第五章 脉冲波形的产生与整形.docx

第五章 脉冲波形的产生与整形在数字系统中，常常需要各种边沿陡峭且对脉冲宽度、幅度有一定要求的脉冲信号，获取这些脉冲信号的方法通常有两种：1. 利用脉冲振荡器直接产生；2. 对已有的信号进行整形处理，使之符合系统要求；5.1 多谐振荡器多谐振荡器又称为无稳电路，在数学系统中常常用以产生矩形脉冲，作为时钟脉冲信号源。通常在f稳定性和准确性要求不高的场合，可以采用TTL或CMOS门电路构成的多谐振荡器，当对f稳定性要求高时，可在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体振荡器。5.1.1 环形振荡器环形振荡器就是将奇数个与非门首尾相接利用门电路固有的传输时间而构成的震荡电路。1. 最简单环形振荡器图5-1（a）是三个反相器组成的最简单的环形振荡器，图5-1（b）为电路的工作波形图。设每个门电路的传输延迟时间为tpd，由工作波形图容易分析出此电路的震荡周期为T=6tpd，显然，这种方法形成的环形振荡器的振荡频率为f=1/2ntpd(n=3,5,7)这种振荡器的优点是电路简单，缺点是门的tpd很小，TTL电路tpd一般为几十纳秒，COMS电路的tpd为100200ns，所以振荡频率太高而且不可调节。2. 带RC延迟电路的环形振荡器在实际引用中多采用RC积分型环形振荡器，如图5-2所示，在电路中接入RC电路后，不仅增大了G2的传输延迟时间可以获得较低的振荡频率，而且通过改变R和C的数值，还可以容易的实现对频率的调节，其中Rs为限流电阻，作用是保护门的输入级。当ui1跳变到高电平VH时，G1导通，ui2跳变到低电平Vl时，G2截止，uo2跳变到高电平VH，由于电容C两端的电压不能突变，ui3将随ui2跳变到低电平VL，G3截止。这是电路的一个暂稳状态，在此期间，uo2通过电阻R向电容C充电，使ui3的电位按指数规律上升，当ui3上升到阀值电压VTH时，G3导通，uo为低电平，ui1产生负跳变，G1截止，G2导通，电路翻转到另一暂稳态。电容C充电结束，并开始通过R和G2放电，ui3的电位按指数规律下降，当ui3下降到VTH时，G3截止，G2导通，G1截止，电路又转换到前暂稳态。如此反复，电路就形成了振荡，在门G3的输出端就不断有矩形的脉冲波形输出，波形图如图5-3所示。5.1.2 石英晶体多谐振荡器在许多数字系统中，都要求时钟脉冲频率十分稳定，例如在数字钟表中，计数脉冲频率的稳定性，就直接决定了计时的精度。上面介绍的多谐振荡器中，由于其工作频率取决于电容C充、放电过程中，电压达到转换值的时间，因此稳定度不高。这是因为：1. 转换电平易受温度变化和电源波动的影响；2. 电路的工作方式易受干扰，从而使电路的状态转换提前或滞后；3. 电路状态转换时，电容充、放电的过程已经比较缓慢，转换电平的微小变化或干扰，对振荡周期影响比较大。一般对振荡频率稳定度要求高的场合，都需要采用稳频措施，其中最常用的一种方法，就是利用石英谐振器简称石英晶体或晶体，构成石英晶体多谐振荡器。1. 石英晶体的选频特性石英晶体有两个谐振频率，当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0,；当f=fp时，为并联谐振，石英晶体的电抗为无穷大。如图5-4所示为石英晶体的电抗频率特性和符号。由晶体本身的特性决定：fs=fp=fo(晶体的标称频率)。石英晶体的选频特性极好，fo十分稳定。2. 石英晶体多谐振荡器1） 串联式振荡器如图5-5所示为石英晶体串联式多谐振荡器。R1、R2的作用是使两个反相器在静态时都工作在转折区，成为具有很强放大能力的放大电路。对TTL门，常取R1=R2且范围为0.72千欧，若是COMS门则常取R1=R2且范围为10100兆欧；C1=C2是耦合电容。石英晶体工作在串联谐振频率f0下，只有频率为f0的信号才能通过，满足振荡条件。因此，电路的振荡频率为f0，与外接元件R、C无关，所以这种电路振荡频率饿稳定度很高。2） 并联式振荡器如图5-6所示为石英晶体并联式多谐振荡器。Rf是偏置电阻，保证在静态时使G1工作在转折区，构成一个反相放大器。反相器G2在电路中起整形缓冲作用，同时G2还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。