杨志忠数电(第3版)7-脉冲信号的产生与整形.pptVIP

第7章脉冲产生与整形电路 555定时器的电路结构及其逻辑功能 7 1概述 Um tr tf T tW 脉冲幅度Um 脉冲上升时间tr 脉冲下降时间tf 脉冲宽度tW 脉冲周期T 脉冲频率f 占空比q 脉冲电压变化的最大值 脉冲波形从0 1Um上升到0 9Um所需的时间 脉冲上升沿0 5Um到下降沿0 5Um所需的时间 脉冲波形从0 9Um下降到0 1Um所需的时间 周期脉冲中相邻两个波形重复出现所需的时间 1秒内脉冲出现的次数f 1 T 脉冲宽度tw与脉冲周期T的比值q tw T 一 脉冲波形的主要参数 主要用以将缓慢变化或快速变化的非矩形脉冲变换成陡峭的矩形脉冲 常用的有施密特触发器和单稳态触发器 获取脉冲信号的方法 脉冲信号产生与整形电路的实现 是一种多用途集成电路 只要外接少量阻容元件就可构成施密特触发器 单稳态触发器和多谐振荡器等 使用方便 灵活 应用广泛 施密特触发器 单稳态触发器 主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲 二 脉冲信号产生与整形的方法 主要要求 了解555定时器的电路结构 掌握其符号和功能 7 2555定时器的电路结构及其逻辑功能 了解555定时器的电路结构 掌握其符号和功能 555定时器简介 555定时器是一种电路结构简单 使用方便灵活 用途广泛的多功能电路 它的电源电压范围宽 TTL555定时器为5 16V CMOS555定时器为3 18V 可提供与TTL及CMOS数字电路兼容的接口电平 还可输出一定功率 驱动微电机 指示灯 扬声器等 TTL单定时器型号的最后3位数字为555 双定时器的为556 CMOS单定时器的最后4位数为7555 双定时器的为7556 它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同 7 2 1555定时器的电路结构 555定时器的电路结构与符号 555定时器的电路结构与符号 定时器CC7555的工作原理 7 2 2555定时器的逻辑功能 定时器CC7555的功能表 7 2 2555定时器的逻辑功能 7 3施密特触发器 7 3 1施密特触发器的逻辑符号和电压传输特性 SchmittTrigger 一 施密特触发器的逻辑符号 二 施密特触发器的传输特性 UT UT UT 回差电压 施密特触发器工作特点 正向阈值电压 负向阈值电压 当uI从小增大时 经过UT 处才能使输出发生跃变 7 3 2用555定时器组成施密特触发器 一 电路组成 二 工作原理 二 工作原理 二 工作原理 555定时器的功能表 电压传输特性为反相输出的滞回特性 UT 2 3 VDDUT 1 3 VDD回差电压 UT UT UT 1 3 VDD 三 传输特性 7 3 3集成施密特触发器 一 TTL集成施密特触发器 TTL集成施密特触发门电路一些重要参数的典型值 TTL施密特触发器的特点 1 可将变化缓慢的信号变换成上升沿和下降沿都很陡直的脉冲信号 2 具有阈值电压和回差电压温度补偿 3 具有很强的抗干扰能力 7 3 3集成施密特触发器 二 CMOS集成施密特触发器 CMOS施密特触发门电路一些重要参数 CMOS集成施密特触发器的特点 1 可将变化缓慢的信号变换成上升沿和下降沿都很陡直的脉冲信号 2 在电源电压VDD一定时 触发阈值电压稳定 但其值会随VDD变化 3 电源电压VDD变化范围宽 输入阻抗高 功耗极小 4 抗干扰能力很强 一 脉冲波形变换 将三角波 正弦波和其他不规则信号变换成矩形脉冲 当uI UT 后 uO UOL 当uI下降到小于UT 时 uO才跃变到UOH 当uI UT 后 uO UOH 当uI上升到大于UT 时 uO才跃变到UOL 7 3 4施密特触发器的应用 二 脉冲整形 将受到干扰的或不符合边沿要求的信号整形成较好的矩形脉冲 三 脉冲幅度鉴别 鉴别并取出幅度大于UT 的脉冲 7 4单稳态触发器 有一个稳态和一个暂稳态 无外触发脉冲输入时 电路处于稳态 在外触发脉冲作用下 电路将从稳态翻转到暂稳态 经一段时间后 电路又自动返回到原来的稳态 工作特点 暂稳态时间长短取决于电路本身的参数 与外加触发脉冲无关 Monostableflip