第七章-脉冲波形产生与完整.ppt

2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 1 数字逻辑A 主讲 信息与通信学院谢跃雷 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 2 第七章脉冲波形的产生与整形 7 1概述7 2555定时器7 3单稳态触发器7 4施密特触发器7 5多谐振荡器 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 3 7 1概述 一 脉冲信号 脉冲是脉动和短促的意思 凡是具有不连续波形的信号均可称为脉冲信号 广义讲 各种非正弦信号都是脉冲信号 a 矩形波 b 方波 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 4 在数字系统中常常需要用到各种幅度 宽度以及具有陡峭边沿的矩形脉冲信号 如触发器的时钟脉冲 CP 获取这些脉冲信号的方法通常有两种 脉冲产生电路直接产生 利用已有的周期信号整形 变换得到 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 5 二 脉冲信号的参数 脉冲幅度 脉冲周期 脉冲宽度 上升时间 下降时间 占空比q 脉冲宽度与脉冲周期的比值 q tW T 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 6 三 脉冲产生电路的暂态分析 脉冲波形产生与整形电路多是由RC充放电电路构成的 开关闭合的一瞬间 电容器上电压不能突变 满足开关定理UC 0 UC 0 充电暂态过程结束后 流过电容器的电流iC 为0 即电容器相当于开路 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 7 令uC tW UT 则从暂态过程的起始值UC 0 变到UT所经历的时间tW 脉冲宽度 可用下式计算 电路的时间常数 RC 决定了暂态时间的长短 根据三要素公式 可以得到电压随时间变化的方程为 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 8 7 2555定时器 555电路又称为集成定时器 555定时器是一种多用途的数字 模拟混合集成电路 可以方便地构成单稳态触发器 施密特触发器和多谐振荡器 1972年由Signetics公司推出 既有双极型产品 也有MOS型产品 双极型产品型号的最后3位数码是555 单极型最后数字是7555如 CB555是国产双极型电路 CH7555是CMOS型电路 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 9 一 555定时器的电路结构 电压比较器 若u u 则输出为高电平 反之输出为低电平 基本触发器 清零端 0有效 输出缓冲器 起整形和提高负载的作用 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 10 1 分压器 电压控制端 5脚悬空时 5脚外接控制电压UCO时 注 当5脚不加控制电压时 通常经过一个0 01 F的电容接地 以抑制干扰 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 11 2 电压比较器 阈值输入端 触发输入端 3 基本RS触发器 异步清零端 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 12 4 放电三极管 VT是一个集电极开路的放电三极管 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 13 二 555定时器的功能 5脚不外接控制电压 定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RS触发器和放电管VT状态的控制 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 14 555定时器功能表 5脚不接控制电压 低 导通 1 低 导通 1 导通 低 不变 高 截止 1 1 高 截止 不变 uCO 0 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 15 由表2可得如下口诀 大于 大于 出0 小于 小于 出1 小于 大于 保持 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 16 7 3施密特触发器 一 555定时器构成的施密特触发器 1 电路结构和逻辑符号 UI UO VCC 0 01uF 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 17 2 工作原理 UI THTR UO 0 1 0 1 电压波形 演示 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 18 施密特触发器是一种常用的脉冲信号整形电路 工作特性 3 工作特性 1 电平触发 触发信号UI可以是变化缓慢的模拟信号 UI达某一电平值时 输出电压U0突变 U0为脉冲信号 2 电压滞后传输 输入信号UI从低电平上升过程中 电路状态转换时对应的输入电平 与UI从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同 利用上述两个特点 施密特触发器不仅能将边沿缓慢变化的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波 还可以将叠加在矩形脉冲高 低电平上的噪声有效地清除 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 19 电压传输特性 输入信号上升时对应的转换电平U 称为正向阈值电压 输入信号下降时对应的转换电平U 称为负向阈值电压 差值 U U U 称为回差电压 正向阈值电压U 负向阈值电压U 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 20 UO1 UI UI UO 二 用门电路构成施密特触发器 1 构成 UI UO1 UO 说明 UI 0 0 0 1 0 同相施密特触发器 UI上升过程中 U VTH 1 0 U VTH 1 0 G1 G2门将要翻转 U VTH 0 UO突变 UI下降过程中 U VTH 0 1 0 1 1 0 U VTH U VTH G1 G2门将要翻转 UO突变 1 UI 用CMOS非门 2 工作原理 U VTH 0 1 1 0 U VTH 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 21 3 举例 设UI为缓慢变化的三角波 UI t VTH