2014-第六章脉冲波形的产生与整形.ppt

1 第六章脉冲波形的产生和整形 在第四章和第五章时序逻辑电路中讲到的触发器状态的翻转以及时序电路的工作启动 均需要依靠时钟脉冲CP来触发 而这种CP脉冲是如何产生的 引言 2 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 最常用的两种脉冲整形电路包括 施密特触发器和单稳态触发器 注意 在采用整形的方法获取矩形脉冲时 是以能够找到频率和幅度都符合要求的一种初始电压信号为前提的 利用各种形式的多谐振荡器电路来直接产生所需要的矩形脉冲信号 获取矩形脉冲波形有两大类方法 注意 在同步时序逻辑电路中 作为时钟信号的矩形脉冲控制和协调整个系统的工作 因此时钟脉冲的特性就直接关系到系统能否正常工作 这就需要定量方法描述矩形脉冲的特性 3 理想脉冲信号 描述矩形脉冲特性的主要参数 上升时间 下降时间 脉冲宽度 脉冲幅度 脉冲周期 占空比 脉冲宽度与脉冲周期的比值 q TW T 4 6 2施密特触发器6 3单稳触发器6 4多谐振荡器6 5555定时器及其应用 5 6 2施密特触发器 P309页 施密特触发器的主要特点 在电路状态发生转换时 通过电路内部的正反馈过程 可以使输出电压波形的边沿变陡 输入信号在输入电压上升和下降过程中 电路状态发生转换时刻所对应的输入电平不同 可将叠加在矩形脉冲高 低电平上的噪声有效滤除 可以将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波 存在两个稳定状态 所以又称为双稳态触发器 具体哪个稳态状态则由输入情况决定 阶跃特性 6 6 2 1用门电路组成的施密特触发器 反相器 反相器 结构 将两级反相器串接起来 同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端 从而构成施密特触发器 同相输出端 反相输出端 分压电阻 7 一 VI上升阶段分析 当vI 0时 有 无论vo是高电平还是低电平 都使得 阈值 所以G1门输出高电平 G2门输出低电平 即vo1 VDD vo 0 当vI从0逐渐升高时 并且此过程处于同相输出端状态尚未翻转阶段 将仍有vo 0 代入上式可得 如何计算 同相端 反相端 8 当随vI增加而增加至 由于G1进入电压传输特性的转折区 放大区 将出现下述正反馈过程 正反馈过程使得电路迅速翻转为G1输出低电平 即 Vo增大又加速了VI 的增大 见公式 G2门输出高电平 即vo1 0 vo VDD 此后vI继续增大 电路将继续保持此态 定义 vI上升过程中电路状态发生转换时刻所对应的输入电平为VT 正向阈值电压 此临界时刻Vo仍 0 9 二 VI下降阶段分析 当vI继续减小至 使得时 则出现如下正反馈过程 当vI从高电平逐渐下降过程中 若有 则电路始终为G1门输出低电平 G2门输出高电平 正反馈使得电路迅速翻转为G1输出高电平 G2门输出低电平 即 Vo减小又加速了VI 的减小 见公式 即vo1 VDD vo 0 此后vI继续减小 电路仍将保持此态 10 VT 负向阈值电压 可求出vI下降过程中电路输出状态发生转换时刻所对应的输入电平VT VDD 11 反相输出 同相输出 同相输出 反相输出 回差电压 复习牢记 12 例 在下图中 如果要求R1 1k VT 7 5v VT 5v 试求R2和VDD 见书311页 复习牢记 13 一 用于波形变换 6 2 3施密特触发器的应用 P317页 反相输出 分析过程 主要是考察输入信号处于上升阶段还是下降阶段 如果输入信号处于上升阶段 则状态翻转发生在VT 