第6章脉冲信号

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,6,章 脉冲信号的产生与变换,6.1,概述,6.2 555,定时器,6.3,单稳态触发器（,Monostable,Multivibrator,）,6.4,施密特触发器（,Schmitt trigger,）,6.5,多谐振荡器（,Multividrator,）,6.1,概述,数字电路中的信号大多数是矩形脉冲信号。将在较短时间间隔内作用于电路的电压或电流信号，称为脉冲信号。这个时间间隔可以和电路过渡过程持续时间（,3,5,）相比拟。,数字电路中常见的脉冲信号波形 如下,上图中所示的矩形脉冲信号波形是理想的，即波形的上升沿与下降沿均是跳变的且波形幅度保持不变，一直保持幅度为。而实际的矩形脉冲信号波形无理想跳变、顶部也不平坦。具体波形如下,为衡量实际矩形脉冲信号的优劣，经常使用以下参数对其进行描述。,1.,脉冲幅度,2.,上升时间（,Rise Time,）,3.,下降时间（,Fall Time,）,4.,脉冲宽度,5.,脉冲周期,T,6.,脉宽比，也称为占空比。,数字电路中，获得矩形脉冲信号的方法主要有两种：一种是利用各种形式的多谐振荡电路，直接产生所需要的周期性矩形脉冲信号；另一种是利用脉冲信号的变换电路，将现有的脉冲信号变换成所需要的矩形脉冲信号。在这种方法中，电路本身不产生脉冲信号，而仅仅起脉冲波形的变换作用。,6.2 555,定时器,6.2.1 555,电路结构,555,电路的逻辑图、外引线功能图、内部等效电路图如下,555,电路主要由以下几部分构成：,1.,一个,RS,触发器,2.,两个电压比较电路,3.,放电开关与反相输出,6.2.2 555,定时器功能描述,555,集成电路端口介绍,管脚,表示方法,作用,2,触发输入端,决定电压比较器,C,2,的反相输入电压,5,电压控制端,CO,决定电压比较器,C,1,的反相输入电压,6,阈值输入端,TH,决定电压比较器,C,1,的同相输入电压,7,放电端口,D,作为,VT,的集电极开路输出，并提供放电通路,555,定时器功能表,阈值电压,TH,触发输入,复位,放电管,VT,输出,OUT,0,导通,0,1,导通,0,1,原状态,原状态,1,截止,1,6.3,单稳态触发器（,Monostable,Multivibrator,）,单稳态触发器是具有一个稳态的触发器。它具有两种状态：一个稳态和一个暂稳态。,电路暂稳态持续时间的长短，与外加触发脉冲信号的宽度没有关系，仅取决于电路本身定时元件的参数值。,单稳态触发器可以由分立元件构成；也可以通过门电路和,RC,元件构成；或通过集成单稳态电路外接,RC,元件来实现；也可以使用,555,定时器电路构成单稳态触发器。其中，,RC,元件组成的电路部分称为定时电路，由电容的充放电时间决定单稳态触发器暂稳态持续时间的长短。,根据,RC,电路连接方式的不同，单稳态电路分为微分型单稳和积分型单稳。,若根据电路及工作状态的不同，单稳态电路又分为非可重触发电路和可重触发电路两种。,6.3.1 555,电路构成单稳态触发器,电路接通后，触发输入信号为高电平（），这时没有有效触发输入信号，电路工作于稳态。,触发输入信号 由高电平变为低电平时，,电路进入暂稳态。,随着放电管,VT,的导通，电路恢复稳态。,6.3.2,集成单稳态触发器,集成单稳态触发器具有温度特性好、抗干扰能力强、电源稳定性好、输出脉宽调节范围大、外围元件少等优点。集成单稳态触发器分为两大类：可重触发单稳电路和不可重触发单稳电路。,1.,电路介绍,74121,是一种典型的,TTL,集成不可重触发单稳态触发器,74121,功能表,输入,输出,A,1,A,2,B,Q,0,1,0,1,0,1,0,1,0,0,1,1,1,0,1,1,1,1,1,1,0,0,该电路触发方式可以概括为以下三种：,在,A,1,或,A,2,端使用触发脉冲信号的下降沿触发。此时，另外两个触发输入端必须为高电平；,在,A,1,、,A,2,端同时使用触发脉冲信号的下降沿触发。要求,B,端为高电平；,在,B,端用触发脉冲信号的上升沿触发，且,A,1,、,A,2,所加信号中至少有一个是低电平。,74121,的工作波形如下：,2.,电路连接方式,74121,的输出脉冲宽度取决于电路中定时元件,RC,值。根据想要获得脉冲宽度的不同，可以外接定时电阻，以获得较宽输出脉冲信号；也可以使用电路内部固定的定时电阻。如下图所示。,6.3.3,单稳态电路的应用,1.,脉冲信号整形,2.,脉冲信号延时,3.,脉冲信号定时,6.3.4,门电路构成的单稳态电路,利用门电路和,RC,定时元件构成的。