脉冲波形的产生与整形电路.ppt

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1、第七章,脉冲波形的产生与整形电路,7.1 脉冲信号与脉冲电路 7.2 施密特触发器 7.3 单稳态触发器 7.4 多谐振荡器 7.5 555定时器及其应用 7.6 用Multisim 10分析555定时器,一、本章内容,1.掌握施密特触发器的工作原理。2.掌握单稳态触发器的工作原理。3.掌握多谐振荡器的工作原理。4.掌握555定时器电路结构及其应用。5.掌握基本脉冲电路的设计。,二、本章教学目的与要求,三、本章知识结构,7.1 脉冲信号与脉冲电路,在电子技术中，脉冲信号是一个按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出的脉冲信号。脉冲信号之间的时间间隔称为周期；而将在单位时间（如1秒）内所产生的脉冲个

2、数称为频率。频率是描述周期性循环信号（包括脉冲信号）在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称；频率的标准计量单位是Hz（赫兹）。脉冲的原意被延伸出来即隔一段相同的时间发出的波等机械形式，学术上把脉冲定义为在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量称之为脉冲。,7.1.1 脉冲信号 脉冲信号现在一般指数字信号，它已经是一个周期内有一半时间（甚至更长时间）有信号。脉冲信号是一种离散信号，与普通模拟信号（如正弦波）相比，波形之间在时间轴不连续（波形与波形之间有明显的间隔）但具有一定的周期性是它的特点。脉冲信号可以用来表示信息，也可以用来作为载波，比如脉冲调制中的脉冲编码调制（PCM），脉冲宽度

3、调制（PWM）等等，还可以作为各种数字电路、高性能芯片的时钟信号。,（a）方波（b）矩形波（c）梯形波（d）锯齿波（e）钟形波（f）三角波（g）尖峰波（h）阶梯波,脉冲宽度,脉冲幅度,下降时间,上升时间,脉冲周期,理想的矩形波波形,实际的矩形波波形,7.1.2 脉冲电路,脉冲有各种各样的用途，有对电路起开关作用的控制脉冲，有起统帅全局作用的时钟脉冲，有做计数用的计数脉冲，有起触发启动作用的触发脉冲等等。这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种则是对已有信号进行整形，使之满足系统的要求。脉冲电路是专门用来产生电脉冲和对电脉冲进行放大、变换和整形的电路。家用电

4、器中的定时器、报警器、电子开关、电子钟表、电子玩具以及电子医疗器具等，都要用到脉冲电路。,脉冲电路的特点是脉冲电路中的晶体管是工作在开关状态的。大多数情况下，晶体管是工作在特性曲线的饱和区或截止区的，所以脉冲电路有时也叫开关电路。脉冲电路的另一个特点是一定有电容器（用电感较少）作关键元件，脉冲的产生、波形的变换都离不开电容器的充放电。脉冲波形的整形电路中，最常用的电路有施密特触发器和单稳态触发器；脉冲波形的产生电路中，最常用的电路是多谐振荡器。,7.2 施密特触发器,施密特触发器是一种常用的脉冲波形整形电路，能够将边沿变化缓慢的脉冲信号波形整形为边沿陡峭的矩形波。它具有如下两个特点：一是滞回特

5、性，即对于正向和负向变化的输入信号，分别有不同的临界阈值电压。二是电平触发，即当输入信号达到一定的电压值时，输出电压会发生突变。这一特点对于缓慢变化的信号仍然适用。因此施密特触发器是一种受输入信号电平直接控制的双稳态电路。,在此，称VT+为正向阈值电压，VT为负向阈值电压。显然，施密特触发器的正向和负向阈值电压是不等的，定义二者之差VT为回差电压，即VT=VT+VT。,1.电路结构,假定图中CMOS反相器的阈值电压为VTH 1/2VDD，设电阻R1R2。,7.2.1 门电路构成的施密特触发器,当输入UI为0V时，G1截止、G2导通，输出UO为0V，0。当输入电压UI逐渐上升到=VTH时，G1进

