数电-07-脉冲波形的变换与产生资料.ppt

1 8 脉冲波形的变换与产生脉冲波形的变换与产生 基本要求基本要求 2、理解理解555定时器的工作原理，定时器的工作原理，掌握掌握其应用。其应用。1、了解了解门电路组成的单稳态触发器、施密特门电路组成的单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器的电路组成，触发器、多谐振荡器的电路组成，理解理解其工作原其工作原理和应用；理和应用；2 概概 述述 1、单元电路类型、单元电路类型:(1)单稳态触发器单稳态触发器定时、延时，消除噪声定时、延时，消除噪声 (2)施密特触发器施密特触发器滤波整形，波形变换滤波整形，波形变换 (3)多谐振荡器多谐振荡器产生矩形波，时钟脉冲波产生矩形波，时钟脉冲波 (4)555定时器定时器多用途器件多用途器件 2、电路结构特点：、电路结构特点：(1)含有开关元件含有开关元件各种门电路各种门电路产生高低电平产生高低电平 (2)含有储能元件含有储能元件阻容延时元件等阻容延时元件等 3、电路工作特点：、电路工作特点：开关元件的状态转换导致电路的过渡过程开关元件的状态转换导致电路的过渡过程 4、分析方法、分析方法:波形图分析法波形图分析法 3 1、门坎电平（阈值电压、门坎电平（阈值电压)：VTH TTL与非门与非门 一般而言，一般而言，开门电平开门电平(VON)和和关门电平关门电平(VOFF)不相等。不相等。为分析方便，将其理想化处理，引入为分析方便，将其理想化处理，引入门坎电平（或阈门坎电平（或阈值电平）值电平）的概念，记为的概念，记为VTH。TTL与非门或反相器的电压传输特性为：与非门或反相器的电压传输特性为：TTL与非门的与非门的VTH=1.4V；预备知识：预备知识：开门电平开门电平VON：使使与非门开通与非门开通的的输入输入高电平的最小值高电平的最小值。关门电平关门电平VOFF：使使与非门关闭与非门关闭的的输入输入低电平的最大值低电平的最大值。输出高电平（逻辑输出高电平（逻辑1）与非门关闭与非门关闭 输出低电平（逻辑输出低电平（逻辑0）与非门开通与非门开通 4 VDD C D A B 1/2VDD 1/2VDD VDD O v vO O v vI I VGS(th)P VGS(th)P CMOS反相器反相器 CMOS反相器的反相器的VTH=VDD/2。同样，同样，CMOS反相器也有反相器也有门坎电平门坎电平 或（阈值电压或（阈值电压)：VTH 5 2、TTL与非门的输出等效电路：与非门的输出等效电路：&输出为高电平输出为高电平（与非门关闭）（与非门关闭）时：时：3.6V Ro 100 v vOH 输出为低电平输出为低电平（与非门开通）（与非门开通）时：时：0.3V v vOL 输出输出 电阻电阻 6 3、TTL与非门的与非门的关门电阻关门电阻和和开门电阻开门电阻:&R v vI v vO 输入端悬空，相当于接逻辑高电平；输入端悬空，相当于接逻辑高电平；输入端经电阻接电源电压，相当于接逻辑高电平；输入端经电阻接电源电压，相当于接逻辑高电平；输入端经电阻接地，输入端的电平与电阻输入端经电阻接地，输入端的电平与电阻阻值大小有关。阻值大小有关。R v vI 1.0V ROFF 1.4V RON 输出高电平输出高电平 与非门关闭与非门关闭 输出低电平输出低电平 与非门开通与非门开通 7 ROFF=0.85k RON=2.5k RRON与非门开通，与非门开通，输出低电平。输出低电平。关门电阻关门电阻 开门电阻开门电阻 而对于而对于CMOS门电路而言：门电路而言：(1)输入端不许悬空；输入端不许悬空；(2)输入端经电阻接电源时，与接逻辑高电输入端经电阻接电源时，与接逻辑高电平等效；平等效；(3)输入端经电阻接地时，与接逻辑低电平输入端经电阻接地时，与接逻辑低电平等效。等效。74LS系列：系列：RON=9k 8 4、电容的储能作用：电容的储能作用：(1)电容具有储能作用，当两端电压增大时，储电容具有储能作用，当两端电压增大时，储存电场能；当两端电压减小时，释放电场能。