数字电子技术第6章.ppt

EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT第第 6章脉冲信号的产章脉冲信号的产生与整形生与整形 概述概述 555 定时器及其应用定时器及其应用 本章小结本章小结EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT主要要求：主要要求：了解脉冲信号产生与整形的方法。了解脉冲信号产生与整形的方法。6.1 概概 述述EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT 常用的有施密特触发器和单稳态触发器。常用的有施密特触发器和单稳态触发器。脉冲信号产生与整形的方法脉冲信号产生与整形的方法 获取脉冲信号获取脉冲信号的方法的方法 脉冲信号产生与脉冲信号产生与整形电路整形电路的实现的实现是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便、灵活，应用广泛。谐振荡器等，使用方便、灵活，应用广泛。用多谐振荡器直接产生。用多谐振荡器直接产生。用用整形电路整形电路对已有波形进行整形、变换。对已有波形进行整形、变换。施密特触发器施密特触发器主要用以主要用以将缓慢变化将缓慢变化或快速变化的或快速变化的非矩形脉冲变换非矩形脉冲变换成陡峭的矩形脉冲。成陡峭的矩形脉冲。单稳态触发器单稳态触发器 主要用以将宽度不符合要求的脉冲主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲或者对脉冲变换成符合要求的矩形脉冲或者对脉冲进行移位。进行移位。用门电路构成。用门电路构成。用专用的集成电路。用专用的集成电路。用用 555 定时器定时器构成。构成。EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT掌握用掌握用 555 定时器构成施密特触发器、单稳态定时器构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的方法。触发器和多谐振荡器的方法。主要要求：主要要求：了解了解 555 定时器的电路结构，定时器的电路结构，掌握其符号和功能。掌握其符号和功能。6.2 555 定时器及其应用定时器及其应用 EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT555 定时器简介定时器简介 555 定定时时器器是是一一种种结结构构简简单单、使使用用方方便便灵灵活活、用用途途广广泛泛的的多多功功能能电电路路。它它电电源源电电压压范范围围宽宽(双双极极型型 555 定定时时器器为为 5 16 V，CMOS 555 定定时时器器为为 3 18 V)，可可提提供供与与 TTL 及及 CMOS 数数字字电电路路兼兼容容的的接接口口电电平平，还还可可输输出一定功率出一定功率，驱动微电机、指示灯、扬声器等。，驱动微电机、指示灯、扬声器等。TTL 单单定定时时器器型型号号的的最最后后 3 位位数数字字为为 555，双双定定时时器器的的为为 556；CMOS 单单定定时时器器的的最最后后 4 位位数数为为 7555，双定时器的为双定时器的为 7556。一、一、555 定时器的工作原理和逻辑功能定时器的工作原理和逻辑功能EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT集成定时器是一种将模拟电路与数字电路的功能巧集成定时器是一种将模拟电路与数字电路的功能巧妙结合在一起的多用途单片集成电路，有些书上把妙结合在一起的多用途单片集成电路，有些书上把它描述为：模拟电路与数字电路的的完美结合。它描述为：模拟电路与数字电路的的完美结合。在其外部配接上少许阻容定时元件，便能构成多谐振荡在其外部配接上少许阻容定时元件，便能构成多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等多种应用电路。器、单稳态触发器和施密特触发器等多种应用电路。6.2.2 电路结构电阻分压器两个CMOS比较器一个基本RS触发器一个NMOS开关EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT555 定时器的电路结构与符号定时器的电路结构与符号 C1C2G3QQG1G2RSVR5 k 5 k 5 k UR1UR2GNDVCCRDOUTCO555THTRDIS电路符号电路符号627153843OUT输出端输出端 8VCC电源端电源端 4RD直接置直接置0 0端端 DIS 7放电端放电端 TH 6阈值输入端阈值输入端 TR 2触发输入端触发输入端 CO 5控制电压输入端控制电压输入端 GND1接地端接地端 集电极开路输出端集电极开路输出端UR1UR2构成构成电阻分电阻分压器压器，为比较器，为比较器 C1、C2 提供两提供两个参考电压，个参考电压，UR1=2/3VCC，UR2=1/3VCC。