脉冲的产生和整形电路.ppt
2023/5/29,6 脉冲的产生和整形电路,内容摘要 本章主要讨论脉冲产生和整形的基本电路。在脉冲整形部分，介绍了两类整形电路施密特触发器和单稳态触发器。在脉冲产生部分，介绍了门电路构成的多谐震荡器和石英晶体震荡器。,6.1 概述6.2 施密特触发器6.3 单稳态触发器6.4 多谐振荡器6.5 555定时器及其应用,2023/5/29,6.1概述,在数字电路中，时钟脉冲信号可以利用多谐震荡器产生或通过整形电路变换得到。整形电路分为两类，施密特触发器和单稳态触发器。矩形脉冲的性能指标。,2023/5/29,脉冲周期T周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间的时间间隔。有时也用频率f=1/T表示，f代表单位时间内脉冲重复的次数。脉冲幅度Um脉冲电压最大变化的幅值。脉冲宽度Tw从脉冲前沿0.5Um始，到脉冲后沿0.5Um止的一段时间。上升时间tr 脉冲从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。下降时间tf 脉冲从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。上述几个指标反映了一个矩形脉冲的基本特性。,2023/5/29,6.2施密特触发器,施密特触发器能把变化缓慢的波形变换成矩形脉冲。输入电压上升的翻转电平为上限阀值电平UT+；输入电压下降的翻转电平为下限阀值电平UT-。两者的值不同，且UT+UT-。它们差称为回差电压。输入和输出为反向关系的施密特触发器为反向施密特触发器，输入和输出为同向关系的施密特触发器为同向施密特触发器。,6.2.1 门电路构成的施密特触发器6.2.2 集成施密特触发器6.2.3 施密特触发器应用举例,2023/5/29,6.2.1 门电路构成的施密特触发器,下图(a)是用两个CMOS非门和电阻构成的施密特触发器，设UTVDD/2，且R1R2。,上限阀值电压 UT+=（1+R1/R2）UT下限阀值电压 UT-=（1-R1/R2）UT电路回差电压 U=UT+-UT-=2UTR1/R2,2023/5/29,可见，电路输出的状态由输入电压的大小决定，改变R1和R2就可调节回差电压VT的大小。,2023/5/29,6.2.2集成施密特触发器,TTL集成施密特触发器有：74LS14，74132，7413等。性能如下表：,表6.2.1 TTL集成施密特触发器,CMOS集成施密特触发器有：CD40106，CD4093和CD4584等。,2023/5/29,6.2.3施密特触发器应用举例,1.脉冲整形电路,在数字测量和控制系统中，由传感器送来的信号波形边沿较差，利用施密特电路可以对这些信号进行整形。将边沿较差或畸变脉冲uI作为施密特电路的输入，其输出uO为矩形波。,2023/5/29,2.脉冲变换电路,施密特电路在状态转换速度极快输出的矩形波的前后沿总是很陡峭。利用这一特点，施密特电路可以把变化比较缓慢的正弦波、三角波等变换成矩形脉冲信号。,2023/5/29,3.鉴幅电路,在一串幅度不相等的脉冲信号 中，如果要剔除幅度不够大的脉冲，此时可利用施密特触发器。右图示出在施密特触发器的输入端送入一串幅度不等的脉冲时相应的输出波形。,2023/5/29,施密特触发器有同相传输和反相传输两种电路,施密特触发器的电压传输特性,施密特触发器,0,2023/5/29,施密特触发器,施密特触发器特点：,（1）输出有两种状态（输出为数字信号）；,（2）输入采用电平触发（输入为模拟信号）；,（3）对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平（VT+和VT-）。,2023/5/29,施密特触发器 应用举例,脉冲变换,脉冲整形,2023/5/29,施密特触发器 应用举例,脉冲鉴幅,构成多谐振荡器,2023/5/29,6.3.1 门电路构成的单稳态触发器6.3.2 集成单稳态触发器6.3.3 单稳态触发器的应用举例,2023/5/29,微分电路（高通滤波电路）输出电压与电流成微分关系,微、积分电路,2023/5/29,当微分电路输入方波信号时，输出波形应如何？