数字电子技术基础PPT第10章脉冲整形与产生电路.ppt

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1、第第10章章脉冲整形与产生电路脉冲整形与产生电路脉冲整形与产生电路用于对脉冲波形进行变换以及产生数字脉冲整形与产生电路用于对脉冲波形进行变换以及产生数字电路中的时钟，是数字电路中不可缺少的部分。本章介绍施电路中的时钟，是数字电路中不可缺少的部分。本章介绍施密特触发器、单稳态触发器、方波发生器以及定时器密特触发器、单稳态触发器、方波发生器以及定时器555的的工作原理与应用。工作原理与应用。10.1施密特触发器施密特触发器10.1.1由门电路组成的施密特触发器由门电路组成的施密特触发器1CMOS门电路组成的施密特触发器门电路组成的施密特触发器由由CMOS非门和电阻组成的施密特触发器如图非门和电阻组

2、成的施密特触发器如图10-1所示所示假设该电路中非门假设该电路中非门G1和和G2的阈值电压为的阈值电压为，为保证输入电压的有效控，为保证输入电压的有效控制，取制，取R1R2。2施密特触发输入端的门电路施密特触发输入端的门电路由于施密特触发输入端采用了特殊的反馈电路，可根据输入信号从低到高或是由于施密特触发输入端采用了特殊的反馈电路，可根据输入信号从低到高或是从高到低的变化来移动动作阈值，因此有抗干扰的作用，在实际中有很多应用。具从高到低的变化来移动动作阈值，因此有抗干扰的作用，在实际中有很多应用。具有施密特触发输入端典型的有施密特触发输入端典型的TTL非门非门74LS14传输特性如图传输特性如

3、图10-3所示，引脚排列如图所示，引脚排列如图10-4所示。所示。该芯片典型的正向阈值该芯片典型的正向阈值VT+=1.6V，负向阈，负向阈值值VT=0.8V，回差电压，回差电压=0.8V。具有施密特触发输入的电路具有抗噪声能力，具有施密特触发输入的电路具有抗噪声能力，74LS14的抗噪声应用示意如图的抗噪声应用示意如图10-5所示。所示。10.1.2施密特触发器的应用施密特触发器的应用施密特触发器可以把边沿变化缓慢的周期信号转换成矩形脉冲信号。图施密特触发器可以把边沿变化缓慢的周期信号转换成矩形脉冲信号。图10-6是是将正弦波转换成矩形波的波形图。将正弦波转换成矩形波的波形图。图图10-7是正

4、弦波转换方波的实际接线图。是正弦波转换方波的实际接线图。图图10-7（a）是输入）是输入50Hz正弦波，输出正弦波，输出100Hz方波的接线图，方波的接线图，图图10-7（b）是输入）是输入50Hz正弦波，输出正弦波，输出50Hz的方波接线图，的方波接线图，10.2单稳态触发器单稳态触发器10.2.1门电路组成的单稳态触发器门电路组成的单稳态触发器1微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器图图10-8所示的微分型单稳态触发器由或非门、非门、电容和电阻组成。所示的微分型单稳态触发器由或非门、非门、电容和电阻组成。（2）恢复时间）恢复时间在暂稳态结束进入稳态后，需要延迟一个小的恢复时间在暂稳态结束进入

5、稳态后，需要延迟一个小的恢复时间tre后，才可以再进行触发。后，才可以再进行触发。由图由图10-10所示的恢复时间估算等效电路，有如下估算公式：所示的恢复时间估算等效电路，有如下估算公式：其中其中RD是门电路输入端保护二极管的等效导通电阻。是门电路输入端保护二极管的等效导通电阻。（3）分辨时间）分辨时间允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔，通常称为分辨时间允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔，通常称为分辨时间tMIN，由以上分析有，由以上分析有若是触发正脉冲的宽度大于输出脉宽若是触发正脉冲的宽度大于输出脉宽tW，该电路也可以工作，但是在，该电路也可以工作，但是在t2时刻，由于时刻，由于G1

