第8章-脉冲波形的产生与变换课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章,脉冲波形的产生与变换,本章主要讨论几种脉冲信号产生及脉冲信号变换的基本单元电路：多谐振荡器、施密特触发器、单稳态触发器。,重点介绍用555定时器组成的各类脉冲产生与变换电路。,8.1,概述,8.,4,施密特触发器,8.2,多谐振荡器,8.3,单稳态触发器,第八章 脉冲波形的产生与变换本章主要讨论几种脉冲信号,1,8.1 概述,数字系统中的脉冲信号通常由以下几种形式获得：,由信号发生器直接产生；,由传感器变换来的电信号经过整形或变换而得。,脉冲波形产生与变换电路的组成,产生脉冲信号的电路主要由三部分组成。,开关元件：,正反馈电路：,延迟电路：,开关元件保证电路能输出高、低两种电平。,作用是当电路处于相对稳定状态时由它维持着这一稳定状态；当电路状态发生转变时，又能促进其状态的改变。,作用是控制电路从一个状态转换到另一个状态时所需的时间，通常延迟电路的输出又是促使电路状态发生转变的外界因素。,8.1 概述 数字系统中的脉冲信号通常由以下几种形式获得：,2,RC延迟电路,由电路理论可知，对于一阶电路而言，用三要素法即可进行电路的暂态分析,其公式为,f(t)=f()+f(0,+,)-f()e,-t/,(8.1.1),式中f(0,+,)为初始值，f()为正常情况下应达到的最终值，为时间常数。,通常f(t)还未到达f()时电路状态就已经发生改变，因此，常利用f(t)反过来求解状态转换所需时间，其公式为,(8.1.2),RC延迟电路由电路理论可知，对于一阶电路而言，用三要素法即可,3,二.,555,定时器,555定时器是目前在信号产生和变换电路中应用得非常广泛的一种中规模集成电路。,电路结构原理,它由,分压器,三个5K电阻、两个,比较器,C,1,和C,2,、基本,RS触发器,以及,输出缓冲级,G,2,和,开关放电管,T组成。,U,CC,二. 555定时器 555定时器是目前在信号产生和,4,分压器,分压器上的两个分压点a和b的电平由电源U,CC,和电压控制端共同控制，,为比较器提供基准电平,。当脚悬空时，,U,a,=2U,CC,/3,，,U,a,=U,CC,/3,。如果改变脚的输入，则可改变a、b的基准电平。,比较器及基本RS触发器,比较器C,1,的反相输入端和C,2,的同相输入端分别作为高触发端TH和低触发端TL与外电路相连，输出与RS触发器相连。,设脚悬空。当,TH的电平U,6,U,a,，,TL的电平U,2,U,b,时，比较器C,1,端输出为低电平，比较器C,2,输出为高电平，基本RS触发器,输出状态为10,；,当,TH的电平U,6,U,a,，,TL的电平U,2,U,b,时，比较器C,1,端输出为高电平，比较器C,2,输出为低电平，向基本RS触发器,输出状态为1,；,当TH的电平U,6,U,a,，TL的电平U,2,U,b,时,，比较器C,1,端和比较器C,2,输出均为高电平，基本RS触发器,状态不变,。,分压器分压器上的两个分压点a和b的电平由电源UCC和电压控,5,输出缓冲级和放电管,输出状态u,o,由RS触发器的输出端C点电平高低决定。而当复位端为低电平时，不管C点状态如何，输出u,o,均为低电平U,OL,。正常工作时应将复位端接高电平。,由G,2,构成的缓冲级主要使电路有较大的输出电流。此外，缓冲级的存在还可以隔离负载对555定时器的影响。,放电管T的状态由G,1,的状态控制，当G,1,输出高电平时T导通，当G,1,输出低电平时T截止，放电管的输出端通常外接延迟元件，用以控制暂态的维持时间。