数电第十章脉冲波形的产生和整形.ppt

第十章 脉冲波形的产生和整形,10-1 概述,10-3 单稳态触发器,10-4 多谐振荡器,10-5 555定时器及其应用,10-2 施密特触发器,10-1 概述,获取矩形脉冲波形（时钟）的途径有两种：,2、用整形电路把已有的周期性变化的波形整形产生,1、用多谐振荡器直接产生,矩形脉冲波形的整形电路施密特触发器、单稳态触发器。,用门电路可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。,用555定时器也可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。,10-2 施密特触发器,10-2-1 特点和用途,一、特点,1、电平触发：触发信号UI可以是变化缓慢的模拟信号，UI达某一电平值时，输出电压U0突变。U0为脉冲信号。,2、电压滞后传输：输入信号UI从低电平上升过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与UI 从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同。,施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。,利用上述两个特点，施密特触发器不仅能将边沿缓慢变化的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，还可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。,同向输出特性：,VT+,Uo,UI,UoL,UoH,二、输出特性,0,当UI=0时，Uo=UoL,正向阈值电平VT+：,UI 上升时，引起Uo 突变时对应的UI 值。,反向输出特性：,VT+,Uo,UI,UoL,UoH,0,当UI=0时，Uo=UoH,负向阈值电平VT-：,UI 下降时，引起Uo 突变时对应的UI值。,三、用途：,整形，构成单稳态触发器，构成多谐振荡器。,UO1,UI,UI,UO,10-2-2 用门电路构成施密特触发器,一、构成,UI,UO1,UO,说 明,UI=0,0,0,1,0,同相施密特触发器,UI上升过程中,VT+,VTH,1,0,VT+,VTH,1,0,G1、G2门将要翻转,=VT+,=VTH,0,UO突变,UI下降过程中,VT-,VTH,0,1,0,1,1,0,VT-,VTH,=VT-,=VTH,G1、G2门将要翻转,UO突变,1,UI,（用CMOS非门）,二、工作原理,VT+,VTH,0,1,1,0,VT-,VTH,三、举例,设UI为缓慢变化的三角波：,UI,t,VTH,VT+,VT-,UO,t,UOL,UOH,G1门的阈值电平,四、计算回差电压 VT,1、求VT+,在UI从0开始上升时，UO=UOL。,UOH,UOL,VTH,VT+,从求UI,入手求VT+：,UI,=VTH=UR2=,电路中电流流向和电位情况见图。,2、求VT-,UOL,在UI从最大值开始下降时，UO=UOH。,UOH,VTH,VT-,从求UI,入手求VT-：,UI,=UTH=UOH UR2=,又：,故：,电路中电流流向和电位情况见图。,五、电压传输特性,UI=0时，UO=UOL,是同相施密特特性,UI,UO,VDD,VTH,3、求回差电压VT,当VDD一定时，调R1、R2，可调UT，即可调VT+VT-，可调UO脉宽。,六、逻辑符号,VT-,VT+,10-2-3 集成施密特触发器,常用TTL电路集成施密特触发器有7413等，常用CMOS电路集成施密特触发器有CC40106等。,10-2-4 施密特触发器的应用,一、用于波形变换,例：,已知UI为半波，UI m=9V，,电路的VT+=6V，VT-=3V,UOH=VDD，试画UO波形。,9,6,3,VT+,VT-,VDD,VDD,二、用于脉冲整形,VT+,VT-,VT+,VT-,VT+,VT-,三、用于脉冲鉴幅,10-3 单稳态触发器,10-3-1 特点和用途,一、特点,1、开机（接通电源），电路出现稳态。,2、外加触发信号，电路翻转为暂态。