第10章_脉冲信号的产生与整形.ppt

10 2多谐振荡器 10 3单稳态触发器 10 4施密特触发器 退出 第10章脉冲信号的产生与整形 10 1脉冲信号及参数 10 1脉冲信号及参数一 脉冲信号 脉冲信号是指在短暂时间间隔内发生突变或跃变的电压或电流信号 广义的脉冲信号指凡不连续的非正弦电压或电流 狭义的脉冲信号指规则的矩形脉冲 实际的矩形脉冲并无理想的跳变 顶部也不平坦 图1 各种常见的脉冲波形 图2 实际脉冲的参数 脉冲信号的参数 1 脉冲幅度Um 指脉冲的最大幅值 2 前沿或上升时间tr 通常指由脉冲信号幅值由0 1Um上升到0 9Um所需要的时间 tr愈短 脉冲上升愈快 就愈接近于理想矩形脉冲 3 后沿或下降时间tf 脉冲信号下降由0 9Um下降到0 1Um所需要的时间 4 脉冲宽度tw 通常用脉冲前 后沿0 5Um两点间的时间间隔来代表脉冲宽度 5 脉冲周期T 对重复性的脉冲信号 两个相邻的脉冲波形上相应点的时间间隔称为脉冲周期 其倒数为脉冲频率 f T是单位时间内脉冲信号的重复次数 6 占空比q tw T 脉冲宽度与周期之比 二 脉冲的获得 在数字系统中 常常采用以下两种方法来获得所需符合要求的脉冲信号 利用振荡器直接产生所需要的脉冲波形 不需外加触发信号 只要电路电源电压 电路参数选取合适 电路就会自动产生脉冲信号 自激振荡 这一类电路称多谐振荡电路或多谐振荡器 利用变换电路将已有的性能不符合要求的脉冲信号变换成符合要求的矩形脉冲信号 变换电路本身不能产生脉冲信号 它仅仅起变换作用而已 这类电路包括单稳态触发器和施密特触发器 二 555定时器 三 由555定时器构成的多谐振荡器 四 多谐振荡器的应用 退出 10 2多谐振荡器 一 多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡器 没有稳定状态 只有两个暂态 电路工作时 不需要外加触发信号 只要接通电源 电路就能在两个暂稳态之间相互转换 自动产生矩形脉冲信号 由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量 因此 常将矩形脉冲产生电路称作多谐振荡器 一 多谐振荡器 环形多谐振荡器 最简单的环形振荡器是利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成的 从任何一个门的输出端都可得到高 低电平交替出现的方波 图3 环形振荡器及工作波形 利用门的延迟时间 使三级门产生180o的相移 再加上每级门的倒相作用 则反馈回来的信号和原来输入的信号同相 就可产生自激振荡 并输出方波 其频率为 在环形振荡器中增加RC电路作延迟环节 构成RC环形多谐振荡器 如图4 a 所示 图4 b 为其工作波形 由于RC电路的延迟时间远大于tpd 所以分析时可以忽略tpd 认为每个门的I O跳变同时发生 2 RC环形多谐振荡器 图4 RC环形多谐振端器 图5电路中电容C充放电等效电路 振荡器的参数 暂态时间和周期 3 石英晶体多谐振荡器 TTL或CMOS门电路构成的多谐振荡器通常在频率稳定度和准确度要求不高的情况下使用 因为电路决定振荡频率的主要因素是电路到达阈值电压VT的时间 然而 阈值电压VT容易受温度 电源电压波动和RC参数误差的影响而变化 电容的充放电曲线在到达阈值电压时已经平缓 VT的微小变化或者受到干扰 都将使振荡周期时间变化 而在数字系统中 矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作 因此 控制信号频率不稳定会直接影响到系统的工作显然 前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的 必须采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器 石英晶体的特性 石英晶体的品质因素Q很高 选频特性好只有当信号的频率f f0 f0为石英晶体固有谐振频率 时 其等效阻抗最小 因而信号最容易通过 并在电路中形成正反馈 因此 若将石英晶体接入多谐振荡器电路中 电路的振荡频率只决定于晶体的谐振频率而与电路中其它元件 如R C 的参数无关 图6石英晶体的符号及阻抗频率特性 a 石英晶体的符号 b 特性曲线 1 并联石英晶体多谐振荡器 图7 并联石英晶体多谐振荡器 右图所示为由CMOS反相器组成的并联多谐振荡器 RF为反馈电阻 用以使G1工作在静态电压传输特性的转折区 RF值通常取5 