6、门输出不会出现低电平到高电平的跳变，因此不会出现正反馈，结果是输出脉冲门输出不会出现低电平到高电平的跳变，因此不会出现正反馈，结果是输出脉冲VO的下降沿变化缓慢。的下降沿变化缓慢。2积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器图图10-11所示的积分型单稳态触发器由非门所示的积分型单稳态触发器由非门G1、与门、与门G2、电阻、电阻R和电容和电容C组成。由组成。由于电阻和电容组成了积分电路，所以称为积分型单稳态触发器于电阻和电容组成了积分电路，所以称为积分型单稳态触发器3基于基于74HC14的单稳态电路的单稳态电路（1）工作原理）工作原理利用利用74HC14输入端的施密特滞环特性，可以组成图输入端的施密

7、特滞环特性，可以组成图10-13（a）所示的单稳态电路，）所示的单稳态电路，图中图中7406是集电极开路非门，电阻是集电极开路非门，电阻R和电容和电容C组成了组成了RC充放电电路。该电路动作过充放电电路。该电路动作过程波形如图程波形如图10-13（b）所示）所示（3）74HC14组成延时灯开关组成延时灯开关当按钮按下一次后，电容当按钮按下一次后，电容C上的电压为上的电压为0，74HC14输出高电平，三极管输出高电平，三极管9013导通，继电器导通，继电器J1通电动作，常开触点通电动作，常开触点J1闭合，电灯被点亮。随时间的推移，电源闭合，电灯被点亮。随时间的推移，电源通过电阻通过电阻R1向电容

8、向电容C充电，其两端的电压越来越高，当达到充电，其两端的电压越来越高，当达到74HC14的上限电压的上限电压VT+时，时，74HC14输出低电平，使继电器断电，常开触点输出低电平，使继电器断电，常开触点J1断开，电灯灭。若是断开，电灯灭。若是在电容在电容C电压未达到电压未达到VT+时，按钮再次按下，将电容时，按钮再次按下，将电容C上的电荷放掉，使电压为上的电荷放掉，使电压为0，则开始新的充电过程，继续延迟时间常数，则开始新的充电过程，继续延迟时间常数R1C决定的时间。决定的时间。*10.2.2集成单稳态触发器集成单稳态触发器7412174121是不可重复触发的集成触发器，集成单稳态触发器是不可

9、重复触发的集成触发器，集成单稳态触发器74121的符号如图的符号如图10-16所示。符号图中，所示。符号图中，A1、A2和和B是触发器输入端，在是触发器输入端，在RINT端连接有端连接有2k的内的内部电阻。由于部电阻。由于74121具有施密特触发器输入特性，所以具有较高的抗干扰特性，对具有施密特触发器输入特性，所以具有较高的抗干扰特性，对输入信号的边沿要求也不高。输入信号的边沿要求也不高。74121的功能如表的功能如表10-1所示。由功能表可以看出，所示。由功能表可以看出，74121在三个输入信号在三个输入信号A1、A2和和B之间满足表中之间满足表中的关系时，在触发信号的脉冲沿触发。的关系时，

10、在触发信号的脉冲沿触发。一个使一个使3个灯顺序点亮个灯顺序点亮1s的电路如图的电路如图10-19所示。该电路使用了所示。该电路使用了3个单稳态触发器个单稳态触发器74121，按钮按下时，产生下降沿触发信号。，按钮按下时，产生下降沿触发信号。10.3多谐振荡器多谐振荡器10.3.1门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器该电路就在这两个稳态之间不该电路就在这两个稳态之间不停地转换，产生振荡。振荡波停地转换，产生振荡。振荡波形如图形如图10-23所示。所示。10.3.2施密特型多谐振荡器施密特型多谐振荡器使用施密特触发器组成的多谐振荡器如图使用施密特触发器组成的多谐振荡器如图10-24所示。所

11、示。10.3.3石英晶体振荡器石英晶体振荡器在振荡周期要求准确的场合，通常都采用石英晶体振荡器，这是由于石英晶体的在振荡周期要求准确的场合，通常都采用石英晶体振荡器，这是由于石英晶体的频率稳定度可达频率稳定度可达107以上。以上。1振荡器的组成振荡器的组成振荡器电路包含一个放大器和一个反馈网络，如图振荡器电路包含一个放大器和一个反馈网络，如图10-26所示，振荡器产生振所示，振荡器产生振荡的条件是放大器的增益荡的条件是放大器的增益A与反馈网络的反馈系数与反馈网络的反馈系数F相乘必须大于相乘必须大于1，同时放大器，同时放大器和反馈网络的总相移必须等于和反馈网络的总相移必须等于360o的的n倍（倍

