工信版(中职）电子技术基础第九章教学课件.ppt

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1、YCF(中职）电子技术基础第九章教学课件第九章数字电路在脉冲电路中的应用第九章数字电路在脉冲电路中的应用第一节第一节 脉冲的基本概念脉冲的基本概念第二节第二节 施密特电路施密特电路第三节第三节 单稳态电路单稳态电路第四节第四节 多谐振荡器多谐振荡器第五节第五节 555时基电路及应用时基电路及应用第一节第一节 脉冲的基本概念脉冲的基本概念一、什么叫脉冲一、什么叫脉冲“脉冲脉冲”从字面意义上是指脉动和持续时间短促的意思。在从字面意义上是指脉动和持续时间短促的意思。在本书中我们对电路中的脉冲（电脉冲）进行讨论，电脉冲通本书中我们对电路中的脉冲（电脉冲）进行讨论，电脉冲通常是指非正弦规律变化的电压或电

2、流，它有变化不连续、跳常是指非正弦规律变化的电压或电流，它有变化不连续、跳变的特征，在现代电子技术中有广泛的应用，常见的脉冲有变的特征，在现代电子技术中有广泛的应用，常见的脉冲有矩形波、方波、尖脉冲、三角波、阶梯波、锯齿波等，如矩形波、方波、尖脉冲、三角波、阶梯波、锯齿波等，如图图9-1所示。所示。二、脉冲的主要参数二、脉冲的主要参数在脉冲技术中，最常应用的是矩形脉冲波，如在脉冲技术中，最常应用的是矩形脉冲波，如图图9-2所示。所示。以下仅以矩形脉冲为例，介绍主要的脉冲参数。以下仅以矩形脉冲为例，介绍主要的脉冲参数。脉冲幅度表示脉冲强弱，在数值上等于脉冲电压变化的最大脉冲幅度表示脉冲强弱，在数

3、值上等于脉冲电压变化的最大值。值。下-页 返回第一节第一节 脉冲的基本概念脉冲的基本概念脉冲前沿指脉冲幅度从脉冲前沿指脉冲幅度从0.1Um上升到上升到0.9Um时所需的时间，时所需的时间，它表征脉冲幅度上升的快慢。它表征脉冲幅度上升的快慢。脉冲后沿指脉冲幅度从脉冲后沿指脉冲幅度从0.9Um下降到下降到0.1Um时所需的时间，时所需的时间，它表征幅度下降的快慢。它表征幅度下降的快慢。脉冲宽度脉冲宽度(。)指脉冲持续时间为有效宽度，它是脉冲前后指脉冲持续时间为有效宽度，它是脉冲前后沿的幅度各为沿的幅度各为0.5 Um间的时间。间的时间。脉冲周期脉冲周期(T)指周期性重复的脉冲信号中，两个相邻脉冲之

4、间指周期性重复的脉冲信号中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。的时间间隔。三、三、RC充放电规律充放电规律 图图9-3是是RC充放电实验电路。当开关充放电实验电路。当开关S由由“2”转向转向“1”时，时，电源电源E要对电容要对电容C充电，充电时间的长短和充电电流的大小与充电，充电时间的长短和充电电流的大小与上-页 下-页 返回第一节第一节 脉冲的基本概念脉冲的基本概念 R、C的参数有关。由于电容的非线性特性，所以流过电容的的参数有关。由于电容的非线性特性，所以流过电容的电流、电压的变化也不是线性的。电流、电压的变化也不是线性的。实验研究发现，电容充放电规律变化的快慢与时间常数实验研究发现，电容充放电

