脉冲的基本概念.ppt

,14.1脉冲的基本概念,14.2RC 波形变换电路,本章小结,*第十四章脉冲波形的产生和整形电路,14.3多谐振荡器,14.4单稳态触发器,14.6555 集成定时器,14.5施密特触发器,脉冲的概念,广义上讲，凡是非正弦规律变化的电压或电流都可称为脉冲。,1实验电路,脉冲：瞬间突变、作用时间极短的电压或电流信号，称为脉冲。,14.1脉冲的基本概念,2现象和结论,（1）开关 S 闭合时，R2 短接，输出电压 vO=0。,（2）t1 时，开关 S 断开，则输出电压,重复此过程，则输出电压的波形变化即为一串脉冲波。,（3）t2 时，开关 S 再闭合，R2 又被短接，输出电压 vO=0。,14.1脉冲的基本概念,14.1脉冲的基本概念,常见的波形有矩形波、锯齿波、钟形波、尖峰波、阶梯波等。,14.1.2几种常见的脉冲波形,14.1脉冲的基本概念,矩形脉冲波形参数,（1）脉冲幅度Vm脉冲电压的最大变化幅度。,（2）脉冲上升沿时间 tr脉冲上升沿从 0.1 Vm 上升到 0.9 Vm 的时间。,（3）脉冲下降沿时间 tf 脉冲上升沿从 0.9 Vm 下降到0.1 Vm 的时间。,（4）脉冲宽度 tw 脉冲前、后沿 0.5 Vm 处的时间间隔，说明脉冲持续时间的长短。,（5）脉冲周期 T 指周期性脉冲中，相邻的两个脉冲波形对应点之间的时间间隔。,14.1脉冲的基本概念,RC 电路的瞬态过程,14.2RC 波形变换电路,（1）充电过程原理,开关 S 在 B 点，电容器 C 上没有电荷，vC=0。,瞬态过程是指电路从一个稳定状态变化到另一个稳定状态所经历的过程。,最大，R上的电压也最大，。,开关 S 由 B 合到 A 后，电源对电容 C 充电。因电容器两端的电压不能突变，,开关拔动瞬间 vC=0。充电电流,随着电容 C 上的电荷的积累，电压 vC 随之增大，而vR 随之下降，所以 iC 也逐渐下降。,最后，vC=VG，vR=0，iC=0，充电结束。,14.2RC 波形变换电路,电容器的的充电速度与 R 和 C 的关系：电容 C 越大，vC上升就越慢；电阻 R 越大，vC 上升就越慢。,时间常数：R 和 C 的乘积称为 RC 电路的时间常数。单位为 s（秒）。,充电时间可以用时间常数 来衡量，大则慢，小则快。,（2）波形,14.2RC 波形变换电路,2RC 电路的放电过程,随后，vC 按指数规律下降，iC 也随之下降。,最后，vC=0，iC=0，放电结束。,开关 S 重新合到 B 点，电容器将通过电阻 R 放电。,开始瞬间，电容器两端的电压不能突变，vC=VG。此时，放电电流最大 iC。,14.2RC 波形变换电路,（2）波形,放电时间可以用时间常数 来衡量，大则慢，小则快。,14.2RC 波形变换电路,1电路组成,14.2.2RC 微分电路,电路应具有如下条件：,（1）输出信号取自 RC 电路中电阻 R 的两端，即vO=vR。,（2）电路的时间常数 应远小于输入的矩形波脉冲宽度，即 tw。,14.2RC 波形变换电路,（1）当时 t1 t2，vI=0，vO=0。,2工作原理,（2）在 t1=t2 的瞬间，vI 由 0 突变为 Vm，立即有充电电流通过 R 和 C。由于电容电压 vC 不能突变，此时vC=0，故 vO=vI=Vm，即输出电压由 0 跳为 Vm。,（3）在 t1 t2 期间，输入电压 vI保持 Vm 不变，由于时间常数 很小，所以电容 C 被快速充电，vC 上升很快。而输出电压 vO=vI-vC 迅速下降。在 t=t2之前，vC 很快到达Vm，而 vO 迅速下降为 0，形成一个正的尖峰脉冲波。,14.2RC 波形变换电路,（4）在 t=t2 时，vI 从 Vm 跳变到 0，由于电容两端电压不能突变，vC 仍为 Vm。