输出缓冲器输出缓冲器OUT=Q构成构成基本基本 RS 触发触发器器，决定电路输出。，决定电路输出。放电管放电管，其输入为，其输入为Q，输出为开路集电极。，输出为开路集电极。Q构成构成电压比电压比较器较器，比较，比较 TH 与与 UR1 和和TR 与与 UR2 的大小。的大小。555 定时器的电路结构与符号定时器的电路结构与符号 C1C2G3QQG1G2RSVR5 k 5 k 5 k UR1UR23OUT输出端输出端 8VCC电源端电源端 4RD直接置直接置0 0端端 DIS 7放电端放电端 TH 6阈值输入端阈值输入端 TR 2触发输入端触发输入端 CO 5控制电压输入端控制电压输入端 GND1接地端接地端 UR1UR2QEXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT1、电阻分压器2、电压比较器C1和C23、基本RS触发器4、NMOS开关V特性方程：/R为外部复位端，低电平有效正常工作时，/R=1。当/Q=0时，G3=1（OUT=1），V截止；当/Q=1时，G3=0（OUT=0），V导通。UR1=2/3VDD VR2=1/3VDD 若U+U-时，比较器输出高电平若U+2/3VCC时时电压传输特性为反相输出的滞回特性电压传输特性为反相输出的滞回特性uIuO当当TH=TR=uI1/3VCC时时1/3VCC0当当1/3VCC TH=TR=uI2/3VCC时时当当uI1/3VCC时时当当uI由高电平逐渐下降，由高电平逐渐下降，且且1/3VCC uI UT+后，后，uO=UOL,只有当只有当 uI下降到经过下降到经过 UT-时，时，uO 才会发生跃变。才会发生跃变。uI 1/3 VCC)。当当 uC 2/3 VCC 时，满足时，满足TR=uI 1/3 VCC，TH=uI 2/3 VCC,因此因此 uO 为低电平，为低电平，V 导通，电容导通，电容 C 经经放电管放电管 V 迅速放电完毕，迅速放电完毕，uC 0 V。这时这时TR=UIH 1/3 VCC，TH=uC 0 2/3 VCC，uO 保持保持低电平不变。因此，低电平不变。因此，稳态时稳态时 uC 0 V，uO 为低电平。为低电平。充电充电导通导通放电放电VuCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC0VUOLUIHEXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT 2.触发进入暂稳态触发进入暂稳态 (二二)工作原理、工作波形与参数估算工作原理、工作波形与参数估算 uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC当输入当输入 uI 由高电平跃变为低电平由高电平跃变为低电平(应应 1/3 VCC)时，使时，使 TR=UIL1/3 VCC而而TH=uC 0 V 2/3 VCC，因此，因此 uO 跃变为跃变为高电平，进入暂稳态高电平，进入暂稳态，这时放电管，这时放电管 V截止，截止，VCC 又经又经 R 向向 C 充电，充电，uC 上升上升。UILUOH充电充电EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT 3.自动返回稳定状态自动返回稳定状态 (二二)工作原理、工作波形与参数估算工作原理、工作波形与参数估算 uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC 2.触发进入暂稳态触发进入暂稳态 UIHUOL TH2/3 VCC放电放电V当输入当输入 uI 由高电平跃变为低电平由高电平跃变为低电平(应应 1/3 VCC)时，使时，使 TR=UIL1/3 VCC 而而TH=uC 0 V 1/3 VCC)，因此，因此 uO 重新跃变重新跃变为低电平。为低电平。同时，放电管导通，同时，放电管导通，C 经经 V 迅速放电迅速放电 uC 0 V，放电完毕放电完毕后，电路返回稳态。后，电路返回稳态。EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT 例例 用上述单稳态电路输出定时用上述单稳态电路输出定时时间为时间为1 s 的的正脉冲，正脉冲，R=27 k，试确定定时元件试确定定时元件 C 的取值。的取值。(二二)工作原理、工作波形与参数估算工作原理、工作波形与参数估算 uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC输出脉冲宽度输出脉冲宽度 tW 即为暂稳态维持时即为暂稳态维持时间，主要取决于充放电元件间，主要取决于充放电元件 R、C。该单稳态触发器为不可重复触发器，该单稳态触发器为不可重复触发器，且要求输入脉宽且要求输入脉宽 tWI 小于输出脉宽小于输出脉宽 tWO。解：解：因为因为 tWO 1.1 RC故故可取标称值可取标称值 33 F。