第6章 脉冲产生和整形.ppt

第六章脉冲产生和整形电路 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 5555定时器 数字电路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 脉冲信号产生要用多谐振荡器 本章将介绍常用的施密特触发器 单稳态触发器和多谐振荡器 同时介绍一种多用途的定时电路 555定时器 获取这些脉冲信号的方法通常有两种 直接产生 利用已有信号整形或变换得到 脉冲信号整形则要用单稳态触发器和施密特触发器 本章基本内容 概述 1 一 脉冲信号的定义及参数 不对称方波 三角波 锯齿波 微分窄脉冲 按非正弦规律变化的信号均可称脉冲信号 方波 对称方波 概述 2 脉冲信号的参数 q TW T占空比 T脉冲周期f 1 T频率 Tw脉冲宽度 Vm幅值 概述 3 二 微分电路 高通滤波电路 概述 4 当微分电路输入方波信号时 输出波形应如何 设RC TW 概述 5 三 积分电路 施密特触发器 1 问题的提出 电冰箱温控系统 输入输出波形 实际温控波形 施密特触发器 2 施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门 什么是施密特触发器 逻辑符号 输入输出波形 思考 施密特触发器有什么特点 施密特触发器 3 施密特触发器特点 1 输出有两种状态 输出为数字信号 2 输入采用电平触发 输入为模拟信号 3 对于正向和负向增长的输入信号 电路有不同的阈值电平 VT 和VT 采用施密特触发器后的实际温控波形 施密特触发器 4 施密特触发器有同相传输和反相传输两种电路 施密特触发器的电压传输特性 由门电路构成的施密特触发器 1 G1 G2为CMOS门电路 其阈值电压为1 2VDD 电路中要求R1 R2 电路构成 工作原理分析 教材P310 1 当vI 0V时 vO1 VDD vO 0V vI 0V 由门电路构成的施密特触发器 2 2 当vI升高时 vI 也升高 当vI 达到1 2VDD时 G1 G2输出状态将发生翻转 此时对应的vI值称为VT 3 当vI大于VT 时 电路转到另一稳态 vO1 0V vO VDD VT 1 2VDD 0 1 作用 改善vO1 vO边沿 这里有一正反馈现象 由门电路构成的施密特触发器 3 4 当vI由高变低时 vI 也由高变低 当vI 1 2VDD时 电路又将发生转换 此时对应的vI称为VT 5 当vI小于VT 时 电路转到另一稳态 vO1 VDD vO 0V 1 0 VT 1 2VDD 作用 改善vO1 vO边沿 这里也有一正反馈现象 工作波形 由门电路构成的施密特触发器 4 应用 波形变换 用作接口电路 将缓慢变化的正弦信号 矩形脉冲 施密特触发器应用举例 1 施密特触发器应用举例 2 应用 脉冲整形 不规则信号 矩形脉冲 应用 幅度鉴别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 幅度大于的信号保留 幅度小于的信号滤除 施密特触发器应用举例 3 单稳态触发器 1 有两种状态 0态和1态 但只有一种状态能长久保持 故名单稳态触发器 例子 楼道灯控制系统 单稳态触发器的特点 1 有稳态和暂稳态两种状态 2 平时处于稳态 在外部触发脉冲作用下 由稳态进入暂稳态 3 暂稳态维持一定时间后自动回到稳态 什么是单稳态触发器 单稳态触发器 2 单稳态触发器主要有以下三类 1 微分型单稳态触发器 2 积分型单稳态触发器 3 集成单稳态触发器 门电路 RC微分电路 微分型单稳态触发器 G1 G2为CMOS门电路 设VOH VDD VOL 0 