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内容简介1.概述2.单稳态触发器3.施密特触发器4.多谐振荡器5....

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第七章脉冲产生与整形电路
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内容简介
1.概述 2.单稳态触发器 3.施密特触发器 4.多谐振荡器 5.555定时器及其应用

重点内容
1.多谐振荡器 2.555定时器工作原理

第七章脉冲产生与整形电路
? 教学目标:

理解掌握单稳态触发器、施密特触发器、 多谐振荡器的工作原理,及555定时器的工 作原理及使用方法。

第七章脉冲产生与整形电路
? 学时安排:6

学时 ? 课后作业: 7.5、7.12、7.13

7.1 概述
1. 脉冲信号: 脉冲信号是指一种持续时间极短的电压或电流波形,如图 所示。 图(a)是方波,图(b)是矩形波,图(c)是尖顶脉冲, 图(d)是锯齿波,图(e)是钟形脉冲。它们都可以通称 为“脉冲信号”。

脉冲波形的不同形状

7.1 概述
2. 在数字电路中,要控制和协调整个系统的工作,常常需要时钟 脉冲(CP)信号,获得这种矩形脉冲的方法:一是利用多谐 振荡器直接产生,二是通过整形电路变换得到。多谐振荡器可 通过门电路、石英晶体或集成555定时器三种方式构成。整形 电路可分为施密特触发器或单稳态触发器,它们可以使脉冲的 边沿变得陡峭,形成满足要求的矩形脉冲,脉冲波形的特性主 要用图中所示的参数来描述。

描述矩形脉冲的主要参数

7.2单稳态触发器
单稳态触发器也有两个状态:一个是稳定状态,另一个是 暂稳状态。当无触发脉冲输入时,单稳态触发器处于稳定状态; 当有触发脉冲时,单稳态触发器将从稳定状态变为暂稳定状态, 暂稳状态在保持一定时间后,能够自动返回到稳定状态。

7.2单稳态触发器
1、电路组成 如下图所示。门G1的输出经微分电路RC接到门G2的输入 端,门G2的输出直接耦合到G1的输入端。电路处于稳态时, ui为高电*,u01为低电*,为了使u02可靠为高电*,对于 TTL芯片74LS00应选择R<ROFF,一般取R<0.7KΩ。但对于 CC4011的MOS门输入阻抗高,外接电阻R的大小不会影响其 稳态,则不受ROFF限制。

7.2单稳态触发器

(b)

微分型单稳态触发器

7.2单稳态触发器
2、工作过程 电源接通后,在没有外来触发脉冲时(uI为高电*)电路 处于稳定状态:uO1= UOL,uO=UOH。为此,必须保证 Rd>RON(开门电阻),R<ROFF(关门电阻)。根据稳态时的 部分电路图所示的等效电路, 非门G2的输入 为了讨论方便,假定uI2 = UOL, 则此时电容C上没有电 压。

R U12 ? (U CC ? U BE ) R ? R1

7.2单稳态触发器
UCC R1 UO L uI 2 C R V2 V1 G2

稳态时的部分电路

7.2单稳态触发器
二、集成单稳态触发器 集成单稳态触发器分为可重触发型和不可重复触发型两 种。不可重触发单稳态触发器,是指在暂稳定时间tw之内,若 有新的触发脉冲输入,电路不会产生任何反应,如图(b)所 示。可重触发单稳态触发器,是指在暂稳定时间tw之内,若有 新的触发脉冲输入,可被新的触发脉冲重新触发,如图(c) 所示。
ui

(a)
(b) (c) 图 (a) 触发信号 ui ; (b) 不可重触发输出波形; (c)可重触发输出波形

7.2单稳态触发器
1.CMOS集成单稳态触发器 CC4528B的引脚图如图所示。

CC4528B

图(b) CC4528B引脚图

7.2单稳态触发器
?

