尹其畅第二十五～二十六讲脉冲电路的产生与整形.ppt

1,第七章 脉冲波形的产生与整形,数字电子技术,(第二十五二十六讲),2,在前面各章的讨论中，常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿的脉冲信号，如触发器就需要时钟脉冲（CP），等等。事实上，现代电子系统都离不开脉冲信号。 获取脉冲信号的方法通常有两种： 直接产生； 将其它非脉冲信号经过整形变换电路变为脉冲信号。,7.1 概述,3,脉冲波形 为了定量地描述矩形脉冲波的特性，我们来看看它 的几个指标：,tr,tf,4,描述矩形脉冲特性的主要参数,T 脉冲周期( f )。 Vm 脉冲电压最大 变化幅度。 tw 脉冲宽度。 tr 上升时间。 tf 下降时间。 q 占空比，脉冲宽度 与脉冲周期的比值 即：q = tw / T,5,与产生模拟信号要用模拟振荡器一样，产生脉冲信 号要用脉冲振荡器。 脉冲波形变换则包括脉冲宽度、幅度、相位及上升 和下降时间等等的改变，通过变换，使这些特性符合要 求。,6,TTL：555，556（含有两个555）； CMOS：7555，7556（含有两个7555）， 755 （含有三个7555）。,流行产品:,7.2 555定时器,555定时器电路是一种用途广泛的数-模混合中规模集成电路。只需外接几个阻容元件,就可以方便地构成各种不同用途的脉冲电路,如多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等。,555定时电路有TTL集成定时电路和CMOS集成定时电路,它们的逻辑功能与外引线排列都完全相同。,7,一、555定时器的电路结构 由以下几部分组成： （1）三个阻值为5k的电阻组成的分压器。 （2）两个电压比较器C1和C2。,电压比较器的功能： v+ v-，vO=1 v+ v-，vO=0 （3）基本RS触发器、 （4）放电三极管T及缓冲器G。,8,9,（1）4脚为复位输入端：RD=0时，输出vo为低电平。正常工作时，应将其接高电平。 （2）5脚为电压控制端：当其悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3VCC 和1/3VCC ；,（3）2脚为触发输入端，6脚为阈值输入端，两端的电位高低 控制比较器C1和C2的输出，从而控制RS触发器，决定输出状态。 （4）3脚为输出端，7脚是放电端，8、4脚分别是电源和地。,比较器C1和C2的比较电压分别为VCO和1/2 VCO 。当不用时，应在该端和地之间接一个0.01f的去耦电容，以消除干扰，保证其稳定在2/3VCC,而当其输入电压为VCO时:,10,二.555定时器的工作原理,11,工作原理分析,12,555的功能表,13,555定时器功能表,14,1）定时的精度、工作速度和可靠性高； 2）使用的电源电压范围宽，从 2V 18V，能和数字电路 直接连接； 3）有一定的输出功率，可驱动微电机、指示灯、扬声器等； 4）结构简单，使用灵活，用途广泛(有“万能芯片”之称)。,555定时器的特点：,555定时器的用途： 555定时器主要用于脉冲波形的产生、变换、控制与检测。可组成各种波形的脉冲振荡器、定时延时电路、检测电路、电源变换电路、频率变换电路。,下面介绍由定时器构成的多谐振荡器、施密特触发器、单稳态触发器。,15,7.4 多谐振荡器,多谐振荡器不需外加触发脉冲就能够产生一定频率和幅度的矩形脉冲波的电路。 由于矩形波中除基波外，还含有丰富的高次谐波成分而得此名。,特点：,（）没有稳态，只有两个暂稳态; （）在自身的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换。,用途：,自动产生矩形波。,16,当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0； 当f=fp时，为并联谐振，石英晶体的电抗X无穷大。,二 石英晶体多谐振荡器,1.石英晶体的选频特性,有两个谐振频率,石英晶体具有很好的选频特性，另外它具有一个极为稳定的串联谐振频率： f0 fs （晶体的标称频率）。石英晶体的选频特性极好， f0十分稳定， 其稳定度可达 10-1010-11。,一. 门电路构成的多谐振荡器(略),17,石英晶体的电抗频率特性和符号,18,2. 石英晶体多谐振荡器,（1）串联式振荡器,R1、R2的作用使两个反相器在静态时都工作在转折区。对于TTL门，常取R1=R2=0.72k， CMOS门则常取R1=R2=10100M； C1=C2是耦合电容。 石英晶体工作在串联谐振频率f0下，只有频率为f0的信号才能通过，满足振荡条件。因此，电路的振荡频率= f0，与外接元件R、C无关，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。,19,（2）并联式振荡器,RF是偏置电阻，保证在静态时使G1工作转折区，构成一个反相放大器。晶体工作在略大于fS与 fP之间，等效一电感，与C1、C2共同构成电容三点式振荡电路。 电路的振荡频率= f0。 反相器G2起整形缓冲作用，同时G2还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。