第10章脉冲波形的产生课件

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1、1,10.1 概述,主要内容: 多谐振荡器的概念 单稳态触发器的概念 施密特触发器的概念,2,(1)双稳态触发电路又称为触发器,它具有两个稳定状态.两个稳定状态之间的转换都需要在外加触发脉冲的作用下才能完成。 (2)单稳态触发电路又称为单稳态触发器。它只有一个稳定状态,另一个是暂时稳定状态(简称“暂稳态”). 在外加触发信号作用下,可从稳定状态转换到暂稳态,暂稳态维持一段时间后,电路自动返回到稳态,暂稳态的持续时间取决于电路的参数。 (3)多谐振荡器能够自激产生连续矩形脉冲,它没有稳定状态,只有两个暂稳态。其状态转换不需要外加触发信号触发,而完全由电路自身完成。 若对该输出波形进行数学分析,可

2、得到许多各种不同频率的谐波,故称“多谐”。,3,脉冲整形电路能够将其它形状的信号,如正弦波、三角波和一些不规则的波形变换成矩形脉冲。 施密特触发器是常用的整形电路。,10.4 施密特触发器,4,10.2 多谐振荡器,主要内容: 门电路构成多谐振荡器的工作原理 石英晶体多谐振荡器电路及其优点 秒脉冲信号产生电路的构成方法,5,10.2.1 门电路构成的多谐振荡器,利用门电路的传输延迟时间,将奇数个非门首尾相接就构成一个简单的多谐振荡器。如图所示,它由三个非门首尾相连而成,这个电路没有稳定状态。,6,从任何一个非门的输出端都可得到高、低电平交替出现的方波。该电路的输出波形:,在某一时刻输出uo由低

3、电平0跳变为高电平1,则G1门、G2门和G3门将依次翻转,经过三级门的传输延迟时间3tpd后,使输出uo又由高电平1跳变为低电平0。如此循环跳变而形成矩形波。,7,其振荡周期为6tpd。这种简单的多谐振荡器周期小,频率高,且频率不易调整和不稳定,所以在实际电路中很少使用。,8,为了克服上述多谐振荡器的缺点,可在电路中引入RC延迟环节,构成如图所示电路。,9,工作原理分析(1),设在t0时刻,uI=uo为低电平,则uo1为高电平,uo2为低电平。此时uo1经电容C、电阻R到uo2形成电容的充电回路。 电容C上uc的电压逐渐增大, uA相应减小,当接近门电路的阈值电压UTH时,形成下述正反馈过程:

4、,uAuouo1,正反馈的结果,使电路在t1时刻,uI=uo变为高电平,则uo1为低电平,uo2为高电平。,10,工作原理分析(2),电路在t1时刻,uI=uo变为高电平,uo1为低电平,uo2为高电平。 此时uo2经电阻R、电容C到uo1形成电容的放电回路。 此后的过程与上相似,最后使电路在t2时刻返回到uI=uo变为低电平,uo1为高电平,uo2为低电平的状态。,11,工作原理分析(3),充电,放电,放电,充电,12,10.2.2 采用石英晶体的多谐振荡器,两种常见的石英晶体振荡器电路:,具有各种谐振频率的石英晶体(简称“晶振”)已被制成标准化和系列化的产品出售。,13,例10-1 秒脉冲

5、信号产生电路的设计。,秒信号产生电路(1),14,秒信号产生电路(2),15,从Q4 Q10和Q12 Q14各输出端可分别得到频率为2048 Hz,1024 Hz,512 Hz,256 Hz,128 Hz,64 Hz,32 Hz,8 Hz,4 Hz和2 Hz的脉冲信号。,16,10.3 单稳态触发器,主要内容: 单稳态触发器的工作特点 门电路构成单稳态触发器的工作原理 不可重复触发和可重复触发的区别 集成单稳态触发器74LS121和74LS122的使用方法 单稳态触发器在波形整形、定时和延时等方面的应用方法,17,10.3.1 门电路构成的单稳态触发器,1电路结构,微分型单稳态触发器,RROF

6、F,18,工作原理分析(1),原理概述:在外触发信号的作用下,电路由稳态进入暂稳态,然后在电容充放电的作用下,电路自动返回到稳定状态。,(1)无触发信号时uI为高电平。考虑到RROFF,所以稳态时uI2为低电平,则uo为高电平。故uo1为低电平,电容C两端的电压近似为0V。只要触发信号不到来,电路就维持在uo1为低电平,uo为高电平这一稳定状态。,19,工作原理分析(2),(2)假设在t1时刻,输入端有触发信号(负脉冲信号)出现,则与非门G1的输出uo1变为高电平。 由于电容C两端的电压不能突变,故uI2随uo1跳变为高电平,uo跳变为低电平。该低电平反馈到G1的输入端,使uo1仍维持在高电平

7、。电路处于uo1为高电平、uo为低电平的暂稳状态。,20,工作原理分析(3),在暂稳态期间,经电容C和电阻R到地形成充电回路,电容C开始充电, uI2开始逐渐下降。 当接近门电路的阈值电压UTH时(设此时触发脉冲已消失),出现下述正反馈过程:,uI2 uouo1,此正反馈的结果,使电路自动返回到uo1为低电平,uo为高电平的稳定状态。电容开始放电,为下一次触发作准备。,21,微分型单稳态触发器的工作波形,充电,放电,22,10.3.2 集成单稳态触发器,目前使用的集成单稳态触发器有不可重复触发和可重复触发,其工作波形如图所示。,不可重复触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态之后,即使再有触发脉