所以，vO=vI-vC=-Vm。,（5）在 t2 时刻以后，同样因为电路时间常数 很小，电容迅速放电，vO 很快由-Vm 上升到 0，形成一个负的尖峰脉冲波。,3电路特点,微分电路能对输入脉冲起到“突出变化量，压低恒定量”的作用。,14.2RC 波形变换电路,14.2.3RC 积分电路,电路应具有如下条件：,（1）输出信号取自 RC 电路中电容 C 的两端，即vO=vC。,（2）电路的时间常数 应远大于输入的矩形波脉冲宽度tw，即 tw。,1电路组成,14.2RC 波形变换电路,2工作原理,（2）在 t1 t2 期间，输入电压 vI 保持 Vm 不变，电容 C 被充电，vC 按指数规律上升。因为电路时间常数 很大，所以充电速度缓慢，vC 可近似认为线性增长。,（3）在 t=t2 时，vI 从 Vm 下跳变到 0，相当于输入端短路，电容 C 通过 R 开始放电，输出电压下降，直到下一矩形脉冲到来。,（1）在 t=t1 时刻，vI 由 0 跳变为 Vm，由于电容电压 vC 不能突变，此时 vC=0，故 vO=vC=0。,14.2RC 波形变换电路,积分电路能对输入脉冲起到“突出恒定量，压低变化量”的作用。,3电路特点,4积分电路的应用,（1）将矩形脉冲变换成近似的三角波。,（2）将上升沿、下降沿陡峭的矩形脉冲波变换成上升沿和下降沿较缓慢的矩形脉冲，使跳变部分“延缓”，也称为“积分延时”。,（3）从宽窄不同的脉冲串中，把宽脉冲选出来。,14.2RC 波形变换电路,例14-1图示电路中，R=20 k，C=200 pF，若输入 f=10 kHz 的连续方波，问此电路是 RC 微分电路，还是一般的 RC 耦合电路？,再求方波的脉宽 tw。因为方波脉宽为周期的一半，即,解先求电路的时间常数,=RC=,由上面计算知，这是微分电路。,14.2RC 波形变换电路,例14-2图示电路中，若 C=0.1 F，输入脉冲的宽度 tw=0.5 ms，欲组成积分电路，电阻 R 至少应为多少？,3 tw，即 RC 3 tw,解组成积分电路必须,可见，电阻 R 至少为 15 k。,14.2RC 波形变换电路,14.3多谐振荡器,1电路组成,与非门基本多谐振荡器,使与非门 G1 输出低电平 VL1，即 0 态；与非门 G2 输出高电平 VH2，即 1 态。此为第一暂态。,（1）第一暂态电路对称差异的必然存在，导致正反馈过程发生，形成第一稳态。正反馈过程如下：假设与非门 G2的输出电压 VO2 高一些。,2工作原理,（2）第二暂稳态由于电容 C1、C2 的充放电，第一暂态不稳定。门 G2 的输出高电平对电容 C1 充电；而 C2 通过门G1 的输出电路进行放电。C1、C2 的充放电路径如图所示。,使与非门 G1 输出高电平 VH1，即 1 态；G2 与非门输出低电平VL2，即 0 态。此为第二暂稳态。,C1、C2 的耦合，引入一个正反馈过程：,14.3多谐振荡器,（3）再经过电容 C1、C2 的充放电，电路又将从第二暂稳态，返回到第一暂稳态。如此循环。产生波形如图。,3振荡周期 T 的估算,其中,C=C1=C2,14.3多谐振荡器,1电路组成,三个非门首尾依次相连，构成一个闭环电路，所以称为环形多谐振荡器。,环形多谐振荡器,R、C：定时元件，决定振荡的周期和频率。,RS：非门 G3 的输入限流电阻。,14.3多谐振荡器,vD=0，vB 通过 C、R 对 C 充电，使vE，vF,通过 C 的耦合使,1）第一暂态初始 vO=0；,14.3多谐振荡器,2工作原理,G1关闭，vB=1；G2 开通，vD=0。