,20,三.用555定时器接成的多谐振荡器,1.电路组成及工作原理,21,输出波形,22,设电容C 原先未充电, 故 TH = TR VCC /3 , 此时 uo = 1 , 555内的晶体管 TD 截止 , 电源通过 R1 和 R2 对电容 C 充电。,23,在 uC 没有充电到 2VCC /3 之前, uo 保持 1 不变。,24,在 uC 没有充电到 2VCC /3 之前, uo 保持 1 不变。,t1,t2,t3,T1,T2,T = T1 + T2 = 0.7 ( R1 + 2R2 ) C,25,多谐振荡器的电压波形图,26,555定时器构成的多谐振荡器的电压波形图,27,（2） 电容放电时间T2,（3）电路振荡周期T T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C （4）电路振荡频率f,（5）输出波形占空比q,（1）电容充电时间T1：（用三要素法计算）,2. 振荡频率的估算,28,29,四 占空比可调的多谐振荡器电路,利用半导体二极管的单向导电特性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。,可计算得： T1=0.7R1C T2=0.7R2C 占空比：,30,五.用施密特触发器构成的多谐振荡器,31,施密特触发器脉冲占空比可调的多谐振荡器,32,六多谐振荡器应用实例 1. 简易温控报警器,33,2. 双音门铃。,34,3. 秒脉冲发生器,CMOS石英晶体多谐振荡器产生f=32768Hz的基准信号，经T/触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒信号。 这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源。,35,用74161组成的秒脉冲发生器(其分频为频率为1Hz)。,36,例 多谐振荡器的设计,试用555构成一个多谐振荡器,要求输出脉冲的振荡频率为20KHZ,占空比25%.,37,P216 7.6 7.9 (7.10),38,7.2 施密特触发器,特点：1）电路有两个稳态，所以是一种双稳态触发器； 2）电路状态的翻转依赖于外加触发信号的幅值， 因此，施密特触发器不具有记忆功能。 3) 具有滞回特性。,用途: 1)用于波形变换、整形；鉴别脉冲幅度 2)构成多谐振荡器、单稳态触发器,555电路构成的施密特触发器（重点介绍） 门电路组成的施密特触发器(略) 集成施密特触发器（简介）,内容：,39,555定时器功能表,一. 用555定时器接成的施密特触发器,40,1. 电路组成及工作原理,41,1. 电路组成及工作原理,电压滞回特性,42,2. 电压滞回特性和主要参数 （1）电压滞回特性,（a）正向阈值电压VT+ vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。,（b）负向阈值电压VT vI下降过程中， VO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。,回差电压： VT = VT+ VT,可见，VT+ VT ，将此现象称为“回差现象”。,43,（3）回差电压VT ： VT= VT+VT=1 /3VCC,（2）555定时器构成的施密特触发器主要静态参数,（a）上限阈值电压VT： VT+=2/3VCC。 （b）下限阈值电压VT ： VT=1 /3VCC。,44,2输入输出波形及电压传输特性,输入输出波形,电压传输特性,VT VT+,VT,45,电压传输特性 （a）同相输出 （b）反相输出,46,CMOS反相器构成的施密特触发器,二.集成施密特触发器,1.TTL集成施密特触发器7414内部电路图,47,TTL集成施密特触发器7414的电压传输特性,48,2.CMOS集成施密特触发器CC40106电路图,49,集成施密特触发器CC40106的电压传输特性 （ a）电压传输特性 （b）VDD对VT、VT的影响,50,集成施密特触发器 1. CMOS集成施密特触发器CC40106,2. TTL集成施密特触发器74LS14,51,四 施密特触发器的应用举例,1. 用作接口电路将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形。,2. 用作整形电路把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。,52,用施密特触发器对脉冲整形,53,3. 用于脉冲鉴幅从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于VT+的输入脉冲。,54,用于波形变换将其它波形变换为矩形波,55,用施密特触发器构成的多谐振荡器,56,用施密特触发器构成的单稳态触发器,57,7.3 单稳态触发器,1.有一个稳态和一个暂稳态； 2.在触发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态； 3.暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。