數(shù)字電子技術(shù) 第七章 脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形-熊蘭 學(xué)習(xí)課件

7.4多諧振蕩器7.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7.2施密特觸發(fā)器第7章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形7.1555集成定時(shí)器第7章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形教學(xué)基本要求掌握:555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器的結(jié)構(gòu)、工作原理及參數(shù)計(jì)算。理解：施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用。了解：石英晶體多諧振蕩器的工作原理。

555定時(shí)器是一多用途的數(shù)字模擬混合集成電路，最大的優(yōu)點(diǎn)是電源電壓范圍大，為4.5V～18V，可以和TTL和CMOS器件兼容，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電流大約為200mA,可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、壓控振蕩器等多種應(yīng)用電路，并直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。7.1555集成定時(shí)器

555定時(shí)器是一種用途廣泛的模擬數(shù)字混合集成電路。

CH7555定時(shí)器符號(hào)圖7.1.1555定時(shí)器的工作原理地低觸發(fā)端高觸發(fā)端放電端電源端清零端輸出端電壓控制端GND7.1555集成定時(shí)器CH7555定時(shí)器電路框圖

555定時(shí)器主要由比較器、觸發(fā)器、反相器和由三個(gè)5k

電阻組成的分壓器等部分構(gòu)成，電路如圖所示。電阻分壓器比較器RS觸發(fā)器反相器CH7555定時(shí)器電路框圖真值表的第一行00110導(dǎo)通清零0保持保持0010110真值表的第二行從第二行到第三行導(dǎo)通0真值表的第四行10010101截止從第四行返回第三行00保持保持1截止回差現(xiàn)象5.3施密特觸發(fā)器7.2.2由門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器7.2.1由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器7.2.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用7.2施密特觸發(fā)器7.2.1由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種能夠把輸入波形整形成為適合于數(shù)字電路需要的矩形脈沖的電路。vIvO1vIvOuoui08V3V傳輸特性+6V-6V+VCC7.2.1由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器+VCC+VCCG1G2R11vO1vI＇1vOR2vI（1）

當(dāng)vI=0時(shí)，vO1≈

VDD，

vO

≈

0V，

vI＇≈

0V；（2）當(dāng)vI升高時(shí)，vI’也升高。當(dāng)vI’達(dá)到VTH=1/2VDD時(shí)，G1、G2輸出狀態(tài)將發(fā)生翻轉(zhuǎn)。此時(shí)對(duì)應(yīng)的vI值稱為VT+。（3）當(dāng)vI大于VT+時(shí)，電路轉(zhuǎn)到另一穩(wěn)態(tài)：vO1≈0V，vO

≈VDD

。

0100＞VT+＞1/2VDD→0→1↑↑1007.2.2由門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器G1G2R11vO1vI＇1vOR2vI（4）當(dāng)vI由高變低時(shí)，vI

’也由高變低。當(dāng)vI’≤1/2VDD時(shí)，電路又將發(fā)生轉(zhuǎn)換。此時(shí)對(duì)應(yīng)的vI稱為VT－。（5）當(dāng)vI小于VT－時(shí)，電路轉(zhuǎn)到另一穩(wěn)態(tài)：vO1≈VDD，vO

≈

0V。

01↓↓→1→0＜VT－＜1/2VDD

工作波形vIVT+VT－0t0tvO10tvOvIvO1vIvO所以⊿UT＝UT+-UT-＝由此可知，調(diào)節(jié)R1、R2可以調(diào)節(jié)回差，但必須保證R1＜R2,否則電路不能正常工作。集成施密特觸發(fā)器四二輸入施密特觸發(fā)與非門集成施密特觸發(fā)器在集成電路手冊(cè)中被歸類在門電路中六單輸入施密特觸發(fā)非門7.2.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用(a)整形電路的輸入、輸出波形輸入輸出UT+UT－1輸入輸出UT+UT－(b)幅度鑒別的輸入、輸出波形(c)多諧振蕩器CRucu'ouoUi0t0UotT+UT-U波形變換

7.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7.3.2由門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7.3.1由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7.3.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中一般用于定時(shí)（產(chǎn)生一定寬度的矩形波）、整形（把不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換成寬度、幅度都相等的波形）以及延時(shí)（把輸入信號(hào)延遲一定時(shí)間后輸出）等。（1）電路有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)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(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)是一個(gè)不能長(zhǎng)久保持的狀態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間后，電路會(huì)自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間與觸發(fā)脈沖無關(guān)，僅決定于電路本身的參數(shù)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有下列特點(diǎn)：7.3.1由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7.3.1由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器假設(shè)電容C無初始電壓。接通VCC后瞬間，VCC通過R對(duì)C充電，當(dāng)uc上升到2VCC/3時(shí)，比較器C1輸出為0，將觸發(fā)器置0，uo＝0。這時(shí)Q=1，放電管T導(dǎo)通，C通過T放電，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。+VDD0.01uF7.3.1由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

ui負(fù)脈沖到來時(shí)，因?yàn)閡i＜VCC/3，使C2＝0，觸發(fā)器置1，uo又由0變?yōu)?，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。由于此時(shí)Q=0，放電管T截止，VCC經(jīng)R對(duì)C充電。+VDD0.01uF7.3.1由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器即使負(fù)觸發(fā)脈沖已消失，比較器C2的輸出變?yōu)?，但充電繼續(xù)進(jìn)行，直到uc上升到2VCC/3時(shí)，比較器C1輸出為0，將觸發(fā)器置0，電路輸出uo＝0，T導(dǎo)通，C放電，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。+VDD0.01uF暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間（脈寬TW）的計(jì)算應(yīng)用舉例：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)。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)，在觸發(fā)信號(hào)到來之前，電路一直處于這個(gè)狀態(tài)：uo1＝1，uo2＝0。0011（1）沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí),電路工作在穩(wěn)態(tài)7.3.2由門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器110（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)，uo1＝0，uo2＝1。00011（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)uo1＝1，uo2＝0。脈沖寬度：tp=0.7RC1010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，無正反饋過程，會(huì)使uo2的下降沿變緩。