2.TTL集成单稳态触发器 常用的TTL集成单稳态触发器,有不可重触发单稳态触发 器54LS121/74LS121,54LS221/74LS221,可重触发单稳态触 发器54LS123/74LS123,54LS122/74LS122等。 54LS121/74LS121的逻辑符号如图 所示。

(b) 逻辑符号

7.2单稳态触发器
三、单稳态触发器应用举例 应用1. 脉冲整形。 脉冲信号经过长距离传输后,其边沿会变差或叠加了某些 干扰,这时可利用单稳态触发器进行整形。将这些受到干扰的 脉冲信号ui加到单稳态触发器的输入端,输出端便可得到符合 要求的矩形脉冲u0。如图所示。

74HC121

图 (a)(b) 脉冲整形电路

7.3施密特触发器
施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种 电路,利用它可以将正弦波、三角波以及其它一些周期 性的脉冲波形变换成边沿陡峭的矩形波。另外,它还可 以用作脉冲鉴幅器、比较器。 施密特触发器是一种受输入信号电*直接控制的 双稳态触发器。它有两个稳定状态,在外加信号的作用 下,只要输入信号变化到某一电*时,电路就从一个稳 定状态转换到另一个稳定状态, 而且稳定状态的保持 也与输入信号的电*密切相关。下图是这种电路的工作 波形。

?

7.3施密特触发器
uI UT + UT - 0 uO UO L UO H t

0

t

7.3施密特触发器
一、用门电路组成的施密特触发器 下图所示电路是由TTL门电路构成的施密特触发器。 图中, V为电压偏移二极管,R1、R2为分压电阻,电 路的输出通过电阻R2进行正反馈。下面我们来分析电 路的工作原理。
R2 uI R1 V uI 1

&

uO 1

1

uO uO

G1

G2

7.3施密特触发器
假设在接通电源后,电路输入为低电*uI=UOL, 则电路处于如下状态:uO1=UOH,uO=UOL。如果不 考虑G1门的输入电流,uI1的电压为:

(uI ? U D ? U OL ) R2 u11 ? ? U OL R1 ? R2 (uI ? U D ) R2 U OL R1 (uI ? U D ) R2 ? ? ? R1 ? R2 R1 ? R2 R1 ? R2

7.3施密特触发器
其中,UD为二极管的导通压降。当uI上升到门电 路的阈值电压UTH时,由于uI1的电压还低于UTH,电 路仍然保持这个状态不变; 随着uI的继续升高,当uI1 也上升到UTH时,电路将产生如下正反馈过程: uI↑uI1→↑uO1→↓→uO↑

7.3施密特触发器
结果使电路的状态迅速翻转为:uO1=UOL, uO=UOH,这是电路的另一个稳定状态。那么这一时刻 的输入电压uI就是电路的正向阈值电压UT+,将uI=UT+, uI1=UTH带入式9-21可得:

UT ? ? U D ? (1 ? R1 / R2 )UTH
当uI从UT+再升高时,电路的状态不会发生改变。

7.3施密特触发器
当uI从高电*下降时,只要下降到uI=UTH,由于 电路中的正反馈作用,电路状态立刻发生翻转,回到初 始的稳定状态。可见,电路的负向阈值电压UT-=UTH。 所以该电路的回差电压为:

?UT ? UT ? ? UT ?

R1 ? UD ? UTH R2

因此,通过改变电阻R1和R2的比值,可以调整回差 电压。

7.3施密特触发器
二、集成施密特触发器 由于性能稳定,所以在数字系统中集成施密特触 发器被广泛采用。目前,各厂家已经生产出多种单片集 成的施密特触发器产品。 74LS132是一种典型的集成施密特触发器, 其内 部逻辑图和引脚排列如图9-25(a)所示。 74LS132内 部包括四个相互独立的两输入施密特触发器,每一个触 发器都是以基本的施密特触发电路为基础,在输入端增 加了与的功能, 在输出端增加反向器,所以我们将其 称为施密特触发的与非门, 其逻辑符号如图(b)所示