U U UO t UOL UOH G1门的阈值电平 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 22 4 计算回差电压 u 求U 在UI从0开始上升时 UO UOL UOH UOL VTH U 从求UI 入手求U UI VTH UR2 电路中电流流向和电位情况见图 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 23 求U UOL 在UI从最大值开始下降时 UO UOH UOH VTH U 从求UI 入手求U UI UTH UOH UR2 又 故 电路中电流流向和电位情况见图 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 24 5 电压传输特性 UI 0时 UO UOL 是同相施密特特性 UI UO VDD VTH 求回差电压 U 当VDD一定时 调R1 R2 可调 UT 即可调U U 可调UO脉宽 6 逻辑符号 U U 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 25 三 施密特触发器的应用 1 波形变换 施密特触发器可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换成边沿陡峭的矩形脉冲信号 例 已知UI为半波 UIm 9V 电路的U 6V U 3V UOH VDD 试画UO波形 9 6 3 U U VDD VDD 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 26 2 波形整形 施密特触发器可以将不规则的波形整形为矩形波 若适当增大回差电压 可提高电路的抗干扰能力 回差电压是由5脚接入的控制电压UCO来控制的 U U U U 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 27 从一系列幅度不同的脉冲信号中选出幅度大于正向阈值电压U 的输入脉冲 即对幅度进行鉴别 3 幅度鉴别 U U 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 28 一 555定时器构成的单稳态触发器 5脚经过0 01 F电容接地 则 7 4单稳态触发器 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 29 R C UI 2 工作原理 要求触发信号为负的窄脉冲 C UC U6 UC U2 UI UO Q TD 说明 充电 0 导通 稳态 UO 0 放电 保持 接通VCC不触发UI 1 0 1 截止 暂态 UO 1 充电 0 导通 返回 UO 0 放电 保持 UI 1 无电荷 触发 演示 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 30 总之 不触发 UO 0 UO 1维持一段时间又返回UO 0 充电回路 VCC R C VCC 充电慢 放电回路 C TD C 放电快 3 电压波形 TW TW RCln3 1 1RC 触发 UO 1 注意 第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 31 4 工作特性 它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态 在外界触发脉冲作用下 能从稳态翻转到暂稳态 在暂稳态维持一段时间以后 电路能自动返回稳态 暂稳态不能长久保持 其维持时间的长短取决于电路自身参数 与外界触发脉冲无关 稳态 暂稳态 触发脉冲 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 32 三 微分型单稳态触发器 1 组成 用CMOS或非门 2 工作原理 用正窄脉冲触发 UI UO1 UI2 UO 说明 接通VDD不触发 VDD UOL 0 0 1 1 0 稳态 UO 0 C中无电荷 触发 1 0 0 1 暂态 UO 1 C充电UI2 VTH 0 0 0 1 1 0 返回稳态 UO 0 C放电UI2 VDD 0 0 0 1 1 0 恢复为起始稳态 C中无电荷 注释 此时的逻辑电平 1 对应的电位为 VDD 0 7 V UI UO1 UI2 UO UI UI 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 33 总之 不触发 UO 0 C中无电荷 触发 UO 1 C充电 返回UO 0 C放电 恢复为起始稳态 UO 0 C中无电荷 3 电压波形 VTH 为了保证触发时间极短 通常在UI端加RC微分电路 VDD 0 7 注意 第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行 电压波形 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 34 4 输出脉宽TW和幅度UOm TW 根据一阶RC电路暂态过程中 求任意变量的一般公式 可得 A A t ln 从波形图中看出 TW是C充电使UI2从0上升到VTH对应的时间 UI2 VDD UI2 0 0 RC TW RCln Uom UOH UOL VDD 1 求TW 2 求Uom RCln2 A 0 A t 所以 0 69RC 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 35 5 分辨时间Td Td是指在保证电路正常工作的前提下 两个相邻触发脉冲之间 允许的最小时间间隔 TW Tre Td 由波形图知 Td TW Tre TW 输出脉冲的宽度 Tre 恢复时间 即C放电达稳定值VDD所需的时间T放 RON D1 G2 G1 由放电回路知 放电回路 D1是G2门输入保护电路中的二极管 Tre T放 3 5 RON R rD C 当D1的等效电阻rD远远小于RON和R时 Tre T放 3 5 RONC 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 36 四 积分型单稳态触发器 1 组成 可用TTL与非门组成 门之间用RC积分电路耦合 UA UB UO1 UO UI 2 工作原理 用正的宽脉冲触发 UI UA UB UO 说明 接通VCC不触发 1 0 VCC 0 1 自然稳态 UO 1 触发 1 0 VCC 1 0 暂稳态 UO 0 1 返回稳态 UO 1 C放电UA VTH 恢复为自然稳态 1 0 1 不触发 1 0 VCC 0 1 UO 1 R C UO1 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 37 3 电压波形 VTH TTR Tre Tw 4 输出脉宽TW和幅度UOm Uom UOH UOL 5 分辨时间Td Td 由波形图知 