第6章 脉冲波形的产生与整形_李燕荣版教材2012.pptx

第6章脉冲波形的产生与整形 6 1施密特触发器6 2单稳态触发器6 3多谐振荡器6 4555集成定时器 通常 把非正弦波称之为脉冲波 按脉冲波形的形式分成矩形波 锯齿波等 矩形脉冲波常作为时钟信号 波形的好坏直接关系到电路能否正常工作 矩形波的参数 脉冲幅度Vm 脉冲波形的电压最大变化幅度 脉冲上升时间tr 从0 1Vm上升到0 9Vm所需时间 下降时间tf 脉冲波形的下降沿从0 9Vm下降到0 1Vm所需时间 脉冲宽度Tw 从上升沿上升到0 5Vm起到下降沿下降到0 5Vm之间的时间 脉冲周期T 周期性重复的脉冲序列中 相邻两个脉冲间的时间间隔 占空比 q tw T 即脉冲宽度tw与脉冲周期T之比 以下主要讨论几种常用脉冲波形的产生与变换电路 1 施密特触发器 主要用以将非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲 2 单稳态触发器 主要用以将脉冲宽度不符合要求的脉冲变换成脉冲宽度符合要求的矩形脉冲 3 多谐振荡器 产生矩形脉冲 4 555定时器 施密特触发器的特点 1 电平触发 将边沿缓慢变化的信号变换成边沿陡峭的矩形波 2 对于正向和负向变化的输入信号 电路的触发转换电平不同 6 1 4施密特触发器的应用 6 1 2TTL集成施密特触发器 6 1 3CMOS集成施密特触发器 6 1 1用门电路构成的施密特触发器 6 1施密特触发器 6 1 1用门电路构成的施密特触发器 1 电路组成 a 电路 b 逻辑符号 两个CMOS反相器 两个分压电阻 2 工作原理 1 工作过程设CMOS反相器的阈值电压Vth VDD 2 VOH VDD VOL 0输入信号vI为三角波 6 1 1用门电路构成的施密特触发器 B 当VI上升 使得VI1 Vth时 电路会产生如下正反馈过程 C VI继续上升 电路的状态不会改变 A 当VI 0V时 经G1 G2输出为VO 0V 第一稳态 电路会迅速转换为VO VDD的状态 第二稳态 此时的VI值 使输出由低电平变为高电平所对应的值 称为施密特触发器的正向触发阈值电平VT 6 1 1用门电路构成的施密特触发器 D 如果VI下降 VI1也会下降 E 当VI1下降到Vth时 电路又会产生以下的正反馈过程 F 电路会迅速转换为为VOL的第一稳态 此时的VI值 使输出由高电平变为低电平所对应的值 称为施密特触发器的负向触发阈值电平VT G VI再下降 电路将保持状态不变 VT 1 R1 R2 Vth 6 1 1用门电路构成的施密特触发器 2 工作波形与电压传输特性 回差电压2 R1 R2 Vth 1 电平触发 将边沿缓慢变化的信号变换成边沿陡峭的矩形波 2 对于正向和负向变化的输入信号 电路的触发转换电平不同 6 1 1用门电路构成的施密特触发器 施密特触发反相器 b 电压传输特性 c 逻辑符号 6 1 1用门电路构成的施密特触发器 6 1 2TTL集成施密特触发器 CMOS的CC40106TTL的CT7413就是施密特触发的与非门电路 6 1 3CMOS集成施密特触发器 6 1 4施密特触发器的应用 1 波形变换 2 波形整形 3 幅度鉴别 幅度鉴别波形 6 2单稳态触发器 单稳态触发器的特点 1 仅有一个稳态 另一个暂稳态 2 在外加触发脉冲的作用下 电路才能从稳态翻转到暂稳态 而暂稳态不能长久保持 保持一段时间后又自动返回原来的稳态 3 暂稳态保持的时间取决于电路本身的参数 而与外加触发信号无关 6 2 1用门电路构成的单稳态触发器 图示为CMOS门电路构成的单稳态触发器 因其阻容元件R C构成了微分电路 故称为微分型单稳态触发器 微分型单稳态触发器图1 微分型单稳态触发器图2 6 2 1用门电路构成的单稳态触发器 当没有触发信号时 ui为低电平 因为门G2的输入端经电阻R接至VDD VA为高电平 因此uo2为低电平 门G1的两个输入均为0 其输出uo1为高电平 电容C两端的电压接近为0 这是电路的稳态 在触发信号到来之前 电路一直处于这个状态 uo1 1 uo2 0 1 工作原理 1 没有触发信号时电路工作在稳态 6 2 1用门电路构成的单稳态触发器 这个高电平反馈到门G1的输入端 此时即使ui的触发信号撤除 仍能维持门G1的低电平输出 但是电路的这种状态是不能长久保持的 所以称为暂稳态 暂稳态时 uo1 0 uo2 1 2 外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态 当正触发脉冲ui到来时 门G1输出uo1由1变为0 由于电容电压不能跃变 