XH600-脉冲产生与整形电路2012解析.ppt

单稳态触发器 施密特触发器 多谐振荡器 555定时器构成 RC耦合式 石英晶体振荡器 第六章脉冲波形的产生与变换 课堂教学设计结构框架 引出脉冲波形的产生与变换 任务驱动 案例 演示 引入电子时钟电路 课件 集成555定时器 电路构成 仿真演示原理分析 工作原理 电路结构 小结 结束 开始 师生和谐互动 同学们想不想知道我内部的电路结构 继续学习后面的几个章节 你就能全面了解我了 数字电子钟原理电路 本章教学基本要求 熟悉 1 555定时器电路的结构 工作原理和引脚功能 2 由555定时器组成的单稳态触发器 多谐振荡和施密特触发器的电路 工作波形和参数的计算 3 集成单稳态触发器和集成施特触以器的应用电路 了解 石英晶体和门电路构成的方波发生器的基本电路 获取矩形脉冲的方法 1 脉冲波形发生电路 2 脉冲波形整形电路 脉冲电路 就是脉冲波形的产生 整形和变换的电路 概述 一 矩形脉冲的基本特性 脉冲产生是将电源提供的能量 转换成按一定规律变化的脉冲信号 预备知识 脉冲宽度 脉冲周期 tw T 1 2时 脉冲称为方波 上升时间Tr 下降时间Tf 矩形脉冲的特性参数 脉冲周期 脉冲幅度 脉冲宽度 上升时间 下降时间 利用这些指标 就可以把一个矩形脉冲的基本特性大体上表示清楚了 555定时器是中规模集成电路 只要外接少量的阻容元件 就可以很方便地构成单稳态触发器 多谐振荡器 和施密特触发器 根据内部器件类型可分为双极型 TTL型 和单极型 CMOS型 双极型型号为555 单 和556 双 电压使用范围为5到16V 输出最大负载电流可达到200mA 单极型型号为7555 单 和7556 双 电压使用范围为3到18V 输出最大负载电流为4mA 二 集成555定时器 下图为 双极型555定时器内部逻辑电路结构图和逻辑符号图 三个5k 电阻构成分压器 当u u 时 输出uc为高电平 1态 当u u 时 输出uc为高电平 0态 当VC悬空时 u1 2 3VCC u2 1 3VCC 1 555定时器的电路结构及符号 集电极开路输出端 输出缓冲器OUT Q 构成基本RS触发器 决定电路输出 构成电阻分压器 为比较器C1 C2提供两个参考电压 UR1 2 3VCC UR2 1 3VCC 2 555定时器的工作原理与逻辑功能 定时器5G555的功能表 0 1 0 1 0 1 导通 定时器5G555的功能表 截止 1 0 1 0 1 0 定时器5G555的功能表 1 1 由以上分析列出555定时器功能表 都大为0 都小为1 一小一大是保持 2 555定时器典型应用 用555定时器可构成 施密特触发器 单稳态触发器 多谐振荡器等许多实用电路 6 1施密特触发器 2 施密特触发器属于 电平触发 型电路 不依赖于边沿陡峭的脉冲 施密特触发器是具有电压滞后特性的数字传输门 其特点如下 一 特性与原理 1 输入电平的阈值电压由低到高为 由高到低为 且 输出的变化滞后于输入 形成回环 6 1施密特触发器 施密特触发器的电压传输特性 施密特触发器的回环特性 输入电压增加 输入电压减小 输入电压增加 输入电压减小 6 1施密特触发器 施密特触发器的输入输出波形图 6 1施密特触发器 施密特触发器符号 具有施密特触发器特性的电路 1 带有正反馈的运算放大器 比较的基准电压 UP总是与uO同相 与uI反相 因而形成回差 6 1施密特触发器 2 带有电平偏移的基本RS触发器 一 电路组成及工作原理 在uI的a至b段 uI由小到大 在未达到2 3VCC之前 6号 2号引脚状态为0 0和0 1 故3号引脚输出uO1为1态 