若处于下降阶段 则状态翻转发生在VT 14 二 用于脉冲鉴幅 将不同幅度 不同规律变化的脉冲信号加到施密特触发器的输入端 能够选择幅度大于VT 的信号进行输出 即鉴幅 反相输出 15 三 用于脉冲整形 当传输线上电容较大时 波形的上升沿和下降沿将发生明显变坏 在数字系统中 矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变 常见的几种情况如下 阶跃特性变坏 16 当传输线较长时 而且接收端阻抗与传输线的阻抗不匹配时 在波形的上升沿和下降沿将会产生振荡 当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上时 信号上将会出现附加噪声 17 6 3单稳态触发器 P319页 工作特点 有一个稳态和一个暂稳态 基于以上特点 单稳触发器三个应用 脉冲整形 延时 产生滞后于触发脉冲的输出脉冲 定时 产生固定时间宽度的脉冲信号 在外界触发信号作用下 能从稳态 暂稳态 维持一段时间后自动返回稳态 暂稳态维持的时间长短取决于电路本身的参数 R C 而与触发脉冲的宽度和幅度无关 18 6 3 1用门电路组成的单稳态触发器 P319页 工作原理 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 根据RC电路不同接法 又可分成微分电路形式和积分电路形式 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 加入触发信号后 它可以由稳定状态转入暂稳态 但是经过一定时间以后 它又会自动返回原来的稳定状态 19 一 微分型单稳态触发器 P319页 COMS门电路 G1和G2为CMOS门 RC微分电路 微分电路作用 用来将矩形脉冲转换为尖峰脉冲 20 微分电路作用 用来将矩形脉冲转换为尖峰脉冲 在t t1时刻加入一个正脉冲 即Uin从0突然跳变到E 正跳变 类似于将开关合上 接入电源 由于电容两端开始时刻电压为0 则在t1时刻输出端Uout就为E 此时电容C开始充电 电容两端的电压UC按指数规律增加 那么输出端Uout Uin Uc 基尔霍夫电压定律 也将按指数规律下降 当电容两端电压充到E时 输出端Uout 0 Uout Uc Uin 21 到了t t2时刻输入端Uin突然跳变为0 负跳变 类似于输入端短接 这时已经充饱电荷的电容 Uc E 就要进行放电 如左下图 这时放电电流与充电电流方向相反 从下至上流经电阻 则在t2时刻输出端Uout就跳变为 E 由于放电电流按指数规律变化 则输出端Uout也从 E按指数规律变化 电容放电完毕 输出电压也就为0 注 当输入矩形脉冲时 微分电路输出一个正 负双向尖峰脉冲 这种电路具有 突出变化量 压低恒定量 特点 输出信号能够很快反映输入信号的跳变成分 由于在数学上 常用微分运算 考察信号的变化情况 因此这种电路称为微分电路 22 1 工作原理 稳态时VI 0 Vd 0 VI2 VDD VO 0 使得VO1 VDD 于是电容C上无电压 电容两端无压差 在触发脉冲VI加到输入端时 微分电路输出端将出现很窄的正 负脉冲Vd 当Vd上升到VTH以后 将引发如下正反馈 暂稳态 VO 1 正反馈加速进入暂稳态 VDD开始通过R给C充电 电容两端电压不能突变 23 具体分析 Vd上升使得Vo1迅速跳变为低电平 由于电容两端电压不能发生突变 这使得VI2也只能同时跳变至低电平 电路进入暂稳态 此时 即使Vd回到低电平 Vo的高电平也仍将维持 电容两端电压不能突变 24 这时VI又变为低电平 使得Vd 