6、入电压特性的转折区，所以电路将发生如下正反馈：UO1UO 使电路迅速跳变到 UO=VOH VDD。由此可求出上升过程中电路发生转换时的输入电平VT+。,2.工作原理,当UI从高电平下降时，也下降；当UI下降使 趋于G1门的阈值电压VTH时，G1门和G2门又处在要翻转的边缘；当UI下降使=VTH时，UO1=UOH，UO=UOL0。由此可求出此电路在UI下降过程中的负向阈值电压VT。,VTVT+-VT,3.电压传输特性,同相传输特性,反相传输特性,7.2.2 集成施密特触发器,CMOS集成施密特触发器,集成施密特触发器CC40106的逻辑功能图,集成施密特触发器CC40106的主要静态参数,2.T

7、TL集成施密特触发器 TTL施密特触发器具有以下特点：输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作；对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿；带负载能力和抗干扰能力都很强。TTL集成施密特触发器74LS13、74LS14、74LS132的主要参数典型值如表7-2所示。,表7-2 TTL集成施密特触发器的主要参数,7.2.3 施密特触发器的应用,1.用作接口电路,施密特触发器用作TTL接口电路,2.用作整形电路,3.用作脉冲鉴幅 如果将一系列幅度不相同的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些信号幅度大于VT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。因此，施密特触发器能将幅度大于VT+的脉冲选出，如图所

8、示。,用施密特触发器鉴别脉冲幅度,7.3 单稳态触发器,施密特触发器是双稳态电路，有0、1两个稳态，状态改变受外加信号控制。而单稳态触发器是单稳态电路，有一个稳态（0态或1态）和一个暂稳态，在外加输入信号的作用下电路由稳态翻转到暂稳态，保持一段时间后又自动返回原来的稳态。单稳态触发器的输出通常为宽度恒定的脉冲信号，而暂稳态的时间仅取决于电路自身的相关参数。,7.3.1 门电路构成的单稳态触发器,用门电路组成单稳态触发器有微分型和积分型两大类。下面以微分型单稳态触发器为例进行讲述。1.电路结构,微分型单稳态触发器,2.工作原理 此电路用负脉冲触发无效，只有在正的窄脉冲触发时，电路才有响应。,触发

9、时，UI=1，UO1=0，由于电容C两端的电压在触发瞬间不能突变，所以UI2=0，使UO=1。故有暂态UO=1。,接下来，电容C充电，充电回路为VDDRCUO1，充电使UI2升高。当UI2升高到G2门的阈值电压VTH时，UO突跳为0，电路返回到自然稳态：UO=0。,2.工作原理 此电路用负脉冲触发无效，只有在正的窄脉冲触发时，电路才有响应。,接下来，电容C开始放电，放电回路有两条，分别为UI2RVDD和UI2G2VDD，放电使UI2下降，当UI2下降到等于VDD时（此时，C两端均为VDD，C中无电荷），电路稳定，保证UO=0。,当UO=0时，=0，UI=0（UI为窄脉冲，触发高电平此时已经消逝

10、），所以UO1从“0”突跳为“1”（即上升了VDD）；由于电容C两端的电压瞬间不能突变，所以UI2也应该从VTH突跳为VTH+VDD，但实际上由于G2门输入端有钳位二极管，所以UI2实为VDD0.7V。,充电等效电路,放电等效电路,电压波形,3.输出电压脉宽tw的计算,tw等于UI2从0上升到VTH所对应的时间,电容C的充电时间常数=RC，初始值UI2（0+）=0，稳定值UI2（）=VDD，转换值UI2（tw）=VTH1/2 VDD,7.3.2 集成单稳态触发器,TTL集成单稳态触发器74121 74121是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加以输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。,逻辑符号图

11、,工作波形图,外接电阻（下降沿触发）,内接电阻（上升沿触发）,2.主要参数（1）输出脉冲宽度tw 集成单稳态触发器74121的输出脉冲宽度。当使用外接电阻电阻时，tw0.7RextC；当使用内部电阻时tw0.7RintC。（2）输入触发脉冲最小周期Tmin 输入触发脉冲最小周期Tmin为输出脉冲宽度和恢复时间之和，即Tmin=twtre。（3）周期性输入触发脉冲占空比q 周期性输入触发脉冲占空比q定义为q=tw/T，其中T是输入触发脉冲的重复周期，tw是单稳态触发器的输出脉冲宽度。,3.集成单稳态触发器的重复触发问题 集成单稳态触发器有不可重复触发型和可重复触发型两种。不可重复触发的单稳态触发