flop 单稳态触发器 7 4 1用555定时器组成单稳态触发器 一 电路组成 R C为定时元件 二 工作原理 1 稳定状态 接通电源前 uC 0V 接通电源后VDD经R向C充电 使uC上升 2 触发进入暂稳态 二 工作原理 3 自动返回稳定状态 二 工作原理 UOL 例 用上述单稳态电路输出定时时间为1s的正脉冲 R 27k 试确定定时元件C的取值 三 输出脉冲宽度的计算 输出脉冲宽度tW即为暂稳态维持时间 主要取决于充放电元件R C 该电路为不可重复触发单稳 且要求输入负脉宽小于输出脉宽tW 解 因为tW 1 1RC 故可取标称值33 F 估算公式tW 1 1RC 四 具有RC输入微分电路的单稳态触发器 集成单稳态触发器 暂稳态期间如再次被触发 对原暂稳态时间无影响 输出脉冲宽度tW仍从第一次触发开始计算 暂稳态期间如再次被触发 输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽tW 7 4 2集成单稳态触发器 单稳工作波形举例 暂稳态期间不能再次触发 暂稳态期间能再次触发 其输出脉宽将在原暂稳态时间基础上再展宽tW 一 非重复触发单稳态触发器 1 电路组成与逻辑符号 一 非重复触发单稳态触发器 1 电路组成与逻辑符号 有3个触发信号输入端 TR A和TR B用负脉冲触发 TR 用正脉冲触发 有2个互补输出端 RICXRX CX 不可重复触发型单稳的限定符号 外接定时元件端 号表示非逻辑连接 即没有任何逻辑信息的连接 例如外接R C和VCC等 欲负脉冲触发 则将触发脉冲从TR A或TR B加入 而TR 接1 欲正脉冲触发 则将触发脉冲从TR 加入 而TR A和TR B至少有一接0 2 逻辑功能 在暂稳态期间再次进行触发时 对暂稳态时间没有影响 3 输出脉冲宽度的计算 二 可重复触发单稳态触发器 1 逻辑符号 CT74HC123由两个独立的可重复触发单稳组成 2 逻辑功能 2 逻辑功能 3 输出脉冲宽度的估算 可重复触发单稳态触发器CC74HC123的输出脉冲宽度tW可用下式估算tW RC 对于单稳态触发器CT74LS123 在电容C 1000pF时 其输出脉冲宽度tW可用下式估算tW 0 45RC 二 脉冲定时 一 脉冲整形 由于单稳态触发器可产生宽度和幅度都符合要求的矩形脉冲 因此 可利用它来作定时电路 7 4 3单稳态触发器的应用 脉冲信号经过长距离传输后 其边沿会变差或叠加了某些干扰 这时可利用单稳态触发器进行整形 将这些受到干扰的脉冲信号加到单稳态触发器的输入端 输出便可得到符合要求的矩形脉冲 二 脉冲定时 某生产线上有3道加工工序 要求第1道工序加工10s 第2道工序加工20s 第3道加工工序加工30s 当要求对这3道工序的加工进行自动控制时 则可用3片集成单稳态触发器CT74121串接起来实现 二 脉冲定时 某生产线上有3道加工工序 要求第1道工序加工10s 第2道工序加工20s 第3道加工工序加工30s 当要求对这3道工序的加工进行自动控制时 则可用3片集成单稳态触发器CT74121串接起来实现 若已知Rext 10k Cext 1 F则可得tW 0 7RextCext 7ms 三 脉冲展宽 7 5多谐振荡器 即矩形脉冲产生电路 由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量 故常称多谐振荡器 1 不需输入信号 2 无稳定状态 只有两个暂稳态 通过电容的充电和放电 使两个暂稳态相互交替 从而产生自激振荡 输出周期性的矩形脉冲信号 工作特点 AstableMultivibrator 多谐振荡器 7 5 1用555定时器组成多谐振荡器 一 电路组成 二 工作原理 UOH 二 工作原理 UOL 二 工作原理 二 工作原理 电容C如此循环充电和放电 使电路产生振荡 输出矩形脉冲 周期估算 tW1 0 7 R1 R2 CtW2 0 7R2CT tW1 tW2 0 7 R1 2R2 C 三 占空比可调的多谐振荡器 充电回路为VDD经R1 VD1对C充电 时间常数为R1C 放电回路为C经VD2 R2和放电管V放电 时间常数为R2C 占空比估算 tW1 0 7R1CtW2 0 7R2C 三 占空比可调的谐振荡器 三 占空比可调的谐振荡器 