uA也随之跳变到低电平 使门G2的输出uO2变为1 6 2 1用门电路构成的单稳态触发器 由于这时G1输入触发信号已经过去 G1的输出状态只由uo2决定 所以G1又返回到稳定的高电平输出 uA随之向正方向跳变 加速了G2的输出向低电平变化 最后使电路退出暂稳态而进入稳态 此时uo1 1 uo2 0 3 电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态 从暂稳态自动返回稳态之后 电容C放电 使电容上的电压恢复到稳态时的初始值 在暂稳态期间 VDD经R和G1的导通工作管对C充电 随着充电的进行 C上的电荷逐渐增多 使uA升高 当uA上升到阈值电压时 G2的输出uo2由1变为0 1 6 2 1用门电路构成的单稳态触发器 2 主要参数 输出脉冲宽度tw 就是暂稳态的维持时间 可以计算出 tw 0 7RC 暂稳态结束后 电路需要一段时间恢复到初始状态 一般 恢复时间tre 3 5 RONCRON为G2输出低电平时的输出电阻 1 输出脉冲宽度tw 2 恢复时间tre 3 分辨时间td 为了使单稳态触发器能够正常工作 触发信号的最小时间间隔 应当满足td tw tre 6 2 1用门电路构成的单稳态触发器 在使用微分型单稳态触发器时 输入触发脉冲的宽度应小于输出脉冲的宽度 否则电路不能正常工作 3 对输入触发脉冲宽度的要求 6 2 1用门电路构成的单稳态触发器 6 2 4用施密特触发器构成的单稳态触发器 vT vT tw RCln VDD VT 6 3多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡电路 无需外加输入信号 其状态转换完全由电路自行完成 电源接通后就可自动的产生矩形脉冲 产生的矩形脉冲含有丰富的高次谐波分量 因此习惯上称其为多谐振荡器 多谐振荡器不存在稳定状态 只有两个暂稳态 故又称无稳态电路 6 3 1由门电路构成的多谐振荡器 一 环形振荡器 T 2 3tpd T 2 ntpd 二 带RC延迟电路的环形振荡器 6 3 1由门电路构成的多谐振荡器 6 3 2用施密特触发器构成的多谐振荡器 接通电源瞬间 电容C上的电压为0 Vi为低电平 则VO为高电平 VO通过电阻R对电容C充电 直到Vi达到VT 电路翻转 VO变成低电平 而后电容C又通过电阻R放电 直到Vi降到VT 电路翻转 VO又恢复高电平 如此往复循环 电路无需外加信号便实现了多谐振荡 T T1 T2 RCln VDD VT VDD VT RCln VT VT 6 3 2用施密特触发器构成的多谐振荡器 6 3 4石英晶体环形多谐振荡器 石英晶体的阻抗频率特性图 石英晶体具有很好的选频特性 当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率fo相同时 石英晶体呈现很低的阻抗 信号很容易通过 而其它频率的信号则被衰减掉 6 4555集成定时器 6 4 1集成定时器的工作原理 比较器 V V 1V V 0 555定时器原理图 A B VCO为控制电压输入端VCO悬空时 VA 2 3VCC VB 1 3VCC VCO UCO时 VA UCO VB 1 2UCO 6 4 1集成定时器的工作原理 A B 6 4 1集成定时器的工作原理 6 4 1集成定时器的工作原理 6 4 2集成定时器应用举例 一 构成施密特触发器 二 构成单稳态触发器 三 构成多谐振荡器 一 构成施密特触发器 6 4 2集成定时器应用举例 工作波形 电压传输特性 T 1 3Vcc VT 2 3Vcc VT 1 3Vcc 6 4 2集成定时器应用举例 二 构成单稳态触发器 6 4 2集成定时器应用举例 稳态时 Vi 1接通Vcc后瞬间 Vcc通过R对C充电 当Vc上升到2Vcc 3时 比较器C1输出为1 将触发器置0 Vo 0 这时 放电管T导通 C通过T放电 电路进入稳态 R C Vi负极性触发脉冲到来时 因为Vi Vcc 3 使C2 0 触发器置1 Vo由0变为1 进入暂稳态 此时Q 1 放电管T截止 Vcc经R对C充电 直到Vc上升到2Vcc 3时 比较器C1输出为1 将触发器置0 电路输出Vo 0 T导通 C放电 电路恢复到稳定状态 电容C从零电平上升到2Vcc 3的时间为暂稳态时间 即输出脉冲宽度Tw为 Tw RCln3 1 1RC 6 4 2集成定时器应用举例 三 构成多谐振荡器 6 4 2集成定时器应用举例 工作原理 电路接通电源前 电容C上的电压vC 0V 1 电路接通电源VCC开始时 由于电容器上的电压不能突变 基本RS触发器处于1 电路进