第二十五～二十六讲 脉冲电路的产生与整形

1 第七章脉冲波形的产生与整形 数字电子技术 第二十五 二十六讲 2 在前面各章的讨论中 常常需要用到各种幅度 宽度以及具有陡峭边沿的脉冲信号 如触发器就需要时钟脉冲 CP 等等 事实上 现代电子系统都离不开脉冲信号 获取脉冲信号的方法通常有两种 直接产生 将其它非脉冲信号经过整形变换电路变为脉冲信号 7 1概述 3 脉冲波形为了定量地描述矩形脉冲波的特性 我们来看看它的几个指标 tr tf 4 描述矩形脉冲特性的主要参数 T 脉冲周期 f Vm 脉冲电压最大变化幅度 tw 脉冲宽度 tr 上升时间 tf 下降时间 q 占空比 脉冲宽度与脉冲周期的比值即 q tw T 5 与产生模拟信号要用模拟振荡器一样 产生脉冲信号要用脉冲振荡器 脉冲波形变换则包括脉冲宽度 幅度 相位及上升和下降时间等等的改变 通过变换 使这些特性符合要求 6 TTL 555 556 含有两个555 CMOS 7555 7556 含有两个7555 755 含有三个7555 流行产品 7 2555定时器 555定时器电路是一种用途广泛的数 模混合中规模集成电路 只需外接几个阻容元件 就可以方便地构成各种不同用途的脉冲电路 如多谐振荡器 单稳态触发器以及施密特触发器等 555定时电路有TTL集成定时电路和CMOS集成定时电路 它们的逻辑功能与外引线排列都完全相同 7 一 555定时器的电路结构由以下几部分组成 1 三个阻值为5k 的电阻组成的分压器 2 两个电压比较器C1和C2 电压比较器的功能 v v vO 1v v vO 0 3 基本RS触发器 4 放电三极管T及缓冲器G 8 9 1 4脚为复位输入端 RD 0时 输出vo为低电平 正常工作时 应将其接高电平 2 5脚为电压控制端 当其悬空时 比较器C1和C2的比较电压分别为2 3VCC和1 3VCC 3 2脚为触发输入端 6脚为阈值输入端 两端的电位高低控制比较器C1和C2的输出 从而控制RS触发器 决定输出状态 4 3脚为输出端 7脚是放电端 8 4脚分别是电源和地 比较器C1和C2的比较电压分别为VCO和1 2VCO 当不用时 应在该端和地之间接一个0 01 f的去耦电容 以消除干扰 保证其稳定在2 3VCC 而当其输入电压为VCO时 10 二 555定时器的工作原理 11 工作原理分析 12 555的功能表 13 555定时器功能表 14 1 定时的精度 工作速度和可靠性高 2 使用的电源电压范围宽 从2V 18V 能和数字电路直接连接 3 有一定的输出功率 可驱动微电机 指示灯 扬声器等 4 结构简单 使用灵活 用途广泛 有 万能芯片 之称 555定时器的特点 555定时器的用途 555定时器主要用于脉冲波形的产生 变换 控制与检测 可组成各种波形的脉冲振荡器 定时延时电路 检测电路 电源变换电路 频率变换电路 下面介绍由 定时器构成的多谐振荡器 施密特触发器 单稳态触发器 15 7 4多谐振荡器 多谐振荡器 不需外加触发脉冲就能够产生一定频率和幅度的矩形脉冲波的电路 由于矩形波中除基波外 还含有丰富的高次谐波成分而得此名 特点 没有稳态 只有两个暂稳态 在自身的作用下 电路就在两个暂稳态之间来回转换 用途 自动产生矩形波 16 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X无穷大 二 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 石英晶体具有很好的选频特性 另外它具有一个极为稳定的串联谐振频率 f0 fs 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 一 门电路构成的多谐振荡器 略 17 石英晶体的电抗频率特性和符号 18 2 石英晶体多谐振荡器 1 串联式振荡器 R1 R2的作用 使两个反相器在静态时都工作在转折区 对于TTL门 常取R1 R2 0 7 2k CMOS门则常取R1 R2 10 100M 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 f0 与外接元件R C无关 所以这种电路振荡频率的稳定度很高 19 2 并联式振荡器 RF是偏置电阻 保证在静态时使G1工作转折区 构成一个反相放大器 晶体工作在略大于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 f0 反相器G2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 