第十篇-脉冲波形的产生及变换.ppt

第七章脉冲波形的产生与整形 主要内容 555定时器的工作原理 逻辑功能及由555构成的脉冲电路 由门电路构成的脉冲电路 数字电路区别于模拟电路的主要特点之一是 它的工作信号是离散的脉冲信号 最常用的脉冲信号是方波 矩形波 如何产生方波以及对不理想的方波如何整形 是本章讨论的重点 脉冲电路分类 脉冲电路作用 脉冲波形的产生和整形 脉冲电路构成 开关电路 RC电路 破坏电路的稳态 产生暂态 控制暂稳态时间的长短 脉冲电路与数字电路的比较 电容充放电知识复习 1 电容两端的电压不能突变 Vc 0 Vc 0 电容充放电需要时间 有过渡过程 其时间长短只与 RC有关 工程上取3 2 开始充放电 换路 瞬间 阻抗很小 相当短路 充放电结束 电路处于稳态 C支路电流为0 阻抗很大 相当开路 3 简单RC电路中 各处电压 电流均按指数规律变化 4 在简单RC电路中 本章讲授 2集成门构成的脉冲电路 1555定时器的原理和应用 学习要求 555定时器的原理和应用 555定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件 它使用方便 带负载能力较强 目前得到了非常广泛的应用 一 555定时器的电路结构和基本功能 555定时器的内部电路包括以下几部分 两个电压比较器 C1 C2 一个基本RS触发器 一个晶体管T 由三个相等电阻组成的分压器 一个反相器等 1 电路结构 触发输入端 阈值输入端 电压控制端 复位端低电平有效 放电端 4 5 18V 输出端 地 555定时器的管脚图 2 基本工作状态 三个电阻构成的分压器给两个比较器提供基准电压 分别为和 0 0 1 工作状态 在TH TR RD端施加不同电平的控制信号 得到555的几种不同工作状态 需了解C1 C2 T Q Q Vo的工作情况 b 2 3VCC 1 3VCC 0 0 0 1 1 1 2VCC 3 VCC 3 1 1 0 1 0 b 2VCC 3 VCC 3 1 0 1 1 0 b 综合以上的分析结果 便可得到555的功能表 555定时器应用范围非常广泛 可构成多种电路形式 但最基本的电路为 单稳态触发器 多谐振荡器和施密特触发器 其它电路基本是这3种电路的变形 二 555定时器的基本应用 1 单稳态触发器 2 多谐振荡器 3 施密特触发器 单稳态触发器 单稳态触发器的特点 电路有一个稳态和一个暂稳态 在外来触发脉冲作用下 电路由稳态翻转到暂稳态 暂稳态是一个不能长久保持的状态 经过一段时间后 电路会自动返回到稳态 暂稳态的持续时间与触发脉冲无关 仅决定于电路本身的参数 主要为RC参数 单稳态触发器电路 外接RC 工作原理 VTH VC b T Vo 0 T导通 Vc 0 C1 C2 1电路处于稳定状态 上电过程 VI 1 假设Vo 0 工作原理 VTH VC b T T截止 C充电 Vc上升 充电到2VCC 3时 比较器C1 0 将触发器置0 Vo 0 T导通 C放电 Vc 0 比较器C1 C2 1 电路状态不变 电路进入稳态 结论 上电后输出处于稳定状态 Vo 0 T导通 Vc 0 上电过程 VI 1 假设Vo 1 工作原理 续1 可以在5脚外接控制电压 以改变放电阀值 VTH VC b T T截止时 对C充电 电路进入暂态 直到Vc 2 3VCC 充电时间决定于RC的大小 触发 VI 0 Vo 1 T截止 触发翻转 VI 0 C2 0 结论 Vi 0触发后 电路进入暂态 Vo 1 T截止 Vc 逐渐上升 T导通时 C放电 工作原理 续2 VTH VC b T VC 2 3VCC时 Vo 0 T导通 C放电 VI 1 自动返回 VI 1 C2 1 结论 Vc充电到2 3VCC后 电路返回到稳态 Vo 0 T导通 Vc放电 0 2 3VCC 上电后进入稳态 VI 1 Vc 0 Vo 0 工作波形 2 3VCC 外触发 Vi Vi 1 3VCC 比较器C2 0 触发器置1 Vo 1 T截止 C充电 电路进入暂稳态 V2 V6 T截止 C充电 当vc上升到2 3VCC时 比较器C1 0 触发器置0 Vo 0 T导通 C放电 vc 0电路 电路返回稳态 2 3VCC 自动返回 VI 1 由以上过程可以看出 每来一次负脉冲 vo便输出一个正脉冲 其宽度tW由RC决定 输出脉冲宽度tw tw是Vc从0指数上升到2VCC 3时所需的时间 注意 tw宽度的增加 将降低定时精度和稳度 tw的范围为几秒到几分钟 在充电过程中 C1 1 如VI再次触发 C2 1 0 Q仍保持为1 电路状态不变 