,暂态维持一段时间，自动返回稳态,3、暂态维持时间的长短，只和电路参数有关，与触发信号的幅度、电源电压的高低无关。,二、用途,1、整形输出矩形波。,2、定时输出一定宽度的矩形波。,3、延时将输入信号延长一定时间后输出。,10-3-2 用门电路组成单稳态触发器,一、微分型单稳态触发器,1、组成,（用CMOS或非门）,UI,UO1,UI2,UO,UI，,2、工作原理（用正窄脉冲触发）,UI,UO1,UI2,UO,说 明,接通VDD不触发,VDD,UOL,0,0,1,1,0,稳态：UO=0,C中无电荷,触发,1,0,0,1,暂态：UO=1,C充电UI2,=VTH,0,0,0,1,1,0,返回稳态：UO=0,C放电UI2,=VDD,0,0,0,1,1,0,恢复为起始稳态,C中无电荷,注释：此时的逻辑电平“1”，对应的电位为（VDD+0.7）V。,UI，,总之：,不触发：UO=0，C中无电荷,触发：UO=1,C充电：返回 UO=0,C放电：恢复为起始稳态，UO=0，C中无电荷,3、电压波形,VTH,*为了保证触发时间极短，通常在UI端加RC微分电路：,VDD+0.7,注意；第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。,电压波形,4、输出脉宽 TW 和幅度 UOm,TW,根据一阶RC电路暂态过程中，求任意变量的一般公式：,可得：,A()-,A()-,t=ln,从波形图中看出，TW是C充电使UI2从0上升到VTH对应的时间，,UI2()=VDD,UI2(0+)=0,RC,TW=RC ln,Uom=UOH-UOL VDD,1）求TW,2）求Uom,=RC ln2,A(0+),A(t),所以：,=0.69 RC,5、分辨时间 Td,Td是指在保证电路正常工作的前提下，两个相邻触发脉冲之间，允许的最小时间间隔。,TW,Tre,Td,由波形图知：Td=TW+Tre,TW：输出脉冲的宽度,Tre：恢复时间，即 C放电达稳定值VDD所需的时间 T放。,RO N,D1,G2,G1,由放电回路知：,放电回路,（D1是G2 门输入保护电路中的二极管。）,Tre=T放=(35)(RON+R/rD)C,当D1的等效电阻rD远远小于RON 和R时，,Tre=T放(35)RON C,二、积分型单稳态触发器,1、组成,可用TTL与非门组成，门之间用RC积分电路耦合。,UA,UB,UO1,UO,UI,2、工作原理,（用正的宽脉冲触发）,UI,UA,UB,UO,说 明,接通VCC不触发,1,0,VCC,0,1,自然稳态：UO=1,触发,1,0,VCC,1,0,暂稳态：UO=0,1,返回稳态：UO=1,C放电UA,VTH,恢复为自然稳态,1,0,1,不触发,1,0,VCC,0,1,UO=1,R,C,UO1,3、电压波形,VTH,TTR,Tre,Tw,4、输出脉宽 TW 和幅度 UOm,Uom=UOH-UOL,5、分辨时间 Td,Td,由波形图知：Td=TTR+Tre,TTR：触发脉冲的宽度,Tre：恢复时间，即 UO1跳到UOH后，C充电达稳定值所需的时间 T充。,由充电回路知：,充电回路,Tre=T充=(35)(RO+R)C,10-3-3 集成单稳态触发器,1、不可重复触发,触发进入暂稳态时，再加触发脉冲无效,TW,2、可重复触发,触发进入暂稳态时，再次触发有效，输出脉冲可再维持一个脉宽。,TW,常用74121，74221，74LS221等都是不可重复触发的单稳态触发器。,其中，74121的电路符号如图：,一、分类,二、常用产品举例,输 入,输 出,A1,A2,B,UO,0,X,1,0,1,X,0,1,0,1,X,X,0,0,1,1,1,X,0,1,电平触发,1,1,1,1,1,0,X,X,0,脉冲触发,集成单稳态触发器74121的功能表,下降沿触发时的接法,1,UI,不利用Rint 时的接法,+VCC,上升沿触发时的接法,UI,利用Rint 时的接法（Rint2 K）,C,R,C,三、应用举例,1、脉冲整形,TW=0.69 RC,2、输出脉冲延时,UI,+VCC,UO2,TW2,触发后，电路延时TW1 时间再输出。,TW1=0.69 R1C1,TW2=0.69 R2C2,3、定时输出,UI,UO2,74121,74121,UA,TW,只在触发之后的TW 时间内有UA 输出。