20 三 用555定时器接成的多谐振荡器 1 电路组成及工作原理 21 输出波形 22 设电容C原先未充电 故TH TR VCC 3 此时uo 1 555内的晶体管TD截止 电源通过R1和R2对电容C充电 23 在uC没有充电到2VCC 3之前 uo保持1不变 24 在uC没有充电到2VCC 3之前 uo保持1不变 t1 t2 t3 T1 T2 T T1 T2 0 7 R1 2R2 C 25 多谐振荡器的电压波形图 26 555定时器构成的多谐振荡器的电压波形图 27 2 电容放电时间T2 3 电路振荡周期TT T1 T2 0 7 R1 2R2 C 4 电路振荡频率f 5 输出波形占空比q 1 电容充电时间T1 用三要素法计算 2 振荡频率的估算 28 29 四 占空比可调的多谐振荡器电路 利用半导体二极管的单向导电特性 把电容C充电和放电回路隔离开来 再加上一个电位器 便可构成占空比可调的多谐振荡器 可计算得 T1 0 7R1CT2 0 7R2C占空比 30 五 用施密特触发器构成的多谐振荡器 31 施密特触发器脉冲占空比可调的多谐振荡器 32 六 多谐振荡器应用实例1 简易温控报警器 33 2 双音门铃 34 3 秒脉冲发生器 CMOS石英晶体多谐振荡器产生f 32768Hz的基准信号 经T 触发器构成的15级异步计数器分频后 便可得到稳定度极高的秒信号 这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源 35 用74161组成的秒脉冲发生器 其分频为频率为1Hz 36 例多谐振荡器的设计 试用555构成一个多谐振荡器 要求输出脉冲的振荡频率为20KHZ 占空比25 37 P2167 67 9 7 10 38 7 2施密特触发器 特点 1 电路有两个稳态 所以是一种双稳态触发器 2 电路状态的翻转依赖于外加触发信号的幅值 因此 施密特触发器不具有记忆功能 3 具有滞回特性 用途 1 用于波形变换 整形 鉴别脉冲幅度2 构成多谐振荡器 单稳态触发器 555电路构成的施密特触发器 重点介绍 门电路组成的施密特触发器 略 集成施密特触发器 简介 内容 39 555定时器功能表 一 用555定时器接成的施密特触发器 40 1 电路组成及工作原理 41 1 电路组成及工作原理 电压滞回特性 42 2 电压滞回特性和主要参数 1 电压滞回特性 a 正向阈值电压VT vI上升过程中 输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时 所对应的输入电压值 b 负向阈值电压VT vI下降过程中 VO由低电平VOL跳变到高电平VOH时 所对应的输入电压值 回差电压 VT VT VT 可见 VT VT 将此现象称为 回差现象 43 3 回差电压 VT VT VT VT 1 3VCC 2 555定时器构成的施密特触发器主要静态参数 a 上限阈值电压VT VT 2 3VCC b 下限阈值电压VT VT 1 3VCC 44 2 输入输出波形及电压传输特性 输入输出波形 电压传输特性 VT VT VT 45 电压传输特性 a 同相输出 b 反相输出 46 CMOS反相器构成的施密特触发器 二 集成施密特触发器 1 TTL集成施密特触发器7414内部电路图 47 TTL集成施密特触发器7414的电压传输特性 48 2 CMOS集成施密特触发器CC40106电路图 49 集成施密特触发器CC40106的电压传输特性 a 电压传输特性 b VDD对VT VT 的影响 50 集成施密特触发器1 CMOS集成施密特触发器CC40106 2 TTL集成施密特触发器74LS14 51 四 施密特触发器的应用举例 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 用作整形电路 把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲 52 用施密特触发器对脉冲整形 53 3 用于脉冲鉴幅 从一系列幅度不同的脉冲信号中 选出那些幅度大于VT 的输入脉冲 54 用于波形变换 将其它波形变换为矩形波 55 用施密特触发器构成的多谐振荡器 56 用施密特触发器构成的单稳态触发器 57 7 3单稳态触发器 1 有一个稳态和一个暂稳态 2 在触发脉冲作用下 由稳态翻转到暂稳态 3 暂稳状态维持一段时间后 自动返回到稳态 单稳态触发器特点 单稳态触发器用途 用作整形 延时和定时 58 它的突出特点是 输出端只有一个稳定状态 另一个状态则是暂稳态 