脉冲波形的产生zha.ppt

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1、第8章 脉冲波形的产生与整形,通常，把非正弦波称之为脉冲波。按脉冲波形的形式分成矩形波、梯形波、阶梯波、锯齿波等。本章主要介绍用多谐振荡器直接产生矩形波和利用整形电路获得矩形波的方法。一些概念集成555定时器及应用,一些概念,矩形脉冲波常作为时钟信号。波形的好坏直接关系到电路能否正常工作。为了定量描述矩形脉冲波，通常采用如图所示参数。,tr,tf,0.1Vm,0.5Vm,0.9Vm,TW,Vm,T,脉冲波形参数,脉冲宽度,脉冲幅度,上升时间,下降时间,占空比q,脉冲频率f,集成555定时器及应用,集成555定时器的用途很广，有双极型（型号最后三位为555）和CMOS型（型号最后四位为7555）

2、两类电路。它们的功能、外引线排列完全相同。应用：在测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域得到了广泛的应用。本节主要介绍5G555定时器的电路组成及工作原理和集成555定时器的应用,电压比较器：,V+V：VO=VOH；V+V：VO=VOL,集成555定时器及应用,图8-1为双极型5G555定时器的原理电路和引脚排列图。,VC1(VR),VC2(VS),1,图8-1 集成5G555定时器原理图,0.01F,集成555定时器及应用,双极型5G555定时器的工作原理：,0,1,0,1,2VCC/3,0,1,0,2VCC/3,VCC/3,不变,不变,1,1,2VCC/3,VCC/3,1,0,0,1,集

3、成555定时器及应用,可以得到5G555定时器的功能表，如表8-1所示。,集成555定时器应用,用5G555定时器可以构成多谐振荡器单稳态触发器施密特触发器,多谐振荡器,多谐振荡器是一种产生矩形脉冲波的自激振荡器。由于矩形波含有丰富的高次谐波，所以矩形波振荡器又称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，不需外加触发信号，当接通电源后，便可以自动地周而复始地产生矩形波输出。,多谐振荡器,用555定时器很容易构成多谐振荡器。如图8-2所示。,VCC,0.01F,TH,TL,d,vC,图8-2 多谐振荡器,多谐振荡器,工作原理分析如下：,电路接通电源前，vC=0V，vTH=vTL=vd=vC=0V,0V,

4、电路接通电源VCC开始时，由于电容器上的电压不能突变，则vTHVR1，vC1=1，vTLVR2，vC2=0。,VCC,0,tw1,tw2,VCC,T,图8-3多谐振荡器工作波形图,vo,基本RS触发器处于1状态,定时器输出vO=1三极管开关截止，电源VCC通过R1、R2给电容器充电，使TH、TL的电位逐渐升高。,定时器暂稳态，输出vO高电平。,多谐振荡器,振荡周期T和振荡频率f的近似计算：tw1(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C tw2R2Cln20.7R2CT=tw1+tw20.7(R1+2R2)C,输出脉冲幅度为：VmVCC,多谐振荡器,图8-4是用5G555定时器构成的占空比(

5、脉冲宽度与周期之比)可调的多谐振荡器。,充电电流,放电电流,脉冲宽度tw10.7R1C脉冲间隔时间tw20.7R2C振荡周期T0.7(R1+R2)C,例8-1,试用555定时器设计一个每隔6秒振荡一秒的多谐振器。其振荡频率为500Hz。解：例题有两个要求是振荡1秒之后停振6秒，然后再振荡1秒，.。二是振荡频率为500Hz，即1秒之内输出500个矩形脉冲。只要在振荡频率为500Hz的多谐振荡器的复位R端，加入1秒的高电平，接下来是6秒的低电平，便可达到题目的要求。为此，需设计一个占空比q=1/7，周期T=7秒的多谐振荡器。由于占空比小于1/2，则应选择图8-4所示电路。,例8-1,根据,求得：R

6、2=6R1；根据T=0.7(R1+R2)C=0.7(R1+6R1)C，取C=10F，算得：R1=143k。R2=857k。对于500Hz多谐振荡器的占空比，题目未提出要求，现选占空比等于2/3，根据 算得：R3=R4根据T=0.7(R3+2R4)C，取C=1F，算得：R3=R4=0.95k，,例8-1,根据上述设计，画出例8-1的电路如图8-5所示。,单稳态触发器,单稳态触发器是一种用于整形、延时、定时的脉冲电路。整形：把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的矩形脉冲。延时：将输入信号延迟一定时间之后输出。定时：产生一定宽度的方波。单稳态触发器电路的功能：每触发一次，电路输出一个宽度一定、幅度一

