8 脉冲波形的产生与变换(修改).ppt

8.3 多谐振荡器多谐振荡器 8.1 单稳态触发器单稳态触发器 8.2 施密特触发器施密特触发器 8.4 555定时器及其应用定时器及其应用教学基本要求教学基本要求1、正确理解单稳态触发器、施密特触发器、正确理解单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器多谐振荡器 的电路组成及工作原理。的电路组成及工作原理。2、掌握单稳、施密特、掌握单稳、施密特、多谐多谐MSI器件的逻辑功能及主要器件的逻辑功能及主要 指标计算。指标计算。3、掌握、掌握555定时器的工作原理。定时器的工作原理。4、掌握由、掌握由555定时器组成的多谐、单稳、施密特电路工定时器组成的多谐、单稳、施密特电路工 作原理及外接参数及电路指标的计算。作原理及外接参数及电路指标的计算。8.1.1 门电路组成的微分型单稳态触发器门电路组成的微分型单稳态触发器8.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器8.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用8.1 单稳态触发器单稳态触发器 电路有一个稳态，一个暂稳态。电路有一个稳态，一个暂稳态。一、单稳态触发器的工作特点一、单稳态触发器的工作特点：8.1 单稳态触发器单稳态触发器 在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态;电路中电路中RC延时环节的作用，暂稳态不能长久保持，延时环节的作用，暂稳态不能长久保持，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态 的持续时间仅取决于的持续时间仅取决于RC电路的参数值。电路的参数值。概述概述二、单稳态触发器的组成：二、单稳态触发器的组成：8.1 单稳态触发器单稳态触发器由门电路和由门电路和 R C电路组成电路组成三、三、单稳态触发器的分类单稳态触发器的分类概述概述根据根据RC电路的不同接法电路的不同接法单稳态触发器单稳态触发器分为微分型和积分型两大类。分为微分型和积分型两大类。8.1.1 门电路组成的微分型单稳态触发器门电路组成的微分型单稳态触发器 1.电路电路vO1vO2vcRvI&vO1vO2vcvI R VDDCMOS与非门构成的微分型与非门构成的微分型单稳态触发器单稳态触发器 CMOS或非门构成的微分型或非门构成的微分型单稳态触发器单稳态触发器 vO1vO2vRvIvDDvDDvDD+vthtttttpivthtwt1t22.工作原理工作原理a)没有触发信号时，没有触发信号时，电路处于一种稳态电路处于一种稳态 vO1vO2vcvI RvRvDD0 00 00 01 11 18.1.1 门电路组成的门电路组成的微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器vO1vO2vRvIvDDvDDvDD+vthttttvthtpitwt1t22.工作原理工作原理vo1 v R vO2 vIvR vO2 vO1 vO1vO2vcvIRvRvDD1 11 11 11 10 08.1.1 门电路组成的微分门电路组成的微分型单稳态触发器型单稳态触发器b)外加触发信号后，电路外加触发信号后，电路 进入暂稳态进入暂稳态c)电容放电，电路由暂稳态电容放电，电路由暂稳态 自动返回到稳态自动返回到稳态0 0 1 10 00 01 13.主要参数的计算主要参数的计算vO1vO2vRvIvDDvDDvDD+vthtttttpivthtwt1t2(1)输出脉冲宽度输出脉冲宽度tw(2)恢复时间恢复时间tre tre 3 d(3)最高工作频率最高工作频率 fmax 8.1.1 门电路组成的微分型单稳态触发器门电路组成的微分型单稳态触发器 R(t)=VR()VR(0+)VR()R(0+)=0 R()=VDD =RC VR(t)=VthvO1vO2vcvIRvRVCC4.讨论讨论CdRdvDvI1vo2如果输入端采用微分电路时，如果输入端采用微分电路时，Rd应大于应大于2k，使得稳态时使得稳态时 D大于大于G1的开门电平的开门电平(VON)。8.1.1 门电路组成的微分型单稳态触发器门电路组成的微分型单稳态触发器电阻电阻R的取值可以是任意的吗？的取值可以是任意的吗？采用采用TTL与非门与非门构成单稳电路时，电阻构成单稳电路时，电阻R要小于要小于0.7k。在暂稳态结束在暂稳态结束(t=t2)瞬间，门瞬间，门G2的输入电压的输入电压 R达到达到VDD+VT，可，可能损坏能损坏G2门，怎么办？门，怎么办？输入的触发脉冲的宽度可以是输入的触发脉冲的宽度可以是任意的吗？如触发脉冲的宽度任意的吗？如触发脉冲的宽度太宽会有什么问题？太宽会有什么问题？为改善输出波形在输出端再加为改善输出波形在输出端再加一级反相器一级反相器8.