存电场能；当两端电压减小时，释放电场能。(2)微分电路：微分电路：(3)积分电路：积分电路：C R v vI v vd v vc +电容上的电压不能突变。电容上的电压不能突变。换路定律：换路定律：v vC(0+)=v vC(0-)C R v vI v vc+稳态时，电容相当于开路。稳态时，电容相当于开路。9 8.1 单稳态触发器单稳态触发器 1)电路有一个稳态、一个暂稳态电路有一个稳态、一个暂稳态;2)在外加触发信号的作用下，电路由稳态翻转到暂稳态；在外加触发信号的作用下，电路由稳态翻转到暂稳态；3)经过一段时间，电路将自动由暂稳态返回到稳态；经过一段时间，电路将自动由暂稳态返回到稳态；4)暂态的持续时间只取决于电路参数，而与所加触发信号暂态的持续时间只取决于电路参数，而与所加触发信号的宽度无关。的宽度无关。与基本与基本SR触发器区别！触发器区别！单稳态触发器的特点：单稳态触发器的特点：注意注意:后者为双稳态电路后者为双稳态电路 10 8.1.1 用用CMOS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 两个与非门两个与非门(或非门或非门)+RC微分电路构成微分电路构成 1、电路组成：、电路组成：注意与注意与P389 图图8.1.1的不同：输入端未加微分电路的不同：输入端未加微分电路 1 1 v vO1 v vO G2 G1 v vI VDD R C v vI2 v vI2 与作业与作业8.1.1类似类似&v vO1 v vO G2 G1 v vI R C 与基本与基本SR锁存锁存器有何不同？器有何不同？输入为窄脉冲，输出为宽脉冲输入为窄脉冲，输出为宽脉冲 11 v vI v vO1 v vI2 v vO(1)v vI未加单正脉冲未加单正脉冲 v vI=0 稳态时稳态时C开路开路v vI2=1 v vO=0 0V 0 1 0 1 2、或非门组成的微分型单稳态触发器的工作原理、或非门组成的微分型单稳态触发器的工作原理 电容两端电压相等，电容两端电压相等，v vC=0V 电路处于稳态电路处于稳态 1 1 v vO1 v vO G2 G1 v vI VDD v vI2 R C+v vO1=VDD 12 v vI v vO1 v vI2 v vO 1 1 v vO1 v vO G2 G1 v vI VDD v vI2(2)v vI加触发单正脉冲加触发单正脉冲,电路进入电路进入暂稳态暂稳态;v vO1=0，电容电压不能突，电容电压不能突变变v vI2下跳变下跳变 v vO=1 v vC v vO=1 v vO1=0v vO=1 形成正反馈，即使形成正反馈，即使v vI正脉冲消失，正脉冲消失，输出仍能维持输出仍能维持自锁。自锁。0 1 0 此状态能否此状态能否一直保持下一直保持下去？去？+13 v vI v vO1 v vI2 v vO 1 1 v vO1 v vO G2 G1 v vI VDD v vI2(3)VDD经经R向电容向电容C充电，充电，v vI2逐渐升高；逐渐升高；0 VTH(4)当当v vI2阈值电压阈值电压Vth时，时，电路状态将发生突变：电路状态将发生突变：+14 v vI v vO1 v vI2 v vO 1 1 v vO1 v vO G2 G1 v vI VDD v vI2 VDD+VTH VDD+v vO由由1变变0v vO1=1(注意：注意：此时此时v vI的正脉冲已撤消的正脉冲已撤消)电容电压不能突变电容电压不能突变v vC=Vth v vI2上升到上升到VDD+Vth 如果如果G2是是CMOS门，由于保护二极管的钳位作用门，由于保护二极管的钳位作用 v vI2只能上升到只能上升到VDD+VTH Vth 0 0 0 1 暂态过程结束暂态过程结束+15 1 1 v vO1 v vO G2 G1 v vI VDD v vI2 VTH+VDD+VDD+VTH v vI v vO1 v vI2 v vO(5)恢复过程恢复过程:电路返回稳态电路返回稳态:v vI=0 v vI2=VDD v vO=0 v vO1=1 电容放电，电容放电，v vC恢复到稳态值恢复到稳态值;等待下一次触发等待下一次触发 特点特点:输入窄脉冲，输入窄脉冲，输出宽脉冲。