5、规律变化的快慢与时间常数(RC)有关，所谓时间常数即有关，所谓时间常数即R与与C的乘积，用的乘积，用表示。实验与计算表示。实验与计算都表明，都表明，越小充电越快，放电也快，越小充电越快，放电也快，越大则充电慢，放电越大则充电慢，放电也慢。也慢。四、两种四、两种RC波形变换电路波形变换电路在脉冲技术中，常需要对脉冲进行变换，这就需要对波形进在脉冲技术中，常需要对脉冲进行变换，这就需要对波形进行变换，下面介绍在脉冲中行变换，下面介绍在脉冲中常用到的两种常用到的两种RC波形变换电路。波形变换电路。1RC积分电路积分电路积分电路结构。积分电路结构。上-页 下-页 返回第一节第一节 脉冲的基本概念脉冲的

6、基本概念积分电路的条件为积分电路的条件为工作特点。由积分电路的波形可知，积分电路的输出脉冲反工作特点。由积分电路的波形可知，积分电路的输出脉冲反映了输入脉冲的稳定部分，输出电压不受输入电压跃变的影映了输入脉冲的稳定部分，输出电压不受输入电压跃变的影响。这与微分电路正好相反，即积分电路对脉冲信号起到响。这与微分电路正好相反，即积分电路对脉冲信号起到“突出恒定量，压低变化量突出恒定量，压低变化量”的作用。的作用。2RC微分电路微分电路电路结构。电路如电路结构。电路如图图9-8所示。所示。上-页 下-页 返回第一节第一节 脉冲的基本概念脉冲的基本概念电路的工作特点。由微分电路的工作波形可知，微分电路

7、的电路的工作特点。由微分电路的工作波形可知，微分电路的输出脉冲反映了输入脉冲的变化成分；当输入脉冲跳变时，输出脉冲反映了输入脉冲的变化成分；当输入脉冲跳变时，输出幅度最大；输入电压不变时，输出电压很小。即微分电输出幅度最大；输入电压不变时，输出电压很小。即微分电路能对脉冲信号起到路能对脉冲信号起到“突出变化量，压低恒定量突出变化量，压低恒定量”的作用。的作用。上-页 返回第二节第二节 施密特电路施密特电路一、施密特基本电路一、施密特基本电路基本电路如基本电路如图图9-10所示，它是由两级直流放大器构成的，所示，它是由两级直流放大器构成的，且射极接有电阻且射极接有电阻RA。1工作原理工作原理当当

8、ui为低电平时，电路参数使为低电平时，电路参数使VT1截止截止VT2饱和，这是一种饱和，这是一种稳定状态，此时输出电压为一较小电压，故输出低电平稳定状态，此时输出电压为一较小电压，故输出低电平uoL。这种状态不变，因而从输入输出波形看，在这种状态不变，因而从输入输出波形看，在0 UT+段输出段输出状态是不变化的。状态是不变化的。下-页 返回第二节第二节 施密特电路施密特电路当当ui上升到达上升到达UT+时，时，ui使使VT1饱和导通，由于它饱和导通，饱和导通，由于它饱和导通，VT2得不到开通电压而截止，故输出为高电平。通常定义得不到开通电压而截止，故输出为高电平。通常定义UT+为正向阀电压，当

9、为正向阀电压，当ui大于正向阀电压时，电路状态也是不大于正向阀电压时，电路状态也是不变的。变的。当当ui下降至某一值下降至某一值uT-时，时，VT1退出饱和向截止发展，而退出饱和向截止发展，而VT2则由截止向饱和发展，形成脉冲的后沿，回到以前那个则由截止向饱和发展，形成脉冲的后沿，回到以前那个状态。状态。2电压传输特性电压传输特性由前面的讨论可看到：由前面的讨论可看到：ui只有升至大于或等于只有升至大于或等于UT+时，电路时，电路才发生状态翻转（即一种是才发生状态翻转（即一种是VT1截止截止VT2饱和，另一种是饱和，另一种是VT1饱和饱和VT2截止）；而截止）；而ui下降时，只有下降时，只有u