根据,RC,元件的接法不同，可以分为微分型与积分型两类。,6.4,施密特触发器（,Schmitt trigger,）,6.4.1 555,电路构成施密特触发器,工作过程,电路接通电源后，由于,TH,，,，放电管,VT,截止，触发器置,1,，电路输出高电平。,随着输入电压,v,i,的上升，当输入电压在,v,i,时，,VT,导通，触发器置,0,，电路输出变为低电平，状态发生翻转。,随着输入电压的变化，在其由高电平向下变化的过程中，,当,v,i,时，电路维持原态，仍然输出低电平。,随输入电压下降，当,v,i,时，会引起电路状态的变化，将此时的输入电压称为上限触发电平，用 表示,(,也可以称为正向阈值电压或高电平阈值电压,),。所以，该电路的 。,输入电压由高电平向低电平变化的过程中，当,v,i,，电路状态并不发生变化，只有当,v,i,时，电路的状态才会再次发生变化。将此时的输入电压称为下限触发电平，用 表示,(,也可以称为负向阈值电压或低电平阈值电压,),。所以，该电路的 。,可见，对施密特触发器电路而言，上限触发电平不等于下限触发电平，即导致电路状态发生变化的输入信号的值大小不相等。将该电路的 定义为施密特触发器电路的回差电压。施密特触发器所具有的 的特性，称为回差特性或者回滞特性。,施密特触发器电路的电压传输特性曲线，也称为回差特性曲线，如下图所示。,带有施密特触发器的反相器和与非门电路符号如下。,6.4.2,集成施密特触发器,施密特触发器应用比较广泛，在数字集成电路中，多种产品带有施密特触发器。下图为带施密特触发器的四,2,输入与非门电路,74LS132,。,6.4.3,施密特触发器的应用,1.,波形变换,2.,波形整形,3.,信号鉴幅,4.,构成单稳态触发器,6.4.4,门电路构成的施密特触发器,图（,a,）为由,TTL,门电路构成的施密特触发器电路。,该电路 ；。其中，为二极管,VD,的正向导通电压，为门电路的阈值电压。所以，该电路的,回差电压为 。通过改变电阻的值，可,以方便的调节回差电压的大小。图（,b,）为利用,CMOS,反相器构成的施密特触发器。,6.5,多谐振荡器（,Multividrator,）,6.5.1 555,定时器构成多谐振荡器,电路接通电源后，由于电容,C,两端电压较低，放电管,VT,截止，,555,电路输出高电平，处于第一暂稳态。,随着电源电压对,C,充电的进行，当 时，放电管,VT,导通，触发器置,0,，输出变为低电平，电路进入第二暂稳态。,此时，电容,C,开始通过电阻 和导通的放电管,VT,放电，,v,c,下降，当 时，触发器又被置,1,，,VT,重新截止，电路输出翻转为高电平，回到第一暂稳态。又开始对电容,C,充电，重复以上过程。,通过上述分析可知，电路稳定工作时，两种暂稳态持续的时间分别是电容,C,充电和放电持续的时间。,电容,C,充电的时间；,电容,C,放电的时间：,电路输出矩形脉冲信号的周期为 。,若要输出方波信号，需要对上述电路进行改进，组成输出脉冲信号的占空比可以调整的多谐振荡器。,555,定时器电路构成的多谐振荡器，优点是电路简单，但存在振荡频率较低、振荡频率稳定性不高、容易受到温度等外界因素的干扰等缺点。而在许多场合对电路振荡频率的稳定性都有严格的要求，如在数字时钟电路中，脉冲基准信号来源的频率稳定性直接关系到计时的准确性。这时就应该使用石英晶体多谐振荡器。,6.5.2,石英晶体多谐振荡器,在一片薄石英晶片的两侧镀上两个电极就可以制成石英晶体谐振器。,当信号频率,f,等于石英晶体本身的固有谐振频率 时，信号容易通过石英晶体，石英晶体阻抗最小。当 时，石英晶体呈现感性阻抗；时，石英晶体呈现容性阻抗。,由,CMOS,门电路和石英晶体共同组成的石英晶体多谐振荡器电路如下。,上图中，反相器,G,1,产生振荡，,G,2,用于整形，以获得较理想的矩形脉冲信号。电阻,R,为反相器,G,1,提供适当的静态工作点，电容,C,1,用于频率微调，,C,2,为温度校正电容。,石英晶体振荡器的优点是频率稳定度非常高，一般用于高精度时基的数字系统中。,6.5.3,施密特触发器组成的多谐振荡器,利用施密特触发器特有的电压回滞特性也可以组成多谐振荡器。,6.5.4,环型振荡器,环形振荡器利用门电路的传输延迟时间，将奇数个反相器首尾相连而构成的。最简单的环形振荡器由三个反相器首尾相连构成。,该电路振荡周期为,将大（等）于,3,的奇数个反相器首尾相连可构成环形振荡器，产生自激振荡，且振荡周期为 。,n,为反相器的个数。下图是在上述电路基础上改进得到的实用型环形振荡器电路。其中，组成电路的延迟环节，是保护电阻。,6.5.5,门电路构成的多谐振荡器,在门电路构成的多谐振荡器电路中，主要有两种形式，对称式和非对称式。,