晶体工作在fs与fp之间，等效一电感，与C1、C2共同构成电容三点式振荡电路。电路的振荡频率f=f0。5.2施密特触发器凡是输出和输入信号电压如图5-8（b）所示的滞后电压传输特性电路称为秘密特触发器。其符号见图5-8（a）。其特点是 当输入信号由小变大达到或超过正向阀值电平VT+时，电路输出由一种状态翻转到另一种状态：当输入信号由大到小达到或小于负向阈值电平VT-时，其输出有一种状态翻转到另一种状态。正向阈值电平与负向阈值电平的差称为回差电平。1. CMOS集成施密特触发器2. TTL集成施密特触发器TTL施密特触发器与非门和缓冲器具有以下特点：a. 输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作；b. 对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿；c. 带负载能力和抗干扰能力都很强。集成施密特触发器不仅可以做成单输入端反相缓冲器形式，还可以做成多输入端与非门形式，如COMS四2输入与非门CC4093，TTL四2输入与非门74LS132和双4输入与非门74LS13等。5.3单稳态触发器单稳态具有以下特点：1. 它有一个稳定状态和一个暂稳状态；2. 在外来脉冲作用下，能由稳定状态翻转到暂稳状态；3. 暂稳状态维持一段时间后，将激动返回稳定状态。暂稳态时间的长短与触发脉冲无关，仅决定与电路本身的参数。单稳态触发器按定时原件的不同分为积分型和微分型两类，可由TTL或COMS门电路与RC电路构成。但稳态触发器在数字系统和装置中，一般用于定时、整形以及延时等。1. COMS或非门组成的微分型单稳态触发器图5-13是由CMOS或非门组成的微分型单稳态触发电路，其中u1是外来触发信号输入端，G1G2是CMOS或非门。1） 稳态ui=0(无触发信号)，电源VDD通过R对C充电达到稳定值，故ui2=VDD,uo=0，因此uo1=VDD，电容两端电压接近0。2） 外加触发信号，电路由稳态翻转为暂稳态当触发正脉冲上升沿到来后，uo1由VH跳变为VL，并反馈到G1输入端。这时即使高电平撤销，uo1仍能维持输出低电平，但是该状态不能一直保持，所以称为暂稳态。3） 由暂稳态自动恢复到稳态暂稳态期间，VDD经R、G1对C 充电，随着充电的进行，当ui2=VTH时，G2导通，uo由VOH跳变为VOL，uo1跳变到VOH即电路跳变到原稳定状态，因CMOS门内部输入端有二极管保护电路，ui2在暂稳态结束时只能跃升到VDD+0.6V左右，暂稳态结束后，C通过R经G1放电，同时C经G2输入端保护二极管放电，使ui2恢复到VDD，等待下一次触发信号再次触发。电路工作波形如图5-14所示。其中输出脉冲宽度为TW=0.7RC。对微分型单稳态触发器而言，其触发脉冲ui相对于输出脉冲uo必须是窄脉冲。2. TTL与非门积分型单稳态触发器图5-15是由TTL与非门构成的积分型单稳态触发电路及其各点波形图。若TTL与非门VOH=3V，VOL=0.35V，VTH=1.4V，则输出脉冲宽度为TW=0.9RC。积分型单稳态触发电路触发脉冲ui相对于输出脉冲uo必须是宽脉冲。与微分型单稳态电路相比，积分型单稳态电路的优点是抗干扰能力较强，因此数字系统中的干扰信号多为尖峰脉冲，而积分型单稳态触发电路对此类干扰信号反应迟钝。3. 集成单稳态触发器目前单稳态触发器的制成给使用带来极大方便，只需要外接R、C元件，可实现输入脉冲上升沿或下降沿的控制、清零等功能，且具有较好的温度稳定性、价格低廉等优点。1） TTL集成单稳态触发器74LS121的逻辑功能和使用方法图5-16（a）是TTL集成单稳态触发器74LS121的逻辑符号，图（b）是工作波形图。该部件是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加以输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。它有两种触发方式：下降沿触发和上升沿触发。A1、A2是两个下降沿有效的触发输入端，B是上升沿有效触发信号输入端。其功能表如5-3所示。vo和vo是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻Rext应一端接Vcc(端子14)另一端接端子11。外接定时电容C一端接端子10，另一端接端子11即可。