当uI达到b点为UT 2 3VCC时 6号 2号引脚状态为1 1 输出uO1翻转为0 在uI为b c d期间 6号 2号引脚状态为1 1 0 1 输出uO1仍维持为0 6 1 1555定时器构成的施密特触发器 一 电路组成及工作原理 当uI达到d点为UT 1 3VCC时 6号 2号引脚状态为0 0 输出又翻转为1态 在d e f期间 6号 2号引脚状态为0 0和0 1 输出uO1仍维持为1 直到uI达到f点为2 3VCC uO1又变为1态 这样将输入uI的三角波转为方波输出 因此又称为整形 二 滞回特性及主要参数 施密特触发器的电压传输特性 施密特触发器的回环特性 输入电压增加 输入电压减小 输入电压增加 输入电压减小 一 CMOS集成触发器40106的传输特性 40106六施密特触发器的逻辑符号图 不同电源电压下的传输特性 由内部电路参数的离散性 正向阈值电压UT 负向阈值电压UT 回差电压 均有一个变化范围值 因此 某一块集成电路要通过实测来确定 和 6 1 2集成施密特触发器 二 40106施密特触发器电路的工作原理 40106施密特触发器内部电路图 TP1 TP2和TN3 TN4四个管子组成反相器 其栅极相连作为输入端 由于Tp5和TN6管的存在 使反相器输出电平uo1翻转所需的输入阈值电压不是1 2 这是因为Tp2和Tp3管的源极 2和S3的电位将受Tp5和TN6管的影响 反相器 设P沟道Tp管辖的开启电压为UGS th p 负值 N沟道TN管的开启电压为UGS th N当uI 0时 则UGS1 UGS2 VDD UGS TH P 故TP1 TP2管导通 UGS3 UGS4 0V UGS th N 故TN3 TN4管截止 UO1 VDD 6 1 3施密特触发器应用举例 光电转换形电路 在检测电机转速时 可采用图 a 所示光电转换整形电路 将小孔的转盘安装于电机转轴上 孔的位置对准红外发光管和红外光接收管 当电机转动时 转盘孔经过光电管之间 在接收管T的集电极产生图 b 中P1所波形 经施密特触发器整形后 转换成脉冲方波P2 对P2脉冲在一定时间内进行计数 即可实行测速 2 用于消除干扰和噪声的脉冲整形电路 在数字电路中 正常脉冲信号常受到电网上其它负载频繁启动而产生干扰信号的影响 如左图所示u1波形 若将该信号作用于施密特触发器的输入端 经整形后 即可获得无干扰的脉冲信号输出 只要施密特触发器的回差电压 UH大于干扰信号的幅度即可 3 多谐振荡器电路 利用施密特触发器可以很方便地组成多谐振荡器 电路如右图 a 图 b 所示为电容上电压UC和输出UO波形 4 单稳态触发器 用40106施密特触发器可组成上升沿或下降沿触发的单稳态触发器电路 上升沿触发的单稳态触发器的电路图 各点波形如图 1 上升沿触发电路 2 下降沿触发的电路 下降沿触发的单稳态触发器的电路图 各点波形如图 5 波形的变换或整形 回差电压 UH UT UT 较小时 抗干扰能力较差 输出uo也受输入干扰影响 如果将回差电压扩大为 U H UT U T 则输出u 0可不受干扰影响 脉宽tw可由 UH控制 可将不规则的波形整形成矩形波 6 幅度鉴别 利用施密特触发器 从一串幅度不等的脉冲中 将幅度较大的信号鉴别出来 称为幅度鉴别 其波形如下图示 当输入脉冲幅度大于UT 时 有信号输出 小于UT 时 无信号输出 6 2 1 用555定时器构成的单稳态触发器 一 电路结构 R C为定时元件 6 2单稳态触发器 用555定时器构成单稳态触发器 单稳态触发器触发器特点 1 有稳态和暂稳态两个不同工作状态 2 在外触发脉冲的作用下 能从稳态翻转到暂稳态 