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器vOvItwtwvOvItwtw不可重复触发不可重复触发可重复触发可重复触发被重复触发被重复触发不可重复触发不可重复触发 1.不可重复触发的集成单稳态触发器不可重复触发的集成单稳态触发器 741211G8G4G1G2G3G5G6G7G9&B&1111RextRintCextRintCext/RextA1A2a触发信号控制电路触发信号控制电路微分型单稳触发器微分型单稳触发器输出缓冲电路输出缓冲电路BCextRintCext/RextA1A2GNDNCNCNCVCCNC8.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器(1)工作原理工作原理1G8G4G1G2G3G5G6G7G9&B&1111RextRintCextRintCext/RextA1A2a电电路路稳态稳态 :Q=0,0 01 10 00 00 0 在暂稳态期间即使有触发信号输入，在在暂稳态期间即使有触发信号输入，在a点不产生触发脉冲，只有等电路返点不产生触发脉冲，只有等电路返回稳态后，电路才会被再次触发，电路属于不可重复触发单稳态触发器。回稳态后，电路才会被再次触发，电路属于不可重复触发单稳态触发器。8.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器1.不可重复触发的集成单稳态触发器不可重复触发的集成单稳态触发器 74121电电路路暂稳态暂稳态 :Q=1,输出脉冲宽度：输出脉冲宽度：tw0.7RC HHA1A2BQL HL LHL LLHHH LHHHHHHL L74121功能表功能表 HHA1A2BQL HL LHL LLHHH LHHHHHHL L逻辑功能逻辑功能不可触发，保持稳态不变不可触发，保持稳态不变A1、A2中有一个或两个为低电平，中有一个或两个为低电平，在在B端输入上升沿时电路被触发端输入上升沿时电路被触发B 和和A1、A2、中有一个或两个为中有一个或两个为高电平，输入端有一个或两个下高电平，输入端有一个或两个下降沿时电路被触发降沿时电路被触发8.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器1.不可重复触发的集成单稳态触发器不可重复触发的集成单稳态触发器 74121(2)功能表功能表74121功能表功能表 两种触发方式两种触发方式 BCextRintCext/RextA1A2GNDNCNCNCVCCNC定时电容定时电容定时电阻定时电阻用内部用内部2k电阻电阻用外部电阻用外部电阻HHA1A2BQLXHLXLHLXXLLHHHXLHHHHHHLXXL8.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器1.不可重复触发的集成单稳态触发器不可重复触发的集成单稳态触发器 74121（3）电路连接）电路连接8.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用1.定时定时 twt w8.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用2.延时延时 vO1vO2vRvIvDDvDDvDD+vthtttttpivthtwt1t2单稳单稳进入暂稳态，脉宽为进入暂稳态，脉宽为0.7R1C1 8.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用BA1 A2V ViR1R2C1C2CextCext/RextCextCext/Rext7412174121()7412174121()Vov vccv vccB A1 A2v vcc2.延时电路延时电路 HHA1A2BQLXHLXLHLXXLLHHHXLHHHHHHLXXL单稳单稳进入暂稳态，脉宽为进入暂稳态，脉宽为0.7R2C2 单稳单稳进入暂稳态，脉宽为进入暂稳态，脉宽为0.7R1C1 单稳单稳进入暂稳态，脉宽为进入暂稳态，脉宽为0.7R2C2 单稳单稳进入暂稳态，脉宽为进入暂稳态，脉宽为0.7R1C1 8.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用v vccBA1 A2v vccSR1R2C1C2CextCext/RextCextCext/Rext7412174121()7412174121()vov vccv vccB A1 A2v vcc3.组成多谐振荡器组成多谐振荡器 0 00 0HHA1A2BQLXHLXLHLXXLLHHHXLHHHHHHLXXL0 01 11 1 0 01 1 0 0单稳单稳进入暂稳态，脉宽为进入暂稳态，脉宽为0.7R2C2 1 1 0 0单稳单稳进入暂稳态，脉宽为进入暂稳态，脉宽为0.7R1C1 单稳单稳进入暂稳态，脉宽为进入暂稳态，脉宽为0.7R2C2 T=0.7(R1C1+R2C2)Q2QI8.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用RCCextCext/Rext7412174121vov vccB A1 A2vIC1DR4.