若电容C是电解电容，则其正极端子接10，负极端子接11。74LS121内部已经设置了一个2千欧的定时电阻，Rint是其引出端，使用时只需将9与14连接即可，不用是将9悬空。图5-17表明集成单稳态触发器74LS121的外部元件的连接方法，图（a）是使用外部电阻Rext且电路为下降沿触发方式，图（b）是使用内部电阻Rint且电路为上升沿触发连接方式。2） 主要参数（1） 输出脉冲宽度twTw=RC*ln2使用外接电阻：tw=0.7RextC使用内接电阻：tw=0.7RintC（2） 输入触发脉冲最小周期TminTmin=tw+tre其中tre是恢复时间。（3） 周期性输入触发脉冲占空比q定义：q=tw/T式中，T是输入触发脉冲的重复周期，tw是单稳态触发器的输出脉冲宽度。最大占空比：qmax=tw/Tmin3） 关于集成单稳态触发器的重复触发问题 集成单稳态触发器有不可重复触发型和可重复触发型两种。不可重复触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路工作过程，必须在暂稳态结束以后，它才能接受下一个触发脉冲而诸如下一个暂稳态；而可重复触发的单脉冲触发器在电路被触发而进入暂稳态以后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲维持一个tw的宽度。74LS121、74LS221都是不可重复触发的单稳态触发器。4. 单稳态触发器的应用a. 延时b. 定时c. 整形5.4 集成555定时器第6章 数模和模数转换器6.1概述随着数字电子技术的发展和数字测量仪表，数字通信和遥测、遥控，计算机的广泛应用，使得模拟量和数字量之间的转换具有十分重要的意义。把从模拟信号到数字信号的转换叫做模/数转换或A/D转换，把实现A/D转换的电路称为A/D转换器或ADC：把数字信号到模拟信号的转换叫数/模转换或D/A转换，把实现D/A转换的电路称为D/A转换器或DAC。ADC和DAC是数字设备和控制对象之间的接口电路，是微机用于工业控制的关键部件。为了保证数据处理的准确性，A/D转换器和D/A转换器必须有足够的转换精度。同时，为了适应快速过程的控制和检测的需要，A/D转换器和D/A转换器必须有足够的速度。因此，转换精度和转换速度是衡量A/D转换器和D/A转换器性能优劣的主要标志。6.2D/A转换器D/A转换器是用以接收数字信息，输出一个与数字量成正比的电压或电流的电路。D/A转换器的输入时一个n位的二进制D，它可以表示成按权展开式D=D/A转换器的输出是与输入数字量的大小成正比的模拟量电压或电流A，即A=KD=K(Dn-1*2n-1 )，K为转换比例系数。D/A转换的过程是先把输入数字量的每一位代码按照其权的大小转换成为相应的模拟量，然后把代表各位的模拟量求和，即可得到与数字量成正比的模拟量输出。D/A转换器通常由译码网络、模拟电子开关、求和运算放大器，基准电压源等部分构成，根据译码网络的不同，所构成的DAC有多种，例如权电阻网络型DAC、T形电阻网络型DAC、倒T形电阻网络型DAC、权电流型DAC等。6.2.1 R-2R倒T形电阻网络DAC各种类型的集成DAC器件多由参考电压源、电阻网络和电子开关三个基本部分组成。图6-2是一个四位倒T形R-2R电阻网络DAC 的原理图，它有R、2R电阻构成倒T形电阻网络，模拟电子开关S3S0和放大器A及基准电压源+VFF组成。其中S0、S1、S2、S3分别受控与输入二进制的数码管的D3、D2、D1、D0状态。从节点D向右看有电阻2R，从节点C向右看也有等效电阻Req=R+2R/2R=2R；以此类推，每个节点向右，均有等效电阻2R。电路中的电子开关均有输入的二进制数码来控制，数码为0时，则电子开关接地，数码为1时，则电子开关接运算法大器的虚地点。所以从个节点向地看，等效电阻均为 R，这样，从基准电压VREF流出的电流I=VREF/R保持恒定。由同一节点向右流出的两路分支电流Ii和Ii相等，即IREF=VREF/R，I3=I3=IREF/2=VREF/2R,I2=I2=I3/2=VREF/4R,I1=I1=I2/2=VREF/8R,I0=I0=I1/2=VREF/16R。故I3+I2+I1+I0=VREF/R(1/2+1/4+1/8+1/16)Ii是否流向运放虚地端取决于Si的状态，即取决于Di，DI=1，Si接1端，Ii流向虚地端