7.3施密特触发器
UCC 14 A4 13 B4 12 & Y4 11 A3 10 B3 9 & A & & B & Y Y3 8

1 A1

2 B1

3 Y1

4 A2 (a)

5 B2

6 Y2

7 GND (b)

集成施密特触发器74LS132

(a) 74LS132的引脚排列和内部逻辑图
(b) (b) 施密特触发与非门的逻辑符号

7.3施密特触发器
74LS132的输出信号Y与输入信号中 A、B只要有 一个低于施密特触发器的负向阈值电*,输出Y就是高 电*;只有当A、 B同时高于正向阈值电*时,输出Y 才为低电*。在使用+5 V电源的条件下,集成施密特 触发器74LS132的正向阈值电*UT+=1.5~2.0 V,负向 阈值电*U T-= 0.6~1.1 V,回差电压ΔUT的典型值为 0.8 V。

7.3施密特触发器
三、施密特触发器的应用 1. 波形变换 利用施密特触发器在状态转换过程中的正反馈作用, 可以将边沿变化缓慢的周期性信号(如正弦波、 三角 波等)变换成边沿陡峭的矩形脉冲。在图中,施密特触 发器的输入是一个直流分量和正弦分量相叠加的信号, 只要输入信号的幅度大于施密特触发器的正向阈值电压 UT+,在触发器的输出端就可得到相同频率的矩形波。

7.3施密特触发器

uI UT + 1 uI uO UT - 0 uO t

0

t

7.3施密特触发器
2. 脉冲整形 矩形波经过传输后波形往往会发生畸变, 其中比较常见的有图 所示的三种情况: (a)矩形波的边沿变缓; (b)在矩形波的边沿处产生振荡; (c)矩形波被叠加上干扰。无论哪一种情况,只要设置好合适 的UT+和UT-,均能获得满意的整形效果。
1 uI uI UT + UT - 0 uO t 0 uO uO uI UT + UT - t uI 1 uO

0 (a)

t

0 (b)

t

7.3施密特触发器
uI UT + UT - 0 uO t uI

1 uO

0 (c)

t

3. 脉冲幅度鉴别 利用施密特触发器的输出取决于输入幅度的特点,可以将 其用作脉冲幅度鉴别电路。如图所示,在施密特触发器的输入 端输入一系列幅度不等的矩形脉冲,根据施密特触发器的特点, 对应于那些幅度大于UT+的脉冲,电路有脉冲输出;而对于幅 度小于UT+的脉冲,电路则没有脉冲输出,从而达到幅度鉴别 的目的。

7.3施密特触发器
uI UT + 1 uI uO 0 uO t

0

t

7.4多谐振荡器
多谐振荡器是一种自激振荡器,在接通电源后,不 需要外加触发信号,能自动地产生矩形脉冲。由于输出 的矩形波中含有很多谐波分量,故称它为多谐振荡器, 又称方波发生器。 一、对称多谐振荡器 1.由CMOS六反相器CC4009UB构成的多谐振荡器,如图 所示。图中两个反相器之间经C1和C2耦合形成正反馈 回路。合理选择RF1和RF2使G1、G2工作在传输特性的 转折区,这时,G1和G2都工作在放大区。由于G1、G2 的外电路对称,因此,又称其为电容反馈式对称多谐振 荡器。

电容反馈式对称多谐振荡器

7.4多谐振荡器
2.工作过程电路的工作波形如图所示。

电容反馈式对称多谐振荡器的工作波形

7.4多谐振荡器
3.振荡周期的计算: 取RF1=RF2=RF,C1=C2=C, UTH=1.4V,UOH=3.6V, UOL=0.3V,则: T=2tw≈1.4RF·C 二、环形振荡器 由三个非门构成的环形振荡器(即方波发生器)如图所示。

(a)

(b)