0 此过程随着VDD开始通过R给电容充电 VI2逐渐升高 当升至VI2 VTH时 使得Vo 0 重新进入稳态 VI2为低电平的持续时间 也即C充电时间 对应于Vo 1 即单稳态持续时间 25 2 性能参数计算输出脉宽 电容C充电等效电路 电容上电压从充放电过程开始到变化到某一数值VTH所经过时间 起始 终止 稳态 触发脉冲 26 二 积分型单稳态触发器 P321页 稳态时 由于VI 0 所以VO VOH VA VO1 VOH 当输入正脉冲时 VO1跳变为低电平 这使得电容C通过R放电 故在一段时间里VA仍在VTH以上 因此在这段时间里G2的两个输入端电压同时高于VTH 使得VO VOL 电路进入暂稳态 同时电容C继续通过R放电 放电 27 但这种暂态不会持续很久 因为随着电容C的放电 VA电位将不断降低至VOL以下 这将使得VO回到高电平 稳定状态 当VI重新返回到低电平时 VO1又重新变为高电平VOH 并向电容C充电 经过一段时间后 VA恢复为高电平 电路达到稳态 充电 28 2 性能参数计算输出脉宽 起始 终止 稳态 29 6 4基于施密特触发器的多谐振荡器 P328页 多谐振荡器是一种自激振荡器 它具有两个暂稳态 在接通电源以后 不需要外加触发信号 就能在这两个暂稳态之间连续 自动切换 产生一定频率和脉宽的矩形脉冲信号 由于所产生的矩形波中含有丰富的谐波分量 故称为多谐振荡器 由施密特触发器构成的多谐振荡器电路 将施密特触发器的反相输出端经RC积分电路接回输入端 这使得输入电压VI始终在VT 和VT 之间往复变化 从而在输出端得到矩形脉冲波 30 工作原理 当接通电源以后 因为电容上的初始电压为0 所以输出为高电平 并开始经电阻R向电容C充电 当充到输入电压为VI VT 时 输出VO跳变为低电平 于是电容C又经过电阻R开始放电 当C放电至VI VT 时 输出VO电位又跳变成高电平 电容C重新开始充电 如此周而复始 电路不停振荡 31 6 5555定时器及其应用 P348页 6 5 1555定时器的电路结构与功能 555定时器是一种将模拟电路和数字电路的功能 巧妙结合在一起的多用途中规模集成电路芯片 若在其外部配接上几个阻容元件 便可以构成多谐振荡器 单稳态触发器和施密特触发器等基本电路单元 6 5 2用555定时器接成施密特触发器 6 5 3用555定时器接成单稳态触发器 6 5 4用555定时器接成多谐振荡器 32 一 电路结构 由电压比较器 C1 C2 基本RS触发器 倒置 输出缓冲器 G3 G4 集电极开路的放电三级管 TD 组成 6 5 1555定时器的电路结构与功能 数 模混合IC VI1是比较器C1的反相输入端 也叫阈值端 用TH标注 VI2是比较器C2的同相输入端 也叫触发端 用TR标注 C1和C2的参考电压 电压比较的基准 VR1和VR2经三个5k 电阻分压给出 基本RS触发器倒置 各个管脚编号说明 131129 25 33 二 原理分析 在控制电压输入端VCO若为悬空状态 则VR1 2 3VCC VR2 1 3VCC VCO若外接固定电压 则VR1 VCO VR2 1 2VCO 0 0 1 0 1 1 0 1 34 为提高电路的带负载能力 还在输出端设置了缓冲器G4 若VO为低电平时 VO 也一定为低电平 两者等效 35 6 5 2用555定时器接成的施密特触发器 电压传输特性 将555定时器的VI1 6脚 和VI2 2脚 两个输入端连在一起作为一个信号输入端 即可得到施密特触发器 输出电压VO由高电平变为低电平和由低电平变为高电平所对应的输入值VI也不相同 这样就形成了施密特触发特性 P350页 