10、i小于或等于小于或等于uT-时时才能发生状态翻转。才能发生状态翻转。上-页 下-页 返回第二节第二节 施密特电路施密特电路 二、两种集成施密特触发器二、两种集成施密特触发器集成施密特触发器性能稳定，应用广泛，其主要产品有施密集成施密特触发器性能稳定，应用广泛，其主要产品有施密特触发的反相器（简称施密特反相器）和施密特触发的其他特触发的反相器（简称施密特反相器）和施密特触发的其他门电路。门电路。(1)施密特反相器施密特反相器TTL和和CMOS产品系列中均有施密特反相器，产品系列中均有施密特反相器，例如例如TTL的的74LS14和和CMOS的的CC40106均为施密特触发均为施密特触发的六反相器。

11、的六反相器。(2)施密特触发与非门电路为了对输入波形进行整形，许多集施密特触发与非门电路为了对输入波形进行整形，许多集成门电路采用了施密特触发的形式。例如成门电路采用了施密特触发的形式。例如CMOS的的CC4093和和TTL的的74LS13就是施密特触发的与非门电路。就是施密特触发的与非门电路。上-页 返回第三节第三节 单稳态电路单稳态电路一、集成单稳态触发器一、集成单稳态触发器由于单稳态触发器在数字系统中的应用日益广泛，目前已把由于单稳态触发器在数字系统中的应用日益广泛，目前已把它作为一个标准器件，制成中规模集成电路。它作为一个标准器件，制成中规模集成电路。1电路组成及工作原理电路组成及工作

12、原理74121集成单稳态触发器的结构如集成单稳态触发器的结构如图图9-17所示。由触发输所示。由触发输入、窄脉冲形成、基本单稳态触发器和输出级入、窄脉冲形成、基本单稳态触发器和输出级4部分组成。部分组成。静态时（即静态时（即Z点没有产生上跳沿）电路处于稳定状态：点没有产生上跳沿）电路处于稳定状态：Q=0、Q=1。如设电路在随机时。如设电路在随机时Q=1，则由于电路内部反馈，迅，则由于电路内部反馈，迅速使速使Q端回复到端回复到“0”。下-页 返回第三节第三节 单稳态电路单稳态电路当当Z点产生由点产生由“0”至至“1”的正跳变时，的正跳变时，Gs输出也产生正跳输出也产生正跳变，使电路由稳态翻转到暂

13、稳态：变，使电路由稳态翻转到暂稳态：Q=1，Q=O。Q为为“0”，又使，又使RS触发器的触发器的G3输出为输出为“0”，从而使，从而使G5输出为一窄输出为一窄脉冲。脉冲。2触发与定时触发与定时(1)触发方式。触发方式。74121集成单稳态触发器有集成单稳态触发器有3个触发输入端，个触发输入端，在下述情况下，电路可由稳态翻转到暂稳态：在下述情况下，电路可由稳态翻转到暂稳态：若两个若两个A输入中有一个或两个为低电平，输入中有一个或两个为低电平，B发生由发生由“0”到到“1”的正跳变。的正跳变。若若A，B全为高电平，全为高电平，A输入中有一个或两个产生由输入中有一个或两个产生由“1”到到“0”的负跳

14、变。的负跳变。上-页 下-页 返回第三节第三节 单稳态电路单稳态电路(2)定时。单稳态电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数定时。单稳态电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。值。74121的定时电容连接在芯片的的定时电容连接在芯片的10、11引脚之间。若引脚之间。若输出脉冲宽度较宽，而采用电解电容时，电容输出脉冲宽度较宽，而采用电解电容时，电容C的正极接在的正极接在Gext输入端（输入端（10脚）。对于定时电阻，使用者可以有两种脚）。对于定时电阻，使用者可以有两种选择。选择。利用内部定时电阻，此时将利用内部定时电阻，此时将9号引脚接至电源号引脚接至电源Vcc（14脚）。脚）。采用外接定时电