,输 入,输 出,高触发端TH,低触发端TL,复位（R,D,）,输出（u,o,）,放电管T,0,0,导通,2U,CC,/3,U,CC,/3,1,0,导通,2U,CC,/3,U,CC,/3,1,1,截止,2U,CC,/3,U,CC,/3,1,不变,不变,输出缓冲级和放电管 输出状态uo由RS触发器的输出端C点电,6,8.2 多谐振荡器,多谐振荡器又称无稳态触发器。它没有稳定的输出状态，而只有两个暂稳态。,当电路接通电源后就进入处于某一暂稳态，经过一段时间电路可以自动地触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列方波。因此，多谐振荡器又称为方波发生器。,构成多谐振荡器主要器件有与非门组成、,555,定时器或石英晶体,8.2 多谐振荡器 多谐振荡器又称无稳态触发器。它没有稳定,7,一.由与非门组成的多谐振荡器,设与非门的开门电平与关门电平相等，均记为U,th,。,从第一暂稳态自动翻转到第二暂稳态的过程,设电路在t=0接入电源时u,o,为低电平U,OL,G,1,输出u,o1,为高电平U,OH, u,o2,为低电平U,OL,。,由于此时电容器C两端的电压为0，故u,i3,也为高电平U,OH,输出u,o,仍为U,OL,（R,2,值很小），,电路进入第一暂稳态,。,C,G,1,G,2,u,O1,R,1,1,G,3,1,1,u,O2,u,O,u,i3,R,2,U,OL,U,OH,U,OL,+,- i,U,OH,以后，高电平u,o1,通过电阻R,1,对电容C正向充电 u,i3,，当其下降到与非门的关门电平U,th,时 G,3,关闭 u,o,=U,OH, u,o1,=U,OL, u,o2,=U,OH,，,电路进入第二稳态。,跃变前瞬间电容器C两端的电压u,C,=U,OH,-U,th,0。,U,th,U,OH,U,OL,U,OH,一.由与非门组成的多谐振荡器 设与非门,8,C,G,1,G,2,u,O1,R,1,1,G,3,1,1,u,O2,u,O,u,i3,R,2,U,th,U,OH,U,OL,U,OH,从第二暂稳态自动翻转到第一暂稳态的过程,由于电容器两端的电压不能突变，当u,o1,（C的左端）从高电平U,OH,跃变到低电平U,OL,时，则u,i3,（C的右端）的电平从U,th,跃变成U,th,-(U,OH,-U,OL,)=U,th,+U,OL,-U,OH, 此电平可保证输出u,O,维持在高电平U,OH,上。,进入第二暂稳态以后，高电平u,o2,通过电阻R,1,对电容C反向充电 u,i3,=开门电平U,th, u,o,=U,OL, u,o1,= U,OH,、 u,o2,= U,OL,，电路返回第一暂稳态。,返回前瞬间电容器两端的电压u,C,= U,OL,- U,th,0,U,OL,U,OH,U,OL,+,- i,U,th,以后过程周而复始，电路将不停地改变输出状态，输出一系列方波。,CG1G2uO1R11G311uO2uOui3R2UthUO,9,由与非门构成的多谐振荡器工作波形图,两个暂稳态的相互转换通过R,1,C的正、反向充电来实现，而u,i3,的电平对输出状态的改变起着决定作用。,第一暂稳态维持时间和第二暂稳态维持时间的长短分别取决于u,i3,的电平由U,th,+U,OH,-U,OL,下降至U,th,和由U,th,+U,OL,-U,OH,上升到U,th,所需要的时间。,U,th,U,OL,U,OH,u,O,u,i3,0,t,t,U,th,+U,OH,-U,OL,0,U,OH,U,th,+U,OL,-U,OH,由与非门构成的多谐振荡器工作波形图 两个暂稳态的相互转换通过,10,二. 