,初始 vA=0,vA=1 使 G1 开，vB=0，vD=1，C 反充电，vE，vF 到达 G3 开门电平，G3 开。,（2）第二暂态,T 2.2 RC,3环形振荡器的振荡周期 T,vO=0。,（3）返回第一暂态,（1）电路符号,（2）电抗特性,14.3.3石英晶体多谐振荡器,14.3多谐振荡器,（3）电路图,（4）特点,石英晶体相当于一个 RLC 串联谐电路。在谐振频率下，阻抗最低，正反馈最强，易于起振；而在其他频率下，阻抗很高，阻止振荡，所以石英晶体可起选频作用。,石英晶体多谐振荡器能产生极其稳定的高频率的矩形脉冲信号。在数字系统中，常用作系统的基准信号源。,14.3多谐振荡器,14.4单稳态触发器,14.4.1微分型单稳态触发器,2工作原理,输入端 A 加入低电平触发信号，门 G1 的输出电压为高电平 1 态，通过电容 C 耦合，门 G2 的输入端 B 处的信号是高电平 1。输出信号为低电平 0 态。触发器翻转到暂稳态。,1电路组成,（1）电路的稳态,（2）电路的暂稳态,与非门 G1 的输出电压 vO1 为高电平，它通过 C、R 到接地端，对电容 C 充电。随电容电压的升高，充电电流逐渐变小。因此，电阻上的电压也逐渐下降。,当 B 端的电平下降到与非门 G2 的关门电平时，门 G2 关闭，输出电压 vO 又跳为高电平。它反送到门 G1 的输入端。由于触发负脉冲的宽度很窄，A 点已恢复高电平。vO1 下跳为低电平，电路又恢复稳态。,（4）自动恢复为稳态,（3）暂稳态期间,14.4单稳态触发器,14.4单稳态触发器,3波形图,14.4.2集成单稳态触发器,集成组件 CT74121 单稳态触发器。,CEXL：外接电容端。,1外引线排列及引出端符号,：暂稳态负脉冲输出端,TR-A、TR-B：两个负触发输入端。,Q：暂稳态正脉冲输出端。,Rint：内电阻端。,REXL/CEXL：为外接电阻和电容的公共端。,TR+：正触发输入端,14.4单稳态触发器,2逻辑功能及简要说明,（1）功能表,14.4单稳态触发器,说明：表示任意值；表示电平从高到低的跳变；表示电平从低到高的跳变；“高”表示高电平脉冲；“低”表示低电平脉冲。,（2）触发方法,如果 TR-A、TR-B、TR+的初始状态为111，那么，当TR-A 或 TR-A 上加上负跳变电压，或者在这个两个输入同时加负跳变电压，则电路翻转为暂态。,如果 TR-A、TR-B、TR+的初始状态为 0 0 或者为 00，则在 TR+端加上正跳变触发电压，电路就由稳态翻转为暂态。,14.4单稳态触发器,（3）定时元件 R、C 的接法,脉冲宽度估算：,（a）为外接电阻的接法；（b）为内电阻的接法。,14.4单稳态触发器,14.4.3单稳态触发器的应用,1脉冲信号的整形,脉冲的整形，是把波形不规则的输入脉冲输入单稳态触发器，在输出端获得具有一定的宽度和幅度、前后沿比较陡峭的矩形脉冲波。,（1）方框原理图,（2）工作波形图,14.4单稳态触发器,3定时,（1）方框原理图,（2）工作波形图,2延时,（1）方框原理图,（2）工作波形图,14.4单稳态触发器,14.5施密特触发器,用集成与非门组成的施密特触发器,（1）组成电路,（2）逻辑符号,1电路组成,由三个与非门 G1、G2、G3 和一个二极管 VD 组成。,G1 和 G2 构成基本 RS 触发器，二极管 VD 起到电平移动作用。用来产生回差电压。,（1）初始稳定状态第一稳态,2工作原理,与非门的开关电平为 1.4 V，二极管导通电压为 0.7 V。,当 vI 上升，只要 vI 1.4 V，则，故 RS 触发器保持 1 态不变，即电路保持第一稳态。,14.5施密特触发器,vI 0.7 V，门 G3 输出高电平1，；高出 vI 一个二极管的正向导通电压 0.7 V，所以，为小于 1.4 V 门坎电压的低电平 0。