脉冲波形的变换与产生-自控

vO
G1
& C vI
&
• vI2
≥1
G2
vI2
R VDD
※ 10
R
与作业8.1.1类似
2、或非门组成的微分型单稳态触发器的工作原理
vO1 1 G1 ≥1 vO 0 ≥1 G2 vI2 1 － +• 0V C R vO1 vI
VDD (1) vI未加单正脉冲 vI =0 稳态时C开路vI2=1 → vO=0 →vO1=VDD 电容两端电压相等， vC=0V 电路处于稳态
C
(3)积分电路：
R
vI
+
vc
－
vd
R
vI
•
+
8.1 单稳态触发器
单稳态触发器的特点：
1) 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； 3) 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 的宽度无关。
一般而言，开门电平(VON)和关门电平(VOFF)不相等。 为分析方便，将其理想化处理，引入门坎电平（或阈 值电平）的概念，记为VTH。 TTL与非门的VTH=1.4V；
3
同样，CMOS反相器也有门坎电平 或（阈值电压)：VTH
vO
VDD A
B
CMOS反相器
1/2VDD VGS(th)P C O 1/2VDD
0 vI
vI2
vO
※
11
vO1 0
vO 1 ≥1 G2
－
vI
G1 ≥1 vC
+
vI2 VDD
vO1
vI 0
vI2
(2) vI加触发单正脉冲, 电路进入暂稳态; vO1=0，电容电压不能突 变vI2下跳变 vO=1 vO 此状态能否 一直保持下 去？
※
12
vO=1 vO1=0vO=1 形成正反馈，即使vI正脉冲消失， 输出仍能维持——自锁。
RON=2. 5k Ω 74LS系列：RON=9kΩ
※而对于CMOS门电路而言：
(1)输入端不许悬空； (2)输入端经电阻接电源时，与接逻辑高电 平等效； (3)输入端经电阻接地时，与接逻辑低电平 等效。
※
7
4、 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 存电场能；当两端电压减小时，释放电场能。 稳态时，电容相当于开路。 电容上的电压不能突变。 换路定律：vC(0+)=vC(0-) (2)微分电路：
(2)含有储能元件——阻容延时元件等
3、电路工作特点：
开关元件的状态转换导致电路的过渡过程
4、分析方法: 波形图分析法
※
2
预备知识：
1、门坎电平（阈值电压)：VTH
TTL与非门或反相器的电压传输特性为：
输出低电平（逻辑0） ——与非门开通
TTL与非门
输出高电平（逻辑1） ——与非门关闭
开门电平VON：使与非门开通的输入高电平的最小值。 关门电平VOFF：使与非门关闭的输入低电平的最大值。
vI2 VTH vO
VDD+VTH VDD+Δ+
如果G2是CMOS门，由于保护二极管的钳位作用 vI2只能上升到VDD+Δ+
※
14
vO1 G1 ≥1
－
vO
vI
≥1 G2
+
vI2 VDD
vO1
vI
vI2 VTH
VDD+VTH VDD+Δ+
(5) 恢复过程:
电容放电，vC恢复到稳态值 ;
vO 电路返回稳态: vI=0 vI2= VDD 等待下一次触发 vO=0 vO1=1 特点: 输入窄脉冲， 输出宽脉冲。
※
15
vO1
vO ≥1 G2
－
3、主要参数计算：
(1)输出脉冲宽度tW
vI2 VTH vO tW 0 tW VTH=VDD/2 VDD+VTH VDD+Δ+ G1 ≥1
+ vI2
vI
R VDD
tW=0.7RC
根据RC电路瞬态分析 的三要素法：
——只取决于电路参数，与 输入脉冲宽度无关。调节R或 C，可改变tW宽度。
v R ( ) v R (0 ) t RC ln v R ( ) v R ( t ) VDD 0 RC ln VDD VTH RC ln 2 0.7 RC 16 ※
(2)恢复时间tre
vR VTH vO tW 0 tre VDD+VTH VDD+Δ+
一般认为经过(3~5)RC时 间，电容已经放电完毕， 即：
B=1, A1A2=1 并A1有下降沿
A1A2=0 B有上升沿
※ 28
(4)定时方式： 输出脉冲宽度tw=0.7RC