T截止 C保持充电状态 多次触发时的情况 故该电路为不可重复触发型单稳态触发器 电路图 可重复触发的单稳态触发器 可重复触发的单稳态触发器 续 工作过程 b 触发时 a 稳态时 VI 1 T1截止 电路状态同普通单稳 VI 0 电路触发翻转 Vo 1VI 0期间 T1导通 电容不能充电 VI 1后 T1截止 电容开始充电 可重复触发的单稳态触发器 续 工作过程 续 c 重复触发时 当Vc 2 3VCC 电路仍处暂态 时 若VI又进行触发 VI 0 则C通过T1放电 电路将维持在暂态 直到在tW时间内没有新的触发 电路回到稳态 a 稳态时 b 触发时 VI 1 T1截止 电路状态同普通单稳 电路翻转 vI 可重复触发的单稳态触发器的波形图 失落脉冲检测仪 触发过程 c VI 1 电容开始充电 e 重复触发 电容充电过程中VI 0 电容放电 VI 1后 再次充电 实现可重复触发 a VI 1 稳态 VO 0 b VI 0 触发 VO 1 进入暂态 C不能充电 单稳态触发器的应用 一般用于 定时 产生一定宽度的矩形波 整形 把不规则的波形转换成宽度 幅度都相等的波形 延时 把输入信号延迟一定时间后输出 1 定时 3 整形 2 延时 555定时器做多谐振荡器 多谐振荡器的特点 1 不需外触发的自激振荡器 2 无稳定状态 均为暂稳态 3 矩形波中含有丰富的高次谐波 习惯称多谐振荡器 外接R1 R2 C 电路 Vcc通过R1 R2向C充电 在VC没有充电到2VCC 3之前 Vo保持1不变 当VC 2VCC 3时 Vo由1翻转为0 T导通 电容C经R2 T放电 当Vc降至VCC 3时 使得 Vo回到1 T截止 电容C再充电 进入循环 原理 占空比 频率 振荡周期 电路特点 充放电电路各自独立 充电回路 tw1 RACln2 放电回路 tw2 RBCln2 占空比 q tw1 tw1 tw2 RA RA RB 通过调节R2来调节占空比 占空比可调多谐振荡器 555定时器做施密特触发器 施密特触发器的特点 1 双稳态触发器 有两个稳定的状态 2 电平触发 电压达到某个值时电路状态翻转 3 具有滞后电压传输特性 回差特性 两次翻转输入电平不同 电路 2 6端连在一起作为信号输入端 VI 1 3VCC时 C1 1 C2 0 VO 1 VI 2 3VCC时 C1 0 C2 1 VO 0 构成集电极开路型输出端 工作原理 v i v o t t 0 0 U T U T 2 V CC 3 V CC 3 v i v o t t 0 0 U T U T 2 V CC 3 V CC 3 下限阈值电压 b 逻辑符号 a 传输特性 V T V T 上限阈值电压 回差电压 滞后电压 VT 2 3VCC VT 1 3VCC VT VT VT 1 3VCC 在7脚外接一电阻 并与VCC1相连 vO 1时 vO1 VCC1 vO 0时 vO1 0 可以实现电平移动 在5脚上加控制电压VCO可以改变VT VT 以调节回差电压的大小 说明 施密特触发器的应用 波形变换 三角波 正弦波变换成方波 正弦波 方波 三角波 方波 调节VT VT 可以改变宽度 波形整形 消除噪声干扰 回差电压比较小 回差电压比较大 幅度鉴别 可以调节VT 作为鉴别门限 构成多谐振荡器 2集成门构成的脉冲电路 一 单稳态触发器 1 微分型单稳态触发器 由与非门和RC微分电路构成 二个与非门首尾相接交叉耦合 RC为定时元件 窄脉冲触发 R Roff 1 电路构成 a 稳态 vI 1 无触发 电路处于稳态 vO1 0 vO2 1vC 0 1 0 1 0 vR 2 工作原理 R Roff b 外加触发信号 vI 0 vO1 1 电容电压不能突变 vR 1 vO2 0进入暂稳态 vO2 0 vO1 1 vO2 0形成正反馈 自锁 vI即使为1也不影响 0 1 1 0 vR c 自动返回 1 电容C按指数上充电 vR按指数逐渐降低 vR 当vR下降到达门电路阈值电压 1 4V 时 电路状态将发生翻转 vI即使恢复为高电平 由于电路中的正反馈 输出仍能维持 vR下降 电路状态改变 vR下降 vO2 1 vO1 0 电容电压不能突变vC VTH vR下降 V vR d 恢复稳态 电容放电 vC恢复电路恢复到稳态vI 1vO1 0vO2 1vR 0 vR G1的输出电阻 tW V TH 7 0 0 ln tW 0 7 R R0 C vR 0 R R0 C 3 输出脉冲宽度tW VTH R R0 C 取VOH 3 6VR 330 R0 100 VTH 1 4V tre 一般认为经过 3 5 RC时间 