第五章 脉冲波形的产生与整形.ppt

第五章脉冲波形的产生与整形 在数字系统中 常常需要各种脉冲波形 例如时钟脉冲 控制过程的定时信号等 这些脉冲波形的获取 通常采用两种方法 一种是利用脉冲信号产生器直接产生 另一种则是通过对已有信号进行变换 使之满足系统的要求 本章将介绍脉冲信号产生与整形电路施密特触发器 单稳态触发器 多谐振荡器 并主要讨论555定时器构成的施密特触发器 单稳态触发器 多谐振荡器以及555定时器的典型应用 5 1周期脉冲的主要参数脉冲波形的获取 通常采用两种方法 一种是利用脉冲信号发生器直接产生 另一种则是通过对已有信号进行变换 使之满足系统的要求 脉冲信号的质量直接关系着系统能否正常可靠地工作 通常 用以下几个参数来描述脉冲的性能 脉冲周期T 频率f 周期性重复的脉冲序列中 两个相邻脉冲之间的时间间隔 或用频率表示单位时间内脉冲的重复次数 脉冲幅度 Vm 脉冲电压的最大变化幅度 脉冲宽度 tw 从脉冲上升沿 前沿 到达0 5Vm起至脉冲下降沿 后沿 到达0 5Vm止的一段时间 上升时间 tr 脉冲上升沿从0 1Vm起上升到0 9Vm止所需的时间 下降时间 tf 脉冲下降沿从0 9Vm起下降到0 1Vm止所需的时间 占空比 q 脉冲宽度与脉冲周期的比值即 5 2施密特触发器 SchmittTrigger 施密特触发器是脉冲波形变换中的常用电路 施密特触发器在性能上有两个重要特点 1 具有回差电压特性 即输入电压从低到高 或从高到低所对应的输入转换电平不同 2 由于内部正反馈的存在 输出电平变换时的电压波形边沿很陡 利用这两个特点 施密特触发器不仅能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲 还可以有效地消除噪声信号 一 用门电路组成的施密特触发器1 电路图5 2是由CMOS反相器组成的施密特触发器 G1 G2是CMOS反相器 其阈值电压为 且R1 R2 2 工作原理 1 当v1 0时 v0 VOL 0 此时v 1 0 2 当v1逐渐升高并达到v 1 VTH时 G1进入电压传输特性转折区 放大区 引发正反馈过程 于是 电路输出状态迅速转换为 由此可以求出v1上升过程中电路正跳变时对应的输入电压 电平 在跳变之前v0 0 即 称正向阈值电压 3 当v1从高电平VDD逐渐下降并达到v 1 VTH时 G1又进入电压传输特性转折区 放大区 引发另一正反馈过程 于是 电路输出状态迅速转换为 由此可以求出v1下降过程中电路负跳变时对应的输入电压 电平 在跳变之前v0 VDD 即 VDD 2VTH 称负向阈值电压 4 回差电压 3 传输特性与图形符号 例5 1 P124 二 集成施密特触发器施密特触发器可以由555定时器构成 也可以用分立元件和集成门电路组成 因为这种电路应用十分广泛 所以市场上有专门的集成电路产品出售 称之为施密特触发门电路 集成施密特触发器性能的一致性好 触发阈值稳定 使用方便 1 CMOS集成施密特触发器图5 4 a 是CMOS集成施密特触发器CC40106 六反相器 的引脚图 表5 1所示是CC40106其主要静态参数 2 TTL集成施密特触发器 TTL施密特触发与非门和缓冲器具有以下特点 1 输入信号边沿的变化即使非常缓慢 电路也能正常工作 2 对于阈值电压和回差电压均有温度补偿 3 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CMOS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 三 施密特触发器的应用1 用作接口电路 将缓慢变化的输入信号 转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形 2 用作整形和变换电路 把不规则的输入信号 或正弦信号 整形变换成为矩形脉冲 3 用于脉冲鉴幅 将幅值大于VT 的脉冲选出 5 3单稳态触发器单稳态触发器具有下列显著特点 第一 它有一个稳定状态和一个暂稳状态 第二 在外来触发脉冲作用下 能够由稳定状态翻转到暂稳状态 暂稳状态维持一段时间后 将自动返回到稳定状态 第三 暂稳态时间的长短 与触发脉冲无关 仅决定于电路本身的参数 单稳态触发器在数字系统和装置中 一般用于定时 产生一定宽度的脉冲 整形 把不规则的波形转换成等宽 等幅的脉冲 以及延时 将输入信号延迟一定的时间之后输出 等 一 微分型单稳态触发器1 CMOS门微分型单稳态电路见图5 8 2 工作原理 1 稳态 图5 8微分型单稳态触发器 2 暂态 图5 8微分型单稳态触发器 当触发脉冲加入到输入端时 在Cd和Rd组成的微分电路输出端得到很窄的正 负脉冲vd 当vd上升到VTH后 引起如下正反馈过程 使v01迅速跳变为低电平 并且使vI2也同时跳变为低电平 并使v0为高电平 由于反馈信号的存在 即使vd回到低电平 v0仍将维持高电平 图5 8微分型单稳态触发器 3 恢复在电路进入到暂稳态的同时 电容C开始充电 v12逐渐升高 当v12升高到v12 VTH时 引发另一个正反馈过程 设此时触发脉冲已消失 指vd 0 而不必vI 则v01 vI2迅速跳变为高电平 并使输出返回到vo 0状态 同时 电容C通过电阻R和门G2向VDD放电 4 