估算公式估算公式 tWO 1.1 RCEXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT经过长距离传输后，脉冲信号的边经过长距离传输后，脉冲信号的边沿会变差或波形上叠加某些干扰，沿会变差或波形上叠加某些干扰，利用整形可使其变成符合要求的波形。利用整形可使其变成符合要求的波形。(三三)单稳态触发器应用举例单稳态触发器应用举例 2.脉冲定时脉冲定时 1.脉冲整形脉冲整形 因此，利用单稳态触发器可以控制门因此，利用单稳态触发器可以控制门开通与否以及开通多长时间。开通与否以及开通多长时间。uAuBuCuOG单稳态触发器组成的定时电路和工作波形单稳态触发器组成的定时电路和工作波形uAuCuBuOuC 门的定时时间即为单稳态触发器的暂稳态持续时间。门的定时时间即为单稳态触发器的暂稳态持续时间。tW uC 为与门为与门 G 开通与否的控制信号。开通与否的控制信号。uC=1，门，门 G 开通，信号开通，信号 uB 通过门通过门 G 输出；输出；uC=0，门，门 G 关闭，关闭，uB 不能输出。不能输出。EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT若已知若已知 Rext=10 k，Cext=1 F则可得则可得 tW 0.7 RextCext=7 msRI CX RX/CXQ+VCCuIRextCextQOuItOuOt脉脉冲冲展展宽宽电电路路和和工工作作波波形形3.脉冲展宽脉冲展宽 tW接成正脉冲接成正脉冲触发方式触发方式将窄脉冲展宽成将窄脉冲展宽成宽度为宽度为 tW 的脉冲的脉冲EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT外外接接元元件件和和连连线线少少，触触发发方方式式灵灵活活，既既可可用用输输入入脉脉冲冲的的正正跃跃变变触触发发，又又可可用用负负跃跃变变触触发发，使使用用十十分方便，而且工作稳定性好。因此应用很广泛。分方便，而且工作稳定性好。因此应用很广泛。(四四)集成单稳态触发器集成单稳态触发器1.TTL 不可重复触发型单稳态触发器不可重复触发型单稳态触发器 CT74121 的逻辑符号的逻辑符号 有有 3 个个触发信号输触发信号输入端，入端，TR-A和和 TR-B 用负用负脉冲触发，脉冲触发，TR+用正脉用正脉冲触发。冲触发。有有 2 个互补输出端个互补输出端TR+TR-BTR-AQQRI CX RX/CXRintCextRext/CextRI CX RX/CX不可重复触发型不可重复触发型单稳的限定符号单稳的限定符号 外接定时元件端外接定时元件端“”号表示非逻号表示非逻辑连接，即没有任何逻辑连接，即没有任何逻辑信息的连接，例如外辑信息的连接，例如外接接 R、C 和和 VCC 等。等。EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT如何使用如何使用 Rint、Cext 和和 Rext/Cext 端？端？RI CX RX/CXTR+TR-BTR-AQQ悬空不接悬空不接CextRextVCC一般接法一般接法tW 0.7 RextCext通常取：通常取：Rext=2 40 k，Cext=10 pF 10 F。当输出脉宽很小时，当输出脉宽很小时，可用内部电阻可用内部电阻 Rint=2 k 取代取代 Rext，接法如下：，接法如下：RI CX RX/CXTR+TR-BTR-AQQCext+VCCtW 0.7 RintCextEXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT那么那么 CT74121 的触的触发信号应如何加呢发信号应如何加呢？通过对通过对 CT74121 功能功能表的分析就可知道触表的分析就可知道触发端的用法。发端的用法。欲负脉冲触发，则将欲负脉冲触发，则将触发脉冲从触发脉冲从 TR-A 或或 TR-B 加入，而加入，而 TR+接接 1。欲正脉冲触发，则将触欲正脉冲触发，则将触发脉冲从发脉冲从 TR+加入，而加入，而 TR-A 和和 TR-B 至少有一接至少有一接 0。可见，可见，CT74121 可可正脉正脉冲冲触发，也可触发，也可负脉冲负脉冲触发。触发。0011111101110010101010QQTR+TR-BTR-A输输 出出输输 入入CT74121 的功能表的功能表 负脉冲触发应用举例负脉冲触发应用举例RI CX RX/CXTR+TR-BTR-AQQ+VCC+VCCQTR-B正脉冲触发应用举例正脉冲触发应用举例RI CX RX/CXuO+VCCuIuIuO2.CT74121 逻辑功能的分析与应用逻辑功能的分析与应用 CT74121 的功能表的功能表 0011111101110010101010QQTR+TR-BTR-A输输 出出输输 入入EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT即即距距形形脉脉冲冲产产生生电电路路，由由于于距距形形脉脉冲冲中中含有丰富的谐波分量，故常称多谐振荡器。含有丰富的谐波分量，故常称多谐振荡器。(1)不需输入信号。不需输入信号。(2)无稳定状态，只有两个无稳定状态，只有两个暂稳态暂稳态。