7、定的矩形波。,单稳态触发器具有如下特点：,单稳态触发器有稳态：未加触发信号前的状态；暂稳态：加触发信号后的状态。外加触发脉冲，单稳态触发器从稳态翻转到暂稳态。暂稳态维持一段时间后，自动返回到稳态，无需外加触发脉冲。暂稳态持续的时间是单稳态触发器的脉冲宽度的大小。只取决于电路本身的参数，而与触发脉冲无关。,单稳态触发器的构成,图8-5是5G555定时器构成的单稳态触发器，图中R、C是定时元件。,VCC,0.01F,7,6,D,TH,TL,d,vI,图8-6 单稳态触发器,单稳态触发器的构成,电路稳态时VC1=VC2=1，Q=0。,翻转过程：电路由稳态翻转到暂稳态；并且电路自动回到稳态。,单稳态触

8、发器的构成,电路稳态时VC1=VC2=1，Q=0。翻转过程：电路由稳态翻转到暂稳态；并且电路自动回到稳态。,VCC,0,VCC,0,VCC,Tw,vI,vO,图8-7单稳态触发器工作波形,单稳态触发器的构成,如果忽略三极管的饱和压降，则电容C从零电平上升到2VCC/3的时间为暂稳态时间，即输出脉冲宽度Tw为：,这种单稳态触发器电路要求输入触发脉冲宽度要小于Tw，而输入vI的周期要大于Tw，使vI的每一个负触发脉冲都起作用。,施密特触发器,施密特触发器是一种具有回差特性的脉冲波形变换电路。它有如下特点：施密特触发器有两个稳定输出状态，属电位触发。当输入触发信号电平达到阈值电压时(所加电位信号不得

9、撤去)，输出电平会发生突变。突变的原因是电路内部正反馈所致。这样施密特触发器便可以将缓慢变化的输入信号，变换成矩形波输出。,施密特触发器,施密特触发器回差特性。输入信号电平增加时，引起输出电平突变的转换电平称为上限阈值电压，用VT+表示。输入信号电平减小时，引起输出电平突变的转换电平称为下限阈值电压，用VT-表示。VT+和VT-不等称作回差。回差电压VT=VT+-VT-。使其抗干扰能力较强。,施密特触发器的构成及工作原理,将5G555定时器的高触发端TH和低触发端TL连接起来作为输入就构成了施密特触发器。如图8-7所示。,vI,TH,TL,VCC,vO,0.01F,图8-8施密特触发器,如果输

10、入信号电压vI是三角波，当vIVCC/3时比较器C2输出vC2=0，基本RS触发器置1，Q=1，=0，输出vO=1。,当vI上升到2VCC/3时，比较器C1输出vC1=0，此时基本RS触发器复0，Q=0，=1，输出vO=0。,施密特触发器的波形,VT+,VT-,图8-9施密特触发器工作波形,施密特触发器的电压传输特性,图8-10所示为vO=f(vI)的关系曲线，是施密特触发器的电压传输特性。,VOH,VOL,图8-9施密特触发器电压传输特性,施密特触发器的电压传输特性,施密特触发器状态的转换由输入信号vI来触发，同时输出的高、低电平依赖于vI的高、低电平来维持。输出对输入的这种依赖关系与门电路

11、相同，因此用图8-10所示的符号表示施密特触发器(施密特触发的反相器)。,门电路构成的矩形波发生器及整形电路,多谐振荡器单稳态触发器施密特触发器,多谐振荡器,最简单的环形振荡器环形振荡器是利用门电路固有的传输延迟时间，将奇数个反相器首尾相接而形成的。图8-12(a)所示的电路是一个最简单的环形振荡器，它由三个反相器首尾相接组成。这个电路没有稳定状态。,多谐振荡器,最简单的环形振荡器工作原理,tpd,图8-11 简单的环形振荡器,(b)图工作波形图,振荡周期T=6tpd。,多谐振荡器,根据上述原理，将任何大于、等于3的奇数个反相器首尾相连地串接在一起均可构成环形振荡器，而且振荡频率为T=2ntp

12、d 其中n为串联门的个数。这种振荡器的突出优点是电路极为简单。但是由于门电路的传输延迟时间极短，TTL电路只有几十纳秒，CMOS电路为一、二百纳秒，所以难于获得稍低一些的频率，而且频率不易调节。为了克服这些缺点，引入了一些改进电路。,RC环形多谐振荡器,电路结构及工作原理,限流电阻,vI3VT(1.4V)时，vO为低电平；vI3VT时，vO为高电平。,暂态I,暂态II,RC环形多谐振荡器,振荡器的暂态时间和周期的近似计算公式为：tw10.98(RR1)C tw21.26RCT=tw1+tw20.98(RR1)C+1.26RC式中的R、C是外接，R1是TTL与非门中的R1。当R1R时，振荡周期为