15、阻，此时采用外接定时电阻，此时9脚应悬空，电阻接在脚应悬空，电阻接在11、14脚之脚之间。间。常用的集成单稳态触发器属常用的集成单稳态触发器属TTL型的有型的有T1123(74123)，属属CMOS型的有型的有CC14528。上-页 下-页 返回第三节第三节 单稳态电路单稳态电路二二.微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器1电路组成及工作原理电路组成及工作原理微分型单稳态触发器可由与非门或或非门构成，如微分型单稳态触发器可由与非门或或非门构成，如图图9-18(a)、图、图9-18(b)所示分别为由与非门和或非门构成的单稳所示分别为由与非门和或非门构成的单稳态触发器。与基本态触发器。与基本RS触发

16、器不同，构成单稳态触发器的两个触发器不同，构成单稳态触发器的两个反相门是由反相门是由RC耦合的，由于耦合的，由于RC接成微分电路的形式，故称接成微分电路的形式，故称为微分型单稳态触发器。为微分型单稳态触发器。为了讨论方便，假定门电路的电压传输特性曲线为理想化的为了讨论方便，假定门电路的电压传输特性曲线为理想化的折线，即开门电平折线，即开门电平UON和关门电平和关门电平UOFF相等，这个理想化的相等，这个理想化的开门电平或关门电平称为门槛电平（或阈值电平），记为开门电平或关门电平称为门槛电平（或阈值电平），记为UTH。上-页 下-页 返回第三节第三节 单稳态电路单稳态电路稳态。没有触发信号时，稳

17、态。没有触发信号时，u1为低电平。为低电平。外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态。外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态。由暂稳态自动返回稳态。由暂稳态自动返回稳态。最后使电路退出暂稳态。最后使电路退出暂稳态。暂稳态结束后，电容将通过电阻暂稳态结束后，电容将通过电阻R放电，使放电，使C上的电压恢复到上的电压恢复到稳定状态时的初始值。稳定状态时的初始值。2主要参数的计算主要参数的计算(1)输出脉冲宽度输出脉冲宽度Tw输出脉冲宽度输出脉冲宽度Tw也就是暂稳态的维持时也就是暂稳态的维持时间，可以根据间，可以根据uR的波形进行计算。的波形进行计算。上-页 下-页 返回第三节第三节 单稳态电路单稳态电路根

18、据根据RC电路的瞬态过程可得到：电路的瞬态过程可得到：(2)恢复时间恢复时间tm暂稳态结束后，还需要一段恢复时间，以使电暂稳态结束后，还需要一段恢复时间，以使电容容C在暂稳态期间所充的电荷放完，使电路恢复到初始状态。在暂稳态期间所充的电荷放完，使电路恢复到初始状态。(3)最高最高T作频率作频率fmax设触发信号设触发信号V1的时间间隔为的时间间隔为T，为了使，为了使单稳态电路能正常地单稳态电路能正常地T作，应满足作，应满足T Tw+tre的条件，即最的条件，即最小时间间隔小时间间隔Tmin=Tw+tre。上-页 下-页 返回第三节第三节 单稳态电路单稳态电路 3讨论讨论如如图图9-19所示，在

19、暂稳态结束瞬间，门所示，在暂稳态结束瞬间，门G2的的输入电压的的输入电压u0达到达到VDD+UTH，这么高的输入电压有可能损坏，这么高的输入电压有可能损坏MOS门。门。当输入当输入u1的脉冲宽度的脉冲宽度Tpi Tw时，则在时，则在u02变为低电平后，变为低电平后，G1没有响应，不能形成前述的正反馈过程，使没有响应，不能形成前述的正反馈过程，使u02的输出边沿的输出边沿变缓。变缓。若采用若采用TTL与非门构成如图与非门构成如图9-18(a)所示的单稳态电路时，所示的单稳态电路时，由于由于TTL门存在输入电流，因此，为了保证稳态时门存在输入电流，因此，为了保证稳态时G2的输入的输入为低电平，电阻