12、器一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束以后，它才能接受下一个触发脉冲而转入下一个暂稳态，如图7.16（a）所示。而可重复触发的单稳态在电路被触发而进入暂稳态以后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个tw宽度，如图7.16（b）所示。,图7.16 单稳态触发器的不同工作波形（a）不可重复触发型（b）可重复触发型,7.3.3 单稳态触发器的应用,1.定时与延时,单稳态触发器用于延时与定时,2.脉冲整形 单稳态触发器还能够把不规则的输入信号，整形成幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲，如图所示。图中UI是输入的不规则信号，UO是输出信

13、号，UO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，UO的宽度tw取决于暂稳态时间。,7.4 多谐振荡器,7.4.1 门电路构成的多谐振荡器 多谐振荡器也称自激振荡器，是产生矩形脉冲波的典型电路，常用来做脉冲信号源。多谐振荡器没有输入端，接通电源便自激振荡。多谐振荡器起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此又称它为无稳态电路。,对称式多谐振荡器,由于电路没有稳定状态，所以在静态时它的状态是不稳定的，必须使反相器G1、G2工作在电压传输特性曲线的转折区，以保证电压放大倍数大于1，此时只要G1或G2的输入端有极小的扰动，就会被正反馈回路放大而引起振荡。只要电阻

14、RF1和RF2的取值选择合适，就可以使G1、G2在静态时工作在电压传输特性曲线的转折区。,假设某一时刻，电路由于某种原因使UI1有个极小的正跳变，则通过正反馈回路使UO1迅速跳变为低电平，UO2迅速跳变为高电平，即电路进入第一个暂稳态：UO1=0、UO2=1。接下来，电容C1开始充电、C2 开始放电。,电容C1充电等效电路,电容C2放电等效电路,从图中可以看出，电容C1同时经过R1和RF2两条支路充电，电容C2经过RF1放电，所以电容C1充电速度较快，UI2首先上升到G2的阈值电压，即UI2变为高电平，经过正反馈回路作用，使UO2迅速跳变为低电平，UO1迅速跳变为高电平，即电路进入第二个暂稳态

15、：UO1=1、UO2=0。此时，电容C1开始放电、C2 开始充电。,工作电压波形,当C1=C2=C、RF1=RF2=R时，T=T1+T2=2 T1,2.环形振荡器 环形振荡器是利用闭合回路中的延迟负反馈作用形成振荡的，将奇数个反相器首位相连就可以形成环形振荡器，利用3个反相器构成的环形振荡器如图所示。,环形振荡器的工作电压波形,振荡周期T=6tpd,根据以上分析可知，将任何大于、等于3的奇数个(n个)反相器首尾相连，都可以产生自激振荡，而且振荡周期为,T=2ntpd,由于门电路的传输延迟时间极短，TTL电路不超过100ns，CMOS电路不超过200ns，所以环形振荡器的振荡频率比较高。如果想获

16、得稍低一些的振荡频率是比较困难的，并且频率不宜调节。为了克服这两个缺点，可以在电路上增加延迟环节，组成带RC延迟电路的环形振荡器，如图所示。,7.4.2 石英晶体多谐振荡器,若在石英晶片的两极加上一个电场，晶片将会产生机械变形。若在晶片上施加机械压力，则在晶片相应的方向上会产生一定的电场，这种物理现象称为压电效应。因此，当在晶片的两极加上交变电压时，晶片将会产生机械变形振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片的机械振动的振幅和交变电场的振幅都非常微小，只有在外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅才会突然增加，比一般情况下的振幅要大得多，这种现象称为压电谐振。这和LC回路的

