第六章脉冲波形的产生和整形电路课件

,#,6.1,概 述,获得矩形脉冲的方法通常有两种：一种是用脉冲产生电路直接产生；另一种是对已有的信号进行整形，然后将它变换成所需要的脉冲信号。,为了定量描述矩形脉冲的特性，通常给出几个主要参数。这些参数是：,牛牛文库文档分享,6.1 概 述 获得矩形脉冲的方法通常有两,1,脉冲周期,T,：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。,脉冲幅度 ：脉冲电压的最大变化幅度。,脉冲宽度 ：从脉冲前沿到达,0.5,起，到脉冲后沿到达,0.5,为止的一段时间。,上升时间 ：脉冲上升沿从,0.1,上升到,0.9,所需要的时间。,下降时间 ：脉冲下降沿从,0.9,下降到,0.1,所需要的时间。,占空比,q,：脉冲宽度与脉冲周期的比值。,牛牛文库文档分享,脉冲周期T：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间,2,施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。,0,0,1,1,6.2.1,用门电路组成的施密特触发器,（,1,）第一稳态,:,ui,0,时，,u,o,为高电平，,6.2,施密特触发器,牛牛文库文档分享,施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适,3,0,1,1,1,（,1,）第一种态,ui,0,时，,u,o,为高电平，。,（,2,）,ui,UD=0.7V,时,RS,触发器不翻转，,u,o,仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。,牛牛文库文档分享,0111 （1）第一种态ui0时，uo为高电平，。,4,1,1,0,0,（,1,）第一稳态,ui,0,时，,u,o,为高电平。,（,2,）,ui,UD=0.7V,时，,RS,触发器不翻转，,u,o,仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。,（,3,）,ui,继续上升到,UT+=UT=1.4V,时，,RS,触发器翻转，,u,o,为低电平，这是第二稳态。电路翻转后,ui,再上升，电路状态不变。,牛牛文库文档分享,1100 （1）第一稳态ui0时，uo为高电平。,5,0,1,1,0,（,1,）,ui,0,时，,u,o,为高电平，这是第一稳态。,（,2,）,ui,UD=0.7V,时，,RS,触发器不翻转，,u,o,仍为高电平，电路仍维持在第一稳态。,（,3,）,ui,继续上升到,UT+=UT=1.4V,时，,RS,触发器翻转，,u,o,为低电平，这是第二稳态。电路翻转后,ui,再上升，电路状态不变。,（,4,）,ui,上升到最大值后下降时，若,ui,下降到,U,T,，,RS,触发器不翻转，电路仍维持在第二稳态。,牛牛文库文档分享,0110 （1）ui0时，uo为高电平，这是第一稳态,6,0,0,1,1,（,1,）,:,ui,0,时,u,o,为高电平。,（,2,）,ui,UD=0.7V,时,RS,触发器不翻转，,u,o,仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。,（,3,）,ui,继续上升到,UT+=UT=1.4V,时，,RS,触发器翻转，,u,o,为低电平，这是第二稳态。电路翻转后,ui,再上升，电路状态不变。,（,4,）,ui,上升到最大值后下降时，若,ui,下降到,U,T,，,RS,触发器不翻转，电路仍维持在第二稳态。,（,5,）,ui,继续下降到,UT-=UT-UD=0.7V,时,RS,触发器翻转，,u,o,为高电平，电路返回到第一种稳态。,牛牛文库文档分享,0011 （1）:ui0时,uo为高电平。 （2,7,下限阈值电压,上限阈值电压,回差电压（滞后电压）：,U,T,U,T,U,T,回差电压为：,U,T,U,T,U,T,U,T,(U,T,U,D,),U,D,0.7V,回差太小，且不能调整。