,10-4 多谐振荡器,特点：不需要外加触发信号，电路自激振荡，没有稳态。,用途：产生脉冲方波。,10-4-1 用门电路构成多谐振荡器,一、对称式多谐振荡器,1、组成（用TTL门电路）,UI1,UO2,UO1,UI2,2、工作原理,则，暂态：UO1=0、UO2=1,接下来：C1充电、C2 放电,假设，某一时刻，电路出现 UO1=0、UO2=1的状态，,0,0,1,1,C2放电回路：,UI1,UOL1,UOH2,C2+RF1 UOL1 UOH2 C2-,C2放电使UI1。,C2放电：,UI2,UOH2,UOL1,C1充电：,暂态：UO1=0、UO2=1,C1充电等效回路：,UOH2 RE1 C1 UOL1,（RE1=RF2R1）,C1充电使UI2。,由于RE1 RF1（当电路对称时），,所以，充电比放电快。,C1充电 UI2=VTH 时 G2导通 UO2=0,UI1=0 UO1=1,暂态：UO1=1、UO2=0,C2充电 UI1=VTH 时 G1导通 UO1=0,UI2=0 UO2=1,电路回到暂态。,循环往复，直到关机。,总之：,UO1=0UO2=1,UO2=0UO1=1,UO1=1UO2=0,UO1=0UO2=1,VTH,VTH,VIK,VIK,T1,T,4、计算,在RF1=RF2=RF，C1=C2=C 时：,T1 RFC ln,UOH-,UOH-,如果G1、G2为74LS系列反相器，,UOH=3.4V，VIK=-1V，VTH=1.1V,在RFR1时，,T1=0.65 RFC,振荡周期：T=2T1=1.3RFC,振荡频率：f=1/T,占空比：q=(T1/T)100%,3、电压波形,C2放电、充电,C1充电、放电,VTH,VIK,二、环形振荡器,1、组成,利用门电路的传输延迟时间tpd，将奇数个反相器首尾相接。,UO1,UO2,UO3,2、工作波形,tpd,3、计算,TW=ntpd；,T=2TW；,f=1/T,一般，tpd=,TTL类几十 ns,CMOS类几百ns,（所以，环形振荡器的振荡频率f 特别高）,为了获得较低的、可调的f，可在环形回路中增加RC延时环节。,TW,n是门的数目。,6-4-2 用施密特触发器构成多谐振荡器,1、组成,UI,UO,2、工作原理,接通VCC瞬间，C中无电荷，所以：,1）UC=0,3、电压波形,0,0,VT+,VT-,若是CMOS电路，,T1,T2,T,T1=RC ln,VDD-,VDD-,T=T1+T2；,f=1/T；,q=T1/T,UI=0,UO=1,VT-,VT+,T2=RC ln,0-,0-,VT+,VT-,则：,5、电路改进,占空比可调电路如图：,充电经过R2，放电经过R1，,q=T1/T,T=T1+T2,调节R1 或 R2，即可调节q,10-4-3 石英晶体多谐振荡器,一、石英晶体,许多应用场合。要求多谐振荡器的振荡频率f十分稳定，（如数字钟的秒脉冲频率）。上述电路的 f 都达不到要求。最简便的稳频方法是在多谐振荡器中接入石英晶体，构成石英晶体多谐振荡器。,石英晶体的固有振荡频率 fo 由结晶方向、外形尺寸决定；频率稳定度（fo/fo)可达10-1010-11。,fo,电容性,电感性,电抗频率特性曲线,当外加电压的频率f=fo 时，其电抗 X=0。,2、工作原理,当UO的频率f=fo 时，反馈最强，电路才起振。,fo 的稳定度极高，这就解决了多谐振荡器的稳频问题。,结果：f=fo。,符号,二、石英晶体振荡器,1、组成,将石英晶体接到多谐振荡器的正反馈回路中。,3、参数选择,各种固有振荡频率fo的石英晶体已做成成品，可根据所购晶体的fo选择电路的外接RF 和C，,fo一般都很高，应利用分频器将fo分频为所需频率。,例如，需要频率为1HZ的秒脉冲,可选购 fo=32768HZ的晶振，通过15次二分频获得1HZ。,10-5 555定时器及其应用,555定时器是单片集成电路，用途广，,可构成施密特触发器、,单稳态触发器、,多谐振荡器等。,双极型产品型号的后三位数码为555。,单极型产品型号的后四位数码为7555。,其功能和外部引脚的排列完全相同。,10-5-1 555定时器的电路结构与功能,一、组成与特点,VR1,VR2,UO,TD,+VCC,CO,U6,U2,1,2,6,5,8,4,3,7,（TH）,当CO端不接控制电压UCO时：,国产CB555的结构框图：,它由三个5K电阻、,比较器C1和C2、,基本RS触发器,和放电管TD 组成。