17、谐振现象十分相似，因化，石英晶体又称为石英谐振器。上述特定频率称为晶体的固有频率或谐振频率。,图7.25 石英晶体的电抗频率特性和符号（a）电抗频率特性（b）等效电路（c）电路符号,从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即当L、C、R支路发生谐振时，它的等效阻抗最小(等于R)。串联谐振频率为,当频率高于fs时，L、C、R支路呈感性，可与电容Co发生并联谐振，并联谐振频率为,由于CCo，因此fs和fp非常接近。,石英晶体多谐振荡器,7.5 555定时器及其应用,7.5.1 555定时器的组成与功能,输出缓冲器,OC输出的三极管,比较器,基本RS触发器,导通,导通,不变,截止,截止,0

18、,0,不变,1,1,0,1,1,1,1,X,X,7.5.2 555定时器的典型应用,用555定时器构成施密特触发器 将阈值输入端UTH和触发输入端UTR连接在一起，作为信号输入端，就可以构成施密特触发器。,工作波形,电压传输特性,2.用555定时器构成单稳态触发器 将555定时器的触发输入端UTR作为触发信号输入端，将由TD和RDIS构成的反相器输出电压UDIS接至阈值输入端UTH，并在阈值输入端UTH对地接入电容C。,暂稳态输出的宽度,触发脉冲宽度要小于输出脉冲宽度,加微分电路,不可重复,与触发脉冲的宽度和幅度无关,电路应用,利用555定时器构成的单稳态触发器，只要用手触摸一下金属片P，由于

19、人体感应电压相当于在触发输入端UTR加入一个负脉冲，555定时器输出端UO输出高电平，灯泡L被点亮，当暂稳态时间tw结束后，555输出端UO恢复为低电平，灯泡L熄灭。,触摸式定时控制开关电路,3.用555定时器构成多谐振荡器 先利用555定时器构成施密特触发器，然后将施密特触发器的输出端经RC积分电路接到施密特触发器的输入端。为了减轻555定时器输出缓冲器的负载，在电容C较大时不宜直接由输出端提供电容的充电电流和放电电流，经常采用的方法是将TD和RDIS构成的反相器输出电压UDIS经RC积分电路接到UTR端。,电容C充电时，充电时间常数1=（R1+R2）C，初始值UC（0+）=1/3 VCC，

20、稳定值UC（）=VCC，转换值UC（T1）=2/3 VCC，,电容C放电时，放电时间常数2=R2C，初始值UC（0+）=2/3VCC，稳定值UC（）=0，转换值UC（T2）=1/3VCC，,占空比q始终大于50%，为了使占空比等于或小于50%,电路应用,用多谐振荡器构成的双音门铃电路,当按钮开关AN按下时，开关闭合，VCC经D2向电容C3充电，点电位UP迅速充至VCC，复位信号解除；由于D1将R3旁路，VCC经D1、R1、R2向电容C1充电，充电时间常数为（R1+R2）C1，放电时间常数为R2C1，多谐振荡器产生高频振荡，喇叭发出高音。,当按钮开关AN松开时，开关断开，由于电容C3储存的电荷经

21、R4放电要维持一段时间，在UP降至复位电平之前，电路将继续维持振荡。此时VCC经R3、R1、R2向电容C1充电，充电时间常数变为（R1+R2+R3）C1，放电时间常数仍为R2C1，多谐振荡器产生低频振荡，喇叭发出低音。,7.6 用Multisim 10分析555定时器,555定时器构成的多谐振荡器仿真电路,仿真结果,本章小结,本章主要介绍了施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的电路结构、工作原理、工作波形以及电路参数的计算，并介绍了它们在数字电路中的应用。施密特触发器是典型的脉冲整形电路。施密特触发器在性能上有两个重要特点，一个为电平触发，另一个为电压滞后传输，输入信号UI从低电平上升过程中

22、，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。施密特触发器常被用作接口电路、整形电路和鉴幅电路。,单稳态触发器有一个稳定状态和一个暂稳状态，在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳定状态。单稳态触发器在数字系统和装置中，通常用于定时、整形以及延时等。多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。石英晶体多谐振荡器，利用石英晶体的选频特性，只有频率为fo的信号才能满足自激条件，产生自激振荡，其主要特点是fo的稳定性极好。555定时器是一种用途很广的集成电路，除了能组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器以外，还可以接成各种灵活多变的应用电路。,