设RCTW,补充微积分电路,2023/5/29,积分电路,概 述,2023/5/29,6.3单稳态触发器,在触发脉冲的作用下，单稳态触发器从稳态翻转到暂稳态，经过时间tw后又自动翻回稳态，并在输出端产生一个宽度为tw的矩形脉冲。单稳态触发器通常由门电路和RC电路元件组成。暂稳态的时间取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度无关。单稳态触发器常用于数字系统的整形、延时和定时电路中。,2023/5/29,6.3.1用门构成的单稳态触发器,1.微分型单稳态电路的组成,门1的输出经微分电路RC接到门2的输入端，门2的输出直接耦合到门1的输入端。应选RRoff(0.7K)。,图6.3.1 微分型单稳态触发器,2.功能分析稳态？uO1=0，uO2=1暂稳态？uO1=1，uO2=0,2023/5/29,图6.3.2 电容C的充电回路和uI2的波形图,经验公式估算：,2023/5/29,暂稳态时间结束后，C通过图所示回路放电，使uI2以时间常数 2=(R1R)C按指数曲线上升，电路经历一个恢复阶段回到稳态时的初始状态。,恢复时间tre：,2023/5/29,图6.3.1 微分型单稳态触发器,3.波形分析,UT,电路的分辨时间：,2023/5/29,图适用于输入触发脉冲较窄的情况，若uI脉冲宽度twI tw，为使单稳电路能按要求自动返回，则应通过微分电路RPCP再输入到与非门1，如下图6.3.2所示。门3改善了输出波形，起反相和整形的作用。,2023/5/29,集成单稳态触发器,由于单稳态触发器在数字系统中应用十分普遍，目前已有各种单片集成电路。TTL系列的有74121、74122、74123等；CMOS系列的有4098、4528、4538等。这些器件只要外接很少的电阻和电容，就可构成单稳态触发电路。使用起来非常方便。,2023/5/29,74121是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加输入控制电路和输出缓冲级而形成的。,1.TTL集成单稳态触发器（74121）,2023/5/29,输出脉冲宽度 可由下式估算(推导略),通常 值取在2K30K。值取在10 10uF之间，得到的 范围可达20ns 200ms。DM74121:30ns 28s 另外，74121内部2K电阻 可代替。,门G5、G6、G7和外接电阻 电容 组成的电路是一个用或非门构成的微分型单稳态触发器，它由G4给出的正脉冲触发，而输出脉冲宽度则由 和 决定。门G1G4组成输入控制电路，用于实现上升沿与下降沿触发控制。输出缓冲级由G8和G9组成，用于提高电路的负载能力。内部电路不需要掌握,2023/5/29,集成单稳态触发器（74121）功能表,2023/5/29,两种不同接法,集成单稳态触发器,使用内部电阻,使用外部电阻,2023/5/29,2.CMOS集成单稳态触发器4538,4538的符号图如图6.3.7(a)所示,(a)符号图(b)管脚图 图6.3.7 集成单稳态触发器4538,4538是CMOS精密单稳态触发器。由于采用了线性CMOS技术，可得到高精度的输出脉冲宽度。,2023/5/29,6.3.3单稳态触发器的应用举例,1 脉冲的整形,图6.3.9 脉冲整形,2023/5/29,单稳态触发器应用,用于定时(或延时、脉冲拓宽),B,2023/5/29,回答问题：以下题目本身是否有问题？,(9)TTL集成单稳态电路的暂稳态时间tW 为_。,(10)CMOS精密单稳态触发器的暂稳时间tW为_,6.3.2 集成单稳态触发器,一、非重复触发单稳态触发器 74121,非重复触发 只能在稳态接受输入信号。,1.图形符号,下降沿触发输入,上升沿触发输入,非重复触发,外接定时电阻、电容,VCC,内接接定时电阻引出端,二、可重复触发单稳态触发器 74122,可重复触发 在暂稳态期间,能够接受新的触发信号。,1.图形符号,直接复位,可重复触发,2023/5/29,6.4 多谐振荡器,多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源以后，不需外加触发信号，就能自动地不断来回翻转，产生矩形脉冲。由于输出的矩形波中含有很多谐波分量，故通常将它称为多谐振荡器，又称方波发生器。