,牛牛文库文档分享,下限阈值电压上限阈值电压回差电压（滞后电压）：回差电压为：w,8,1. CMOS,集成施密特触发器,CC40106,2. TTL,集成施密特触发器,74LS14,6.2.2,集成施密特触发器,牛牛文库文档分享,1. CMOS集成施密特触发器CC401062. TTL集成,9,施密特触发器应用很广， 主要有以下几方面：,6.2.3,施密特触发器的应用,波形变换。可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换成矩形脉冲。,脉冲整形。将不规则的电压波形整形为矩形波。若适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。图,(a),为顶部有干扰的输入信号，图,(b),为回差电压较小的输出波形， 图,(c),为回差电压大于顶部干扰时的输出波形。,牛牛文库文档分享, 施密特触发器应用很广， 主要有以下几方面：,10,牛牛文库文档分享, 牛牛文库文档分享,11,脉冲鉴幅。图,6-1,是将一系列幅度不同的脉冲信号加到施密特触发器输入端的波形，只有那些幅度大于上触发电平,U,+,的脉冲才在输出端产生输出信号。因此，通过这一方法可以选出幅度大于,U+,的脉冲， 即对幅度可以进行鉴别。,此外，施密特触发器还可以构成多谐振荡器等，是应用较广泛的脉冲电路。,牛牛文库文档分享, 脉冲鉴幅。图 6-1 是将一系列幅度不同,12,图,6.1,幅度鉴别,牛牛文库文档分享,图 6.1幅度鉴别 牛牛文库文档,13,单稳态触发器在数字电路中一般用于,定时,（产生一定宽度的矩形波）、,整形,（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及,延时,（把输入信号延迟一定时间后输出）等。,单稳态触发器具有下列特点,：,（,1,）电路有一个稳态和一个暂稳态。,（,2,）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。,（,3,）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。,6.3.1,门电路组成的单稳态触发器,6.3,单稳态触发器,牛牛文库文档分享,单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形,14,（,1,）没有触发信号时电路工作在稳态,当没有触发信号时，,u,i,为低电平。因为门,G,2,的输入端经电阻,R,接至,V,DD,，,V,A,为高电平，因此,u,o2,为低电平；门,G,1,的两个输入均为,0,，其输出,u,o1,为高电平，电容,C,两端的电压接近为,0,。这是电路的稳态，在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：,u,o1,1,，,u,o2,0,。,0,0,1,1,一,.,微分型单稳态触发器,牛牛文库文档分享,（1）没有触发信号时电路工作在稳态0011一.微分型单稳态触,15,1,1,0,（,2,）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态,当正触发脉冲,u,i,到来时，门,G,1,输出,u,o1,由,1,变为,0,。由于电容电压不能跃变，,u,A,也随之跳变到低电平，使门,G,2,的输出,u,O2,变为,1,。这个高电平反馈到门,G,1,的输入端，此时即使,u,i,的触发信号撤除，仍能维持门,G,1,的低电平输出。但是电路的这种状态是不能长久保持的，所以称为暂稳态。暂稳态时，,u,o1,0,，,u,o2,1,。,牛牛文库文档分享,110（2）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态www.ni,16,0,0,1,1,（,3,）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态,在暂稳态期间，,V,DD,经,R,和,G,1,的导通工作管对,C,充电，随着充电的进行，,C,上的电荷逐渐增多，使,u,A,升高。