VTH 2 1VDD vO1 vO分别为G1 G2的输出 vI2为G2输入 电路结构 教材P319 RC微分电路 触发脉冲 微分型单稳态触发器 1 微分型单稳态触发器 1 1 单稳态触发器的稳态 触发器的稳态为vO1 VDD vO 0V 此时 电容两端的电压相等 无充放电 工作原理分析 稳态时 无触发脉冲输入 vI为低电平 C没有充放电 相当于断开 0 1 0 1 作用 改善vO1 vO边沿 暂稳态 vO1 0V vO VDD 2 当vI加一正脉冲时 由稳态进入暂稳态 这里有一正反馈现象 工作原理分析 续 微分型单稳态触发器 2 3 暂稳态自动回到稳态 作用 改善vO1 vO边沿 随着VDD通过电阻向电容C的充电 vI2逐渐上升 当vI2上升到VT时 vO 0V vO1 VDD 电路回到稳态 正反馈现象 0 工作原理分析 续 微分型单稳态触发器 3 工作波形分析 微分型单稳态触发器 4 1 暂稳态维持时间Tw 电容C充电电压方程 参数计算 将VC 0 0V VC VDD T RC代入上式得 当vC t VT 1 2VDD时 t Tw 代入上式可求得 微分型单稳态触发器 5 2 恢复时间Tre Tre 3 5 RONC 3 最高工作效率fmax Td Tw Tre fmax 在暂稳态期间Tw和恢复时间Tre内 电路不得响应触发信号 因此 2个触发信号之间的最小时间间隔为 参数计算 续 微分型单稳态触发器 6 思考题 若触发脉冲宽度大于TW时 电路能否正常工作 如何解决 静态时a b d e各点的电位如何 微分型单稳态触发器 7 控制电路用于产生窄脉冲 当输入满足以下条件时 控制电路产生窄脉冲 1 若A1 A2中至少有一个为0时 B由0 1 正脉冲触发 74LS121的原理框图 324 微分型单稳态触发器 输出缓冲 2 若B 1 A1 A2中至少有一个由1 0 负脉冲触发 集成单稳态触发器 1 74LS121内部结构和引脚图 集成单稳态触发器 2 74LS121的功能表 教材P325 集成单稳态触发器 3 两种不同接法 教材P326 集成单稳态触发器 4 用于定时 单稳态触发器应用 1 单稳态触发器应用 2 用于延时 图单稳态触发器脉冲延迟的应用 a 电路图 b 波形图 在数字系统中 有时要求将某个脉冲宽度为T0的信号延迟一段时间T1后再输出 单稳态触发器应用 3 波形图 T1 TW1 0 7R1C1 T0 TW2 0 7R2C2 用于整形 单稳态触发器应用 4 多谐振荡器就是方波发生器 由于方波中除基波外还包含了许多高次谐波 因此 又称为多谐振荡器 什么是多谐振荡器 多谐振荡器不需要外加信号 只要一上电就会产生方波信号 多谐振荡器 1 也就是电路有两个暂稳态 电路组成及工作原理 P332 1 设电路的初态为vO1 1 vO2 0 这种状态下不可能持久维持 2 通过vO1 R C vO2向C充电 使vI1不断上升 3 当vI1 VT时 G1输出低电平 G2输出高电平 即vO1 0 vO2 1 由门电路构成多谐振荡器 1 工作原理 4 vO1 0 vO2 1这个状态也不能持久 5 C通过vO2 C R vO1放电 vI1逐步减少 6 当vI1 VT时 G1输出高电平 G2输出低电平 即又回到vO1 1 vO2 0的状态 7 周而复始产生方波 由门电路构成多谐振荡器 2 工作波形 T1 T2 T1 T2的计算公式请同学自己推导 由门电路构成多谐振荡器 3 环形多谐振荡器 石英晶体多谐振荡器 其他形式多谐振荡器 1 对称式多谐振荡器 由施密特触发器构成多谐振荡器 电容无初始储能 即 设施密特触发器的上 下限阈值电压为 0 1 电容充电 1 0 电容放电 矩形脉冲周期T 其他形式多谐振荡器 2 555定时器 