沖參數(shù)的計算

tP1≈0.7(R1+R2)C

tP2≈0.7R2C振蕩周期:T=tP1+tP2≈0.7(R1+2R2)C振蕩頻率:f=1/T=1/[0.7(R1+2R2)C]占空比q=tP1/（tP1+tP2）=R1+R2/（R1+2R2）充電+放電脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!模擬聲響電路將振蕩器Ⅰ的輸出電壓uo1，接到振蕩器Ⅱ中555定時器的復位端（4腳），當uo1為高電平時振蕩器Ⅱ振蕩，為低電平時555定時器復位，振蕩器Ⅱ停止震蕩。脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!數(shù)字電子技術基礎習題脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!當電路的時間常數(shù)τ=RC>>tw時，即使電路的形式完全一樣，但這樣的RC電路是耦合電路，而不是微分電路，其輸出電壓uo與輸入電壓uI的波形近似相同。耦合電路的時序圖脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!積分電路a)電路圖b)波形圖脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!三、利用反相器對微積分脈沖進行整形處理前述的微分電路和積分電路雖然可對波形進行變換，但其輸出波形并不是一個標準的時鐘脈沖，為了得到標準的時鐘脈沖信號，可利用反相器對其進行整形處理。脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器特點是：（1）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)。（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，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)。第二節(jié)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!1.電路的穩(wěn)態(tài)當uI為高電平且R<Roff(關門電阻)時，G2門關閉，u02為高電平，G1門由于輸入全為1而打開，u01為低電平。此時，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。1100脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!3.電路自動返回穩(wěn)態(tài)電路在暫穩(wěn)態(tài)期間，u01為高電平，經(jīng)R到地不斷對電容充電，使uC按指數(shù)規(guī)律上升，uR按指數(shù)規(guī)律下降，當uR下降到G2門的閾值電壓時，電路將產(chǎn)生下列的正反饋過程：1011?0?0?1正反饋過程：C充電→uC↑→uR↓→u02↑→u01↓┗━━━━━┛結果使得電路自動返回到G1打開、G2關閉的穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，即輸出脈沖寬度tw與充電時間常數(shù)RC的大小有關，RC越大，tW越寬。脈沖寬度：tW≈0.7RC脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!㈡主要參數(shù)1.輸出脈沖寬度設VDD=5V、VTH=2.5V，估算公式得到

tW≈0.7RC

R、C的單位分別為MΩ和μF，tw的單位為秒。2.恢復實間tre

tre=(3～5)RC3.最高重復觸發(fā)頻率fmaxfmax=1/（tw+tre）脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!74HC221典型接線圖脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!

(一)脈沖的整形無論輸入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖波形如何，只要符合觸發(fā)電壓，能使單穩(wěn)態(tài)電路翻轉，就能在輸出端得到一定寬度、一定幅度、前后沿較陡的規(guī)則矩形脈沖。單穩(wěn)態(tài)電路的整形作用（高電平觸發(fā)）脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!(三)脈沖的延時微分型單穩(wěn)態(tài)電路輸出u02的下降沿相對于輸入觸發(fā)脈沖uI的下降沿滯后了tW時間，稱這個時間為延遲時間。74HC221組成的脈沖延時電路a)電路圖b)時序圖脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!多諧振蕩器沒有穩(wěn)定的狀態(tài)，又稱無穩(wěn)態(tài)電路，它不需外加觸發(fā)信號便能產(chǎn)生一系列矩形脈沖，在數(shù)字系統(tǒng)中常用作矩形脈沖源，作為時序電路的時鐘信號。所謂的多諧，是指電路所產(chǎn)生的矩形脈沖中含有許多高次諧波的意思。第三節(jié)多諧振蕩器脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!多諧振蕩器波形圖脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!㈠工作原理

2.第二暫穩(wěn)態(tài)及其自動翻轉的過程：電路進入第二暫穩(wěn)態(tài)瞬間，u02由0上跳至+VDD，由于電容兩端電壓不能突變，則uI也將上跳VDD。此后，電容C通過電阻R及uo1、uo2開始放電，使uI的電位不斷下降，當uI降至G1門的VTH后，電路又發(fā)生下列正反饋過程：01?0?1+正反饋過程：

uI↓→u01↑→u02↓└─────┘結果使G1門迅速關閉，G2門迅速打開，電路又返回到暫穩(wěn)態(tài)。

脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁!二、可控型多諧振蕩器可控型多諧振蕩器a）與非門構成b）或非門構成Uk=0停振Uk=1停振10脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁!四、石英晶體振蕩器石英晶體a)符號b)阻抗頻率特性脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁!施密特觸發(fā)器可以把變化十分緩慢的不規(guī)則脈沖波形轉換成數(shù)字電路所需的矩形脈沖。施密特觸發(fā)器具有以下特點：它屬于電平觸發(fā)方式，即不僅狀態(tài)的翻轉需外加的觸發(fā)信號，而且，狀態(tài)的維持也需外加觸發(fā)信號。另外，施密特觸發(fā)器對于變化方向不同的輸入信號，具有不同的閾值電壓。第四節(jié)施密特觸發(fā)器脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁!01100uo脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁!1.4V111?00?1?0uo脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁!>1.4V～0.7V1011uo脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁!二、集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器性能一致性比較好，觸發(fā)閾值電壓穩(wěn)定。CD40106內含六個獨立的施密特觸發(fā)器單元，每個單元有一個觸發(fā)輸入端和一個輸出端，且輸出和輸入為反相邏輯關系，其引腳排列與CD4069相同。對CMOS電路來說，施密特觸發(fā)器的回差電壓與電源電壓VDD有關，VDD越高，回差電壓越大，且回差越大，其抗干擾能力就越強。但當回差電壓較大時要求uI的變化幅度也要大。脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第56頁!波形的整形a)施密特整形b)反相器整形脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第57頁!(三)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器利用施密特觸發(fā)器的回差特性可以很方便地構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。上升沿觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器a）電路圖b）時序圖脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第58頁!(四)脈沖幅度鑒別脈沖的幅度鑒別脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第59頁!555定時器又稱時基電路，是一種用途很廣泛的單片集成電路。若在其外部配上少許阻容元件，便能構成各種不同用途的脈沖電路，如振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及施密特觸發(fā)器等。同時，由于它的性能優(yōu)良，使用靈活方便，在工業(yè)自動控制、家用電器和電子玩具等許多領域得到廣泛的應用。第五節(jié)集成555定時器脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第60頁!一、電路結構集成555定時器a)電路原理圖b)引腳排列圖低電平觸發(fā)端高電平觸發(fā)端電壓控制端復位端低電平有效放電端4.5～16V電壓輸出端102VCC/3VCC/3??脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第61頁!電壓比較器UP>UNUN>UP-UO(sat)+UO(sat)UNUPUO脈沖信號的產(chǎn)生與轉換共70頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第62頁!三、典型應用(一）555構成施密特觸發(fā)器當uI<1/3VCC時，uO輸出高電平；當uI>2/3VCC時，uO輸出低電平；當1/3VCC<uI<2/3VCC時，uO輸出保持原來狀態(tài)不變。uI由小變大時，uI=2/3VCC時觸發(fā)翻轉；uI由大變小時，uI=1/3VCC才翻轉。