Td TTR Tre TTR 触发脉冲的宽度 Tre 恢复时间 即UO1跳到UOH后 C充电达稳定值所需的时间T充 由充电回路知 充电回路 Tre T充 3 5 RO R C 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 38 五 单稳态触发器的应用 1 脉冲整形 单稳态触发器能够把输入的不规则脉冲信号uI 整形为具有一定幅度和一定宽度的标准矩形脉冲uO uO的幅度取决于单稳态电路输出的高 低电平 宽度tW决定于定时元件R和C 单稳态触发器的整形波形 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 39 2 脉冲延时 脉冲延时电路一般要用两个单稳态触发器完成 延时时间为tW1 它决定于第一级单稳态触发器的定时元件R和C TW2 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 40 3 定时 由于单稳触发器可产生宽度为tW的矩形脉冲 利用这个矩形脉冲去控制某电路使它在tW的时间内动作或不动作 这就是单稳态触发器的定时作用 定时时间为tW 可通过调节定时元件R和C来调节定时时间 单稳态触发器的定时波形 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 41 7 5多谐振荡器 一 555定时器构成的多谐振荡器 1 电路结构 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 42 2 工作原理 R1 R2 C UC U6 U2 UO VT 起始时 0 1 截止 C充电 0 导通 C放电 1 截止 循环往复 直到关机 演示 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 43 3 电压波形 总之 起始时 UC 0 UO UOH UO在UOL UOH之间振荡 T1 T2 充电回路 VCC R1 R2 C VCC 充电慢 放电回路 C R2 VT C 放电快 T1 0 69 R1 R2 C T2 0 69R2C T 0 69 R1 2R2 C q T1 T 以后 T1 R1 R2 Cln VCC VCC U U T2 R2Cln 0 0 U U 4 电路计算 本例 R1 R2 R1 2R2 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 44 5 工作特性 多谐振荡器是一种常用的脉冲信号产生电路 无稳态 具有两个暂稳态 自激振荡器 在接通电源后 不需外加触发信号 便能自动产生矩形脉冲 矩形波中除基波外 还含有丰富的高次谐波 故称为多谐振荡器 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 45 用门电路构成多谐振荡器 二 对称式多谐振荡器 1 组成 用TTL门电路 UI1 UO2 UO1 UI2 2 工作原理 则 暂态 UO1 0 UO2 1 接下来 C1充电 C2放电 假设 某一时刻 电路出现UO1 0 UO2 1的状态 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 46 0 0 1 1 C2放电回路 UI1 UOL1 UOH2 C2 RF1 UOL1 UOH2 C2 C2放电使UI1 C2放电 UI2 UOH2 UOL1 C1充电 暂态 UO1 0 UO2 1 C1充电等效回路 UOH2 RE1 C1 UOL1 RE1 RF2 R1 C1充电使UI2 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 47 由于RE1 RF1 当电路对称时 所以 充电比放电快 C1充电 UI2 VTH时 G2导通 UO2 0 UI1 0 UO1 1 暂态 UO1 1 UO2 0 C2充电 UI1 VTH时 G1导通 UO1 0 UI2 0 UO2 1 电路回到暂态 循环往复 直到关机 总之 UO1 0UO2 1 UO2 0UO1 1 UO1 1UO2 0 UO1 0UO2 1 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 48 VTH VTH VIK VIK T1 T 4 计算 在RF1 RF2 RF C1 C2 C时 T1 RFCln UOH UOH 如果G1 G2为74LS系列反相器 UOH 3 4V VIK 1V VTH 1 1V 在RF R1时 T1 0 65RFC 振荡周期 T 2T1 1 3RFC 振荡频率 f 1 T 占空比 q T1 T 100 3 电压波形 C2放电 充电 C1充电 放电 VTH VIK 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 49 三 环形振荡器 1 组成 利用门电路的传输延迟时间tpd 将奇数个反相器首尾相接 UO1 UO2 UO3 2 工作波形 tpd 3 计算 TW ntpd T 2TW f 1 T 一般 tpd TTL类几十ns CMOS类几百ns 所以 环形振荡器的振荡频率f特别高 为了获得较低的 可调的f 可在环形回路中增加RC延时环节 TW n是门的数目 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 50 四 用施密特触发器构成多谐振荡器 1 组成 UI UO 2 工作原理 接通VCC瞬间 C中无电荷 所以 1 UC 0 3 电压波形 0 0 U U 若是CMOS电路 T1 T2 T T1 RCln VDD VDD T T1 T2 f 1 T q T1 T UI 0 UO 1 U U T2 RCln 0 0 U U 则 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 51 5 电路改进 占空比可调电路如图 充电经过R2 放电经过R1 q T1 T T T1 T2 调节R1或R2 即可调节q 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 52 当频率为谐振频率f0时 石英晶体的等效阻抗最小 信号最容易通过 而其它频率信号均被衰减掉 晶体的选频特性极好 为了提高振荡器的频率稳定度 往往使用石英晶体多谐振荡器 五 石英晶体多谐振荡器 555构成的多谐振荡器的特点 优点 工作可靠 调节方便 缺点 振荡频率不能太高 一般不超过几百千赫 受电源波动 温度变化等影响 频率稳定性较差 f0只与晶体的材料 几何形状和尺寸大小有关 而与电路中的R C数值无关 输出频率稳态性很高 石英晶体的固有频率或谐振频率 2020 4 19 GUETSchoolofInformation Communications 53 石英晶体振荡器可分为 无源晶振和有源晶振 电阻R1 R2的作用 保证两个反相器在静态