工作波形分析根据上述分析 可得微分型单稳态电路工作波形如图5 9所示 二 积分型单稳态触发器1 积分型单稳态触发器电路包含阻容元件构成的积分型单稳态触发器电路如图5 10 三 集成单稳态触发器1 TTL集成单稳态触发器74121的逻辑功能和使用方法74121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 1 74121的逻辑符号和引脚A1和A2是两个下降沿有效的触发输入端 B是上升沿有效的触发信号输入端 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 阻值可在1 4 40k 之间选择 应一端接VCC 引脚14 另一端接引脚11 外接定时电容C 一般在10pF 10 F之间选择 一端接引脚10 另一端接引脚11即可 若C是电解电容 则其正极引脚10 负极接引脚11 74121内部已经设置了一个2k 的定时电阻 Rint 引脚9 是其引出端 使用时只需将引脚9与引脚14连接起来即可 不用时则应让引脚9悬空 2 74121的功能与工作波形 3 外部元件连接方法图5 12表明了集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法 图 a 是使用外部电阻Rext且电路为下降沿触发连接方式 图 b 是使用内部电阻Rint且电路为上升沿触发连接方式 四 单稳态触发器的应用1 延时与定时 1 延时 在图5 13中 v O的下降沿比vI的下降沿滞后了时间tW 即延迟了时间tW 单稳态触发器的这种延时作用常被应用于时序控制中 2 定时 在图5 13中 单稳态触发器的输出电压v O 用做与门的输入定时控制信号 当v O为高电平时 与门打开 vO vF 当v O为低电平时 与门关闭 vO为低电平 显然与门打开的时间是恒定不变的 就是单稳态触发器输出脉冲v O的宽度tW 2 整形单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI 整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲vO vO的幅度取决于单稳态电路输出的高 低电平 宽度tW决定于暂稳态时间 图5 14是单稳态触发器用于波形的整形的一个简单例子 5 4多谐振荡器多谐振荡器 产生矩形脉冲波的自激振荡器 多谐振荡器一旦起振之后 电路没有稳态 只有两个暂稳态 它们做交替变化 输出连续的矩形脉冲信号 因此它又称作无稳态电路 常用来做脉冲信号源 一 对称式多谐振荡器1 电路 对称式多谐振荡器电路如图5 15 2 工作原理 1 暂稳态1 设由于某种原因使VI1有微小的正跳变 则引起如下正反馈 使G1导通 vo1 VOL G2截止 vo VOH 同时 电容C1开始充电 C2开始放电 由于C1经两路充电 速度较快 VI2首先上升 进入暂稳态2 2 暂稳态2 当VI2首先上升到G2的阈值VTH后 引起如下正反馈 使G2导通 vo VOL G1截止 vo1 VOH 同时 电容C1开始放电 C2开始冲电 当VI1上升到阈值VTH后 又将进入暂稳态1 3 工作波形 根据上述分析 可得电路的工作波形如图5 16 多谐振荡器还有非对称式多谐振荡器 环型振荡器等 更常用的还有施密特触发器构成的多谐振荡器及石英晶体多谐振荡器等 三 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 例如在数字钟表里 计数脉冲频率的稳定性 就直接决定着计时的精度 在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 电压到达转换值的时间 因此稳定度不够高 这是因为第一 转换电平易受温度变化和电源波动的影响 第二 电路的工作方式易受干扰 从而使电路状态转换提前或滞后 第三 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者干扰 对振荡周期影响都比较大 一般在对振荡器频率稳定度要求很高的场合 都需要采取稳频措施 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 石英晶体的电抗无穷大 石英晶体的频特由晶体本身的特性决定 fs fp f0 晶体的标称频率 石英晶体的选频特性极好 f0十分稳定 其稳定度可达10 10 10 11 图5 18给出了石英晶体的电抗频率特性和符号 2 石英晶体多谐振荡器教材图P340了解 5 5555定时器及应用一 集成555定时器555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路 该电路使用灵活 方便 只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳 多谐和施密特触发器 因而在波形的产生与变换 测量与控制 家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用 目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型 其型号分别有NE555 或5