数字电路教学PPT脉冲波形的产生与整形.ppt

第九章 脉冲波形的产生与整形,9.1 概述 9.2 施密特触发器 9.3 单稳态触发器 9.4 多谐振荡器 9.5 555定时器及其应用,一、矩形脉冲的获取方法 1.直接产生：利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲； 2.波形整形：通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。,9.1 概述,二、矩形脉冲的主要参数,占空比q tw t。,一、施密特触发器的特点 1、回差特性： 输入从低电平到高电平时转折电平，与输入从高电平到低电平时的转折电平不同，电路有两个不同的阈值电压。 2、内部存在正反馈过程： 在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。,9.2 施密特触发器,二、门电路组成的施密特触发器,1、vi=0时，vi=0，vo1=1，vo=0。,电路正常工作条件： r1r2； 电路通过r2引入正反馈。,g1，g2为cmos反相器，门电路的阈值电压为：vth=1/2vdd。,2、vi从0逐渐升高到vdd时,当vi从0逐渐升高到使得vi = vth时,电路发生正反馈,如图所示:电路状态迅速转换为vo=voh vdd,正向阈值电压：vt+ =（1+r1/r2）vth,正向阈值电压： vi上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平,负向阈值电压：vt-=（1-r1/r2）vth,3. 当vi从vdd逐渐下降到使得vi = vth时,电路发生正反馈,如图所示:电路状态迅速转换为vo=vol 0,负向阈值电压： vi下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平,回差电压：,电压传输特性曲线：,同相输出的施密特触发器,反相输出的施密特触发器,定义回差电压 ： vt=vt+ vt-,通过改变r1和r2的比值，可以调节vt+、 vt-和回差电压的大小，但r1必须小于r2，否则电路将进入自锁状态，不能正常工作。,集成ttl门组成的施密特触发器,置0,保持,保持,置1,置0,施密特触发器原型电路,施密特触发器的电压传输特性,三、集成施密特触发器,集成施密特触发器,输入端带有施密特触发器的集成逻辑门,2. ttl集成施密特触发器74ls14,1. cmos集成施密特触发器cc40106,施密特触发器属于电平触发电路，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。,施密特触发器有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时，电路的阈值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性 。,施密特触发器的工作特点：,施密特触发器是一个双稳态电路，当输入信号维持不变时，输出电压不会发生改变。,四、施密特触发电路的应用,1.波形变换: 将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。,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,整形电路把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲,2.脉冲整形： 在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。,合理选择回差电压消除信号上的干扰,3.脉冲鉴幅： 可在输入的一系列幅度各异的脉冲信号中选出幅度大于某一定值的脉冲输出。,4 用施密特触发器构成多谐振荡器,电容上初始电压为零，所以输出为高电平，并开始经电阻r向电容充电。当充至时，输出跳变为低电平，电容c又经r开始放电。,对ttl电路，100r470,一、单稳态触发器的工作特点 1、它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，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态； 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。 由于具备这些特点单稳态触发器被广泛应用于脉冲整形、延时(产生滞后于触发脉冲的输出脉冲)以及定时(产生固定时间宽度的脉冲信号)等。,9.3 单稳态触发器,图示暂稳态：,二、微分型单稳态触发器 单稳态触发器的暂稳态通常都是靠rc电路的充、放电过程来维持的。根据rc电路的不同接法(即接成微分电路形式或积分电路形式)，又把单稳态触发器分为微分型和积分型两种。,1、工作原理： 1）稳态：没有触发电平，vi为低电平，vo为低电平，vo1为高电平，电容c上没有电压(g1截止，g2导通）。 