[工学]第六章 脉冲波形的产生和整形.ppt

,第六章 脉冲波形的产生和整形,6.1 概述 6.2 施密特触发器 6.3 单稳态触发器 6.4 多谐振荡器 6.5 555定时器及其应用 本章小结 作业：一、二、四、11、19、28,6.1 概述 矩形脉冲波形的产生和整形电路 产生矩形波：多谐振荡器 整形电路：施密特触发器、单稳态触发器 组成： SSIC构成； 555定时器构成； 集成施密特触发器； 集成单稳态触发器。,矩形脉冲的几个主要参数：,6.2 施密特触发器 特点： 1、具有两个稳定状态 2、状态转换依赖vI ，状态维持也依赖vI 3、两次触所需的电平不同，有回差 4、内部有正反馈，使输出电压波形的边沿变得很陡。,6.2.1 用门电路组成的施密特触发器,一、电路组成 CMOS反相器组成的施密特触发器 R1、R2分压电阻将vO反馈到vI ，且R1 R2 ； G1、G2组成正反馈电路，其阈值电压为VTH1/2VDD。,图6.2.1(a),1、vI0时， vO VOL 0，vI 0 2、 vI ， vI ，当vI VTH时 ，发生转换,vO=VOH VDD 此时的vI V T+ （V T+ 正向阈值电压）,二、工作原理,即：,3、vI 继续 ，达到最大值VDD后，开始下降，在vI 下降到VTH前， vO 保持 VOH VDD不变。,4、 vI ， vI ， 当vI VTH时 ，又发生转换,vO=VOL 0此时的vI V T（V T 负向阈值电压）,因为,所以,即：,将,代入上式，得,三、回差电压,施密特触发器的电压传输特性,图6.2.1(b) 施密特触发器的图形符号,改变R1 、R2的比值， 可以调节 VT+、VT、 VT 。 但R1 必须小于R2， 否则电路进入自锁状态， 不能正常工作。,同相触发器,反相触发器,6.2.2 集成施密特触发器,由于施密特触发器的应用广泛,TTL、CMOS都有单片集成的产品。 1、TTL集成施密特触发器7413,TTL集成施密特触发器7413 参数如下：,2、CMOS集成施密特触发器CC40106 VT+和VT受VDD影响，且分散性较大 但有单一特性（整形，提高抗干扰性）,6.2.3 施密特触发器的应用,一、波形变换,将边沿缓慢变化的周期性 信号变换为矩形波。 （正反馈）,二、用于脉冲整形,振荡,噪声,1、传输线上电容C较大时，边沿变换 2、传输线长且阻抗不匹配，上下沿振荡 3、其它噪声脉冲耦合干扰 基于上述原因，需要整形。,图 6.2.9 用施密特触发器对脉冲整形,四、构成多谐振荡器 （见6.4.4节）,只有幅度大于的脉冲V T+ 才会在输出端产生输出信号。,三、脉冲鉴幅,应用：整形、延时、定时,6.3 单稳态触发器 特点：,1、有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。 2、在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，暂稳态 维持一段时间自动返回稳态。 3、暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉 冲的宽度和幅度无关。,6.3.1 门电路组成的单稳态触发器,一、微分型单稳态触发器（自学）,单稳态触发器的暂稳态通常是靠RC电路的充、放电过程来维持。,二、积分型单稳态触发器,1、电路组成 R、C为积分环节，R tpo ，,图 6.3.5 积分型单稳态触发器,2、工作原理 （1）电路的稳态 vI未加入前vI =0，vO1 =1、vO =1， vA VOH (1)。,vI输入正脉冲， vO1跳变为低电平， 但vA不突变，仍为高电平， 所以vO为低电平， 暂稳态开始； 电容开始放电， 门G2输入端关闭， i R10，C放电通路如图。 (R+R0)C, 当vAVTH时， 门G2关闭， 输出变高， 暂稳态结束。 由于tpitpo，所以vI仍为高， vO1仍为低，vA继续放电， 但多了VCC、R1、C一路。