,相当于：,C1出1；,C1出0。,反相,同相,U6,U2,放电管TD的作用：给外接电容C提供放电通路。,结构图的等效简化电路：,相当于：,C2出0；,C2出1。,由C2同相输出。,二、工作原理,输 入,过 渡,输 出,U6,U2,Q,TD状态,0,X,X,X X,导通,1,导通,1,截止,1,保 持,表 1 CB555功能表（CO端悬空时）,表1 的主要内容见表2：,工作原理见表1,由表2可得如下口诀：,大于、大于、出0；,小于、小于、出1；,小于、大于、保持,0,1,1,0,1,1,0,1,0,1,1,0,当CO端接有UCO 时：,VR2=,三、说明,VR1=,UCO、,所有结论仍成立。,四、电路符号,555 定时器的电源电压范围较宽，,CMOS类：VDD为318伏，（UOHVDD95%，IOm4mA）,TTL类：VCC为516伏，（UOHVCC90%），IOm200mA）,UO,TH,TD,CO,VCC,GND,UCO，,10-5-2 555定时器接成施密特触发器,二、工作原理,（设：UI为模拟三角波）,UI,U6 U2,UO,0,1,0,1,三、电压波形,一、组成,UI,UO,+VCC,0.01uF,从电压波形知：,此为施密特反相器。,10-5-3 555定时器接成单稳态触发器,R,C,UI,+,-,二、工作原理,要求触发信号为负的窄脉冲,C,UC,U6,（UC）,U2,（UI）,UO,（Q）,TD,说 明,充电,0,导通,稳态：UO=0,放电,保 持,接通VCC 不触发UI=1,0,1,截止,暂态：UO=1,充电,0,导通,返回：UO=0,放电,保 持,UI=1,一、组成,无电荷,触发,总之：不触发，UO=0；,UO=1维持一段时间又返回UO=0,充电回路：VCC+RC VCC-（充电慢）,放电回路：C+TD C-（放电快）,三、电压波形,TW,TWRC ln3=1.1RC,触发,UO=1,注意；第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。,10-5-4 555定时器接成多谐振荡器,R1,R2,C,等效为施密特触发器构成的多谐振荡器，,电压UC是施密特触发器的输入电压，,二、工作原理,UC,U6,U2,UO,TD,起始时,0,1,截止,C充电,0,导通,C放电,1,截止,循环往复，直到关机。,一、电路组成,三、电压波形,总之：起始时，UC=0，UO=UOH,UO 在 UOLUOH 之间振荡,T1,T2,充电回路：VCC+R1R2 C VCC-（充电慢）,放电回路：C+R2 TD C-（放电快）,T1=0.69(R1+R2)C；,T2=0.69R2C；,T=0.69(R1+2 R2)C；,q=T1/T,以后,T1=(R1+R2)C ln,VCC-,VCC-,VT-,VT+,T2=R2C ln,0-,0-,VT+,VT-,四、电路计算,本例：,=,R1+R2,R1+2 R2,555定时器应用举例：,下图是用555定时器接成的延时报警器。当开关S断开后，经过一定的延迟时间后扬声器开始发出声音。试求延迟的时间TD和扬声器发出声音的频率f。,UO1,UO2,解：,（1）,（2）,（1）片接成施密特触发器，,U6=U2=UC1 的电压波形通过操纵开关S获得。,（2）片不工作。,（2）片接成多谐振荡器。,当UO1=1时；,当UO1=0时；,（2）片自激振荡，,喇叭出声。,工作波形：,S闭合,S断开,S闭合,VCC,喇叭响,TD,TO2=0.69(R1+2R2)C=0.69(5+25)103 0.0110-6103.5S,fO2 9.66KHZ,U6、U2,TO2,应用举例：触摸定时控制开关,555定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片P，由于人体感应电压相当于在触发输入端（管脚2）加入一个负脉冲，555输出端输出高电平，灯泡（RL）发光，当暂稳态时间（tW）结束时，555输出端恢复低电平，灯泡熄灭。该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由RC参数调节。,