在暂稳态维持一段时间后 再自动返回稳态 3 暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数 与触发脉冲无关 单稳态触发器电路组成 单稳态触发器触发器用途 延时 将输入信号延时TW后再输出 定时 产生一定宽度的方波 R C定时元件 VI输入触发窄脉冲 阈值端VTH 6 与放电端V O 7 接在一起 控制端VCO 5 通过103电容到地 起滤波作用 二 工作原理 工作波形与参数估算 1 稳定状态 接通电源后VCC经R向C充电 使uC上升 该电路触发信号为负脉冲 不加触发信号时 uI UIH 应 1 3VCC 工作原理 导通 2 触发进入暂稳态 3 自动返回稳定状态 2 触发进入暂稳态 这时uI必须已恢复为高电平 例 用上述单稳态电路输出定时时间为1s的正脉冲 R 27k 试确定定时元件C的取值 输出脉冲宽度tW即为暂稳态维持时间 主要取决于充放电元件R C 该单稳态触发器为不可重复触发器 且要求输入脉宽tWI小于输出脉宽tWO 解 因为tWO 1 1RC 故可取标称值33 F 估算公式tWO 1 1RC 组成单稳态触发器的电路很多 可以用TTL或CMOS的与非门 或非门外接R C元件组成 另外还有单片集成单稳态触发器电路 1 微分型单稳态触发器 由CMOS或非门组成的微分型单稳态触发器 其中 环节构成微分电路 故称为微分型单稳态触发器 为了讨论方便 把 或非门的传输特性作理想化折线处理 6 2 2集成单稳态触发器 使输出状态发生翻转的输入电压称为阈值电压UTH 当输入uI UTH时 输出UO 0当输入uI UTH时 输出UO VDD 稳定状态 在0 t1期间 当输入没有触发信号时 Ui 0 这时电路处于稳态 电源VDD通过电阻 对 充电达到稳定值 故UC VDD 使UO 由此可知或非门 输出UO VDD 电容两端的电压接近0 通过R对 充电 一 电路组成及工作原理 当外加触发信号时 电路由稳态转为暂稳态 在t1时刻 当输入uI在脉冲信号上升沿的高电平VDD作用下 使UO1由 跳变到 时 由于 电路中电容 上的电压不能突变 因此UC也由 变到 使G2门输出由 变到 并返送到 门的输入 输入信号uI高电平撤消后 uo1仍可保持低电平 但不可能永久保持 故称为暂稳态 一 电路组成及工作原理 一 电路组成及工作原理 3 由暂稳态自动返回稳态 在t1 t2暂稳态期间 电源VDD经电阻 通过门 的导通管 4对电容 充电 如图所示 充电时间常数为tc R Ron C RC这时uc上升 当uc TH时 电路发生如下反馈过程 充电 uc uo uo1 迅速使uO1变为高电平 uO变为低电平 电路自动恢复到稳态 uO1由 跳变到VDD 由于电容两端电压不能突变 按理uc由UTH上跳到UTH VDD uc只能跃升到VDD 0 6V 电容充 放电回路图 一 电路组成及工作原理 电路恢复到稳态时初始值的过程 在t2时刻 暂稳态结束后 电容 一路通过 经门 的T1 T2管放电 另一路经门G2输入二极管D1 D3放电 使uc恢复到稳态时的原始值VDD 放电时间常数 d R rD C rDC 放电时间很短 电容充 放电回路图 二 输出波形主要参数的计算 输出脉冲宽度two 暂稳态t1 t2的时间即为输出脉冲宽度two 为计算方便 以t1时刻作为计算时间起点 由uc波形可得 2 恢复时间tre 从暂稳态结束到电路恢复到稳态初始值所需时间tre 3rd 3rDC 3 最高工作频率fmax 触发脉冲工作最小周期Tmin必须大于two tre 输入脉宽tw1 two 最高工作频率为fmax 