,（2）电路的暂稳态,（3）恢复过程 当vI由低变高时，对G2无影响； 而vO1由低变高时，对电容C充电，等效电路如图。 (R+R0)C 恢复时间：,3、主要技术指标 （1）输出脉宽：利用过渡过程三要素法计算,（2）输出幅度：,（3）分辨时间：,三要素：,4、单稳态触发器的应用 （1）整形 （2）延时 （3）定时,6.3.2 集成单稳态触发器 TTL集成单稳态触发器74121，微分型单稳，3个触发端,输出脉宽：,Rext：2k30k Cext：10pF10F 则tW：20ns200ms,74121工作波形图,74121功能表,6.4 多谐振荡器,6.4.1 对称式多谐振荡器 一、电路组成： 由两个TTL反相器 G1、G2 将耦合电容C1、C2 连接起来组成 正反馈电路。,接通电源后，不需外加出发信号，便能自动产生矩形脉冲。由于含丰富的高次谐波分量，又将矩形波振荡器称为多谐 振荡器。,为了产生自激振荡， RF的选择应使G1、G2 工作在电压传输特性的 转折区。,利用叠加原理，可求出输入电压为：,vO与vI是线性关系，因为：,所以其斜率为：,当vO 0时，,对于74系列，RF：0.5k1.9k。,二、工作原理 接通电源后， 由于外界干扰使vI1 ，则,正反馈,第一暂稳态： vO1 0， vO2 1 则C1充电，两路，快 C2放电，一路，慢 当vI2上升到G2的阈值电压VT时，引起正反馈。,二、工作原理,正反馈,由于正反馈， 使G1止， G2通， 进入第二暂稳态： vO1 1， vO2 0 则C2充电，两路，快 C1放电，一路，慢 当C2充电到G1的阈值电压VT时，引起正反馈，使G1通， G2止，又回到第一暂稳态：vO1 0， vO2 1 以后周而复始，形成振荡。,三、波形图及振荡周期的计算 根据过渡过程三要素公式计算，得到：,振荡周期为：,若RF1=RF2，C1=C2 对于74LS系列 取VOH3.4V，VIK1V，VTH1.1V，则 对于74系列 取VOH3.6V，VOL0.3V，VTH1.4V，T1.4RFC。,6.4.2 非对称式多谐振荡器,多用于CMOS门组成的多谐振荡器，RF的选择必须保证静态时 G1和G2工作在电压传输特性的转折区； 振荡原理与对称式多谐振荡器类似，振荡周期T2.2RFC。,6.4.3 环形振荡器,一、奇数个反相器组成的环形振荡器 利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接组成，例如,振荡周期 T=6 tpd 若为n个（n为奇数）反相器， 则振荡周期 T=2 n tpd,很难获得较低的振荡频率， 且无法调节。 可以附加RC延迟环节。,缺点：,二、带有RC延迟环节的环形振荡器 1、电路组成： 加入RC延迟环节，RS为限流电阻，要求R+ RS ROFF 。,二、工作原理 忽略门的延迟时间tpd， 电路没有稳态，只有暂稳态。,第一暂稳态:,G1=0, G2=1, G3=1,当vI3充电到VT时，转换到另一暂稳态：G1=1, G2=0, G3=0 。,第二暂稳态:,G1=1, G2=0, G3=0,当vI3放电到VT时， 又转换到第一暂稳态： G1=0, G2=1, G3=1 。 以后周而复始，产生振荡。,工作波形,三、主要参数 1、振荡幅度 Vom=VOHVOL 2、振荡周期 假定VOH 3V， VTH 1.4V，则T2.2RC。 3、振荡频率 f 1/T,6.4.4 用施密特触发器构成多谐振荡器,施密特触发器的输入电压在V T+与V T-之间反复变化，在输出端 即可得到矩形脉冲波。,通过调节R和C的大小， 可以改变振荡周期。,占空比可调的多谐振荡器： 通过调节R1的大小， 可以改变占空比。,振荡周期T的计算：,6.4.5 石英晶体多谐振荡器,一、石英晶体电抗频率特性 由石英晶体的电抗频率特性可知 外加信号频率为f0时电抗最小， 其他频率信号经晶体被衰减。所以 振荡器的工作频率也必然是f0。,石英晶体的谐振频率由石英晶体 的结晶方向和外型尺寸决定。