外接电容接在10，11引脚(Cext, Rext/Cext)之间， 如果C有极性，正极接10脚(Cext) 若使用内部电阻(2k)，把9引脚(Rint)接VCC 若使用外部电阻(1.4~40k)，电阻两端分别接11,14脚(Rext,VCC)
R1 VCC
C2
R2
VCC
0
vO1
Cext Rext/ Cext 74121 A1 （1） A2 vI B Q vO1
Cext Rext/ Cext 74121 （2） A1 A2 B Q
t1
tw1 tw1
t
vO
0
t
vO tw2 tw2 t
VCC
0
vO的上升沿相对于vI的上升沿延迟了tW1的时间，其宽 度由R1、C1决定！
※
23
两种单稳态触发器比较：
积分型单稳态触发器： 宽脉冲触发，触发脉冲宽度要求tpi>tW，尖峰脉冲干扰 不会引起误动作——抗干扰能力较强。
但是由于没有正反馈，输出波形的边沿不理想。
微分型单稳态触发器：
窄脉冲触发，容易引起误动作；
电路中有正反馈，所以输出的边沿比较好。
※
24
8.1.2 集成单稳态触发器
8 脉冲波形的变换与产生
基本要求
1、了解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，理解其工作原 理和应用； 2、理解555定时器的工作原理，掌握其应用。
※
1
概
述
1、单元电路类型: (1)单稳态触发器——定时、延时，消除噪声 (2)施密特触发器——滤波整形，波形变换 (3)多谐振荡器——产生矩形波，时钟脉冲波 (4)555定时器——多用途器件 2、电路结构特点： (1)含有开关元件——各种门电路——产生高低电平
触发信号控制电路
微分型单稳触发器
输出缓冲电路
定时元件的连接： C：外接电容
R：外接电阻或采用内部电阻
※
26
(2)引脚图和功能表
Q
NC
1 2 3 4 5 6 7 14 13 12
A1 A2 B Q
GND
VCC NC NC
74121功能表
74121
11 10 9
Rext/Cext Cext Rint
NC
20
波形图
vI
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 1 G1 稳态 触发 电容放电 输出翻转 输入消失 电容充电 恢复稳态 vO1 vc & G2
vI
vO
vO1
tI
vc
vO tW 1 23 4 5 6 7
※
21
特点: 输入宽脉冲， 输出窄脉冲。
vI
vO1 R 1 G1
vc
& G2
分为可重复触发和不可重复触发两类。 不可重复触发型——电路进入暂稳态(被触发状态)时，不受 触发输入影响，只有返回稳态后才可以被再次触发。
可重复触发型——电路在暂稳态中仍然可以接受输入，可以 被重复触发，每触发一次，电路暂稳态会继续保持tW。
tΔ
tW tW tW tW
可重复触发 不可重复触发 （74121、74221、74LS221） （74122、74123、74LS122）
vO
vO1
tpi
C
输出脉冲宽度tW取决于
vc
电容从vOH=3.6v放电至
阈值电平1.4V的过渡时 间。 vO2 tW 123 4 5 6 7
tW
0 VDD tW ( R RO )C ln 0 VTH VDD ( R RO )C ln VTH
RO=100Ω ——TTL与非门的输出电阻
※
22
vI
1 G1
vO1 R
vc
& G2
vO
vO1
tpi
C
两点说明：
(1)∵电路中无反馈∴电路状 态转换过程较慢输出波 形上升沿较差， 为此，后面再加一级整形电路。 (2)电路要正常工作必须
vc
vO tW 5 6 7
tW
123 4 tpi > tW 适用于宽脉冲触发的电路。
触发脉冲最小周期 Tmin>5RC
tre=(3~5)RC
则，触发脉冲的间隔 (周期)最小不能小于tw+tre， 即：Tmin>tw+tre
(3)最大工作频率：
f MAX
1 1 T tW t re
※ 17
4、讨论：
(1)为保证触发脉冲为窄脉 冲，输入端加RC微分电路
vO1
G1 ≥1 Cd
vO ≥1 G2 vI2 C
vI
vd
注意:
与基本SR触发器区别！
——后者为双稳态电路
※
9
8.1.1 用CMOS门电路组成的 微分型单稳态触发器