组成噪声消除电路组成噪声消除电路 噪声噪声 vovIDCP(R)vovI噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号的宽度较宽。噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号的宽度较宽。注意：单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度注意：单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度 而小于信号脉宽，才可消除噪声。而小于信号脉宽，才可消除噪声。8.2.1 门电路组成的施密特触发器门电路组成的施密特触发器 8.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器CC401468.2 施密特触发器施密特触发器 电路的组成及工作原理电路的组成及工作原理 振荡周期的计算振荡周期的计算 8.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用8.2 施密特触发器施密特触发器施密特触发器的工作特点：施密特触发器的工作特点：施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。电路有两个阈值电压。电路有两个阈值电压。输入信号增加和减少时，电路的阈值电输入信号增加和减少时，电路的阈值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性压不同，电路具有如下图所示的传输特性。VT+VT_VT+VT_vovIvovI8.2.1 门电路组成的施密特触发器门电路组成的施密特触发器v I1vovIR1 R2 I为三角波为三角波 作如下假定：作如下假定：8.2.1 门电路组成的施密特触发器门电路组成的施密特触发器vI10 00 0只要只要vI1Vth，则保持，则保持vO=VOH当当vI1=Vth，电路产生如下正反馈，电路产生如下正反馈：当当vI下降下降，vI1也也下降下降0 0回差电压回差电压 vI vI1 vO1 vO 8.2.1 门电路组成的施密特触发器门电路组成的施密特触发器vIVT+VT_vO00tt0vIvOVT+VT_VDD(a)工作波形工作波形(b)传输特性曲线传输特性曲线vI18.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器-CC40146vov vDDvITP1TN4TP2TP3TP7TP11TN5TN6TN8TN10TP9TN12vO施密特触发器施密特触发器 整形级整形级 输出缓冲级输出缓冲级 VT+VT_vovI8.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用1.波形的整形及变换波形的整形及变换 vovIvov vT2v vT1ttt合理选择回差电压，可消除干扰信号。合理选择回差电压，可消除干扰信号。为去掉干扰信号为去掉干扰信号回差电压应如何选择？回差电压应如何选择？8.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用2.幅度鉴别幅度鉴别vovI00ttVth(VT+)8.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用2.多谐振荡器多谐振荡器 CvovIR1vovIVT+VT_VOLVOHT1T20t0t8.3.1 门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器8.3.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器8.3 多谐振荡器多谐振荡器 电路的组成及工作原理电路的组成及工作原理 振荡周期的计算振荡周期的计算 多谐振荡器是一种自激振荡器，电路在接通电源多谐振荡器是一种自激振荡器，电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形波脉冲波或方波。形波脉冲波或方波。多谐振荡器多谐振荡器 VCC8.3 多谐振荡器多谐振荡器8.3.0 概概 述述 开开关关电电路路 延时环节延时环节8.3 多谐振荡器多谐振荡器开关器件：开关器件：产生高、低产生高、低电平；电平；多谐振荡器电路应由哪几部分组成？多谐振荡器电路应由哪几部分组成？反馈延迟环节：反馈延迟环节：利用利用RC电路的充放电特性实现延电路的充放电特性实现延时，将输出电压恰当地反时，将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输馈给开关器件使之改变输出状态，以获得所需要的出状态，以获得所需要的振荡频率。振荡频率。