清华大学数电10脉冲电路课件.ppt

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1、1,第十章 脉冲波形 的产生和整形,第一节 概述,本章只讨论矩形脉冲。,矩形脉冲的主要参数：,脉冲周期T；,脉冲频率：,脉冲幅度VM；,脉冲宽度tW；,上升时间tr；,下降时间tf；,本章讨论三种脉冲电路：施密特触发器；单稳态触发器；多谐振荡器。,每种电路都有三种构成方式：集成；用门电路构成；用555电路构成。,本章只介绍用555电路构成的脉冲电路。,f=1/T,占空比q：,q=tw/T.,【题10.1】【10.20】,2,第二节 555定时器及其应用,一、555定时器的电路结构与功能,555电路又称为集成定时器。,1972年由Signetics公司推出。既有双极型产品，也有MOS型产品。它们

2、产品型号的最后3位数码都是555.如：,CB555 是国产双极型电路；,CH7555是CMOS型电路。,清零端,控制电压,阈值端、高触发端,触发端、低触发端,放电端,CB555电路结构图,3,低,导通,1,低,导通,1,导通,低,（不变）,高,截止,1,1,高,截止,（不变）,VCO,电路的功能：,有两个阈值电压：,VR1=2VCC/3,VR2=VCC/3,随着TH端和TR端的电压不同，其工作状态将发生变化：,2VCC/3,VCC/3,0,注意修改表10.5.1及前面的论述,4,二、构成施密特触发器（Schmitt Trigger）,（一）施密特触发器的特点：,1.输入信号从低电平上升的过程中

3、，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入电平不同。,2.在电路状态转换时，通过电路内部 的正反馈过程使输出电压波形的边沿很陡。见457页,（二）工作原理：,分析输入电压由0V上升到VCC和由VCC下降到0V时，电路状态如何变化。,将TH端和TR端并联作输入端，接输入电压,5,0,t,V T+:正向阈值电压或上限阈值电压,VT-:负向阈值电压或下限阈值电压,V=VT+-VT-：回差,电压传输特性,若改变VCO值VT+,VT-的值将改变。,VOH,0.01,特点：,由于有比较器，允许输入信号慢变化；,由于有触发器，输出端边沿好。,V T+,V T-,请记录,458页,

4、6,（三）施密特触发器的应用（见464页）,1.波形变换,2.脉冲整形,3.脉冲鉴幅,波形变换,脉冲整形,脉冲鉴幅,7,（四）其他类型的施密特触发器,用门电路也可构成施密特触发器；还有集成的施密特触发器。,用门电路构成的施密特触发器已很少使用，这里不作介绍。,集成施密特触发器既有TTL型，也有CMOS型。,如74LS14是集成施密特触发六反相器；74LS132是施密特触发的四2输入与非门。,如CC40106是集成施密特触发六反相器；CC4093是施密特触发的四2输入与非门。,8,三、构成单稳态触发器(Monostable Multivibration),（一）单稳态触发器的特点,1.有两个状态

5、稳态、暂稳态；,2.在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动返回；,3.暂稳态维持时间长短取决于电路本身参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。,单稳态触发器,tW,tW由电路内部参数决定,暂稳态,稳态,9,（二）工作原理,1.稳态,=VH,设TD工作在饱和状态，则：,VC=VTH=0V,555电路处于保持状态，且一定是VO=VL，,这是因为若假设TD截止，则不合理。,2.触发,555电路状态翻转为VO=VH,此时TD截止，VC保持0V不变。,3.暂稳态,电容C充电,=VIL,充,其三要素为：,(0)=0V,()=VCC，,=RC,VCC,下页,10,充,当=2/3

6、 VCC时，555电路翻转为输出VL,而 保持不变。,5.恢复,由于TD导通，电容C向TD放电，使 迅速下降为0V。,4.自动返回,上页,VCC,放,用三要素法描述过渡过程:,11,（三）参数计算（以脉冲宽度为主）,1.脉冲宽度tW,得到公式：,tW,VCC,0V,2.恢复时间tre:,tre=(35)rcec,3.分辨时间td:,td=tw+tre,tre,*该电路特点：,窄脉冲触发。,触发脉冲的最小周期,触发脉冲宽度要小于输出脉冲宽度,RC,2/3VCC,12,若条件不满足可在输入端加微分电路（供参考）,13,（四）应用（请记录）,1.整形改变输入脉冲的占空比。,2.定时（延时）,控制脉冲