36 VI 1 3VCC时 vc1 1 vc2 0 Q 1 故vo VoH 1 3VCC VI 2 3VCC时 vc1 1 vc2 1 Q 1 故vo VoH 保持不变 VI 2 3VCC时 vc1 0 vc2 1 Q 0 故vo VoL VI上升过程 红色 37 VI 1 3VCC时 vc1 1 vc2 0 Q 1 故vo VoH 1 3VCC VI 2 3VCC时 vc1 1 vc2 1 Q 0 故vo VoL 保持不变 VI 2 3VCC时 vc1 0 vc2 1 Q 0 故vo VoL VI下降过程 兰色 38 6 5 3用555定时器接成的单稳态触发器 P351页 一 电路结构 单独将555定时器的VI2 2脚 端作为触发信号的输入端 同时在VI1 6脚 对地接入电容C 就构成了单稳态触发器 再将TD集电极 7脚 接至VI1端6脚 39 假定初始状态下接通电源后 触发器稳定状态停在Q 0和VO 0状态 则TD导通 VC 0 电容电压为0 且有 VR1 2 3VCC Vi1 0 VC 6脚 和 Vi2 Vi 1 VDD VR2 1 3VCC 使得VC1 VC2 1 因此Q 0及VO 0的状态将继续稳定维持下去 40 当触发脉冲的下降沿到达 使VI2跳变到1 3VCC以下时 使VC2 0 Q 1 TD截止 C开始充电 此时C电压从0开始缓慢上升 故这段时间VC1仍 1 触发器被置为1态 VO跳变为高电平 电路进入暂稳态 触发脉冲 41 当电容C充电至2 3Vcc时 使Vc1变为0 若此时输入端的触发脉冲VI已经返回高电平 使得Vc2变为1 则触发器输出端Q将被置0 于是电路又返回到VO 0的状态 整个电路又回复到稳态 与此同时 TD也变为导通状态 电容C经TD迅速放电 直至VC 0 使得Vc1 Vc2 1 继续维持Q 0 VO 0的稳定状态 直到VI出现下一个触发信号 暂稳态 触发脉冲 42 输出脉冲的宽度tw等于暂稳态的持续时间 而暂稳态的持续时间取决于外接电阻R和电容C的大小 tw等于电容电压在充电过程中从0上升到2 3Vcc所需要的时间 由此可得 V 充满电的稳态为Vcc充电过程 暂稳态 起始 结束 43 6 5 4用555定时器接成的多谐振荡器 P352页 1 工作原理 用施密特触发器构成的多谐振荡器电路 将施密特触发器的反相输出端经RC积分电路接回输入端 这里只要将555定时器的VI1和VI2连接在一起接成施密特触发器 再将输出VO 经R2C积分电路接回输入端即可 为减轻G4门的负载 不宜直接由G4提供电容的充放电电流 由于VO 与Vo在高低电平状态上完全相同 最后采用将VO 7 经R2C积分电路接到施密特触发器输入端 从而构成多谐振荡器 VO 无输入端 R1 R2 44 设接通电源前 电容电压Vc 0 当电源接通后 由于Vc不能突变 Vc VI2的电压小于VCC 3 且Vc VI1小于2VCC 3使得Vc2 0 Vc1 1 于是Q 1 Vo 1 同时TD截止 于是电源Vcc通过R1和R2对电容C充电 这将使得Vc按指数规律上升 直到Vc达到2Vcc 3时 整个变化过程如图中0 t1段所示 R1 R2 45 当Vc上升到略大于2Vcc 3时 这使得Vc1 0 Vc2 1 于是Q 0 Vo 0 同时TD导通 电容C通过电阻R2和TD放电 Vc按指数规律下降 直到Vc降为Vcc 3为止 这是一个暂稳态 此变化过程如图中t1 t2段所示 电容C放完电为0稳态V 起始 结束 放电回路存在一个电阻R2 46 当Vc下降到略小于Vcc 3时 将使得VI1端电压小于2Vcc 3 VI2端电压略小于Vcc 3 这使得Vc1 