20、为低电平，电阻R要小于要小于0.7k。上-页 返回第四节第四节 多谐振荡器多谐振荡器一、基本型多谐振荡器一、基本型多谐振荡器1基本电路基本电路基本型多谐振荡器的电路如基本型多谐振荡器的电路如图图9-24所示。所示。这是一个与非门与一个反相器及电阻电容构成的振荡电路，这是一个与非门与一个反相器及电阻电容构成的振荡电路，如果不要控制端，则用两个反相器即可，电路十分简单。如果不要控制端，则用两个反相器即可，电路十分简单。2工作原理工作原理控制端控制端u0=0时，时，A门被封锁，振荡器不工作，停振；门被封锁，振荡器不工作，停振；uk=1时，时，A门打开，电路工作。门打开，电路工作。3振荡频率振荡频率下

21、-页 返回第四节第四节 多谐振荡器多谐振荡器二二.施密特多谐振荡器施密特多谐振荡器1.电路形式电路形式这种多谐振荡器的电路是非常简单的，除施密特触发器外，这种多谐振荡器的电路是非常简单的，除施密特触发器外，只用了只用了R，C两个元件，改变电容两个元件，改变电容C的大小，可以很方便地改的大小，可以很方便地改变振荡频率。变振荡频率。2工作原理工作原理当输出信号为高电平时，电容当输出信号为高电平时，电容C被充电，输入端的电平逐渐上被充电，输入端的电平逐渐上升，一旦达到升，一旦达到uT+时，施密特触发器的输出跳变为低电平，时，施密特触发器的输出跳变为低电平，电容电容C开始放电；当电容电压（施密特触发器

22、输入电压）下降开始放电；当电容电压（施密特触发器输入电压）下降到到uT-时，施密特触发器的输出跳变为高电平。这样周而复始时，施密特触发器的输出跳变为高电平。这样周而复始形成振荡。形成振荡。上-页 下-页 返回第四节第四节 多谐振荡器多谐振荡器 三、带有三、带有RC电路的环形多谐振荡器电路的环形多谐振荡器1基本电路基本电路这个电路是由非门和与非门组成的，如果不要控制端，这个电路是由非门和与非门组成的，如果不要控制端，A门门也可用非门。也可用非门。2工作原理工作原理控制端控制端uk=0时，时，A门被封锁，电路不振荡；门被封锁，电路不振荡；uk=1时，电路时，电路工作。工作。在在u1=u0=0时，电

23、路又进入另一个暂稳态时，电路又进入另一个暂稳态3振荡频率的计算振荡频率的计算上-页 返回第五节第五节 555时基电路及应用时基电路及应用555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在一起时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在一起的中规模集成电路，电路功能灵活、适用范围广，只要外部的中规模集成电路，电路功能灵活、适用范围广，只要外部配上配上2、3个阻容元件，就可以构成单稳、多谐式施密特电路，个阻容元件，就可以构成单稳、多谐式施密特电路，因而在定时、检测、控制、报警等方面有广泛的应用。因而在定时、检测、控制、报警等方面有广泛的应用。一、一、555定时器电路定时器电路 定时器的主要功能取决

24、于比较器，比较器的输出控制：定时器的主要功能取决于比较器，比较器的输出控制：RS触发器和放电三极管触发器和放电三极管VT1的状态。当比较器的触发输入电压的状态。当比较器的触发输入电压u2 Vcc/3时，放电三级管时，放电三级管VT1截止。而当比较器截止。而当比较器C，的阈，的阈值输入端电位高于值输入端电位高于2Vcc/3（比较器（比较器C的参考电压）时，的参考电压）时，C输出为输出为“1”，触发器又被复位，且放电三极管，触发器又被复位，且放电三极管VT1导通。导通。下-页 返回第五节第五节 555时基电路及应用时基电路及应用上述讨论没有涉及电压控制端（即上述讨论没有涉及电压控制端（即5脚悬空）