7、,被测脉冲,例1：数字频率计。,例2：延时触发,能输出固定宽度的脉冲。,宽度为1秒的正脉冲,延迟时间为tW1，输出脉宽为Tw2.,14,（五）其他类型的单稳态触发器,用门电路可构成单稳态触发器；,也有集成的单稳态触发器。,1.集成单稳态触发器,既有TTL电路产品，也有CMOS电路产品。介绍74121。只介绍如何使用。（见471页）,有三个输入端：,A1,A2为下降沿触发输入端；,B为上升沿触发输入端。,有两个互补的输出端VO、VO。,电容需外接；电阻可选择内部的，也可外接。接法如图。,可用功能表或波形图说明其工作原理。,使用内部电阻,15,保持,A端触发,B端触发,10,16,工作波形：,输出

8、脉宽的计算：,从器件手册可查到计算公式。74121的公式如下：,tW 0.69RextCext,Rext的取值在2K 到30K 之间；,Cext的取值在10pF到10 F之间。,tW的范围在20nS到200mS之间。,也可使用内部电阻Rint代替外接电阻Rext。Rint约为2K。,74121是不可重复触发的。而74122是可重复触发的。见图示。,17,2.CMOS微分型单稳态触发器,（1）工作原理,输入端微分电路提取 的上升沿。,稳态：,=VDD，,=0，,=0。,触发：,暂稳态：,=0，,=VDD，,=VDD。,i充,C充电,VDD,三要素为：,(0)=0，,()=VDD，,=RC。,自动

9、返回：,条件：VTH。,18,VDD,=0，,=VDD，,VDD。,恢复过程：,电容C放电至起始状态。所用时间为：,Tre=(35)CRON,（2）计算脉宽tW,等于 由0V上升到VTH所用的时间：,门G1的输出电阻,0.5VDD,取消输入微分电路会使输出后沿变坏。,i充,19,不需输入信号即可产生矩形脉冲。,四、构成多谐振荡器(Astable multivibrator),（一）多谐振荡器的特点,（二）电路的原理,刚接通电源：,=0V,TD截止。,此时为暂稳态1：,i充,C充电,VCC,三要素为：,(0)=0V,1/3VCC,()=VCC,在t1时刻=2/3VCC，555电路翻转。,t1,C

10、放电,0,i放,=VH，,进入暂稳态2=VL，TD导通。,先接成施密特触发器,20,三要素为：,(0)=2/3VCC，,()=0V，,在t2时刻=1/3VCC，555电路翻转。,（三）计算周期T=T1+T2,i充,i放,充,1/3vcc,2/3vcc,占空比：,f=1/T,VCC,t1,0,t2,VCC,t1,0,t2,给施密特触发器输入锯齿波可产生矩形波,21,（四）改进电路,占空比可调的多谐振荡器,T1=R1Cln2,T2=R2Cln2,q=,T=(R1+R2)Cln2,解：,可选VCC=5V,由q公式，且q=2/3可求出：,R1=R2,由于,T=(R1+2R2)Cln2,R1=48K,选

11、C=10 F代入上式求出,R2=R1=48K,上述电路占空比始终大于50%,且不可调。,C选择原则:过大则漏电流大过小则电阻太大二者均可使周期不准,22,（五）用门电路构成的多谐振荡器,1.非对称式多谐振荡器,(1)工作原理,采用CMOS门；,RF使门1工作在转折区。,因此门2也工作在转折区，电容C引入正反馈，使电路振荡。,设t1时刻G1输出低电平、G2输出高电平。定为暂稳态2。,当 VTH时，产生连锁反应：,随之电路进入暂稳态1。见下页图。,C充电,VDD,0,i充,23,C放电,在t2时刻：,在暂稳态1：,t1,t2,i放,三要素为：,放=RFC。,t3,在t3时刻 VTH，又发生连锁反应

12、，进入暂稳态2：,(0)=VTHVDD，,在暂稳态2，C充电的三要素为：,(0)=VTHVDD，,()=VDD，,充RFC,()=0,VDD,0,回前页,24,(2)周期计算：,T=T1+T2,将前面的三要素代入下面的公式，即可求出T1和T2：,T=2.2RFC,思考：若将RP短路，会发生什么情况？,用TTL门构成这种多谐电路也可，但分析较复杂。,(0)=VTHVDD，,暂稳态2，C充电的三要素为：,充RFC,()=0,()=VDD，,放=RFC。,(0)=VTHVDD，,暂稳态1中，C放电三要素：,25,2.石英晶体多谐振荡器,符号,构成：在对称式多谐振荡器的反馈回路中串入石英晶体。,石英晶体电抗的频率特性如图。f0 称为固有频率。,原理：只有振荡频率等于f0时，晶体的阻抗为0（最小），电路才能产生振荡。因此输出频率一定为f0。,用TTL或CMOS门都可构成石英晶体多谐振荡器。,26,【题6.31】,振荡频率：代入公式得9.66KHz.,延迟时间：,=11S,