12、（n为整数），只有这样，才能保证某一为整数），只有这样，才能保证某一频率的信号在回路中不断地得到放大，最终产生振荡。振荡器的振荡频率取决于频率的信号在回路中不断地得到放大，最终产生振荡。振荡器的振荡频率取决于反馈网络的选频能力，使用石英晶体选频，可以使振荡频率非常稳定。反馈网络的选频能力，使用石英晶体选频，可以使振荡频率非常稳定。2电容反馈式振荡电路电容反馈式振荡电路电容反馈式振荡电路如图电容反馈式振荡电路如图10-27（a）所示，该电路又）所示，该电路又称为电容三点式或考毕兹称为电容三点式或考毕兹（Colpitts）振荡电路。）振荡电路。3具有石英晶体的振荡器具有石英晶体的振荡器把电容反馈式

13、振荡电路中的电感改为石英晶体，就构成图把电容反馈式振荡电路中的电感改为石英晶体，就构成图10-29所示的单非门所示的单非门晶体振荡器。该振荡器只有当石英晶体呈现电感性时才能振荡，而石英晶体呈现电晶体振荡器。该振荡器只有当石英晶体呈现电感性时才能振荡，而石英晶体呈现电感性的谐振频率在感性的谐振频率在fs与与fp之间，且之间，且fsfp，所以晶体的谐振频率就是该振荡器的工，所以晶体的谐振频率就是该振荡器的工作频率。作频率。电路中电路中R的数值应该足够大，一般取的数值应该足够大，一般取210M。目前各种谐振频率的石英晶体。目前各种谐振频率的石英晶体已经成为系列产品，所以可以组成各种工作频率的振荡器。

14、已经成为系列产品，所以可以组成各种工作频率的振荡器。在各种单片机、时钟等芯片中常使用这种振荡器作为时钟信号源。在各种单片机、时钟等芯片中常使用这种振荡器作为时钟信号源。例如，例如，图图10-30所示的是所示的是74HC04组成的石英晶体振荡器电路，该电路可以作为数字系组成的石英晶体振荡器电路，该电路可以作为数字系统的时钟源使用，图中用一个非门产生振荡，用另外一个非门对振荡产生的波形整统的时钟源使用，图中用一个非门产生振荡，用另外一个非门对振荡产生的波形整形后输出。形后输出。4有源晶体振荡器有源晶体振荡器将石英晶体与非门组成的振荡器电路装在一个小的双列直将石英晶体与非门组成的振荡器电路装在一个小

15、的双列直插封装（插封装（DIP）中，就组成了有源振荡器，）中，就组成了有源振荡器，其特点如下：其特点如下：全金属封装。全金属封装。频率范围一般为频率范围一般为1130MHz。TTL/CMOS兼容逻辑电平。兼容逻辑电平。电源电压为电源电压为3.35V。10.4定时器定时器555及其应用及其应用10.4.1定时器定时器555的基本工作原理的基本工作原理定时器定时器555是一种多功能集成电路，只要在外部接上几个电阻和电容，就可以组是一种多功能集成电路，只要在外部接上几个电阻和电容，就可以组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。定时器成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。定时器555的内部结构

16、框图和符号图的内部结构框图和符号图如图如图10-31所示。所示。从图从图10-31所示的内部结构框图可知，它由比较器所示的内部结构框图可知，它由比较器1、比较器、比较器2、非门、非门G1与与G2组成的组成的SR锁存器和放电三极管锁存器和放电三极管Q1组成。组成。为了提高电路的带负载能力，输出端设置了缓冲器为了提高电路的带负载能力，输出端设置了缓冲器G4。双极性定时器。双极性定时器555的电源的电源电压范围是电压范围是516V，最大负载电流达，最大负载电流达200mA。CMOS型定时器型定时器555的电源电压范围的电源电压范围是是318V，最大负载电流为，最大负载电流为4mA。定时器定时器555