13、：T2.2RC,石英晶体多谐振荡器,在许多应用场合都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。例如多谐振荡器作为数字钟的脉冲源使用时，要求频率十分稳定。上述多谐振荡器中，振荡频率主要取决于门电路的输入电压上升到转换电平（阈值电压）所需要的时间，所以频率的稳定性不可能很高。第一，转换电平本身不够稳定，容易受电源和温度变化的影响；第二，电路的工作方式易受干扰，使电路状态转换提前或滞后；第三，在电路状态临近转换时，电容的充、放电已经比较缓慢，转换电平的微小变化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。因此在对频率要求很高时，必须采取稳频措施。,石英晶体多谐振荡器,石英晶体特点：频率特性稳定，具有固有谐振频率

14、f0；品质因数很高，有极好的选频特性。普遍采用在多谐振荡器中接入石英晶体组成石英晶体多谐振荡器进行稳频。,石英晶体多谐振荡器,图8-14 为石英晶体的阻抗频率特性和符号。,f0,电感性,电容性,图8-14石英晶体的阻抗频率特性与符号,电容性,石英晶体多谐振荡器,石英晶体多谐振荡器,单稳态触发器,单稳态触发器的暂稳态是靠RC电路的充放电过程来维持的，根据RC电路的不同接法，可分为微分型和积分型。以TTL与非门、RC微分电路构成的单稳态触发器为例说明其工作原理。在基本RS触发器中插入一个RC微分电路环节就构成了单稳态触发器。,单稳态触发器,如图8-16所示。,输出脉冲宽度TW近似计算：TW0.8(

15、RO+R)C公式中的RO为与非门的输出电阻，RO100。,单稳态触发器的应用,脉冲整形脉冲定时 脉冲延时,脉冲整形,单稳态触发器输出脉冲的幅度和宽度是确定的，利用这一性质，可将宽度和幅度不规则的脉冲串，整形为宽度和幅度一定的脉冲串，如图8-18所示。,脉冲定时,由于单稳态触发器能产生一定宽度Tw的矩形输出脉冲，利用这个脉冲去控制某电路，使其在Tw时间内动作（或不动作），起到了定时作用。例如，利用脉冲宽度为Tw的正矩形脉冲作为门输入的信号vB，而与门的另一个输入端信号为vA。只有当矩形波vB为1的Tw时间内，信号vA才能通过与门，输出才有脉冲，如图8-19所示。,脉冲延时,用单稳态触发器的输出v

16、O去触发其它电路，其vO的下降沿相对于单稳态触发器输入脉冲vI的下降沿就滞后了Tw时间，称这个时间为延时。逻辑图和波形图如图8-20所示。,施密特触发器,图8-21 是TTL与非门构成的施密特触发器门G1为反相器,门G2、G3组成基本RS触发器，二极管D起电平偏移作用。,图8-22是vI为三角波时输出vO随vI变化的工作波形图。,施密特触发器,施密特触发器的应用,波形的变换与整形幅度鉴别脉冲展宽电路,波形的变换与整形,利用施密特触发器可以将正弦波、三角波变换成矩形波如图8-23所示。,幅度鉴别,施密特触发器的输出状态取决于输入信号vI的幅度，因此它可以用来作为幅度鉴别电路。只有当脉冲信号vI的

17、幅度大于VT+的脉冲，电路才输出一个脉冲，而幅度小于VT+的脉冲，电路无输出脉冲，其工作波形图如图8-24所示。,脉冲展宽电路,脉冲展宽电路原理图、工作波形图如图8-25(a)、(b)图所示。,作业：,第八章：8-1，8-2，8-4,习题八答案,P225题8-1解：由单稳态触发器输出脉冲宽度TW的公式可求出其值大小：TW=1.1RC=1.11010330010-12=3.3106s=3.3s,习题八答案,P225题8-2解：由多谐振荡器的计算公式得：tw1=0.7(R1+R2)C=0.7(10+2)10347010-12=3.948stw2=0.7R2C=0.7210347010-12=0.6

18、58sT=tw2+tw1=0.7(R1+2R2)C=4.606s,习题八答案,P225题8-3解：P165图8-26(a)中555定时器的接法为施密特触发器vB=0时，vo=vF=0。vB=5V时，构成施密特触发器的非门。vA为矩形波，所以，波形如图所示。,习题八答案,P225题8-4解：555、R1、R2、C构成多谐振荡器。但只有T导通时，1脚才接地，多谐振荡器才振荡，发光二极管才发光，否则555不工作，发光二极管不发光。当vx超过某一值时，稳压管导通，使晶体管T导通，从而555定时器的1脚接地，多谐振荡器振荡，使二极管发出闪烁的光。否则发光二极管不亮。,习题八答案,P225题8-5解：555定时器构成施密特触发器的电路是一定的，6脚和2脚接到一起作为输入端。此时选择VCC=6V，根据,满足题目要求。,练习题,用555定时器、两个电阻R1和R2、两个电容C1=10F和C2=0.01F，设计一个占空比为0.6、振荡频率为f=50Hz的振荡器。要求画出给定元件设计的振荡电路并合理选择R1和R2的阻值，将元件参数标注在电路元件旁（10分）。,