当,u,A,上升到阈值电压,U,T,时，,G,2,的输出,u,o2,由,1,变为,0,。由于这时,G,1,输入触发信号已经过去，,G,1,的输出状态只由,u,o2,决定，所以,G,1,又返回到稳定的高电平输出。,u,A,随之向正方向跳变，加速了,G,2,的输出向低电平,变化。,最后使电路退出暂稳态而进入稳态，此时,u,o1,1,，,u,o2,0,。,脉冲宽度：,t,p,=0.7RC,牛牛文库文档分享,0011（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态脉冲宽度：,17,当,u,i,的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个,RC,微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门,G,1,被,u,i,封住了，会使,u,o2,的下降沿变缓。,电路改进,牛牛文库文档分享,当ui的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输,18,稳态时，,u,i,1,，,G,1,、,G,2,均导通。,u,o1,0,，,u,A,0,，,u,o2,0,。,u,i,负跳变到,0,时，,G,1,截止，,u,o1,随之跳变到,1,。由于电容电压不能跃变，,u,A,仍为,0,，故门,G,2,截止，,u,o2,跳变到,1,。在,G,1,、,G,2,截止时，,C,通过,R,和,G,1,的导通管放电，使,u,A,逐渐上升。当,u,A,上升到管子的开启电压,U,T,时，如果,u,i,仍为低电平，,G,2,导通，,u,o2,变为,0,。当,u,i,回到高电平后，,G,1,导通，,C,又通过,R,和,G,1,的导通管充电，电路恢复到稳定状态。,牛牛文库文档分享,稳态时，ui1，G1、G2均导通。uo10，uA0,19,TR,-A,、,TR,-B,是触发信号输入端，,TR,+,是上升沿有效的触发信号输入端。,R,ext,/,C,ext,、,C,ext,是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻,R,（,R,=1.4k,40k,）接在,V,CC,和,R,ext,/,C,ext,之间，外接定时电容,C,（,C,=10pF,10F,）接在,C,ext,（正）和,R,ext,/,C,ext,之间。,74121,内部已设置了一个,2k,的定时电阻，,R,in,是其引出端，使用时只需将,R,in,与,V,CC,连接起来即可，不用时则应将,R,in,开路。,74121,的输出脉冲宽度：,t,p,0.7,RC,6.3.2,集成单稳态触发器,牛牛文库文档分享,TR-A、TR-B是触发信号输入端，TR,20,TR,-A,、,TR,-B,是两个下降沿有效的触发信号输入端，,TR,+A,、,TR,+B,是两个上升沿有效的触发信号输入端。,Q,和是两个状态互补的输出端。,R,ext,/,C,ext,、,C,ext,、,R,in,3,个引出端是供外接定时元件使用的，外接定时电阻,R,（,R,=5k,50k,）、电容,C,（无限制）的接法与,74121,相同。,R,D,为直接复位输入端，低电平有效。,当定时电容,C,1000pF,时，,74122,的输出脉冲宽度：,t,p,0.32,RC,74122,的输出脉冲宽度：,t,p0.32,RC,牛牛文库文档分享,TR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发,21,6.4,多谐振荡器,特点：不需要外加触发信号，电路自激振荡，没有稳态。,用途：产生脉冲方波。