(a)(b) 环形振荡器及其工作波形

7.4多谐振荡器
三、石英晶体多谐振荡器 石英晶体的等效电路、电路符号、阻抗频率特性 分别如图(a)(b)(c)所示。

(a) 石英晶体等效电路 (b) 石英晶体电路符号 (c) 石英晶体的频率特性

7.5 555定时器及其应用
一、555定时器的电路结构与功能: 尽管555定时器产品的型号繁多, 但它们的电路结 构、功能及外部引脚排列都是基本相同的。在Philips公 司生产的555定时器的结构图中, 它主要由三个阻值为 5 kΩ的电阻组成的分压器、 两个高精度的电压比较器 C1和C2、基本RS触发器以及一个作为放电通路的晶体 三极管V组成。为了提高电路的驱动能力, 在输出级又 增加了一个非门G。 在结构图中,引脚旁的数字为8引 脚封装的555定时器产品的引脚编号。

7.5 555定时器及其应用
UCC电 源 (8) (5) UR1 (6) 5 k? 触 发 输 入Iu 2 (2) UR2 5 k? + - C2 S & Q 5 k? + - C1 R & RD 复 位 (4)

控 制 电 压Iu C 阈 值 输 入Iu 1

Q

G & 1 (3) uO

放电端u ? O

(7) (1)

V

7.5 555定时器及其应用
二、555时基集成电路的分类 555时基集成电路按内部元件分类,可分为TTL型555(电 源电压为4.5V~5V)和CMOS型555(电源电压为 2V~18V)两大类,按芯片内包含的定时器的个数可分 为单时基定时器555和双时基定时器556两种类型。按封 装分类又可分为8脚T0~99型,8脚双列直插型和14脚双 列直插型三种.

8脚TO~99型

8脚双列直插型

556双进基电路的封装

7.5 555定时器及其应用
三. 555时基集成电路的功能 无论是日立公司产的HA17555(日本),莫托罗拉(美国) 公司产的MCI555,还是上海无线电十四厂产的 CH7555/GH7556,其功能表均如表所示。
UR(4脚) UTH(6脚) UTR(2脚)
0 1 1 1 X X > 2/3 UDD > 1/3 UDD < 2/3 UDD > 1/3 UDD < 2/3 UDD < 1/3 UDD

OUT(u0) (3脚)
0 0 保持原状态不变 1

放电端D(7脚)

对地导通 对地导通 保持原状态不变 与地断开

555时基集成芯片功能表

7.5 555定时器及其应用
定时器555芯片是一种用途广泛的多功能集 成电路,只需要外接少量的R、C元件就可以构 成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器 等。由于555定时器有较好的带负载能力,使用 方便灵活,因此,获得广泛的应用如下表所示。

7.5 555定时器及其应用





数字系统中所需要的脉冲信号,一是由脉冲发生器直接产生, 二是通过整形电路将已有的周期性波形变换成矩形波。单稳态触 发器、施密特触发器和多谐振荡器是脉冲产生与变换中的常用三 种电路。 单稳态触发器的显著特点是:在无外加信号时,它工作于稳 态,只是在触发脉冲信号作用下才由稳态翻转为暂稳态。经过一 段时间后,它又自动返回稳态。单稳态触发器输出脉冲宽度(即暂 稳态时间)由电路定时参数R、C决定,而与输入触发信号无关。 单稳态触发器可用脉冲整形(对脉冲信号的宽度、幅度进行变换)、 定时与延时。 多谐振荡器不需要外加输入信号,只要接通电源就能自行产 生矩形脉冲信号,其输出脉冲频率由电路参数R、C决定,在要求 脉冲频率稳定性要求高的场合应采用石英晶体多谐振荡器。 施密特触发器输出有两个稳态。输入信号上升到上限阈值 UT+时,输出从一个稳态转换到另一稳态,下降到下限阈值UT时,输出又转换到第一状态。上、下阈值不同,具有回差电压UT。




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