脉冲的产生和整形电路.ppt

2020 1 8 6脉冲的产生和整形电路 内容摘要 本章主要讨论脉冲产生和整形的基本电路 在脉冲整形部分 介绍了两类整形电路 施密特触发器和单稳态触发器 在脉冲产生部分 介绍了门电路构成的多谐震荡器和石英晶体震荡器 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定时器及其应用 2020 1 8 6 1概述 在数字电路中 时钟脉冲信号可以利用多谐震荡器产生或通过整形电路变换得到 整形电路分为两类 施密特触发器和单稳态触发器 矩形脉冲的性能指标 2020 1 8 脉冲周期T 周期性重复的脉冲序列中 两个相邻脉冲间的时间间隔 有时也用频率f 1 T表示 f代表单位时间内脉冲重复的次数 脉冲幅度Um 脉冲电压最大变化的幅值 脉冲宽度Tw 从脉冲前沿0 5Um始 到脉冲后沿0 5Um止的一段时间 上升时间tr 脉冲从0 1Um上升到0 9Um所需的时间 下降时间tf 脉冲从0 9Um下降到0 1Um所需的时间 上述几个指标反映了一个矩形脉冲的基本特性 2020 1 8 6 2施密特触发器 施密特触发器能把变化缓慢的波形变换成矩形脉冲 输入电压上升的翻转电平为上限阀值电平UT 输入电压下降的翻转电平为下限阀值电平UT 两者的值不同 且UT UT 它们差称为回差电压 输入和输出为反向关系的施密特触发器为反向施密特触发器 输入和输出为同向关系的施密特触发器为同向施密特触发器 6 2 1门电路构成的施密特触发器6 2 2集成施密特触发器6 2 3施密特触发器应用举例 2020 1 8 6 2 1门电路构成的施密特触发器 下图 a 是用两个CMOS非门和电阻构成的施密特触发器 设UT VDD 2 且R1 R2 上限阀值电压UT 1 R1 R2 UT下限阀值电压UT 1 R1 R2 UT电路回差电压 U UT UT 2UTR1 R2 2020 1 8 可见 电路输出的状态由输入电压的大小决定 改变R1和R2就可调节回差电压 VT的大小 2020 1 8 6 2 2集成施密特触发器 TTL集成施密特触发器有 74LS14 74132 7413等 性能如下表 表6 2 1TTL集成施密特触发器 CMOS集成施密特触发器有 CD40106 CD4093和CD4584等 2020 1 8 6 2 3施密特触发器应用举例 1 脉冲整形电路 在数字测量和控制系统中 由传感器送来的信号波形边沿较差 利用施密特电路可以对这些信号进行整形 将边沿较差或畸变脉冲uI作为施密特电路的输入 其输出uO为矩形波 2020 1 8 2 脉冲变换电路 施密特电路在状态转换速度极快输出的矩形波的前后沿总是很陡峭 利用这一特点 施密特电路可以把变化比较缓慢的正弦波 三角波等变换成矩形脉冲信号 2020 1 8 3 鉴幅电路 在一串幅度不相等的脉冲信号中 如果要剔除幅度不够大的脉冲 此时可利用施密特触发器 右图示出在施密特触发器的输入端送入一串幅度不等的脉冲时相应的输出波形 2020 1 8 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 施密特触发器 0 2020 1 8 施密特触发器 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 2020 1 8 施密特触发器应用举例 脉冲变换 脉冲整形 2020 1 8 施密特触发器应用举例 脉冲鉴幅 构成多谐振荡器 2020 1 8 6 3 1门电路构成的单稳态触发器6 3 2集成单稳态触发器6 3 3单稳态触发器的应用举例 2020 1 8 微分电路 高通滤波电路 输出电压与电流成微分关系 微 积分电路 2020 1 8 当微分电路输入方波信号时 输出波形应如何 设RC TW 补充微积分电路 2020 1 8 积分电路 概述 2020 1 8 6 3单稳态触发器 在触发脉冲的作用下 单稳态触发器从稳态翻转到暂稳态 经过时间tw后又自动翻回稳态 并在输出端产生一个宽度为tw的矩形脉冲 单稳态触发器通常由门电路和RC电路元件组成 暂稳态的时间取决于电路本身的参数 与触发脉冲的宽度无关 单稳态触发器常用于数字系统的整形 延时和定时电路中 2020 1 8 6 3 1用门构成的单稳态触发器 1 微分型单稳态电路的组成 门1的输出经微分电路RC接到门2的输入端 门2的输出直接耦合到门1的输入端 应选R Roff 0 7K 图6 3 1微分型单稳态触发器 2 功能分析稳态 uO1 0 uO2 1暂稳态 uO1 1 uO2 0 2020 1 8 图6 3 2电容C的充电回路和uI2的波形图 经验公式估算 2020 1 8 暂稳态时间结束后 C通过图所示回路放电 使uI2以时间常数 2 R1 R C按指数曲线上升 电路经历一个恢复阶段回到稳态时的初始状态 恢复时间tre 2020 1 8 图6 3 1微分型单稳态触发器 3 波形分析 UT 电路的分辨时间 2020 1 8 图6 3 1适用于输入触发脉冲较窄的情况 若uI脉冲宽度twI tw 为使单稳电路能按要求自动返回 则应通过微分电路RPCP再输入到与非门1 如下图6 3 2所示 门3改善了输出波形 起反相和整形的作用 2020 1 8 6 3 2集成单稳态触发器 由于单稳态触发器在数字系统中应用十分普遍 目前已有各种单片集成电路 TTL系列的有74121 74122 74123等 CMOS系列的有4098 4528 4538等 这些器件只要外接很少的电阻和电容 就可构成单稳态触发电路 使用起来非常方便 2020 1 8 74121是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加输入控制电路和输出缓冲级而形成的 