,6.4.1,用门电路构成多谐振荡器,一、对称式多谐振荡器,U,I1,U,O2,U,O1,U,I2,1,1,C,1,C,2,G,1,G,2,R,F1,R,F2,牛牛文库文档分享,6.4 多谐振荡器特点：不需要外加触发信号，电路自激振,22,牛牛文库文档分享, 牛牛文库文档分享,23,假设,U,i1,=,U,o3,，则,U,o1,，,U,o2,。由于电容两端电压不能突变，因此当,U,o1,发生时，,U,i3,也，从而使,U,o,保持高电平，即,U,o1,=,U,oL,，,U,o2,=,U,oH,，,U,o,=,U,oH,，此时为暂稳态,。但此暂态不能长久维持，当,U,o1,输出低电平时电容,C,进行充电，等效电路如图,(b),所示,(,此处忽略了各个门的输出电阻和输入电阻的影响,),。随着,C,充电,U,i3,不断上升，当,U,i3,U,T,后，电路翻转为门,G,3,导通、门,G,1,截止、门,G,2,导通的暂稳态,。这时,U,o1,=,U,oH,，,U,o2,=,U,oL,U,o,=,U,oL,，电容,C,又将放电，等效电路如图,(,c,),所示。随着,C,放电，,U,i3,不断下降，当,U,i3,U,T,时电路又会翻转到门,G,3,截止，门,G,1,导通，门,G,2,截止的暂稳态,，并重复以上过程。电路的工作波形如图,(,d,),所示。,牛牛文库文档分享,假设Ui1=Uo3，则Uo1，Uo2。,24,RC,环型振荡器主要参数估算如下。,输出电压幅值：,振荡周期：,牛牛文库文档分享,RC环型振荡器主要参数估算如下。振荡周期： www.niu,25,图,6-2,给出了常用的两种多谐振荡器电路。振荡周期均为,T,1.4,RC,，图,(,b,),电路中,R,1,=,R,2,=,R,(,小于,1k),，,C,1,=,C,2,=,C,=100 pF100,F,，可输出对称方波。这些电路的优点是结构简单， 调节频率方便，但频率稳定度不高。,为了提高振荡器的频率稳定度，往往使用石英晶体多谐振荡器。石英晶体的固有谐振频率十分稳定，其符号及电抗频率特性分别如图,6-3(,a,),、,(,b,),所示，当频率为谐振频率,f,0,时，石英晶体的等效阻抗最小，信号最容易通过，而其它频率信号均被衰减掉，,因此振荡电路的工作频率仅决定于石英晶体的谐振频率,f,0,， 而与电路中的,R,、,C,数值无关。,6.4.3,石英晶体多谐振荡器,牛牛文库文档分享,图6-2给出了常用的两种多谐振荡器电路。振荡,26,图,6-2,常用的多谐振荡器,牛牛文库文档分享,图 6-2 常用的多谐振荡器 牛,27,图,6-3,石英晶体,(,a,),符号；,(,b,),电抗频率特性,牛牛文库文档分享,图6-3 石英晶体 牛牛文库文档分,28,图,6-4,为常用的几种石英晶体振荡器，其中图,(,a,),是将图,6-2(,b,),对称多谐振荡器中的耦合电容,C,与晶体串接构成的晶体多谐振荡器。图,(,b,),是将图,(,a,),中的耦合电容改换成耦合电阻， 晶体振荡频率可在,1MHz20 MHz,内选择。图,(,c,),、,(,d,),为两种实用晶体多谐振荡器。图,(,c,),中,C,2,的作用是防止寄生振荡，,R,1,、,R,2,可在,0.7k2 k,之间选择。实际应用中，为了改善输出波形和增强带负载能力，通常还在,U,o,输出端再加一级反相器。,牛牛文库文档分享,图6-4 为常用的几种石英晶体振荡器，其中图,29,图,6-4,几种常用的石英晶体振荡器,牛牛文库文档分享,图6-4 几种常用的石英晶体振荡器 www.niuwk.co,30,6.5.1 555,定时器的电路结构与功能,图,6-5 555,定时器电路结构,6.5 555,定时器及其应用,牛牛文库文档分享,6.5.1 555定时器的电路结构与功能图 6-5 5,31,图,6-5,中，比较器,C,1,的输入端,U,6,(,接引脚,6),称为阈值输入端，手册上用,TH,标注，比较器,C,2,的输入端,U,2,(,接引脚,2),称触发输入端，手册上用,TR,标注。,C,1,和,C,2,的参考电压,(,电压比较的基准,),U,R1,和,U,R2,由电源,U,CC,经三个,5k,的电阻分压给出。