输出宽脉冲。16(1)输出脉冲宽度输出脉冲宽度tW)()()0()(lntvvvvRCtRRRR VDD+VTH v vI2 v vO VTH VDD+1 1 v vO1 v vO G2 G1 v vI VDD v vI2 0 tW tW=0.7RC 只取决于电路参数，与只取决于电路参数，与输入脉冲宽度无关。调节输入脉冲宽度无关。调节R或或C，可改变可改变tW宽度。宽度。tW+3、主要参数计算：、主要参数计算：根据根据RC电路瞬态分析电路瞬态分析的三要素法：的三要素法：R VTH=VDD/2 THDDDDVVVRC0lnRCRC7.02ln17(2)恢复时间恢复时间tre 0 tre 一般认为经过一般认为经过(35)RC时时间，电容已经放电完毕，间，电容已经放电完毕，即：即：(3)最大工作频率：最大工作频率：reWMAXttTf 11 则，触发脉冲的间隔则，触发脉冲的间隔(周期周期)最小不能小于最小不能小于tw+tre，即：即：Tmintw+tre VDD+VTH v vR v vO VTH VDD+tW tre=(35)RC 18 4 4、讨论：、讨论：1 1 v vO1 v vO G2 G1 v vI VDD v vI2 R C (1)为保证触发脉冲为窄脉为保证触发脉冲为窄脉冲，输入端加冲，输入端加RC微分电路微分电路 Cd v vI v vd Rd (2)为避免在瞬态结束瞬间为避免在瞬态结束瞬间v vI2上上跳变时损坏跳变时损坏CMOS门，在器件内部门，在器件内部有二极管保护电路。有二极管保护电路。(3)与非门组成的微分型单稳态触发器是负窄脉冲与非门组成的微分型单稳态触发器是负窄脉冲触发，输出负宽脉冲！触发，输出负宽脉冲！(4)用用TTL与非门组成微分型单稳态触发器与非门组成微分型单稳态触发器(图图8.1.1a)，考，考虑到输入电流，则应虑到输入电流，则应R Roff，而，而Rd Ron。CMOS门组成门组成的单稳态触发器中的单稳态触发器中R、Rd 不受此限制。不受此限制。19 补充：补充：积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器 工作原理：工作原理：1)稳态：稳态：v vI=0，未加触发正脉冲，未加触发正脉冲 G1、G2封锁封锁,v vO1=v vO=1；2)v vI加触发正脉冲加触发正脉冲,电路由电路由稳态变为暂态：稳态变为暂态：v vI G1开启开启,v vO1由由1 0 v vc=1不能突变，不能突变，G2全全1出出0，v vO由由1 0 两个与非门两个与非门+RC积分电路积分电路 0 1 1 1 0 0 v vI v vO G1 G2 v vc v vO1 1&R vO1经经R向向C充电至充电至vc=vO1=1 20 v vI v vO G1 G2 v vc v vO1 1&R 1 0 0 3)v vc经经R和导通和导通G1放电，电放电，电路自动返回稳态。路自动返回稳态。v vc c v vthth时时G2 封锁封锁v vO由由0 1 即使即使 v vI正脉正脉冲仍存在冲仍存在 4)恢复过程恢复过程 v vI下跳变下跳变 G1封锁封锁,v vO1由由0 1，v vO1又经又经R向向C充电，经充电，经3RC后，后，v vc=1 稳态稳态 vth 1 1 21 v vI v vO1 v vc v vO(1)稳态稳态(2)触发触发(3)电容放电电容放电(4)输出翻转输出翻转(5)输入消失输入消失(6)电容充电电容充电(7)恢复稳态恢复稳态 tI 波形图波形图 tW v vI v vO G1 G2 v vc v vO1&1 特点特点:输入宽脉冲，输入宽脉冲，输出窄脉冲。输出窄脉冲。1 23 4 5 6 7 22 THDDOTHDDOWVVCRRVVCRRtln)(00ln)(输出