17、的输出高电平近似等于电源电压，低电平近似等于的输出高电平近似等于电源电压，低电平近似等于0V。10.4.2定时器定时器555组成施组成施密特触发器密特触发器用定时器用定时器555组成的施密组成的施密特触发器电路如图特触发器电路如图10-32所示。所示。10.4.3定时器定时器555组成的单稳态触发器组成的单稳态触发器定时器定时器555组成单稳态触发器电路如图组成单稳态触发器电路如图10-34（a）所示。定时器）所示。定时器555组成单稳态组成单稳态触发器的触发过程波形如图触发器的触发过程波形如图10-34（b）所示。）所示。10.4.4定时器定时器555组成多谐振荡器组成多谐振荡器定时器定时器

18、555组成的多谐振荡器电路如图组成的多谐振荡器电路如图10-35（a）所示。）所示。由占控比的表达式可知占控比始终大于由占控比的表达式可知占控比始终大于50%，要使占空比小于等于，要使占空比小于等于50%，可以，可以使用图使用图10-36所示的电路（脉冲占空比等于脉冲高电平时间除以脉冲周期）。所示的电路（脉冲占空比等于脉冲高电平时间除以脉冲周期）。10.5一些应用电路一些应用电路【例【例10-1】单脉冲与连续时钟产生电路。单脉冲与连续时钟产生电路。解：在数字电路实验中，常需要连续时钟源和单脉冲时钟源，图解：在数字电路实验中，常需要连续时钟源和单脉冲时钟源，图10-37显示的就是显示的就是产生连

19、续时钟和单脉冲时钟的电路。产生连续时钟和单脉冲时钟的电路。【例【例10-2】用定时器用定时器555实现长延时。实现长延时。解：采用定时器解：采用定时器555组成的长延时电路如图组成的长延时电路如图10-38所示。该电路是由定时器所示。该电路是由定时器555组成组成的单稳态触发电路，并增加按钮、继电器等元件组成。的单稳态触发电路，并增加按钮、继电器等元件组成。图图10-39采用方波发生器的负电源电路采用方波发生器的负电源电路【例【例10-3】负电源发生电路。负电源发生电路。74HC04组成的负电源电路。组成的负电源电路。定时器定时器555实现负电源电路。实现负电源电路。74HC04组成的振荡器周

20、期为T=2.2RC=2.24700.1mF=103.410-60.1ustW=0.69（2.2k+222k）3300pF=0.1ms【例【例10-4】采用工频的秒脉冲发生器。采用工频的秒脉冲发生器。解：采用工频的秒脉冲发生器电路如图解：采用工频的秒脉冲发生器电路如图10-41所示。所示。【例【例10-5】用用扫描数码管方扫描数码管方式显示式显示100进制进制计数器计数值。计数器计数值。解：图解：图10-42所所示的是用扫描示的是用扫描数码管方式显数码管方式显示示100进制计数进制计数器计数值的电器计数值的电路。路。本章主要内容为：本章主要内容为：（1）施密特触发器，包括门电路组成的施密特触发器

21、、具有）施密特触发器，包括门电路组成的施密特触发器、具有施密特触发电路输入端的门电路。施密特触发电路输入端的门电路。（2）单稳态电路，包括微分、积分型单稳态触发器基本原理）单稳态电路，包括微分、积分型单稳态触发器基本原理与暂稳态时间计算。与暂稳态时间计算。（3）多谐振荡器，包括门电路组成的多谐波振荡器、施密特）多谐振荡器，包括门电路组成的多谐波振荡器、施密特型多谐波振荡器、石英晶体振荡器，以及各种振荡器的振荡周型多谐波振荡器、石英晶体振荡器，以及各种振荡器的振荡周期的计算。期的计算。（4）定时器）定时器555及其应用，包括工作原理、组成施密特、单稳及其应用，包括工作原理、组成施密特、单稳态触发器与多谐振荡器。态触发器与多谐振荡器。作业：作业：10-1，10-2，10-3，10-6，10-8