电容已经放电完毕即 最大工作频率 vO2 4 恢复时间tre tre 3 5 RC 1 微分型单稳态触发器电路适于窄脉冲触发 若宽脉冲触发 输入端需另加微分电路 说明 2 微分型单稳态触发器窄脉冲触发 容易引起误动作 3 电路中有正反馈 所以输出的边沿比较好 不被再次触发 被再次触发 2 集成单稳态触发器 分类 不可重复触发 可重复触发 电路进入暂稳态 被触发状态 中 不受触发输入影响 只有返回稳态后才可以被再次触发 电路在暂稳态中仍然可以接受输入 可以被重复触发 每触发一次 电路暂稳态会继续保持tW 74121 单 74221 双 74122 单 74123 双 B 1时A 1 0 74LS121 1 功能表 P215 A有0时B 0 1 2 电路 3 原理 稳态 稳态信号 VR 1 G5 0 G6 1 Uc 0 3 原理 续1 触发翻转 1 1 0 1 0 尽管稳态时Z可以为1或0 但只有Z 0 且外触发信号使Z 1时电路才能正常翻转 G6 VR Vcc可向C充电 3 原理 续2 延时返回 翻转后 至此使G5完成了一个窄脉冲输出 6级门延时 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 4 触发方式 B 1时 A1A2 11变为有0 A1A2有0时 B由0变1 5 定时参数 R 内接 2K 外接 1 4 40K C 外接 10Pf 10 f tW 0 7RC 外接电容接在10 11引脚 Cext Rext Cext 之间 如果C有极性 正极接11脚 Rext Cext 如果使用外部电阻 1 4 40k 电阻两端分别接11 14脚 Rext VCC 6 元件连接 如果使用内部电阻 2k 把9引脚 Rint 接VCC 7 应用 整形 定时 延时 1 7 8 14 外接电阻 内部电阻 二 多谐振荡器 一种自激振荡电路 无需外界触发即可产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波 没有稳定状态 无稳态电路 方波含有很多高次谐波分量 称为多谐振荡器 方波输出 由数字逻辑器件 逻辑门电路 完成 一定频率 由延时电路 RC充放电回路 完成 自动进入振荡状态 由反馈回路完成 1 CMOS自激多谐振荡器 1 电路构成 由2个CMOS反相器和外接RC组成 CMOS反相器内置保护二极管 2 工作原理 仅分析稳定工作时的状态 设 反相器翻转门坎电平为VTH 1 2VDD 设Vo1 1 Vo2 0 暂态 VDD V1 R C V4向C充电 当VC上升使VC VTH电路翻转 Vo1 Vo2 Vo1 0 Vo2 1 暂态 VDD V3 C R V2向C反向充电 当VC下降使VC VTH电路翻转 Vo1 Vo2 电路回到暂态 3 工作波形 t 0时刻接通电源 C未充电 VC 0 VO1 VDD VO2 0 第一暂稳态 VO1高电平 VO2低电平 通过R向C充电 VC电压逐渐升高 当VC上升至VTH时 门电路G1发生状态翻转 VO1 0 VO2 VDD电容两端电压不能突变 VC VTH突变成VC VDD VTH VC应该上升到1 5VDD 但是由于保护二极管的作用 VC不能上升那么高 仅到达VDD V 3 工作波形 续1 VDD V VO1 0 VO2 VDD 电容通过R放电并反向充电VC电压逐渐下降 第二暂稳态 3 工作波形 续2 当VC下降到VTH 门电路G1再次发生状态变化 VO1 VDD VO2 0此时VC VDD VTH 电容电压不能突变 VC VTH VDD VC应该下降到 1 2VDD 由于保护二极管的作用 VC只能下降到 V 3 工作波形 续3 VC V VO1 VDDVO2 0 回到第一暂稳态 电路继续持续翻转 振荡 3 工作波形 续4 4 振荡频率计算 RC电路的瞬态响应 T1 t1为时间起点0 T2 t2为时间起点0 计算T1 VC 0 V VC T1 VTHVC VDD 4 振荡频率计算 续1 计算T2 VC 0VC T2 VTHVC 0 VDD V 4 振荡频率计算 续2 V 的值为保护二极管的正向导通电压 大约为0 7V 相对于VDD可以忽略不计 对CMOS门电路 VTH 1 2VDD 4 振荡频率计算 续3 2 石英晶体多谐振荡器 石英晶体振荡器常用作数字系统的基准信号 为获得稳定的振荡频率 可在振荡电路中串接石英晶体 组成石英晶体振荡器 1 石英晶体阻抗频率特性 在固有频率fs上 阻抗X 0 内部电路 2 石英晶体振荡器 石英晶体 Vo输出的振荡频率等于石英晶体的谐振频率fs