当控制电压输入端,U,CO,悬空时， ， ；,若,U,CO,外接固定电压，则 。,R,D,为异步置,0,端，只要在,R,D,端加入低电平，则基本,RS,触发器就置,0,，平时,R,D,处于高电平。,牛牛文库文档分享,图6-5中，比较器C1的输入端U6(接引脚,32,定时器的主要功能取决于两个比较器输出对,RS,触发器和放电管,V,1,状态的控制。,当 时，比较器,C,1,输出为,0,，,C,2,输出为,1,，基本,RS,触发器被置,0,，,V,1,导通，,U,o,输出为低电平。,当 时，,C,1,输出为,1,，,C,2,输出为,0,，基本,RS,触发器被置,1,，,V,1,截止，,U,o,输出高电平。,当 时，,C,1,和,C,2,输出均为,1,，则基本,RS,触发器的状态保持不变，因而,V,1,和,U,o,输出状态也维持不变。,牛牛文库文档分享,定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RS触,33,表,6-1 555,定时器功能表,牛牛文库文档分享,表 6-1 555定时器功能表 ,34,6.5.2 555,定时器构成的施密特触发器,牛牛文库文档分享,6.5.2 555定时器构成的施密特触发器www.niu,35,牛牛文库文档分享, 牛牛文库文档分享,36,（,1,）当,ui,0,时，由于比较器,C1=1,、,C2=0,，触发器置,1,，即,Q,1,、，,u,o1,u,o,1,。,ui,升高时，在未到达,2VCC/3,以前，,u,o1,u,o,1,的状态不会改变,。,（,2,）,ui,升高到,2VCC/3,时，比较器,C1,输出为,0,、,C2,输出为,1,，触发器置,0,，即,Q,0,、，,u,o1=,u,o=0,。此后，,ui,上升到,V,CC,，然后再降低，但在未到达,VCC/3,以前，,u,o1,u,o,0,的状态不会改变。,（,3,）,ui,下降到,2VCC/3,时，比较器,C1,输出为,1,、,C2,输出为,0,，触发器置,1,，即,Q,1,、，,u,o1=,u,o=1,。此后，,ui,继续下降到,0,，但,u,o1,u,o,1,的状态不会改变。,牛牛文库文档分享,（1）当ui0时，由于比较器C1=1、C2=0，触,37,6.5.3 555,定时器构成的单稳态触发器,图,6-6,用,555,定时器构成的单稳触发器电路图,牛牛文库文档分享,6.5.3 555定时器构成的单稳态触发器图 6-6 用,38,1),工作原理, 静止期：触发信号没有来到，,U,i,为高电平。电源刚接通时，电路有一个暂态过程，即电源通过电阻,R,向电容,C,充电， 当,U,C,上升到 时，,RS,触发器置,0,，,U,o,=0,，,V,1,导通，因此电容,C,又通过导电管,V,1,迅速放电，直到,U,C,=0,，电路进入稳态。这时如果,U,i,一直没有触发信号来到，电路就一直处于,U,o,=0,的稳定状态。,牛牛文库文档分享,1) 工作原理,39,暂稳态,：,外加触发信号,U,i,的下降沿到达时，由于,，,RS,触发器,Q,端置,1,，因此,U,o,=1, V,1,截止，,U,CC,开始通过电阻,R,向电容,C,充电。随着电容,C,充电的进行，,U,C,不断上升，趋向值,U,C,()=,U,CC,。,U,i,的触发负脉冲消失后，,U,2,回到高电平，在 ,期间，,RS,触发器状态保持不变，因此，,U,o,一直保持高电平不变，电路维持在暂稳态。但当电容,C,上的电压上升到 时，,RS,触发器置,0,，电路输出,U,o,=0,，,V,1,导通，此时暂稳态便结束，电路将返回到初始的稳态。,牛牛文库文档分享, 暂稳态：外加触发信号Ui的下降沿到达时,40,恢复期,：,V,1,导通后，电容,C,通过,V,1,迅速放电，使,U,C,0,，电路又恢复到稳态，第二个触发信号到来时，又重复上述过程。,输出电压,U,o,和电容,C,上电压,U,C,的工作波形如图,6-7,所示。