,单稳态触发器特点:,单稳态触发器用途:,用作整形、延时和定时。,58,它的突出特点是: 输出端只有一个稳定状态, 另一个状态则是暂稳态.一般情况下处于稳态，加入触发信号后,它可以由稳定状态翻转成暂稳态,在暂稳态经过一定时间以后,它又会自动返回原来的稳态。在暂稳态维持的时间由电路参数决定，与触发脉冲无关。,稳定状态,稳定状态,暂稳态,恢复期,59,三、 用555定时器组成单稳态触发器,1. 电路组成及工作原理,一、门电路构成的单稳态触发器（略）,60,用555定时器接成的单稳态触发器,（1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态 当vI=1时，电路工作在稳定状态，即vO=0，vC=0。 （2）vI下降沿触发 当vI下降沿到达时，vO由0跳变为1，电路由稳态转入暂稳态。,波形图,61,（3）暂稳态的维持时间 在暂稳态期间，三极管T截止，VCC经R向C充电。时间常数1=RC， vC由0V开始增大，在vC上升到2/3VCC之前，电路保持暂稳态不变。 （4）自动返回（暂稳态结束）时间 当vC上升至2/3VCC时，vO由1跳变0，三极管T由截止转为饱和导通， 电容C经T迅速放电，电压vC迅速降至0V，电路由暂稳态重新转入稳态。,62,（5）恢复过程 当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的放电三极管 T放电，时间常数 2=RCESC，经过（35）2后，电容C放电完毕，恢复过程结束。,63,2. 主要参数估算,(1) 输出脉冲宽度Tw（用三要素法计算）,上式说明，单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节tW。 （2）恢复时间tre tre=（35）2 （3）最高工作频率fmax vI周期的最小值： Tmin= tWtre 因此，单稳态触发器的最高工作频率应为:,64,单稳态触发器电压波形图,65,单稳态触发器的作用： 在一个输入触发脉冲作用下，输出端能输出一个一定宽度的脉冲，其脉冲宽度tw取决于电路内部的参数R、C，而它的周期由外加脉冲信号控制。,3. 参数计算： 1）输出脉宽tw 暂稳态维持时间 tw =1.1RC,在定时电路中，为了调整tw ，通常以改变电容 C 作为粗调，改变R 作为细调。,2）脉冲输出周期TO TO= TI（输出脉冲=输入脉冲） 3）分辨时间 td 和最高触发脉冲频率fmax td触发脉冲最小触发周期 td = tw + tre fmax=1/ td 其中tre =(35)RdC,触发脉冲周期TI 应大于输出脉宽周期tw,66,问：若出现TI td，会出现什么情况？ 答： tw不定。当电路进入恢复阶段后，若恢复过程尚未完成又出现新的输入信号，此时，电路虽仍会触发而输出脉冲，但由于触发前电容上的电压尚未达到稳定值，因而会使输出脉冲宽度发生改变，最终导致脉宽不稳，这种现象称为“脉宽抖动”，应避免。,67,二、集成单稳态触发器74121的逻辑图,74121的电路结构,68,A1和A2是两个下降沿有效的触发信号输入端， B是上升沿有效的触发信号输入端。,74121的逻辑功能,69,74121的外部连接方法 （a）使用外接电阻Rext （下降沿触发） （b）使用内部电阻Rint （上升沿触发）,70,集成单稳态触发器74121的工作波形图,74121的工作波形图,71,不可重复触发型与可重复触发型单 稳态触发器的工作波形,（a）不可重复触发型 （74121、 74221 、74221）,（b）可重复触发型 （74122、 7412、 7412等）,72,74121内部电阻=2k，外接电阻Rext可在1.440k之间选择，外接电容C可在10pF10F之间选择 (得到的t范围可达到nsms) ，所以， 当R=2k时， 最大占空比qmax为67%； 当R=40k时，最大占空比qmax可达90%。,74121的主要参数,(1) 输出脉冲宽度tW 使用外接电阻： tW0.7RextC 使用内部电阻： tW 0.7RintC,（2）输入触发脉冲最小周期Tmin Tmin= tWtre tre是恢复时间。,（3）周期性输入触发脉冲占空比q 定义： q = tW/T 最大占空比： qmax= tW/ Tmin,73,四 单稳态触发器的应用,图中，v/O的下降沿比vI的下降沿滞后了时间tW。,当v/O=1时，与门打开，vO= vF。当v/O=0时，与门关闭，vO为低电平。显然与门打开的时间是恒定不变的，就是单稳输出脉冲v/O的宽度tW。,延时,2定时,74,例：试设计一个电路，以实现如下控制要求。,75,. 整形,单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲vO。vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于暂稳态时间。,76,3. 触摸定时控制开关,555定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片P，由于人体感应电压相当于在触发 输入端（管脚2）加入一个负 脉冲，