1 Tmin 1 two tre Uc 0 0 uc VDD uc tW UTH 1 2VDD RC 2集成单稳态触发器 高速CMOS集成双可重触发单稳态触发器54 74HC4538的功能 54 74HC4538双可重触发单稳态触发器 逻辑符号图 符号框图及外接R C连线图 Rext Cext和Cext的引脚分别与电容元件相连 不属于逻辑状态连接 故在逻辑符号图引线上用 号表示 清零功能如序号 所列 当RD 时 不论其它输入引脚为何种状态 输出端 立即出 出 故 的清零具有最高优先级功能 使用其它输入引脚功能时 R 必须置 54 74HC4538的功能 单稳态触发功能如序号 所列 当TR 时 TR 加上升沿触发信号 端能输出一个正脉冲信号 为负脉冲 或者当TR 时 TR 加下降沿触发信号 也能输出一个正脉冲信号 为负脉冲 其波形如图 54 74HC4538的功能 输出脉宽tw即为内部电路处于暂稳定状态时间 近似可用tw 0 7RC计算 R C计算机为外接阻容元件值 一般R取值范围为 千欧到 兆欧 如果R 兆欧 电路对外部噪声信号很敏感 此外 电路还具有重触发功能 即当电路被触发进入暂稳态期间 可再次加输入触发信号 这时输出脉宽tw 为第一次和第二次触发信号的间隔时间t1加上以第二次触发信号为起点的输出脉宽tw如左图 t w tI tw 54 74HC4538单稳态触发器的工作波形 重触发器输出脉冲 3 稳定状态如序号 所列 在TR 或TR 时 均不能触发翻转 为稳定状态或禁止触发状态 维持 4000系列14528与54 74HC4538芯片引脚功能完全相同 但54 74HC4538在带负载能力和速度方面优于14528 54 74HC4538的功能 6 2 3单稳态触发器应用举例 集成单稳态触发器除用作信号脉宽转换和调节之节 还可较方便地用于延时 方波信号发生器等电路 脉冲信号的延时电路 两个集成单稳态触发器级联后 可组成信号的延时电路 第一级单稳态触发器在输入信号u1的下降沿触发下 产生脉宽为tw2的信号uo1输出 再利用uo1的下降沿作为第二级单稳态触发器的触发信号 再产生脉宽为tw2的信号uo输出 这样输出uo的信号比输入uI的信号延迟了tw1 2 脉宽的定时 由于单稳态电路能产生一定宽度tW的矩形脉冲 利用这个脉冲可以控制某电路在tW时间内动作 这就是脉宽的定时作用 如左图所示 定时电路只有在输入uI下跳沿触发下 使单稳态电路产生脉冲定时信号uB 在tW的时间内 信号uA才通过与门输出 通过 6 2 3单稳态触发器应用举例 6 3多谐振荡器 多谐振荡器 两个稳定状态 一个稳态和一个暂稳态 没有稳态 常被称为多谐振荡器 单稳态电路 无稳态电路 6 3多谐振荡器 6 3 1555定时器构成的多谐振荡器 多谐振荡器 又称无稳态触发器 它毋须外加触发脉冲 就能输出一定频率的矩形脉冲 自激振荡 因此没有稳态 因矩形脉冲波含有丰富的谐波 故称为多谐振荡器 用555定时器构成多谐振荡器 多谐振荡器是一种无稳态电路 接通电源后 不需外加触发脉冲 电路就能自动产生周期性矩形脉冲或方波 用途 主要用于产生各种方波或时间脉冲 1 电路结构 R 4 正常工作接高电平 控制电压输入端VCO 5 通过103电容接地 起滤波作用 VTR 2 VTH 6 通过定时电容C接地 同时通过R2与三极管集电极接在一起 三极管开路输出VO 通过上拉电阻R1与电源VCC接在一起 R1 R2和C都是定时元件 工作原理 工作波形与周期估算 UOH 工作原理 UOL 工作原理 工作原理 电容C如此循环充电和放电 使电路产生振荡 输出矩形脉冲 二 振荡频率的计算 