则输出电压 vO 为高电平 1，而 vO1 为低电平 0。这是电路的第一稳态。（Q=1，。,（2）电路的第一次翻转,当 vI 上升至 1.4 V 时，门 G3输出端，而仍比高 0.7 V，保持高电平 1 态。于是 RS 触发器被置 0，则输出电压 vO 由高电平 1 翻转为 0 态。此是电路的第二稳态。（Q=0，=1）。,vI 继续升高，电路将保持第二稳态不变。,14.5施密特触发器,当 vI 下降至 1.4 V 以下时，门 G3 输出端，而仍比高 0.7 V，保持高电平 1 态。于是 RS 触发器保持 0 态不变，即电路维持第二稳态不变。,（3）电路的第二次翻转,当 vI 下降至 0.7 V 以下时，门 G3 输出端，高出 vI 一个二极管的正向导通电压 0.7 V，所以，为小于 1.4 V 门坎电压的低电平 0。电路将翻转 1 态。电路重返第一稳态：Q=1，=0。,3回差特性,电路两次触发电平存在差值，即是施密特触发器的回差现象。,回差电压：上升触发电压 VT+，下降触发电压 VT-。两次触发电平的差值 V 称为回差电压。,施密特触发器这种固有的特点，称为回差特性，也称为滞回特性。,施密特触发器的回差特性曲线，也称电压传输特性曲线。如图所示。,14.5施密特触发器,1TTL 集成施密特触发器,14.5.2集成施密特触发器,CT74LS132：四 2 输入与非门。图（b）所示。,（2）主要参数,（1）型号、外引线排列,上升触发电压 VT+；下降触发电压VT-；电源电压等。,CT74LS14：六反相器。图（a）所示。,14.5施密特触发器,CC4093：四 2 输入与非门。图（b）所示。,2CMOS 集成施密特触发器,CC40106：六反相器。图（a）所示。,14.5施密特触发器,施密特触发器可以把连续变化的输入电压变换为矩形波输出。,1波形变换,14.5.3施密特触发器的应用,14.5施密特触发器,脉冲信号在传输过程中，会变得不规则。用施密特触发器整形，可以使它恢复为合乎要求的矩形脉冲波。,2脉冲整形,（2）整形波形,（1）整形电路,14.5施密特触发器,（1）电路构成,只有输入信号的幅度大于上升触发电压，才能使电路翻转，从而有脉冲输出。否则，没有矩形脉冲输出。这样，就达到鉴别输入信号幅度大小的目的。,3幅度鉴别,（2）输出与输入关系,14.5施密特触发器,14.5施密特触发器,4组成单稳态电路,（1）没有外加触发信号时，图中的 A 端为高电平，所以输出为低电平，这是电路的稳态。,（3）暂稳态期间，电源对电容 C 充电，A 点电平升高，当 A点电压上升到上升触发电平 VT+时，电路状态又发生翻转，输出低电平，暂态结束，电路返回稳定状态。,（2）当输入负触发脉冲信号时，由于电容 C 上的电压不能突变，A 点的电平也随之跳为负电平，输出就翻转为高电平，电路进入暂稳态。,5组成多谐振荡器,（2）由此电容放电，vI 下降。当 vI 下降到触发电平 VT-时，电路发生翻转，输出电压 vO 跳变为高电平。如此反复，形成振荡。,（1）接通电源瞬间，vI=0，输出电压 vO 为高电平 VH。输出电压 vO 对电容 C 充电,vI 上升,当 vI 达到上升触发电平 VT+时,电路翻转,输出电压 vO 跳变为低电平 VL;。,14.5施密特触发器,电路可分为电阻分压器、电压比较器、基本 RS 触发器和输出缓冲级等部分。,电路组成,14.6555 集成定时器,2外引线排列图,1电路结构,电阻分压器由三个等值电阻 R 组成，对电源电压 VDD 分压。,14.6.2工作原理,当进入 TH 的电压大于 时，比较器 C1 输出高电平 1；,若加在 的电压小于，比较器 C2 也输出高电平 1。