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R和G1的導(dǎo)通管放電，使uA逐漸上升。當(dāng)uA上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R和G1的導(dǎo)通管充電，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，ui＝1，G1、G2均導(dǎo)通。uo1＝0，uA＝0，uo2＝0。7.3.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用延遲與定時(shí)整形電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)定tp＝1S計(jì)數(shù)7.4多諧振蕩器7.4.2由門電路構(gòu)成的多諧振蕩器7.4.1由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器7.4.3多諧振蕩器的應(yīng)用7.4.1由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器能產(chǎn)生矩形脈沖的自激振蕩電路叫做多諧振蕩器。+VCC0.01uF假設(shè)電容的初始電壓為零。則C1輸出0電平，C2輸出1電平，輸出端uo=Q=1。此時(shí)，Q=0，三極管T截止，電源VCC通過R1、R2向電容C充電。7.4.1由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器

VCC經(jīng)R1和R2對(duì)C充電。當(dāng)uc上升到2VCC/3時(shí)，uo=0，T導(dǎo)通，C通過R2和T放電，uc下降。+VCC0.01uF7.4.1由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器

C通過R2和T放電，uc下降。當(dāng)uc下降到VCC/3時(shí)，uo又由0變?yōu)?，T截止，VCC又經(jīng)R1和R2對(duì)C充電。如此重復(fù)上述過程，在輸出端uo產(chǎn)生了連續(xù)的矩形脈沖。+VCC0.01uF脈沖寬度的計(jì)算脈沖寬度的計(jì)算占空比可調(diào)的多諧振蕩器電路

利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦裕央娙軨充電和放電回路隔離開來，再加上一個(gè)電位器，便可構(gòu)成占空比可調(diào)的多諧振蕩器。可計(jì)算得：T1=0.7R1CT2=0.7R2C

占空比：7.4.2由門電路構(gòu)成的多諧振蕩器1、RC環(huán)形多諧振蕩器在t1時(shí)刻，ui1（uo）由0變?yōu)?，于是uo1（ui2）由1變?yōu)?，uo2由0變?yōu)?。由于電容電壓不能躍變，故ui3必定跟隨ui2發(fā)生負(fù)跳變。這個(gè)低電平保持uo為1，以維持已進(jìn)入的這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)期間，uo2（高電平）通過電阻R對(duì)電容C充電，使ui3逐漸上升。在t2時(shí)刻，ui3上升到門電路的閾值電壓UT，使uo（ui1）由1變?yōu)?，uo1（ui2）由0變?yōu)?，uo2由1變?yōu)?。同樣由于電容電壓不能躍變，故ui3跟隨ui2發(fā)生正跳變。這個(gè)高電平保持uo為0。至此，第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路進(jìn)入第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。第一暫穩(wěn)態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過程第二暫穩(wěn)態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過程在t2時(shí)刻，uo2變?yōu)榈碗娖?，電容C開始通過電阻R放電。隨著放電的進(jìn)行，ui3逐漸下降。在t3時(shí)刻，ui3下降到UT，使uo（ui1）又由0變?yōu)?，第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路返回到第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，又開始重復(fù)前面的過程。2、CMOS多諧振蕩器在t1時(shí)刻，uo由0變?yōu)?，由于電容電壓不能躍變，故ui1必定跟隨uo發(fā)生正跳變，于是ui2（uo1）由1變?yōu)?。低電平保持uo為1，以維持已進(jìn)入的這個(gè)暫態(tài)。在這個(gè)暫態(tài)期間，電容C通過電阻R放電，使ui1逐漸下降。在t2時(shí)刻，ui1上升到門電路的開啟電壓UT，使uo1（ui2）由0變?yōu)?，uo由1變?yōu)?。同樣由于電容電壓不能躍變，故ui1跟隨uo發(fā)生負(fù)跳變，于是ui2（uo1）由0變?yōu)?。這個(gè)高電平保持uo為0。至此，電路進(jìn)入第二個(gè)暫態(tài)。第一暫態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過程第二暫穩(wěn)態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過程在t2時(shí)刻，uo1變?yōu)楦唠娖?，這個(gè)高電平通過電阻R對(duì)電容C充電。隨著放電的進(jìn)行，ui1逐漸上升。在t3時(shí)刻，ui1上升到UT，使uo（ui1）又由0變?yōu)?，第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路返回到第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，又開始重復(fù)前面的過程。3、石英晶體多諧振蕩器電阻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R1＝R2＝R＝0.7kΩ～2kΩ，而對(duì)于CMOS門，則常取R1＝R2＝R＝10kΩ～100kΩ；C1＝C2＝C是耦合電容，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)。振蕩頻率等于石英晶體的諧振頻率f0。3、石英晶體多諧振蕩器CMOS石英晶體多諧振蕩器產(chǎn)生f=32768Hz的基準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)T/