8、冲作用,电路的工作过程也不受其影响; 可重复触发单稳态触发器在暂稳态期间,如又有触发脉冲作用,电路会被重新触发,使暂稳态继续延迟一个tW时间。,23,集成单稳态触发器中,74121、74LS121、74221、74LS221等是不可重复触发的单稳态触发器。74122、74123、74LS123等是可重复触发的单稳态触发器。,24,外接电阻Rext 的取值范围为2k40k,外接电容Cext取值为10pF1000F。 Cext接在10、11脚之间,Rext接在11和电源UCC(14脚)之间,此时9脚开路。,当需要电阻较小时,可以直接使用阻值约为2k的内部电阻Rint,此时将Rint接UCC,即9、

9、14脚相接。,25,有两种边沿触发方式。输入A1或A2是下降沿触发,输入B是上升沿触发。,看懂功能表,26,10.3.3 单稳态触发器的应用,1脉冲整形,2定时控制,27,脉冲延时一般包括两种情况,一是边沿延时,输出脉冲信号的下降沿相对于输入脉冲信号的下降沿延时了tw;二是脉冲信号整体延时一段时间。,3脉冲延时,28,(a)利用一个单稳态触发器即可实现; (b)可采用两个单稳态触发器来实现。其中,第一个单稳态触发器采用上升沿触发,其输出脉冲宽度等于所要求的延时时间;第二个单稳态触发器采用下降沿触发,并使其输出脉冲宽度等于第一个单稳态触发器输入脉冲的宽度即可。,第一个单稳态触发器,第二个单稳态触

10、发器,29,仿真软件演示脉冲延时。,30,10.4 施密特触发器,主要内容: 施密特触发器的电压传输特性 施密特触发器进行波形变换的工作原理 施密特触发器进行波形整形的工作原理 施密特触发器构成多谐振荡器的工作原理,31,10.4.1概述,施密特触发器的输出与输入信号之间的关系可用电压传输特性表示:,32,TTL集成施密特触发器有74LS13、74LS14、74LS132等。 74LS13为施密特触发的双四输入与非门,74LS14为施密特触发的六反相器,74LS132为施密特触发的四两输入与非门。 CMOS集成施密特触发器有74C14、74HC14等。,33,10.4.2施密特触发器的应用,1

11、波形变换 利用施密特触发输入反相器可以把正弦波、三角波等变化缓慢的波形变换成矩形波。,VT+,VT-,34,2脉冲整形 有些信号在传输过程中或放大时往往会发生畸变。通过施密特触发器电路,可对这些信号进行整形。,35,3幅度鉴别,36,4构成多谐振荡器 由7414施密特触发器构成的多谐振荡器。该电路非常简单,仅有两个施密特触发器、一个电阻和一个电容组成。,37,接通电源瞬间,电容C上的电压为0,因此输出uo1为高电平。此时uo1通过电阻R对电容C充电,电压uI逐渐升高。 当uI达到UT+时,施密特触发器翻转,输出uo1为低电平。此后电容C又通过R放电,uI随之下降。 当uI降到UT-时,触发器又

12、翻转。如此周而复始地形成振荡。,充电,放电,38,仿真软件演示,39,10.5 555定时器及其应用,主要内容: 555定时器的内部电路结构及工作原理 555定时器的逻辑功能 555定时器构成施密特触发器 555定时器构成单稳态触发器 555定时器构成多谐振荡器,40,1电路结构,10.5.1 电路组成及工作原理,(1)电阻分压电路; (2)两个电压比较器C1和C2; (3)基本RS触发器; (4)一个放电三极管T。,Ucc/3,2Ucc/3,41,工作原理分析(1),RD的功能:复位 5脚的功能:控制或改变比较器的参考电压,通常悬空。 此时,比较器C1的参考电压为 比较器C2的参考电压为,U

13、cc/3,2Ucc/3,如果5脚接固定电压UIC,则比较器C1和 C2的参考电压分别为UIC和UIC/2,Uic/2,Uic,42,工作原理分析(2),四种情况下输出信号及三极管T状态的分析:(表102),Ucc/3,2Ucc/3,43,10.5.2 555定时器构成施密特触发器,将555定时器的uI6和uI2输入端连在一起作为信号的输入端,即可组成施密特触发器。,假设输入信号是一个三角波,根据功能表10-2分析:,44,10.5.3 555定时器构成单稳态触发器,(1)稳定状态为0。如果没有外加触发脉冲到来,则该输出状态一直保持不变。,稳态,45,稳态,(2)暂稳态为1。当外加负触发脉冲(U

14、CC/3 )后,输出状态保持暂稳态1不变。 当电容C继续充电到大于 2UCC/3 时,电路又发生翻转,输出uo回到0,T导通,电容C放电,电路自动恢复至稳态。,暂态,46,通过上述分析可以看出,它要求触发脉冲的宽度要小于 。并且其周期要大于 。如果触发脉冲的宽度大于 ,可通过RC微分电路变窄后再输入到555定时器的2脚上。,47,10.5.4 555定时器构成多谐振荡器,555定时器构成的多谐振荡器如图所示。,48,工作原理分析(1),充电,放电,49,充电,放电,输出波形的占空比为,工作原理分析(2),50,仿真软件演示,51,用555定时器构成的压控振荡器如图,当UI升高时振荡频率时升高还是降低?,52,用两个555定时器可以组成如图所示的模拟声响电路。适当选择定时元件,当接通电源时,可使扬声器以1kHz频率间歇鸣响。 (1)说明两个555定时器分别构成什么电路。 (2)改变电路中什么参数可改变扬声器间歇鸣响时间? (3)改变电路中什么参数可改变扬声器鸣响的音调高低?,53,用两个555定时器接成的延迟报警器如图,当开关S断开后,经过一定的延迟时间扬声器开始发出声音,如果在延迟时间内S重新闭合,扬声器不会发出声音,说明其工作原理,

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