2）稳态暂稳态：当vi正跳变，vo1由高电平到低电平，vi2为低电平，于是vo为高电平。即使vi触发信号撤除，由于vo反馈的作用，vo1仍然为低电平(g1导通，g2截止） 。,3)暂稳态稳态：电容c充电，vi2升高，当vi2=vth时，电路引入正反馈过程，返回稳态（g1截止，g2导通）,4) 恢复过程：最终vo=0，vo1=1， 电容放电至vi2=vdd进入稳态。,2、电路的电压波形,3、主要参数：脉冲宽度,电容充放电知识复习：,(1) 电容两端的电压不能突变，vc（0） vc（0）， 电容充放电需要时间，有过渡过程，其时间长短只与 rc有关,工程上取(45)；,（2）开始充放电（换路）瞬间，阻抗很小，相当短路； 充放电结束，电路处于稳态，c支路电流为0，阻抗很大， 相当开路；,（3）简单rc电路中，各处电压、电流均按指数规律变化；,（4）在简单rc电路中,三、积分型单稳态触发器,1、工作原理 稳态：稳态下当vi=0，g1、g2同时截止，vo1、va、vo均为高电平，电容c上充电（g1，g2截止）。 稳态暂稳态：当vi输入正脉冲后，g1导通，vo1产生负跳变，由于电容电压不能突变，g2导通，使vo= 0，电路进入暂稳态（g1，g2导通）。,暂稳态稳态：在暂稳态随着电容放电，va下降。当va=vth时，g2截止，vo回到高电平。 恢复过程：待输入信号回到低电平，g1又截止，电容又开始充电，经过恢复时间tre以后，电路达到稳态。,2、工作电压的波形,3、主要参数：脉冲宽度,四、 集成单稳态触发器,不可重复触发,可重复触发,被重复触发,两种工作情况,1. 不可重复触发的集成单稳态触发器 74xx121,触发信号控制电路,微分型单稳触发器,输出缓冲电路,9.3.2 集成单稳态触发器,(1) 工作原理,电路稳态 : q=0,0,1,0,0,0,在暂稳态期间即使有触发信号输入，在a点不产生触发脉冲，只有等电路返回稳态后，电路才会被再次触发，电路属于不可重复触发单稳态触发器。,电路暂稳态 : q=1,输出脉冲宽度： tw0.7rc,(2) 功能表,74121功能表,定时电容,定时电阻内部,定时电阻外部,（3）电路连接,两种触发方式,2. 可重复触发的集成单稳态触发器 74xx122,五、单稳态触发器的应用,1. 定时,tw,t w,2. 延时,d,cp,(r),如果噪声是宽度较窄的尖脉冲，而有用信号的宽度较宽,注意：单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度 而小于信号脉宽，才可消除噪声,3. 消除噪声,1）多谐振荡器是一种自激方波振荡器,9.4 多谐振荡器,1、多谐振荡器的特点,2、多谐振荡器的基本组成,开关器件：产生高、低电平,反馈延迟环节：利用rc电路的充放电特性实现延时，将 输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态以获得所需要的振荡频率。,2）无稳态电路,6.4.1 对称式多谐振荡器,可恰当地选取rf1和rf2的值，使反相器的静态工作点p位于电压传输特性的转折区。,建立初态： 恰当选取rf1和rf2的值，使反相器的静态工作点p位于电压传输特性的转折区，电源波动和外界干扰使vi1有微小的正跳变，必有如下反馈：,使vo1迅速跳变为低电平， vo2迅速跳变为高电平，电路进入第1个暂稳态。（g1导通，g2截止）,一、 工作原理,2. 暂稳态 暂稳态： 第一暂稳态： vo1=0、vo2=1。电容c1充电,c2放电，c1经r1和rf2两条支路充电，所以充电速度较快。当vi2=vth时，形成正反馈过程，电路进入第二暂稳态。（g1截止，g2导通）,3. 暂稳态 暂稳态： 第二暂稳态： vo1=1、vo2=0，电容c2充电,c1放电，当vi1 =vth 时，形成正反馈过程，使vo1减小，vo2增大，电路返回第一暂稳态。,二、工作波形,非对称式多谐振荡器,9.4.2 施密特触发器构成多谐振荡器,电容上初始电压为零，所以输出为高电平，并开始经电阻r向电容充电；随着充电的进行，vi上升，当vi=vt+时，输出跳变为低电平，电容c又经r开始放电；随着放电的进行，vi下降，当vi=vt-时，输出跳变为高电平，电容c又充电。如此周而复始。,采用cmos门电路,9.4.3 石英晶体振荡器,由门电路组成的多谐振荡器周期t取决于rc 和 vth，频率稳定性较差。,电路符号,阻抗频率特性,rf：使反相器工作在转折区,石英晶体振荡器,优点：振荡频率稳定性高，常用作基准信号源,1、石英晶体振荡器电路,振荡频率：石英晶体的标称频率,石英晶体电抗频率特性：外加电压频率为f0时阻抗最小，所以频率为f0的电压信号最容易通过它，并在电路中形成正反馈，而频率不是f0的电压信号被衰减。,2. 石英晶体振荡器作为时钟基准示例,9.5.1 555定时器,9.5.2 定时器应用举例,9.5 555定时器及其应用, 电路的组成, 用555定时器组成施密特触发器,用555定时器组成单稳态触发器,用555定时器组成多谐振荡器, 工作原理,9.5.1 555定时器的电路结构和基本功能,555定时器的内部电路包括以下几部分 : 两个电压比较器: c1、c2 ; 一个基本rs 触发器; 一个放电晶体管t； 由三个相等电阻组成的分压器; 一个反相器等。