8.3.0 概概 述述8.3.1 门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器 1.电路组成电路组成开关器件：开关器件：反馈延迟环节：反馈延迟环节：由由CMOS门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器逻辑门电路逻辑门电路R、C 电路电路8.3.1 门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器 2.工作原理工作原理假定假定vO1=1，vO2=0 Vth=VON=VOFF=VDD/2VC进入进入 第二暂稳态第二暂稳态 vIvO1 vO2 vO1VDD0vIVDDVth0vO2VDD0(1)第一暂稳态及第一暂稳态及电路自动翻转过程电路自动翻转过程 01 VC8.3.1 门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器vO1=0，vO2=1 Vth=VON=VOFF=VDD/2(2)第二暂稳态及第二暂稳态及电路自动翻转过程电路自动翻转过程 二二vO1VDD0vIVDDVth0vO2VDD0T1T2vI vO1 vO 10 2.工作原理工作原理 3.振荡周期振荡周期T的计算的计算vO1VDD0vIVDDVth0vO2VDD0T1T2TRC1n41.4RC T =T1(充充)+T2(放放)8.3.1 门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器4、加补偿电阻的、加补偿电阻的CMOS多谐振荡器多谐振荡器R RON(P)+RON(N)电源电压波动时，会使振荡频率不稳定电源电压波动时，会使振荡频率不稳定。RSC C分布分布（分布电容）（分布电容）8.3.1 门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器，RsR(一般取一般取 Rs=10R)。当当补偿电阻补偿电阻Rs可减小电源电压波动对振荡频率的影响可减小电源电压波动对振荡频率的影响。8.3.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器由门电路组成的多谐振荡器，周期由门电路组成的多谐振荡器，周期 T 取决于取决于R C 和和 Vth，频率稳定性较差。，频率稳定性较差。电路符号电路符号 阻抗频率特性阻抗频率特性 R：使反相器工作在线性放大区：使反相器工作在线性放大区 C1：两个反相器间的耦合：两个反相器间的耦合 C2：抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出。：抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出。石英晶体振荡器石英晶体振荡器优点：振荡频率稳定性高，常用作基准信号源优点：振荡频率稳定性高，常用作基准信号源1、石英晶体振荡器电路、石英晶体振荡器电路电路的振荡频率电路的振荡频率f=fs2、石英晶体振荡器应用、石英晶体振荡器应用(双相时钟发生器）双相时钟发生器）8.3.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 8.4.1 555定时器定时器 8.4.2 定时器应用举例定时器应用举例8.4 555定时器及其应用定时器及其应用 电路的组成电路的组成 用用555定时器组成单稳态触发器定时器组成单稳态触发器 用用555定时器组成多谐振荡器定时器组成多谐振荡器 用用555定时器组成施密特触发器定时器组成施密特触发器 工作原理工作原理 555555定时器是一种将模拟电路与数字电路功能巧妙地结合在一定时器是一种将模拟电路与数字电路功能巧妙地结合在一起的中规模集成电路。该电路灵活、适用范围广，只要在外部配上起的中规模集成电路。该电路灵活、适用范围广，只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以很方便地构成施密特触发器、单稳态几个适当的阻容元件，就可以很方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，完成脉冲信号的产生、定时和整形等功能。触发器和多谐振荡器，完成脉冲信号的产生、定时和整形等功能。因而在控制、定时、检测、仿声、报警等方面有着广泛的应用。因而在控制、定时、检测、仿声、报警等方面有着广泛的应用。555定时器是一种应用方便的中规模集成电路定时器是一种应用方便的中规模集成电路,只需外接只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。器。广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。