第七章-脉冲波形的产生与变换课件

时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 1 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 1第七章第七章 脉冲波形的产生与变换脉冲波形的产生与变换【教学目标教学目标】1.了解脉冲波形的产生与变换的原理和工具；了解脉冲波形的产生与变换的原理和工具；2掌握掌握555定时电路的结构，工作原理和波形的形成；定时电路的结构，工作原理和波形的形成；3熟练认识单稳态、多谐震荡器以及施密特电路，并能熟练认识单稳态、多谐震荡器以及施密特电路，并能 掌握其应用。掌握其应用。【教学重点教学重点】认识和掌握认识和掌握555定时电路的结构，工作原理和波形的形成定时电路的结构，工作原理和波形的形成【教学难点教学难点】用用555电路实现单稳态电路、多谐震荡器和施密特电路电路实现单稳态电路、多谐震荡器和施密特电路【内容提要内容提要】7.1 555定时电路定时电路 7.2 单稳态电路单稳态电路 7.3 多谐振荡器多谐振荡器 7.4 施密特触发器施密特触发器时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 2 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 2图 7 1 RC暂态电路波形 我们大家知道，含有惰性元件C或L的电路存在暂态过程，即有充放电现象。脉冲波形就是利用惰性电路的充放电而形成的。由于RC电路用得较多，下面就以RC惰性电路为例做以介绍。我们控制开关位置及时间常数RC，即可得到不同的脉冲波形。如图7-1（a）所示，当时间常数RC大大小于开关转换时间TK，则组成微分电路，在电阻上可得窄脉冲输出。图7-1（b）组成积分电路，当RCTK时，在电容上又可得线性扫描的波形。时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 3 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 3 惰性电路产生的暂态过程，对一阶问题而言，可用三要素法来描述，获得电压或电流随时间变化的方程，该方程是脉冲波形计算的重要依据。三要素即起始值X(0+)、趋向值X()和时间常数，若三要素已知，则得方程 或 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 4 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 47.1 555定时电路 7.1.1 基本组成基本组成 图 7 2 CC7555集成定时电路 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 5 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 5 1.分压器分压器 分压器由3个5k电阻R组成，它为两个电压比较器提供基准电平。当5脚悬空时，电压比较器A的基准电平为 ，比较器B的基准电平为 。改变5脚的接法可改变比较器A、B的基准电平，如5脚通过电阻10k接地，则基准电平分别为 和 。5脚也可另接小于等于UDD的电源，如采用 和 ，则5脚通过一个电容0.010.1F电容接地，以防干扰信号影响5脚电压值。时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 6 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 6 2.比较器比较器 比较器A、B是两个结构完全相同的高精度电压比较器。A的输入端为引脚6高触发端，当 时，A端输出为高电平，即逻辑“1”；当 时，A输出为低电平，即逻辑“0”。B的输入端为引脚2低触发端，当 时，B输出为低电平，即逻辑“0”；当 时，B输出为高电平，即逻辑“1”。A、B的输出直接控制基本RS触发器的动作。时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 7 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 7 RS触发器由两个或非门组成，它的状态由两个比较器输出控制，根据基本RS触发器的工作原理，就可以决定触发器输出端的状态。3.基本基本RS触发器触发器时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 8 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 84.开关放电管和输出缓冲级开关放电管和输出缓冲级 放电管V是N沟道增强型的MOS管，其控制栅为0电平时截止，为1电平时导通。两级反相器构成输出缓冲级，反相器的设计考虑了有较大的电流驱动能力，一般可驱动两个TTL门电路。同时，输出级还起隔离负载对定时器影响的作用。时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 9 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 97.1.2 工作原理及特点工作原理及特点 表表 7 1 555定时器功能表定时器功能表 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 10 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 10 CC7555定时器电路具有静态电流较小(80A左右)，输入阻抗极高(输入电流仅为0.1A左右)，电源电压范围较宽(在318 V内均正常工作)等特点。其最大功耗为300mW。和所有CMOS集成电路一样，在使用时，输入电压uI应确保在安全范围之内，即满足下式条件：USS-0.5VuIUDD+0.5V 555定时电路除了CMOS型之外，还有TTL型，如5G555(NE555)。它的工作原理与CC7555没有本质区别，但其驱动电流可达 200 mA。时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 11 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 117.2 单稳态电路 7.2.1 电路组成电路组成 图 7-3CC7555构成的单稳态电路 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 12 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 127.2.2 工作原理工作原理 静止期：触发信号uI处于高电平，电路处于稳态，根据555工作原理知道uO为低电平，放电管V导通，定时电容C两端电压uC=0。工作期：外界触发信号uI加进来，要求为负脉冲且低电平应小于 ，比较器输出UB为高电平，UA为低电平，使uO为高电平，且放电管截止，电源UDD通过定时电阻R对定时电容充电，这是一个暂态问题，只要写出三要素即可。三要素如下：时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 13 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 13 由于比较器A、B的存在，uC不可能充至UDD。当uC充至大于 ，但小于 时，UA=UB均为低电平，RS触发器处于保持态，即Q=1,，电路仍处于uO=高电平，放电管仍处于截止，电容继续充电。当 时，UA=1，UB=0，则Q=0，Q=1，uO=0，放电管导通，电容通过放电管很快放电，进入恢复期。