,牛牛文库文档分享, 恢复期：V1导通后，电容C通过V1迅速放,41,图,6-7,用,555,定时器构成的单稳触发器波形图,牛牛文库文档分享,图 6-7 用 555 定时器构成的单稳触发器波形图www.,42,2),输出脉冲宽度,T,W,输出脉冲宽度,T,W,是暂稳态的停留时间，根据电容,C,的充电过程可知：,图,6-6,所示电路对输入触发脉冲的宽度有一定要求， 它必须小于,T,W,。若输入触发脉冲宽度大于,T,W,时，应在,U,2,输入端加,R,i,C,i,微分电路。,牛牛文库文档分享,2) 输出脉冲宽度TW 图6-,43,图,6-8,用,555,定时器构成的多谐振荡器电路图,6.5.4 555,定时器构成的多谐振荡器,牛牛文库文档分享,图 6-8 用 555 定时器构成的多谐振荡器电路图 6.,44,图,6-9,用,555,定时器构成的多谐振荡器 波形图,牛牛文库文档分享,图 6-9 用 555 定时器构成的多谐振荡器 波形图 w,45,1),工作原理,多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容,C,上电压,U,C,略低于 ，,U,o,输出高电平，,V,1,截止，电源,U,CC,通过,R,1,、,R,2,给电容,C,充电。随着充电的进行,U,C,逐渐增高，但只要 ，输出电压,U,o,就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。,牛牛文库文档分享,1) 工作原理,46,当电容,C,上的电压,U,C,略微超过 时,(,即,U,6,和,U,2,均大于等于 时,),，,RS,触发器置,0,，使输出电压,U,o,从原来的高电平翻转到低电平，即,U,o,=0,，,V,1,导通饱和，此时电容,C,通过,R,2,和,V,1,放电。随着电容,C,放电，,U,C,下降，但只要 ，,U,o,就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。,当,U,C,下降到略微低于 时，,RS,触发器置,1,，电路输出又变为,U,o,=1,，,V,1,截止，电容,C,再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。其工作波形如图,6-9,所示。,牛牛文库文档分享,当电容C上的电压UC略微超过 时(,47,图,6-9,用,555,定时器构成的多谐振荡器 波形图,2),振荡周期,T,的计算,振荡周期为两个暂稳态的持续时间,T,=,T,1,+,T,2,。,牛牛文库文档分享,图 6-9 用 555 定时器构成的多谐振荡器 波形图,48,图,6-9,用,555,定时器构成的多谐振荡器 波形图,牛牛文库文档分享,图 6-9 用 555 定时器构成的多谐振荡器 波形图 w,49,振荡周期,T,的计算,多谐振荡器的振荡周期为两个暂稳态的持续时间，,T,=,T,1,+,T,2,。由图,6-9,U,C,的波形求得电容,C,的充电时间,T,1,和放电时间,2,各为,振荡周期,:,牛牛文库文档分享,振荡周期T的计算振荡周期 :www.niu,50,3),占空比可调的多谐振荡器,图,6-11,占空比可调的多谐振荡器,牛牛文库文档分享,3) 占空比可调的多谐振荡器 图 6-11 占空比可调的多,51,电容,C,的充电路径为,U,CC,R,1,V,1,C,地，因而,T,1,=0.7,R,1,C,。,电容,C,的放电路径为,C,V,2,R,2,放电管,V,1,地，因而,T,2,=0.7,R,2,C,。,振荡周期为,:,占空比为,:,牛牛文库文档分享,电容C的充电路径为UCCR1V1C,52,本章作业,:,6.2 6.4 6.12 6.18 6.27 6.28,牛牛文库文档分享,本章作业: 牛牛文库文档分享,53,本章小结,1.,熟悉矩形脉冲的产生和整形电路,2,.,常用的脉冲整形电路,3.,单稳电路和施密特触发器,4.,常见的脉冲振荡电路,5.,多谐振荡器、环形振荡器、晶体振荡器,6.555,块的组成和工作原理及应用方法,牛牛文库文档分享,本章小结1.熟悉矩形脉冲的产生和整形电路www.niuwk.,54,