,1电阻分压器和电压比较器,14.6 555 集成定时器,（3）当 C1=0，C2=0，即 R=0，S=0 时，RS 触发器保持原态不变；,2基本 RS 触发器,（1）当 C1=1，C2=0，即 R=1，S=0 时，Q=0，=1；,（2）当 C1=0，C2=1，即 R=0，S=1 时，Q=1，=0；,（4）如果=0，则 Q=0。为直接置 0 端，平时应接高电平1。定时器的输出 OUT=Q。,14.6 555 集成定时器,3放电管 V 和输出缓冲器,输出端的反相器构成输出缓冲器。主要作用是提高电流驱动能力，同JF 还可隔离负载对定时器的影响。,（3）功能表,（1）若 Q=0，=1，放电管的栅极为高电平，V 导通。,（2）若 Q=1，=0，放电管的栅极为低低平，V 截止。,14.6 555 集成定时器,14.6.3集成定时器的应用,R、C：定时元件；高触发端 TH 与放电端 DIS 相连；输入触发电平 vI 加于低触发端 处，低电平有效；OUT 为信号的输出端。,14.6 555 集成定时器,用 7555 定时器可构成单稳态电路。,1电路组成,2工作原理,接通电源后，电源电压 VDD 对电容 C 充电，电压 vC 上升。当 vC高达 时，输出电压 vO为低电平 0。同时，放电管 V 导通，电容对过放电端 DIS 放电。电路进入稳态，输出低电平 0。,电路的稳态,14.6 555 集成定时器,低电平触发，电路翻转，进入稳态,自动返回稳态的过程,电容上的电压上升到后，定时器自动复位，输出电平由 1 翻转为 0。电路重返稳定状态。,14.6 555 集成定时器,当低电平到来时，端的电平小于。电路的输出将发生翻转，由低电平 0 变为高电平 1。同时，放电管截止，电源 VDD 对电容 C 充电。定时开始，直到电容上的电压升高到，这时暂态结束。,（3）工作波形,输出脉冲宽度 tw,1.1 RC,14.6 555 集成定时器,14.6.4集成定时器的其他应用,14.6 555 集成定时器,（1）白天因光线亮，光电三极管 3DU 的 CE 间电阻下降，高触发端 脚将大于 2/3VCC，定时器的输出端 脚为低电平，所以灯 L不亮。,（2）天黑时，光电管 CE 间电阻增大，使低触发端 脚电压小于 VCC/3，于是 脚为高电平，灯发光。,1路灯自动控制器,14.6 555 集成定时器,当按下定时按钮 SB 时，低触发端 脚就输入了一个小于 VCC/3 的负脉冲，输出端 脚输出高电平，发光二极管 LED 亮。而定时器中的放电管 V 则截止，电源对电容 C 充电。当电容上电压升高到 2/3VCC 时，定时器翻转，脚输出低电平，LED 灭，表示定时结束。,260 s 定时电路,本章小结,2RC 微分电路能对输入脉冲起到“突出变化量，压低恒定量”的作用,1常用的脉冲波形有：矩形波、锯齿波、钟形波、尖峰 波、阶梯波。,3RC 积分电路的工作特点是在输入矩形脉冲的稳定部分，输出电压有明显变化，而在输入矩形脉冲的跳变时刻，输出电压保持不变。它对输入脉冲信号起到“突出恒定量，压低变化量”的作用。,6555 集成定时器是一种功能灵活多样，使用方便的集成器件。可以用作脉冲波的产生和整形，也可用于定时或延时控制，广泛地用于各种自动控制电路中。,5单稳态触发器是一个稳态和一个暂稳态，它在外加触发脉冲的作用下，能从稳态翻转到暂态，经过一段时间的延迟后，触发器自动地从暂稳态翻转回稳态，从而输出一个具有一定脉冲宽度的矩形波。,4多谐振荡器不需要外加触发信号系统，它在接通电源后，能自动反复地输出一定脉宽的矩形脉冲，常用于产生矩形脉冲信号。多谐振荡器有：与门基本多谐振荡器、环形多谐振荡器和石英晶体振荡器。,