振荡频率稳定 由石英晶体的阻抗频率特性可知 只有外加信号的频率f和石英晶体的固有谐振频率f0相同时 石英晶体才呈现极低的阻抗 而在其他频率时 则呈现很高的阻抗 因此 石英晶体具有很好的选频特性 7 5 2石英晶体多谐振荡器 一 石英晶体的选频特性 电阻RF1 RF2用于确定反相器G1和G2的工作点 使其工作在放大区 有利于电路起振 对于TTL反相器 RF1和RF2通常取0 7 2k 对于CMOS反相器 RF1和RF2通常取10 100M 电容C1和C2为G1和G2间的耦合电容 在频率为f0时 它们呈现的容抗极小 可忽略不计 使G1和G2之间形成正反馈环路 7 5 2石英晶体多谐振荡器 二 石英晶体多谐振荡器 1 对称石英晶体多谐振荡器 由于石英晶体接在G1和G2两级反相器之间 且具有很好的选频特性 因此 在接通电源后 对频率为f0的信号非常容易通过石英晶体而产生频率为f0的自激振荡 反相器G3用于整形 使输出uO的波形更接近于矩形脉冲 G3还具有缓冲隔离作用 也提高了负载能力 7 5 2石英晶体多谐振荡器 二 石英晶体多谐振荡器 1 对称石英晶体多谐振荡器 电阻R1 R2用以使反相器工作在放大区 对于TTL反相器R1和R2通常取0 7 2k 对于CMOS反相器 R1和R2通常取10 100M C1为反相器G1和G2之间的耦合电容 使G1和G2之间形成正反馈环路 对于频率为f0的信号 其呈现的容抗极小 可忽略不计 7 5 2石英晶体多谐振荡器 二 石英晶体多谐振荡器 2 串联石英晶体振荡器 在电路接通电源后 G2输出频率为f0的信号很容易通过石英晶体形成很强的正反馈而产生自激振荡 G3用以整形 使输出uO的波形更接近于矩形脉冲 并具有缓冲隔离和提高负载能力的作用 7 5 2石英晶体多谐振荡器 二 石英晶体多谐振荡器 2 串联石英晶体振荡器 RF为反馈电阻 使反相器G1工作在电压传输特性的过渡区 RF常取10 100M G1 RF和石英晶体 C1 C2构成电容三点式振荡电路 C1 C2和石英晶体组成 形选频网络 对于频率为f0的信号选频能力最强 很易通过石英晶体而产生自激振荡 反馈系数取决于C1和C2的比值 C1还可微调振荡频率 反相器G2用以整形 使输出uO为矩形脉冲 并可隔离外接负载对振荡电路的影响 7 5 2石英晶体多谐振荡器 二 石英晶体多谐振荡器 3 并联石英晶体振荡器 7 5 2石英晶体多谐振荡器 二 石英晶体多谐振荡器 3 并联石英晶体振荡器 G1和G2为CMOS反相器 电阻R1通常取1 30M G1组成石英晶体多谐振荡器 输出频率f 32768Hz的脉冲信号 G2为整形电路 其输出32768Hz的矩形脉冲经15级由边沿D触发器组成的分频电路后 FF15的Q15端输出稳定度很高的1Hz秒脉冲作为计时用的基准信号 本章小结 555定时器是一种用途很广的多功能电路 只需外接少量的阻容元件就可很方便地组成施密特触发器 单稳态触发器和多谐振荡器等 使用方便灵活 有较强的驱动负载的能力 获得了广泛的应用 施密特触发器有两个稳态状态 而每个稳定状态都是依靠输入电平来维持的 当输入电压大于正向阈值电压UT 时 输出状态转换到另一个稳定状态 而当输入电压小于负向阈值电压UT 时 输出状态又返回到原来的稳定状态 利用这个特性可将输入的任意电压波形变换成边沿陡峭的矩形脉冲输出 特别是可将边沿变化缓慢的信号变换成边沿陡峭的矩形脉冲 在数字集成电路中有TTL和CMOS施密特触发器 性能优越 其正向阈值电压和负向阈值电压稳定 有很强的抗干扰能力 施密特触发器具有回差特性 调节回差电压的大小 可改变电路的抗干扰能力 回差电压越大 抗干扰能力越强 施密特触发器主要用于波形变换成 脉冲整形 幅度鉴别等 单稳态触发器有一个稳定状态和一个暂稳态 在没有触发脉冲作用时 电路处于稳定状态 在输入触发脉冲作用下 电路进入暂稳态 经一段时间后 自动返回到稳定状态 从而输出宽度和幅度都符合要求的矩形脉冲 输出脉冲宽度取决于定时元件R C值的大小 与输入触发脉冲没有关系 调节R C值的大小 可改变输出脉冲的宽度 集成单稳态触发器有非重复触发和可重复触发两类 由于其工作稳定性好 脉冲宽度调节范围大 使用方便灵活等优点 是一种较为理想的脉冲整形电路 单稳态触发器主要用于脉冲整形 定时 和展宽等