石英晶体时钟脉冲发生器,石英晶体片由于具有非常稳定的频率特性而广泛地应用在对频率要求很高的场合中。,石英晶体片的简介,石英晶体为各向异性的,SiO,2,结晶体，存在压电效应现象。,在石英晶体片的两极加交流电压时，晶片将产生机械变形振动；同时这一机械振动又产生交变电场。，当外加交变电压的频率与晶体固有机械谐振频率,f,0,相等时，机械振动的幅值就急剧增加，而机械振动的幅值的急剧增加又反过来产生很大的交变电场，这样就可在石英晶片两端得到一个振幅较大的交变电压并能维持在一定的幅度上，这种现象称为压电谐振。,从电的角度上看，可用RLC串联电路来模拟石英晶片，产生压电谐振时，相当于产生串联谐振，此时石英晶片相当一个纯电阻R,0,，阻值较小。电路图中的石英晶片就可用一个电阻元件代替。石英晶片的图形符号为：,二. 石英晶体时钟脉冲发生器 石英晶体片由于具有非常稳定的,11,石英晶体时钟脉冲发生器,从第一暂稳态自动翻转到第二暂稳态的过程,C,1,和,C,2,同时充电，C,2,=U,th,， u,O,=U,OL,。,C,1,G,1,R,1,1K,1,u,O,G,2,1,A,C,2,0.001F,R,2,1K,C,3,0.005F,8MHz,C,1,R,1,u,O,A,C,2,R,2,C,3,1,0,+,-,+,-,C,1,R,1,u,O,A,C,2,R,2,C,3,0,1,+,+,-,-,+,-,从第二暂稳态自动翻转到第一暂稳态的过程,C,1,R,1,u,O,A,C,2,R,2,C,3,1,0,+,-,+,-,+,-,0,1,1,0,C,1,和C,2,放电，C,3,反充电 ，C,2,=U,th,， u,O,=U,OH,。,C,1,、C,2,充电，C,3,放电 ，C,2,=U,th,， u,O,=U,OL,。,脉冲频率仅取决于石英晶体固有频率与电路其它参数无关。,石英晶体时钟脉冲发生器 从第一暂稳态自动翻转到第二暂稳态,12,三.,由555定时器组成的多谐振荡器,当u,C, 2U,CC,/3时，C,1,输出为U,OL,，RS触发器置0；当u,C,U,CC,/3时，C,2,输出为U,OL,，RS触发器置1；当2U,CC,/3,u,C,U,CC,/3时，C,1,和C,2,输出均为U,OH,，触发器状态不变。,5K,5K,5K,a,b,T,R,R,S,C,G,1,G,2,u,O,+,-,C,1,C,2,+,-,1,R,1,R,2,D,1,D,2,C,u,C,+,-,+U,CC,+U,CC,三. 由555定时器组成的多谐振荡器 当uC 2U,13, 工作原理,合上电源后，U,CC,通过R,1,、D,1,对,电容C充电,，当u,C, 2U,CC,/3时，比较器C,1,输出端变成U,OL,，触发器置0，电路输出U,OL,，进入第一暂稳态。,同时，与非门G,1,输出U,OH,，使得放电管T导通，,电容C,经过D,2,、R,2,和T,放电,， u,C,u,C,U,CC,/3时，比较器C,2,的输出由U,OH, U,OL,，触发器置1，输出由U,OL, U,OH,，电路进入第二暂稳态。,电路进入第二暂稳态后，G,1,门输出U,OL,，T管截止，电容器放电终止，电源U,CC,又通过R,1,、D,1,向C充电。以后过程周而复始，两个暂稳态自动交换，输出一系列方波。