一种多用途的数字 模拟混合单片集成电路 外接少数R C元件可构成各种功能电路 施密特触发器 单稳态触发器 多谐振荡器 广泛用于信号的产生 整形 控制与检测 在工业控制 定时 电子乐器及防盗报警等方面应用很广 555定时器 1 555定时器工作原理 1 555定时器的内部结构及逻辑符号 教材P348 基本RS触发器 R 5k 控制输入 阀值输入VTH 触发输入VTR 放电端 输出 电源端 复位端 1 2 6 8 4 3 5 7 比较器 2 3VCC 1 3VCC 555定时器的功能表 555定时器工作原理 2 电路结构符号 用555定时器构成施密特触发器 1 1 当vI 1 3VCC时 R 1 S 0 Q 1 vO 1 2 当1 3VCC vI 2 3VCC时 R 1 S 1 Q 1 vO 1 3 当vI 2 3VCC时 R 0 S 1 Q 0 vO 0 4 当1 3VCC vI 2 3VCC时 R 1 S 1 Q 0 vO 0 5 当vI 1 3VCC时 R 1 S 0 Q 1 vO 1 原理分析 用555定时器构成施密特触发器 2 主要参数 1 阀值电平 VT 2 3VCC VT 1 3VCC 2 回差电压 VT VT 1 3VCC 用555定时器构成施密特触发器 3 电路结构 教材P353 用555定时器构成多谐振荡器 1 工作原理 1 上电时 vC 0 得R 1 S 0 Q 1 T1管截止 vO 1 3 当vC 2 3VCC时 R 0 S 1 基本RS触发器被置0 Q 0 三极管T1管导通 vO 0 2 当VCC通过R1 R2向C充电 vC逐渐上升 用555定时器构成多谐振荡器 2 工作原理 续 4 电容C将通过R2和T1管放电 vC逐渐下降 用555定时器构成多谐振荡器 3 5 当vC 1 3VCC时 R 1 S 0 基本RS触发器被置1 Q 1 三极管T1管截止 vO 1 T1 T2 工作波形 主要参数计算 从占空比q的表达式可知 占空比始终大于50 通过vC的暂态方程 求得 T T1 T2 0 7 R1 2R2 C T1 0 7 R1 R2 C T2 0 7R2C 用555定时器构成多谐振荡器 4 占空比任意可调的多谐振荡器 T1 0 7R1C T2 0 7R2C 用555定时器构成多谐振荡器 5 输出脉冲的周期 占空比各为多少 用555定时器构成多谐振荡器 6 思考题 如图所示是一个由555定时器构成的防盗报警电路 a b两端被一细铜丝接通 此铜丝置于盗窃者必经之路 当盗窃者闯入室内将铜丝碰断后 扬声器即发出报警声 说明本报警电路的工作原理 用555定时器构成多谐振荡器 7 简易电子琴就是通过改变R2的阻值来改变输出方波的周期 使外接的喇叭发出不同的音调 思考题 简易电子琴电路 用555定时器构成多谐振荡器 8 电路结构 用555定时器构成单稳触发器 1 最后又回vO 0V 工作原理分析 接通电源 且vI 1 没有触发电压时 R 1 S 1 假设RS触发器初态为1 假设RS触发器初态为0 结论 接通电源后 不管起始状态如何 最终触发器处于稳态vO 0 1 0 0 导通 1 0 1 1 1 什么是稳态 vO 0V 此状态能长久保持 用555定时器构成单稳触发器 2 2 3VCC 工作原理分析 续 截止 1 导通 0 1 2 当vI加一个负脉冲 3 触发器自动回到稳态 vO 0 2 3VCC 0 0 0 0 1 1 0 1 1 电路进入暂稳态 vO VCC 1 1 0 用555定时器构成单稳触发器 3 TW 工作波形 主要参数 教材P352 用555定时器构成单稳触发器 4 应用 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