1 TTL集成单稳态触发器 74121 2020 1 8 输出脉冲宽度可由下式估算 推导略 通常值取在2K 30K 值取在10 10uF之间 得到的范围可达20ns 200ms DM74121 30ns 28s另外 74121内部2K 电阻可代替 门G5 G6 G7和外接电阻电容组成的电路是一个用或非门构成的微分型单稳态触发器 它由G4给出的正脉冲触发 而输出脉冲宽度则由和决定 门G1 G4组成输入控制电路 用于实现上升沿与下降沿触发控制 输出缓冲级由G8和G9组成 用于提高电路的负载能力 内部电路不需要掌握 2020 1 8 集成单稳态触发器 74121 功能表 2020 1 8 两种不同接法 集成单稳态触发器 使用内部电阻 使用外部电阻 2020 1 8 2 CMOS集成单稳态触发器4538 4538的符号图如图6 3 7 a 所示 a 符号图 b 管脚图图6 3 7集成单稳态触发器4538 4538是CMOS精密单稳态触发器 由于采用了线性CMOS技术 可得到高精度的输出脉冲宽度 2020 1 8 6 3 3单稳态触发器的应用举例 1脉冲的整形 图6 3 9脉冲整形 2020 1 8 单稳态触发器应用 用于定时 或延时 脉冲拓宽 B 2020 1 8 回答问题 以下题目本身是否有问题 9 TTL集成单稳态电路的暂稳态时间tW为 10 CMOS精密单稳态触发器的暂稳时间tW为 6 3 2集成单稳态触发器 一 非重复触发单稳态触发器74121 非重复触发 只能在稳态接受输入信号 1 图形符号 下降沿触发输入 上升沿触发输入 非重复触发 外接定时电阻 电容 VCC 内接接定时电阻引出端 二 可重复触发单稳态触发器74122 可重复触发 在暂稳态期间 能够接受新的触发信号 1 图形符号 直接复位 可重复触发 2020 1 8 6 4多谐振荡器 多谐振荡器是一种无稳态电路 它在接通电源以后 不需外加触发信号 就能自动地不断来回翻转 产生矩形脉冲 由于输出的矩形波中含有很多谐波分量 故通常将它称为多谐振荡器 又称方波发生器 6 4 1门电路构成的多谐振荡器6 4 2石英晶体多谐振荡器 2020 1 8 6 4 1集成门电路构成的多谐振荡器 图6 4 1表示用三个集成非门构成的方波发生器 这些门组成一个环形 所以称为环形振荡器 它是利用门电路的时延tpd来产生方波振荡的 图6 4 1环型振荡器 1 uO uI 2020 1 8 电路组成及工作原理 由门电路构成多谐振荡器 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 2020 1 8 工作原理 由门电路构成多谐振荡器 4 vO1 0 vO2 1这个状态也不能持久 5 通过vO2 C R vO1对电容C反向充电 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 2020 1 8 工作波形 由门电路构成多谐振荡器 T1 T2 T1 T2的计算公式请同学自己推导 UT 2020 1 8 6 4 2石英晶体多谐振荡器 1 石英晶体的基本特性 石英晶体的符号如图6 4 4所示 频率稳定性能达到10 5 10 8 高质量石英晶体振荡器 频率稳定性可达10 11 QR 图6 4 4石英晶体的电路符号 2 CMOS石英晶体多谐振荡器 图6 4 5所示为方波发生器的简化电路 其中虚线以上部分制作在集成电路内 而石英谐振器QR及C1 C2为外接分立元件 在有些集成电路中 C2也做在芯片内 图6 4 5石英晶体多谐振荡器 2020 1 8 6 5555定时器及其应用 555定时器是一种中规模集成电路 目前在仪器 仪表和自动化控制装置中应用很广 它可组成定时 延时和脉冲调制等各种电路 本节先简单介绍该定时器内部电路原理和参数 然后着重介绍由它组成的施密特电路 单稳态电路和多谐振荡电路 6 5 1555定时器6 5 2555构成的施密特触发器6 5 3555构成的单稳态触发器6 5 4555构成的多谐振荡器 2020 1 8 6 5 1555定时器 图6 5 1NE555集成定时器 2020 1 8 当2个触发信号高于其域值电压 基本RS触发器清0 输出为0 当触发端处于功能表第三行 RS触发端均无效 输出不变 当同相端触发信号低于其域值电压 基本RS触发器置1 输出为1 2020 1 8 6 5 2用555构成的施密特触发器 UT UT 2VDD 3UT UTL VDD 3 UT VDD 3 2020 1 8 6 5 3用555构成的单稳态触发器 tw 1 1RC 2020 1 8 应用 丢失脉冲检测器 ui为连续脉冲输入端 信号周期比该单稳电路的脉宽窄 2020 1 8 6 5 4用555构成的多谐振荡器 2020 1 8 充电时间T1为 T1 R1 R2 Cln2 0 693 R1 R2 C 6 5 3 放电时间T2为 T2 R2Cln2 0 693R2C 6 5 4 频率f为 f 1 T1 T2 1 44 R1 2R2 C 6 5 5 占空比为 q T1 T T1 T1 T2 R1 R2 R1 2R2 50 6 5 6 如果R1 R2 则占空比接近于1 此时 uC近似地为锯齿波 2020 1 8 占空比可调的多谐振荡器 占空比可调的多谐振荡器如图6 5 7所示 图中 T1 0 693RAC T2 0 693RBC 因此输出脉冲占空比q T1 T1 T2 RA RA RB 2020 1 8 思考题 用555构成的多谐振荡器 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