tWH 0 7 R1 R2 CtWL 0 7R2CT tWH tWL 0 7 R1 2R2 C 年美国卡第提出用石英压电效应调制电磁振荡的频率 巴黎广播电台首先用严济慈制作的石英振荡片实现了无线电播音中的稳频 随后各国相继采用 使无线广播振荡电磁回路稳频成为压电晶体的最重要应用之一 6 3 2石英晶体多谐振荡器电路 1 CMOS反相器组成的石英晶体多谐荡器 多谐振荡器电路图 在串联谐振频率fs下 等效电抗为Xs 0 并联谐振荡频率fp下 等效电抗Xp 在图中 石英晶体接G2输出端 G1输入端之间 输出信号频率为fs时 串联揩振频率等效电抗最小 正反馈最大 形成振荡 振荡频率完全取决于石英晶体固有的串联谐揩振频率fs 在电路中反相器G1和G2的输入和输出端均并接电阻R1和R2 用以确定反相器的静态工作点Q 反相器工作在传输特性转折线上的线性放大区 具有较高的电压放大倍数 如图所示 静态时 uI1 uo1 uI2 uo 1 2VDD 石英晶体的电抗频率特性 6 3 2石英晶体多谐振荡器电路 当电路接上电源VDD后 在反相器G2输出uo为噪声信号 经石英晶体通路 只从噪声中选出频率为fs的正弦信号 晶体的等效电抗 s 0 并反馈到UI1 经G1线性反相放大 再通过耦合电容C 再经 线性放大 经多次反复放大后 使uo幅值达到最大而被削顶失真 近似于方波输出 其波形如图所示 这即形成多谐振荡器 电路中C1用来微调振荡频率 其振荡频率f0由晶体谐振频率fS决定 最高可达几十兆赫 电路的工作原理如下 2 CMOS5544时钟集成电路 内部振荡器与外接揩振频率为32 768kHz石英晶体构成振荡电路 C用于微调振荡频率 经16级二分频电路 输出OUT1 OUT2二路周期为2s交替负脉冲信号 如图 b 所示 为获得秒脉冲信号输出 将OUT1 OUT2输出经二极管D3 D4和PNP型三极管T组成与非门电路输出即为周期1s的脉冲信号 输出高电平近于VDD 在1号引脚和2号引脚间 利用D1 D2上压降获得近于1 5V电源电压 SI SO闹铃输入控制端和输出端 SI与Vss接通时 则So输出波形 用于驱动时钟步进电机时 只需将输出端OUT1和OUT2与时钟步进电机相连 即构成指针式石英钟 其电路如图所示 3 指针式石英钟 下图为二极电极双偏心时钟步进电机的结构 转子为永久磁铁 定子为高磁导率坡莫合金软磁材料构成双偏心磁极 由于线圈两端分别连OUT1和OUT2周期为2s交替的负脉冲信号 因此 当负脉冲作用时 励磁线圈上电流 1 A 流过 每隔1s 电流改变一次方向 图 a b 所示 使定子磁极极性发生一次变化 在定子和转子间隙较小处磁阻小 磁通大 由于磁性物质同性相斥 异性相吸 使转子每秒钟顺时针旋转180度步距角 综合应用 脉冲波形发生及整形电路在仪器仪表 自动控制 检测等方面的应用很广 下面从简易数字控制电路介绍其综合应用 简易数字控制电路是利用对被控制对象工艺参数进行计数 当到达给定值时 立即发出控制信号 执行如停止送货 切断 报警等动作 图示为简易数字控制电路 由光电检测及整形 计数译码显示 符合电路控制及延时清零等四部分电路组成 各部分电路工作原理如下 一 光电检测及整形 由红外发光管D1接受管T1为检测计数信号电路 当D1 T1之间光路被遮断一次 P 0产生负梯形脉冲 即T1被挡光时P 0为低电平 受光时P 0为高电平 经40106施密特触发器整形后 P0为边沿陡直的正脉冲信号 送入计数器电路计数 二 计数 译码 显示电路 4518组成3位的十进制计数器 低一位计数值 9 0 将Q4输出1 0的下降沿为向高一位的进位计数脉冲