, 工作原理合上电源后，UCC通过R1、D1对电容C充电，当,14,工作波形,U,OL,U,OH,u,O,u,c,t,t,0,T,1,T,2,3,1,U,CC,3,2,U,CC,（a）,（b）,工作波形 UOLUOHuOuctt0T1T231UCC32U,15,振荡周期的计算,多谐振荡器输出维持高电平的时间T,1,即为u,c,从U,CC,/3充电到2U,CC,/3所需的时间，此暂态过程中，时间常数=R,1,C，初始值u,c,(0,+,)=U,CC,/3,，最终值u,c,()=U,CC,，u,c,(T,1,)=2U,CC,/3，由式（8.1.2）得,T,1,=R,1,Cln20.7R,1,C (8.2.1),多谐振荡器输出维持低电平时间T,2,的暂态过程为：时间常数=R,2,C，初始值u,c,(0,+,)=2U,CC,/3,，最终值u,c,()= 0。当u,c,= U,CC,/3，维持低电平时间T,2,为,T,1,=R,1,Cln20.7R,1,C (8.2.1),振荡周期的计算 多谐振荡器输出维持高电平的时间T1即为uc,16,振荡周期的计算,输出方波的周期 T=T,1,+T,2,0.7(R,1,+R,2,)C (8.2.3),振荡频率为 (8.2.4),输出波形的占空比（即输出高电平的时间在整个周期中占的比例）为,(8.2.5),当R,1,=R,2,=R时，T,1,=T,2,0.7RC， T=2T,1,1.4RC,振荡频率为,振荡周期的计算 输出方波的周期 T=T1+T20.7,17,占空比可调的多谐振荡器,在原电路中的两个电阻R,1,和R,2,之间加一个电位器，便构成了占空比可调的多谐振荡器。,5K,5K,5K,a,b,T,R,R,S,C,G,1,G,2,+,-,C,1,C,2,+,-,1,R,1,R,3,D,1,D,2,C,u,C,+,-,+U,CC,+U,CC,R,2,R,A,R,B,输出波形的占空比为,占空比可调的多谐振荡器 在原电路中的两个电阻R1和R2之间,18,8.3,单稳态触发器,合上电源电路进入稳定状态,u,i,一般情况下为U,OL,， u,i,2U/3 ，C,2,输出U,OH,。,合上电源后，U,CC,通过R对C充电， u,C,2U,CC,/3时，C,1,输出U,OH,， u,C,= 2U,CC,/3时，C,1,输出U,OL,， RS触发器置0G,1,输出,5K,5K,5K,a,b,T,R,R,S,C,G,1,G,2,u,O,+,-,C,1,C,2,+,-,1,R,C,u,C,+,-,+U,CC,+U,CC,TH,u,i,TL,U,OH, T饱和导通 C经T管放电 u,C, 2U,CC,/3时， C,1,输出U,OH,，触发器保持0态 ，u,C,至T管的饱和电压，单稳态触发器处于稳定0状态。,8.3 单稳态触发器 合上电源电路进入稳定状态,19,8.3,单稳态触发器,输入负脉冲电路进入暂稳态,当输入负脉冲 u,i,2U,CC,/3时 C,2,输出0 ，RS触发器置1 ，电路输出1，进入暂稳态。,负脉冲过后，C,2,输出转为1，电路保持一段时间的暂稳态不变。,5K,5K,5K,a,b,T,R,R,S,C,G,1,G,2,u,O,+,-,C,1,C,2,+,-,1,R,C,u,C,+,-,+U,CC,+U,CC,TH,u,i,TL,电路自动返回到稳态,电路输出1 G,1,输出0 T立即截止 U,CC,又对C充电，当u,C,= 2U,CC,/3 C,1,输出0 RS触发器置0 电路输出 0，返回稳态 ，直到输入下一个负脉冲。,8.3 单稳态触发器 输入负脉冲电路进入暂稳态,20,=ln3RC1.1RC (8.3.2),8.3,单稳态触发器,电容器两端电压恢复过程,当u,0,=1 0，G,1,输出1，T饱和导通 C经T管放电。,从C放电开始到其两端的电压降到T管的饱和电压所需的时间即为恢复时间T,R,， 因很小， T,R,0。