(一一)多谐振荡器的工作特点和符号多谐振荡器的工作特点和符号 通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。GuO工作特点工作特点Astable MultivibratorEXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT（二）用（二）用 555 定时器组成多谐振荡器定时器组成多谐振荡器 图6.5.6 用555定时器接成的多谐振荡器(一一)电路结构电路结构 EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXITGNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01 FR1CuOuC-+R2DISVCCR1THTRGNDVCCRDCO0.01 FOUTuOCuC-+R2GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01 FR1CuOuC-+R2EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT(三三)工作原理、工作波形与周期估算工作原理、工作波形与周期估算 uCOtOuOtUOLUOHtWHtWL充电充电UOHTH=TR=uC 很小很小接通接通 VCC 后后，开始时，开始时 TH=TR=uC 0 0，uO 为高电平，为高电平，放电管截止，放电管截止，VCC 经经 R1、R2 向向 C 充电，充电，uC 上升上升，这时，这时电路电路处处于暂稳态于暂稳态。EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT(三三)工作原理、工作波形与周期估算工作原理、工作波形与周期估算 uCOtOuOtUOLUOHtWHtWLUOLTH=TR 2/3 VCC当当 uC 上升到上升到 TH=TR=uC 2/3 VCC 时，时，uO 跃变为低电平，跃变为低电平，同时放电管同时放电管 V 导通，导通，C 经经 R2 和和 V 放电，放电，uC 下降下降，电路进入电路进入暂稳态暂稳态。接通接通 VCC 后后，开始时，开始时 TH=TR=uC 0，uO 为高电平，为高电平，放电管截止，放电管截止，VCC经经 R1、R2 向向 C 充电，充电，uC 上升上升，这时，这时电电路路处于暂稳态处于暂稳态。放电放电EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT当当 uC 下降到下降到 TH=TR=uC 1/3 VCC 时，时，uO 重新跃变为高电平重新跃变为高电平，同时，同时放电管放电管 V 截止，截止，C 又被又被充电，充电，uC 上升上升，电路又电路又返回到暂稳态返回到暂稳态。(二二)工作原理、工作波形与周期估算工作原理、工作波形与周期估算uCOtOuOtUOLUOHtWHtWLTH=TR1/3VCC当当 uC 上升到上升到 TH=TR=uC 2/3 VCC时，时，uO 跃变为低电平，跃变为低电平，同时放电管同时放电管 V 导通，导通，C 经经 R2 和和 V 放电，放电，uC 下降下降，电路进入电路进入暂稳态暂稳态。接通接通 VCC 后后，开始时，开始时 TH=TR=uC 0 0，uO 为高电平，为高电平，放电管截止，放电管截止，VCC 经经 R1、R2 向向 C 充电，充电，uC 上升上升，这时，这时电路电路处处于暂稳态于暂稳态。EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT(三三)工作原理、工作波形与周期估算工作原理、工作波形与周期估算 电容电容 C 如此循环充电和放电，使如此循环充电和放电，使电路产生振荡，输出矩形脉冲。电路产生振荡，输出矩形脉冲。uCOtOuOtUOLUOHtWHtWL周期与占空比估算周期与占空比估算tWH 0.7(R1+R2)C tWL 0.7 R2CT=tWH+tWL 0.7(R1+2R2)CEXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXITGNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01 FR1C+R2RP1RP2 例例 指指出出右右图图中中控控制制扬扬声声器器鸣鸣响响与与否否和和调调节节音音调调高高低低的的分分别别是是哪哪个个电电位位器器？若若原原来来无无声声，如如何何调调节节才才能能鸣鸣响响？欲欲提提高高音音调调，又又该该如如何调节？何调节？解：解：R1、R2、RP1 和和 C 共同构成定时元件，因此调节共同构成定时元件，因此调节 RP1 可调节音调高低。可调节音调高低。欲提高音调，则应减小欲提高音调，则应减小 RP1，因此触头应下移。，因此触头应下移。RP2调节调节 RP2 可控制可控制 RD 为为 0 或或 1，从而控制振荡器工作与，从而控制振荡器工作与否，因此能控制扬声器鸣响与否。