一般情况下处于稳态 加入触发信号后 它可以由稳定状态翻转成暂稳态 在暂稳态经过一定时间以后 它又会自动返回原来的稳态 在暂稳态维持的时间由电路参数决定 与触发脉冲无关 稳定状态 稳定状态 暂稳态 恢复期 59 三 用555定时器组成单稳态触发器 1 电路组成及工作原理 一 门电路构成的单稳态触发器 略 60 用555定时器接成的单稳态触发器 1 无触发信号输入时电路工作在稳定状态当vI 1时 电路工作在稳定状态 即vO 0 vC 0 2 vI下降沿触发当vI下降沿到达时 vO由0跳变为1 电路由稳态转入暂稳态 波形图 61 3 暂稳态的维持时间在暂稳态期间 三极管T截止 VCC经R向C充电 时间常数 1 RC vC由0V开始增大 在vC上升到2 3VCC之前 电路保持暂稳态不变 4 自动返回 暂稳态结束 时间当vC上升至2 3VCC时 vO由1跳变0 三极管T由截止转为饱和导通 电容C经T迅速放电 电压vC迅速降至0V 电路由暂稳态重新转入稳态 62 5 恢复过程当暂稳态结束后 电容C通过饱和导通的放电三极管T放电 时间常数 2 RCESC 经过 3 5 2后 电容C放电完毕 恢复过程结束 63 2 主要参数估算 1 输出脉冲宽度Tw 用三要素法计算 上式说明 单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定时元件R C的取值 与输入触发信号和电源电压无关 调节R C的取值 即可方便的调节tW 2 恢复时间tretre 3 5 2 3 最高工作频率fmaxvI周期的最小值 Tmin tW tre因此 单稳态触发器的最高工作频率应为 64 单稳态触发器电压波形图 65 单稳态触发器的作用 在一个输入触发脉冲作用下 输出端能输出一个一定宽度的脉冲 其脉冲宽度tw取决于电路内部的参数R C 而它的周期由外加脉冲信号控制 3 参数计算 1 输出脉宽tw 暂稳态维持时间tw 1 1RC 在定时电路中 为了调整tw 通常以改变电容C作为粗调 改变R作为细调 2 脉冲输出周期TOTO TI 输出脉冲 输入脉冲 3 分辨时间td和最高触发脉冲频率fmaxtd 触发脉冲最小触发周期td tw trefmax 1 td其中tre 3 5 RdC 触发脉冲周期TI应大于输出脉宽周期tw 66 问 若出现TI td 会出现什么情况 答 tw不定 当电路进入恢复阶段后 若恢复过程尚未完成又出现新的输入信号 此时 电路虽仍会触发而输出脉冲 但由于触发前电容上的电压尚未达到稳定值 因而会使输出脉冲宽度发生改变 最终导致脉宽不稳 这种现象称为 脉宽抖动 应避免 67 二 集成单稳态触发器74121的逻辑图 74121的电路结构 68 A1和A2是两个下降沿有效的触发信号输入端 B是上升沿有效的触发信号输入端 74121的逻辑功能 69 74121的外部连接方法 a 使用外接电阻Rext 下降沿触发 b 使用内部电阻Rint 上升沿触发 70 集成单稳态触发器74121的工作波形图 74121的工作波形图 71 不可重复触发型与可重复触发型单稳态触发器的工作波形 a 不可重复触发型 74121 74221 74 221 b 可重复触发型 74122 7412 74 12 等 72 74121内部电阻 2k 外接电阻Rext可在1 4 40k 之间选择 外接电容C可在10pF 10 F之间选择 得到的t 范围可达到 ns ms 所以 当R 2k 时 最大占空比qmax为67 当R 40k 时 最大占空比qmax可达90 74121的主要参数 1 输出脉冲宽度tW使用外接电阻 tW 0 7RextC使用内部电阻 tW 0 7RintC 2 输入触发脉冲最小周期TminTmin tW tretre是恢复时间 3 周期性输入触发脉冲占空比q定义 q tW T最大占空比 qmax tW Tmin 73 四 单稳态触发器的应用 图中 v O的下降沿比vI的下降沿滞后了时间tW 当v O 1时 与门打开 vO vF 当v O 0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 就是单稳输出脉冲v O的宽度tW 延时 2 定时 74 例 试设计一个电路 以实现如下控制要求 75 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 76 3 触摸定时控制开关 555定时器构成单稳态触发器 只要用手触摸一下金属片P 由于人体感应电压相当于在触发输入端 管脚2 加入一个负脉冲 555输出端输出高电平 灯泡 RL 发光 当