,5K,5K,5K,a,b,T,R,R,S,C,G,1,G,2,u,O,+,-,C,1,C,2,+,-,1,R,C,u,C,+,-,+U,CC,+U,CC,TH,u,i,TL,暂稳态维持时间,u,C,从0充电到2U,CC,/3所需的时间T,P,。,T,P,=RC,=ln3RC1.1RC (8.3.2),21,单稳态触发器的工作波形,改变R和C的数值可达到调节T,P,的目的。,为保证单稳态触发器的每一个输入负脉冲都能起到触发作用，触发时u,i,的电平应小于U,CC,/3，且宽度小于暂稳态的维持时间T,P,。,重复周期T必须大于暂稳态的维持时间T,P,和电容器C的电压放电恢复时间T,R,之和。由于恢复时间很短，故重复周期T只要略大于暂态维持时间即可。,u,i,0,t,u,C,0,t,U,OL,U,OH,u,O,0,t,T,P,T,U,CC,2,3,单稳态触发器的工作波形 改变R和C的数值可达到调节TP的目的,22,单稳态触发器的应用,单稳态触发器除了对脉冲进行整形，把不规则的脉冲变换成宽度、幅值为给定值的脉冲外，还可以起定时作用。即改变R、C参数，从而调节暂态维持时间的长短。,如利用单稳态输出脉冲宽度T,P,可将输入信号的下降沿延时T,P,。,利用单稳输出控制与门输入端，那么在T,P,时间与门工作，U,B,的信号可以通过，实现脉冲的定时选通。,单稳态触发器的应用单稳态触发器除了对脉冲进行整形，把不规则,23,8.4 施密特触发器,施密特触发器是一种双稳态触发器，属于电平触发，当输入信号达到某一定电平值时，输出电平会发生跃变。,由555工作原理可知，当端的电平U,a,= 2U,CC,/3电平时，C,1,输出0（负脉冲），基本RS触发器置0，电路输出为0，而当端的电平 U,b,=U,CC,/3电平时，C,2,输出为0，基本RS触发器置1，电路输出为1。图中端和端连在一起接输入信号u,i,，u,i,电平的变化直接引起输出电平变化。,U,U,U,OH,U,OL,U,U,8.4 施密特触发器 施密特触发器是一种双,24,滞后电压（回差）,U,a,和U,b,分别为使触发器翻转的两个电平，且U,a,U,b,，故U,a,称为上限触发门槛电平，U,b,称为下限触发门槛电平，上、下限触发门槛电平的差值称为滞后电压，既,如果要调节回差的大小，可在端加入电压uad，加入uad后，U,a,=u,ad,，U,b,=0.5u,ad,，改变u,ad,的数值可达到调节回差的目的。,一般而言，回差电压越大，抗干扰能力越强，但触发灵敏度也跟着下降。,调整输出电平,当端悬空时输出电压u,o1,分别为与非门的输出电平U,OH,、U,OL,。,当端通过电阻R,4,接入另一电源U,CC2,，并改成从端输出电压u,o2,时，工作原理与原来完全相同 ，只是改变了输出高、低电平， u,o2H, U,CC2,， u,o2L, 0.3U 。,滞后电压（回差） Ua和Ub分别为使触发器翻转的两个电平，且,25,施密特触发器 的应用,在数字电路中最主要的用途是对输入波形进行整形和变换。,可将正弦、三角等波形变换成整齐的方波输出 ；,可将信号波形顶部叠加的干扰信号消除，完成波形整形 ；,可进行幅值甄别 。,施密特触发器 的应用在数字电路中最主要的用途是对输入波形进行,26,小结,1逻辑代数是分析和设计逻辑电路的工具，一个逻辑问题可用逻辑函数来描述。,2.逻辑函数可用真值表、逻辑表达式、卡诺图和逻辑电路图表示。2用真值表和最小项表达式表示的逻辑函数是唯一的。3运用逻辑代数的基本运算可以对逻辑函数进行化简和变换。利用卡诺图可将逻辑函数化简为最简与或表达式最小项表达式。,小结 1逻辑代数是分析和设计逻辑电路的工具，一个逻辑问题,27,