否，因此能控制扬声器鸣响与否。调节调节 RP2 使触头左移至适当位置，可使使触头左移至适当位置，可使 RD=1，使，使扬声器鸣响。扬声器鸣响。RP1EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT本章小结本章小结施施密密特特触触发发器器和和单单稳稳态态触触发发器器是是两两种种常常用用的的整整形形电电路路，可可将将输输入入的的周周期期信信号号整整形形成成符符合合要要求求的同周期矩形脉冲。的同周期矩形脉冲。施密特触发器具有回差特性，它有两个稳态状态，施密特触发器具有回差特性，它有两个稳态状态，有两个不同的触发电平。有两个不同的触发电平。施密特触发器施密特触发器可将任意波形变换可将任意波形变换成矩形脉成矩形脉冲，输出脉冲宽度取决于输入信号的波形和冲，输出脉冲宽度取决于输入信号的波形和回差电压的大小。回差电压的大小。施密特触发器还可用来进施密特触发器还可用来进行幅度鉴别、构成单稳态触发器和多谐振荡行幅度鉴别、构成单稳态触发器和多谐振荡器等。实用中，常选用集成施密特触发器器等。实用中，常选用集成施密特触发器或或 采用采用555 定时器构成施密特触发器。定时器构成施密特触发器。EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT单稳态触发器有一个稳定状态和一个暂稳态。单稳态触发器有一个稳定状态和一个暂稳态。其输出脉冲的宽度只取决于电路本身其输出脉冲的宽度只取决于电路本身 R、C 定定时元件的数值，与输入信号没有关系。时元件的数值，与输入信号没有关系。输入信输入信号只起到触发电路进入暂稳态的作用。改变号只起到触发电路进入暂稳态的作用。改变 R、C 定时元件的数值可调节输出脉冲的宽度。定时元件的数值可调节输出脉冲的宽度。单稳态触发器单稳态触发器可将输入的触发脉冲变换可将输入的触发脉冲变换为为宽度和幅度都符合要求的矩形脉冲，宽度和幅度都符合要求的矩形脉冲，因此，常因此，常用于脉冲的定时、整形和展宽等。用于脉冲的定时、整形和展宽等。实用中，常选用集成单稳态触发器实用中，常选用集成单稳态触发器或或 采用采用 555 定时器构成单稳态触发器。定时器构成单稳态触发器。EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT在振荡频率稳定度要求很高的情况下，在振荡频率稳定度要求很高的情况下，可采用石英晶体振荡器。可采用石英晶体振荡器。多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。暂稳态间的相互转换完全靠电路本身电容的充暂稳态间的相互转换完全靠电路本身电容的充电和放电自动完成。因此，多谐振荡器接通电电和放电自动完成。因此，多谐振荡器接通电源后就能输出周期性的矩形脉冲。源后就能输出周期性的矩形脉冲。改变改变 R、C定时元件数值的大小，可调节振荡频率。定时元件数值的大小，可调节振荡频率。EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT555 定时器是一种多用途的集成电路。只需外接定时器是一种多用途的集成电路。只需外接少量阻容元件便可构成施密特触发器、单稳态少量阻容元件便可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等。触发器和多谐振荡器等。此外，它还可组成其此外，它还可组成其它多种实用电路。由于它多种实用电路。由于 555 定时器使用方便、定时器使用方便、灵活，有较强的负载能力和较高的触发灵敏度，灵活，有较强的负载能力和较高的触发灵敏度，因此，在自动控制、仪器仪表、家用电器等许因此，在自动控制、仪器仪表、家用电器等许多领域都有着广泛的应用。多领域都有着广泛的应用。除除 555 单定时器外，还有双定时器单定时器外，还有双定时器 556、四定时器四定时器 558 等。等。EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器的单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器的电路符号为电路符号为 GuO可重复触发型可重复触发型 不可重复触发型不可重复触发型 uOuI1uOuIuOuI单稳态触发器单稳态触发器具有施密特特性具有施密特特性的与非门符号的与非门符号多谐振荡器多谐振荡器EXIT 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形EXIT555 定时器构成的施密特触发器、单稳态触发定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器典型电路为器和多谐振荡器典型电路为 555 定时器构成的定时器构成的施密特触发器施密特触发器555 定时器构成的定时器构成的单稳态触发器单稳态触发器555 定时器构成的定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器