,二、电路组成 三、工作原理 优点：频率稳定度高 f0 / f0 10101011,6.4.5 石英晶体多谐振荡器,由石英晶体的电抗频率特性可知 外加信号频率为f0时电抗最小， 其他频率信号经晶体被衰减。所以 振荡器的工作频率也必然是f0。,石英晶体的谐振频率由石英晶体 的结晶方向和外型尺寸决定。,6.5.1 集成555定时器的电路结构与功能,6.5 集成555定时器及其应用,555定时器是一种多用途的数字-模拟混合继承电路，可以产生时间延迟及多种脉冲信号的控制电路，具有定时功能。 NE555、 CB555、 C7555、双定时器556,一、电路的结构 1、电压比较器和电阻分压器 集成运放构成的电压比较器C1、C2， V+V-时，则vo=VOH (1)； V+V-时，则vo=VOL (0)。 电阻分压器使 VR12/3VCC VR21/3VCC,2、基本RS触发器 由与非门G1、G2构成，RD为置零输入端，低电平有效。 3、晶体管TD和输出缓冲G3、G4 G4有较大的电流驱动能力，隔离定时器及负载 TD起开关作用，当vo3 1时，TD通；vo30时，TD止。,TH：高触发端；TR：低触发端 RD：置零端； DISC：开路输出 VCO：控制电压输入端，悬空或通过电容接地,CB555,VCC,DISC,TH,VCO,GND,TR,OUT,TR,TR,RD,二、工作原理 即功能表,6.5.2 用555定时器接成的施密特触发器,一、电路构成,提高参考 电压稳定性,将定时器的两个输入端 vI 1 、vI 2连在一起作为 信号输入端 即构成施密特触发器,当1/3VCC vI 2/3VCC时 保持原态，vo =VOH,当vI 1/3VCC时 vo=VOH,当vI 2/3VCC时 vo =VOL,1、vI从0逐渐升高:,(1),(2),(3),VT+=2/3Vcc,二、工作原理,当1/3VCC vI 2/3VCC时 保持原态， vo =VOL,当vI 1/3VCC时 vo =VOH,2、vI从高于2/3VCC开始下降:,(1),(2),VT-=1/3Vcc,回差电压,如果管脚CO外接参考电压Vco，则：,VT-=1/2Vco,VT+=Vco,通过改变Vco可调节回差电压VT,回差电压VT 1/2Vco,施密特触发器的特点 1、具有两个稳定状态 2、状态转换依赖vI ，状态维持也依赖vI 3、两次触所需的电平不同，有回差 4、内部有正反馈，使输出电压波形的边沿变得很陡。,6.5.3 用555定时器接成的单稳态触发器 单稳态触发器的特点 1、有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。 2、在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，暂稳态 维持一段时间自动返回稳态。 3、暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲 的宽度和幅度无关。,vI,一、电路组成,二、工作原理及波形图 vI为负的窄脉冲， vO为宽的正脉冲 1、初态：没加vI ，TRVIH1/3VCC，电容C充电， 当vC TH=2/3VCC时， vO VOL ，TD导通，vC放电到0。 因为TR1/3VCC， TH2/3VCC，所以vO保持VOL,2、加触发信号vI ，则TR1/3VCC ， TH2/3VCC ，所以vO VOL ，TD导通。 3、恢复过程：因为TD导通，vC放电，经恢复时间后， vC 0。,三、输出脉宽 根据过渡过程三要素法： 输出脉宽,R：几百几兆欧 C：几十pF几百pF,6.5.4 用555定时器接成的多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号便能自动的产生矩形脉冲。,一、电路的组成,二、工作原理及波形图,三、振荡周期的计算 1、充电时间T1： vC(O+)1/3VCC vC()VCC 1（R1+R2)C,vC(t1)2/3VCC,2、放电时间T2： vC(O+)2/3VCC vC()0 2R2C,vC(t2)1/3VCC,输出脉冲占空比,振