10M 反馈系数取决于C1和C2的比值 C1还可微调振荡频率 石英振荡器可输出振荡频率很稳定的信号 但输出波形不太好 所以 G1输出端需加反相器G2 用以改善输出波形的前沿和后沿 2 串联石英晶体多谐振荡器 图8 串联石英晶体多谐振荡器 下图所示为由反相器组成的串联石英晶体多谐振荡器 C1为G1和G2间的耦合电容 R1和R2用以使G1和G2工作在电压传输特性的转折区 由于G2输出的振荡波形不好 因此输出增加了一个G3 用以改善输出振荡波形的前沿和后沿 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 4 5 16V 二 555定时器 TL 0 0 1 TL 2VCC 3 VCC 3 0 0 0 1 1 TL 2VCC 3 VCC 3 1 0 0 1 1 1 1 0 TL 2VCC 3 VCC 3 1 1 1 0 0 TL 接通VCC后 VCC经R1和R2对C充电 当uc上升到2VCC 3时 uo 0 T导通 C通过R2和T放电 uc下降 当uc下降到VCC 3时 uo又由0变为1 T截止 VCC又经R1和R2对C充电 如此重复上述过程 在输出端uo产生了连续的矩形脉冲 三 由555定时器构成的多谐振荡器 秒信号发生器 多谐振荡器 分频电路 四 多谐振荡器的应用 模拟声响电路 将振荡器 的输出电压uo1 接到振荡器 中555定时器的复位端 4脚 当uo1为高电平时振荡器 振荡 为低电平时555定时器复位 振荡器 停止震荡 一 单稳态触发器 二 由555定时器构成的单稳态触发器 三 单稳态触发器的应用 退出 10 3单稳态触发器 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 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 一 单稳态触发器 二 由555定时器构成的单稳态触发器 延迟与定时 整形 三 单稳态触发器的应用 单稳态触发器是数字系统中最常用的单元电路 常用于以下几方面 1 脉冲展宽 2 脉冲定时 3 脉宽延迟 单稳态触发器应用 一 施密特触发器 二 由555定时器构成的施密特触发器 三 施密特触发器的应用 退出 10 4施密特触发器 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 一 施密特触发器 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 下限阈值电压 上限阈值电压 回差电压 滞后电压 回差电压 0 7V缺点是回差太小 且不能调整 集成施密特触发器 二 由555定时器构成的施密特触发器 三 施密特触发器的应用 施密特触发器能将正弦波 三角波及各种周期性的不规则波形变换为边沿陡峭的矩形脉冲输出 1 用于波形变换 若施密特触发器的输入信号是一种在脉冲的顶部和前后沿均受到严重干扰 发生畸变的周期性不规则信号 通过适当调节施密特触发器的UT 和UT 就可得到矩形脉冲波 2 用于脉冲整形 图6 1 4施密特触发器用于脉冲整形 当施密特触发器的输入信号是一串幅度不等的脉冲时 可通过调整电路的UT 和UT 使只有当输入信号的幅度超过UT 的脉冲时才能使施密特触发器的状态翻转 从而得到所需的矩形脉冲信号 3 用于脉冲信号的鉴幅 4 脉冲展宽电路 图8 25 多谐振荡器是一种自激振荡电路 不需要外加输入信号 就可以自动地产生出矩形脉冲 多谐振荡器可以由门电路构成 也可以由555定时器构成 由门电路构成的多谐振荡器和基本RS触发器在结构上极为相似 只是用于反馈的耦合网络不同 RS触发器具有两个稳态 多谐振荡器没有稳态 所以又称为无稳电路 在多谐振荡器中 由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态 其 触发 信号是由电路内部电容充 放 电提供的 因此无需外加触发脉冲 多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关 555定时器是一种应用广泛 使用灵活的集成器件 多用于脉冲产生 整形及定时等 本章小结 单稳态触发器具有一个稳态 由门电路构成的单稳态触发器和基本RS触发器在结构上也极为相似 只有用于反馈的耦合网络不同 单稳态触发器可以由门电路构成 也可以由555定时器构成 在单稳态触发器中 由一个暂稳态过渡到稳态 其 触发 信号也是由电路内部电容充 放 电提供的 暂稳态的持