1 Vc2 0 于是Q 1 Vo 1 同时TD截止 于是电源Vcc再次通过R1和R2对电容C充电 这将使得Vc按指数规律上升 直到Vc达到2Vcc 3时 此充电过程如图中t2 t3段所示 电容C充满电稳态V 为Vcc 起始 结束 充电回路存在两个电阻R1和R2 47 2 参数计算 1 电容充电时间T1 2 电容放电时间T2 3 电路振荡周期T 5 输出波形占空比q 4 电路振荡频率f R1 R2 通过R1和R2对电容C充电 通过电阻R2和TD放电 T T1 T2 0 7 R1 2R2 C 48 例6 5 1试用CB555定时器设计一个多谐振荡器 要求振荡周期为1秒 输出脉冲幅度大于3v而小于5v 输出脉冲的占空比q 2 3 解 采用图6 5 6电路 根据公式 故得到 R1 R2 又因为振荡周期为 若取C 10uF 代入上式可得 无输入端 49 3 占空比可调的多谐振荡器 为了提高多谐振荡器的使用灵活性 需要使得占空比可调 方法 利用二极管的单向导电性 将充电回路和放电回路分开 并添加一个电位器RP 通过调节RP的阻值 就可以改变占空比值 充电回路 Vcc RA D1 C 地 放电回路 C D2 RB TD 7脚 地 充电时间 T1 RAC 放电时间 T2 RBC 于是有 通过调节RP的大小 就可以改变占空比q 50 例1 用555定时器组成的防盗报警电路如图所示 当有人破门而入时 ab导线被扯断 试分析该电路的工作原理 并计算喇叭发声频率 练习 振荡器类型 解 ab导线未被扯断时 555定时器的复位端4为低电平 多谐振荡器停振 看图分析 当ab线断开后 4端接晶体管T的发射极并经电容C4接地 由于T是导通的 电源经R3和导通的T对C4充电 当C4充电至高电平时 4端变为高电平 多谐振荡器开始振荡 于是从3端输出一振荡信号 经隔直电容C3驱动喇叭发声报警 喇叭发声频率f C2 C4 C3 51 例2 分析下图所示电子门铃电路 当按下按钮S时可使门铃鸣响 说明门铃鸣响时555定时器的工作方式 改变电路中什么参数能改变铃响持续时间 改变什么参数能改变铃响的音调高低 与频率有关 解 当S按下后 电容C4立即充电至高电平 使555定时器的4端由低电平变为高电平 多谐振荡器起振 输出交流脉冲信号经隔直电容C3驱动门铃Y鸣响 C3 C4 S断开后 C4经RW放电 4端电位逐渐降低 维持一段高电平时间后 变为低电平 门铃停止鸣响 52 门铃鸣响时间由C4经RW放电时间常数决定 因此 C4 RW值越大 鸣响时间越长 铃响音调高低由多谐振荡器输出信号的频率决定 因此 改变多谐振荡器电路中R1 R2和C1参数的值可改变门铃鸣响音调的高低 53 例3 一个用555定时器组成的冰箱温度控制电路如图所示 Rt1和Rt2均为负温度系数热敏电阻 J为冰箱压缩机控制继电器线圈 J通电 压缩机工作 反之停机 试分析该电路工作原理 解 当冰箱压缩机停机时 冰箱温度回升 随着温度上升 负温度系数的热敏电阻Rt1和Rt2阻值下降 为此2端和6端电位都要下降 当2端电位下降到5v 1 3Vcc 对应于冰箱的上限温度 时 比较器C2输出低电平 使反相器3端输出高电平 继电器J通电 压缩机开始制冷 冰箱内部上限温度控制 因此 调节RW2可调整设定冰箱上限温度 54 随着压缩机工作 冰箱温度下降 负温度系数热敏电阻Rt1和Rt2阻值开始上升 为此2端和6端电位都要上升 当6端电位上升到10v 2 3Vcc 对应于冰箱的下限温度 时 比较器C1输出低电平 使反相器3端输出低电平 继电器J断电 压缩机停止制冷工作 因此 调节RW1可调整设定冰箱下限温度 冰箱内部下限温度控制 55