由于外界触发脉冲加进来，电路uO由低电平变为高电平到再次变为低电平这段时间就是暂稳态时间，其暂稳态时间TW计算如下：时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 14 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 14时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 15 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 15图 7 4 具有微分环节的单稳态电路 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 16 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 16恢复期TR由下式决定：其中rd为放电管导通时呈现的电阻，一般Rrd，所以恢复期很短。时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 17 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 17图 7 5 线性锯齿波电路 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 18 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 187.3 多谐振荡器 图 7 6 描述矩形脉冲特性的指标 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 19 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 197.3.1 电路组成电路组成 图 7 7 自由多谐振荡器电路及工作波形 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 20 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 207.3.2 工作原理工作原理 由于接通电源前，电容器两端电压uC=0，电源刚接通时UB=1，UA=0，因而Q=1，Q=0，经输出缓冲级后uO为高电平，放电管V处于截止。电源电压通过R1、R2对C充电，其暂态过程为 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 21 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 21由于比较器A、B的存在，电容C不可能充至UDD。过程如下：当 时，UB、UA均为低电平，RS触发器状态不变；但当 时，UA=1，UB=0，RS触发器状态变为Q=0,Q=1，输出uO为低电平，放电管V导通，这段时间我们称为第一暂稳态期。时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 22 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 22 放电管V导通时，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二暂稳态期，放电过程为 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 23 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 23由 于 比 较 器 A、B的 存 在，电 容 器 不 可 能 放 电 至 0。当 电 容 放 电,时，UA=UB=0，RS触发器处于维持状态，输出也不变；但当C继续放电,时，UB=1,UA=0，这时Q=1,Q=0，输出uO为高电平，放电管截止，UDD再次对电容充电。如此反复，可输出矩形波形。该电路的振荡周期计算如下：时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 24 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 24而T1和T2分别为 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 25 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 25输出矩形的频率f=1/T。显然，改变R1、R2和C值即可改变振荡频率。我们也可通过改变5脚电压U5来改变比较器A、B的参考电压，而达到改变振荡频率的目的。在实际中常常需要调节T1和T2。这样就引进了占空比的概念：时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 26 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 26图 7 8 占空比可调振荡器 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 27 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 27改变P但不改变R1+R2值。所以该电路振荡周期为 占空比D为 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 28 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 28图 7 9 模拟声响电路 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 29 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 297.4 施密特电路 7.4.1 7.4.1 电路组成电路组成 图 7 10 施密特电路 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 30 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 307.4.2 工作原理工作原理 当 时，UA=0，UB=1,输出uO为高电平；uI增加，满足 时，UA=UB=0，电路维持不变，即uO=1;uI继续增加，满足 时，UA=1,UB=0，输出uO由高电平变为低电平；之后uI再增加，只要满足 ，电路不变。如uI下降，只要满足 ，由于UA=UB=0，电路状态仍维持不变。只有当 时，电路才再次翻转,uO为高电平，波形如图 7-10(b)所示。由上可看出，当uI上升时，引起电路状态改变，由高电平变为低电平的输入电压为 ；当uI下降时，引起电路状态变化，由低电平变为高电平的输入电压为 。这二者之差称为回差电压，即:时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 31 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 317.4.3 主要应用主要应用 1.波形变换波形变换 通过波形变换可以将非矩形波变换为矩形波。2.整形整形 通过整形可以将一个不规则的矩形波转换为规则的矩形波。其应用波形图如图 7-11(a)所示。时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 32 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 32图 7 11 施密特电路应用二例波形图 时序电路的分析时序电路的分析计算机科学系计算机科学系 刘敏钰教授刘敏钰教授 33 脉冲产生电路和变换电路脉冲产生电路和变换电路 陕西教育学院计算机科学系陕西教育学院计算机科学系 333.幅值选择幅值选择 对于输入是一些随机的脉冲，可以通过施密特电路将幅值大于某值的输入脉冲检测出来。其应用波形图