,1.电路结构,电阻分压器,电压比较器,基本rs触发器,复位输入端(0),输出缓冲反相器,集电极开路输出三极管,1、电路结构,低电平 触发端,高电平 触发端,电压 控制端,复位端 低电平有效,放电端,电源端516v,输出端,地,555定时器的管脚图,2.基本功能,三个电阻构成的分压器给两个比较器提供基准电压: 分别为 和 。,0,0,1,b,2/3vcc,1/3 vcc,0,0,0,1,1,2vcc/3,vcc/3,1,1,0,1,0,b,2vcc/3,vcc/3,1,0,1,1,0,b,综合以上的分析结果,便可得到 555的功能表:,不变,不变,1,导通,0,1,截止,1,1,导通,0,0,放电管t,输出(vo),复位(rd),tr (vi2),th (vi1),输 出,输 入,1. 555定时器做施密特触发器,施密特触发器的特点： （1）双稳态触发器，有两个稳定的状态； （2）电平触发电压达到某个值时电路状态翻转； （3）具有滞回电压传输特性回差特性 （两次翻转输入电平不同）；,9.5.2 555定时器的基本应用,555定时器应用范围非常广泛，可以做施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等。,电路：,2，6端连在一起作为信号输入端,vi1/3vcc时，c1输出高电平，c2输出低电平，vo=1,vi2/3vcc时，c1输出低电平，c2输出高电平，vo=0,构成 集电 极开 路型 输出 端。,v,i,v,o,t,t,0,0,u,t+,u,t,2,v,cc,/,3,v,cc,/,3,工作原理：,v,i,v,o,t,t,0,0,u,t+,u,t,2,v,cc,/,3,v,cc,/,3,v,i,v,o,t,t,0,0,u,t+,u,t,2,v,cc,/,3,v,cc,/,3,下降阈值电压,(b)逻辑符号,(a)传输特性,v,t,v,t+,上升阈值电压,回差电压（滞后电压）： vt+=2/3vcc; vt-=1/3vcc vt vtvt =1/3vcc,在7脚外接一电阻，并与vcc1 相连， vo=1时，vo1=vcc1; vo=0时，vo1=0， 可以实现电平转换。,在5脚上加控制电压vco可以改变vt+,vt- ， 以调节回差电压的大小。vt+=vco vt-=1/2vco,说明：,2. 555定时器做单稳态触发器,单稳态触发器的特点,电路有一个稳态和一个暂稳态。 在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。 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。,单稳态触发器电路：,外 接 rc,t截止时，对c充电,t导通时，c放电,工作原理：,可以在5脚外接控制电压，以改变放电阀值。,vth,vc,b,t,vc2/3vcc时，vo0，t导通，c放电。,2/3vcc, 稳态（vi1，vo =0）,接通vcc后,c充电，当vc上升到2vcc/3时: 比较器c1=0，将触发器置0， vo0。 t导通，c放电,vc 0 电路进入稳态。,2/3vcc,外触发: vi,vi1/3 vcc， 比较器c20，触发器置1， vo1 t截止，c充电 电路进入暂稳态。,t截止，c充电，当vc上升到2/3 vcc时: 比较器c1=0，触发器置0， vo0 t导通，c放电,vc 0电路 电路返回稳态。,2/3vcc,自动返回（vi1）:,由以上过程可以看出 : 每来一次负脉冲 , vo 便输出一个正脉冲,其宽度 tw 由 r c 决定 。,输出脉冲宽度tw,tw是vc从0指数上升到2vcc/3时所需的时间,注意:tw宽度的增加，将降低定时精度和稳度。 tw 的范围为几秒到几分钟。,2/3vcc,在充电过程中vi 01变化,c1=1,c2=0/1,q保持为1，电路状态不变（t截止，c保持充电状态）。,多次触发时的情况：,故该电路为不可重复触发型单稳态触发器：,电路图：,可重复触发的单稳态触发器,可重复触发的单稳态触发器（续）,工作过程,b.触发时:,a.稳态时:,vi=1,t1截止, 电路状态同 普通单稳。,vi=0，电路触发翻转，vo1 vi=0期间,t1导通,电容不能充电。 vi=1后， t1截止,电容开始充电。,可重复触发的单稳态触发器（续）,工作过程（续）,c.重复触发时:,当vc2/3vcc (电路仍处暂态)时，若vi又进行触发(vi=0),则c通过t1放电,电路将维持在暂态,直到在tw 时间内没有新的触发,电路回到稳态。,a.稳态时:,b.触发时:,vi, 可重复触发的单稳态触发器的波形图：,失落脉冲检测仪,触发过程：,c. vi=1 电容开始充电,e.重复触发： 电容充电过程中vi=0, 电容放电，vi=1后，再次充电实现可重复触发。,a. vi=1,稳态vo=0,b. vi=0,触发vo=1 进入暂态