8.4.1 555定时器定时器电阻分压器电阻分压器电压比较器电压比较器基本基本RS锁存器锁存器复位输入端复位输入端(0)输出缓冲反相器输出缓冲反相器集电极开路输出三极管集电极开路输出三极管TvovICvI1vI2voC1C2+-+(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)RS&5 k 5 k 5 k&1RDVCC(8)G1、电路组成、电路组成0 01 10 08.4.1 555定时器定时器TvovICvI1vI2voC1C2+-+(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)RS&5 k 5 k 5 k&1RDVCC(8)G 如果悬空如果悬空0 01 10 01 10 01 10 01 11 10 01 11 11 1保持保持保持保持2、工作原理、工作原理 555定时器功能表定时器功能表不变不变不变不变1导通导通01截止截止11导通导通00放电管放电管T输出输出(VO)脚脚 复位复位(RD)脚脚触发输入触发输入(VI2)脚脚阈值输入阈值输入(VI1)脚脚输输 出出输输 入入8.4.1 555定时器定时器010011 T0 0导通导通1 0 0 1截止截止1 1 1 0导通导通1 0 1不不变变不变不变8.4.2 定时器应用举例定时器应用举例一、一、用用555定时器组成单稳态触发器定时器组成单稳态触发器 不可重复触发单稳不可重复触发单稳不变不变不变不变导通导通0截止截止1导通导通0 T VOVI2VI1输输 出出输输 入入)(-CCVa、接通电源电路进入稳态、接通电源电路进入稳态 O=0 o Vc=0 23 VCC vO vI o v o C t t2 t1 t t 2 3 VCC 13 VCC1、工作原理、工作原理1 t vO VOH o vI o t vC o 1 3 VCC 2 3 VCC t t2 t1 0 8.4.2 定时器应用举例定时器应用举例一、一、用用555定时器组成单稳态触发器定时器组成单稳态触发器不变不变不变不变导通导通0截止截止1导通导通0 T VOVI2VI1输输 出出输输 入入b、当输入信号下降沿到达时、当输入信号下降沿到达时,电路进入暂稳态电路进入暂稳态 tWtw=RC1n31.1RC c、电容放电、电容放电,电路自动返回到稳态电路自动返回到稳态 1、工作原理、工作原理1单稳态触发器的应用举例单稳态触发器的应用举例触摸定时控制开关触摸定时控制开关555555定时器构成单稳态触发器。定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片只要用手触摸一下金属片P P，由于人体感应电压相当于在触发由于人体感应电压相当于在触发输入端（管脚输入端（管脚2 2）加入一个负）加入一个负脉冲，脉冲，555555输出端输出高电平，输出端输出高电平，灯泡（灯泡（R RL L）发光，当暂稳态发光，当暂稳态时间（时间（t tW W）结束时，结束时，555555输出输出端恢复低电平，灯泡熄灭。端恢复低电平，灯泡熄灭。该触摸开关可用于夜间定时该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由照明，定时时间可由RCRC参数参数调节。调节。8.4.2 定时器应用举例定时器应用举例一、一、用用555定时器组成单稳态触发器定时器组成单稳态触发器2、用用555定时器组成定时器组成可重复触发单稳电路可重复触发单稳电路55576218435RR1CT+-vovIVCC0.01 FvIvCvO00 0tttVCCVCCtW1该电路可用作失落脉冲检测，或对电机转速或人体的心率进行监测，如果该电路可用作失落脉冲检测，或对电机转速或人体的心率进行监测，如果转速不稳或人体的心率不齐时，输出的低电平可用作报警信号转速不稳或人体的心率不齐时，输出的低电平可用作报警信号8.4.2 定时器应用举例定时器应用举例二、二、用用555定时器组成多谐振荡器定时器组成多谐振荡器R1R2v 2 3 VCC 1 3 VCC vC 0 t1 t2 tPLtPHtPL=R2C1n20.7R2C tpH=(R1+R2)C1n20.7(R1+R2)C 不变不变不变不变导通导通0截止截止1导通导通0 T VOVI2VI1输输 出出输输 入入截止截止导通导通18.4.2 定时器应用举例定时器应用举例二、二、用用555定时器组成多谐振荡器定时器组成多谐振荡器tPL=RBC1n20.7RBC tpH=RAC1n20.7RAC 占空比可调占空比可调8.4.2 定时器应用举例定时器应用举例三、用三、用555定时器组成施密特触发器定时器组成施密特触发器不变不变不变不变导通导通0截止截止1导通导通0 T VOVI2VI1输输 出出输输 入入013VCC23VCCvIvOVOH例：下图为一心律失常报警电路，例：下图为一心律失常报警电路，vI是经过放大后的心电是经过放大后的心电信号，其幅值信号，其幅值vIm=4V。（1）对应）对应vI分别画出图中分别画出图中vo1、vo2、vo三点的电压波形；三点的电压波形；（2）说明电路的组成及工作原理。）说明电路的组成及工作原理。T+VT-VVo1CV23CCVVo2oV