25、，因而比较器脚悬空），因而比较器C1、C2的参考电压分别为的参考电压分别为2Vcc/3和和Vcc/3。二、定时器应用举例二、定时器应用举例1施密特触发器施密特触发器将将555定时器的阈值输入端连在一起，便构成了施密特触发定时器的阈值输入端连在一起，便构成了施密特触发器。器。如果在如果在555定时器的放电端（定时器的放电端（7脚）外接一电阻，并与另一脚）外接一电阻，并与另一电源电源VCC2相连，则由相连，则由u02输出的信号可实现电平转换。输出的信号可实现电平转换。2单稳态触发器单稳态触发器电源接通瞬间，电路有一个稳定的过程，即电源通过电阻电源接通瞬间，电路有一个稳定的过程，即电源通过电阻R上-

26、页 下-页 返回第五节第五节 555时基电路及应用时基电路及应用 向电容向电容C充电，当充电，当uc上升到上升到2Vcc/3时，触发器复位，时，触发器复位，uc为低为低电平，放电三极管电平，放电三极管VT1导通，电容导通，电容C放电，电路进入稳定状放电，电路进入稳定状态。态。若触发输入端施加触发信号，触发器发生翻转，电路进入暂若触发输入端施加触发信号，触发器发生翻转，电路进入暂稳态，输出为稳态，输出为“1”，且三极管，且三极管VT1截止。截止。这种电路产生的脉冲宽度可从几个微秒到数分钟，精度可达这种电路产生的脉冲宽度可从几个微秒到数分钟，精度可达0.1%。然而在某些情况下，要求单稳电路具有可重

27、复触发的特性，然而在某些情况下，要求单稳电路具有可重复触发的特性，即在电路的暂稳态期间内，加入新的触发脉冲，电路的暂稳即在电路的暂稳态期间内，加入新的触发脉冲，电路的暂稳态将延续，直至触发脉冲的间隔超过单稳输出脉宽态将延续，直至触发脉冲的间隔超过单稳输出脉宽Tw，电路，电路才返回至稳定状态才返回至稳定状态上-页 下-页 返回第五节第五节 555时基电路及应用时基电路及应用如果在电压控制端施加一个变化电压，则由如果在电压控制端施加一个变化电压，则由555构成的单稳构成的单稳电路可作为脉冲宽度调制器，如电路可作为脉冲宽度调制器，如图图9-33所示。所示。当控制电压升高时，电路的阈值电平也升高，输出

28、的脉冲宽当控制电压升高时，电路的阈值电平也升高，输出的脉冲宽度随之增加；而当控制电压降低时，电路的阈值电平也降低，度随之增加；而当控制电压降低时，电路的阈值电平也降低，单稳的输出脉宽则随之减小。单稳的输出脉宽则随之减小。3多谐振荡器多谐振荡器由由555定时器构成的多谐振荡器如定时器构成的多谐振荡器如图图9-34(a)所示，其工作所示，其工作波形如图波形如图9-34(b)所示。所示。当当uc上升到上升到2Vcc/3时，触发器又发生翻转，如此周而复始，时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出就得到一个周期性的方波，其频率为在输出就得到一个周期性的方波，其频率为上-页 下-页 返回第五节第五节 5

29、55时基电路及应用时基电路及应用由于由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。振荡频率为振荡频率为可见，这种振荡器输出波形的占空比为可见，这种振荡器输出波形的占空比为上-页 返回图图9-1常见脉冲波形常见脉冲波形返回图图9-2脉冲波形的参数脉冲波形的参数返回图图9-3电容充放电实验电容充放电实验返回图图9-8 RC微分电路结构微分电路结构返回图图9-10基本旅密特电路及输入输出波形基本旅密特电路及输入输出波形返回图图9-17 74121集成单稳杰触发器集成单稳杰触发器返回图图9-18微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器返回图图9-19工作波形工作波形返回图图9-24基本型多谐振荡器基本型多谐振荡器返回图图9-33脉冲宽度调制器脉冲宽度调制器返回图图9-34多谐振荡器多谐振荡器返回