,6.4.1 门电路构成的多谐振荡器6.4.2 石英晶体多谐振荡器,2023/5/29,集成门电路构成的多谐振荡器,图6.4.1表示用三个集成非门构成的方波发生器。这些门组成一个环形，所以称为环形振荡器。它是利用门电路的时延tpd来产生方波振荡的。,图6.4.1环型振荡器,1,uO,uI,2023/5/29,电路组成及工作原理,由门电路构成多谐振荡器,（1）设电路的初态为vO1=1,vO2=0，这种状态下不可能持久维持；,（2）通过vO1RCvO2向C充电，使vI1不断上升；,（3）当vI1VT时，G1输出低电平，G2输出高电平，即vO1=0，vO2=1。,2023/5/29,工作原理,由门电路构成多谐振荡器,（4）vO1=0，vO2=1这个状态也不能持久；,（5）通过vO2CRvO1对电容C反向充电，vI1逐步减少；,（6）当vI1VT时，G1输出高电平，G2输出低电平，即又回到vO1=1，vO2=0的状态。,（7）周而复始产生方波。,2023/5/29,工作波形,由门电路构成多谐振荡器,T1,T2,T1、T2的计算公式请同学自己推导。,UT,2023/5/29,6.4.2 石英晶体多谐振荡器,1.石英晶体的基本特性,石英晶体的符号如图6.4.4所示。频率稳定性能达到10-510-8，高质量石英晶体振荡器，频率稳定性可达10-11。,QR,图6.4.4石英晶体的电路符号,2.CMOS石英晶体多谐振荡器,图6.4.5所示为方波发生器的简化电路，其中虚线以上部分制作在集成电路内，而石英谐振器QR及C1、C2为外接分立元件。在有些集成电路中，C2也做在芯片内。,图6.4.5石英晶体多谐振荡器,2023/5/29,6.5 555定时器及其应用,555定时器是一种中规模集成电路，目前在仪器、仪表和自动化控制装置中应用很广。它可组成定时、延时和脉冲调制等各种电路。本节先简单介绍该定时器内部电路原理和参数，然后着重介绍由它组成的施密特电路、单稳态电路和多谐振荡电路。,6.5.1 555定时器 6.5.2 555构成的施密特触发器6.5.3 555构成的单稳态触发器6.5.4 555构成的多谐振荡器,2023/5/29,6.5.1 555定时器,图6.5.1 NE555集成定时器,2023/5/29,当2个触发信号高于其域值电压，基本RS触发器清0，输出为0；当触发端处于功能表第三行，RS触发端均无效，输出不变；当同相端触发信号低于其域值电压，基本RS触发器置1，输出为1。,2023/5/29,6.5.2 用555构成的施密特触发器,UT+=UT=2VDD/3 UT=UTL=VDD/3 UT=VDD/3,2023/5/29,6.5.3 用555构成的单稳态触发器,tw=1.1RC,2023/5/29,应用：丢失脉冲检测器,ui为连续脉冲输入端，信号周期比该单稳电路的脉宽窄,2023/5/29,6.5.4 用555构成的多谐振荡器,2023/5/29,充电时间T1为：T1=(R1+R2)C ln2=0.693(R1+R2)C(6.5.3)放电时间T2为:T2=R2C ln2=0.693R2C(6.5.4)频率f为:f=1/(T1+T2)=1.44/(R1+2R2)C(6.5.5)占空比为:q=T1/T=T1/(T1+T2)=(R1+R2)/(R1+2R2)50%(6.5.6)如果R1R2，则占空比接近于1，此时，uC近似地为锯齿波。,2023/5/29,占空比可调的多谐振荡器,占空比可调的多谐振荡器如图6.5.7所示。图中，T1=0.693RAC，T2=0.693RBC，因此输出脉冲占空比q=T1/(T1+T2)=RA/(RA+RB),2023/5/29,思考题,用555构成的多谐振荡器,如图所示是一个由555定时器构成的防盗报警电路，a、b两端被一细铜丝接通，此铜丝置于盗窃者必经之路，当盗窃者闯入室内将铜丝碰断后，扬声器即发出报警声。说明本报警电路的工作原理。,2023/5/29,1.施密特触发器具有两个稳态、单稳态触发器具有一个稳态，而多谐振荡器没有稳态。,3.无论电路的具体结构如何，凡是含有RC元件的脉冲电路，分析的关键就是电容的充放电，而关键连接点就是与电容相连的端子。,2.555定时器是一种应用广泛的集成电路，它是早期模拟电路和数字电路结合的典范。,小 结,2023/5/29,6.2,6.4,6.1,教材171页,7.26,6.5,6.7,6.9,
