第10章-脉冲波形的产生的整形

第十章脉冲波形的变换与产生,表示数字信号的波形是矩形脉冲波形，时序逻辑电路的时钟信号也是矩形脉冲信号，,如何获取矩形脉冲信号呢？,方法一：,采用整形电路将已有的周期变化波形变换成符合要求的矩形脉冲波形。,整形电路：,施密特触发器,单稳态触发器,方法二：,利用各种形式的多谐振荡器直接产生所需的矩形脉冲波形。,本章在介绍施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的性能特点之后，,将围绕广为应用的555定时器，介绍怎样用555定时器构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。,10-1555定时器,555定时器是一种中规模的数字-模拟混合集成电路，,只要在外部配上适当的阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路，,在工业控制、定时、仿声、电子乐器及防盗报警等方面应用很广。,555定时器的电路结构,555定时器的基本功能,一、555定时器的电路组成,电压比较器,v+,v-,vO,vO为高电平,vO为低电平,分压器,VCO悬空：,为比较器提供参考电压。,VCO外接固定电压：,基本SR锁存器,为直接清0端。,放电三极管T,输出缓冲器G,VCC,VCO,输入低电平有效。,二、555定时器的外部引脚,1、8：地和电源,6：比较器C1的输入端，,也称阈值端TH,2：比较器C2的输入端，,也称触发端TR,5：控制电压输入端,4：复位（清0）端,3：输出端,7：放电管集电极,工作中不使用时，一般通过0.01F电容接地，,(TH),(TR),DISC,Vo,8,7,5,4,6,3,2,1,vI1,vI2,防止悬空引入干扰。,(TH),(TR),DISC,Vo,8,7,5,4,6,3,2,1,vI1,vI2,三、555定时器的电源电压,555定时器的电源电压范围很宽：,TTL电路：,VCC=316V,CMOS电路：,VDD=318V,输出高电平：,VOH0.9VCC,输出高电平：,VOH0.95VDD,555定时器的输出高电平与电源电压近似相等。,四、555定时器的基本功能,0,低,导通,低,导通,保持,不变,高,截止,禁止,功能表,如果VCO悬空：,大大出0；小小出1；小大保持。,一、施密特触发器的性能特点,二、施密特触发器的逻辑符号,五、施密特触发器的应用举例,三、怎样用555定时器构成施密特触发器,四、集成的施密特触发器,10-2施密特触发器,一、施密特触发器的性能特点,1、有回差特性,输入信号从低电平上升的过程中，电路状态发生转换对应的输入电平；与输入信号从高电平下降的过程中，电路状态发生转换对应的输入电平，两者是不相同的。,a、反相输出,施密特触发器的电压传输特性：,上升过程电路状态转换对应的输入电平：,b、同相输出,正向阈值电压，,下降过程电路状态转换对应的输入电平：,负向阈值电压，,VT+,VT-,正、负向阀值电压的差值：,回差电压，,VT,VT+,VT-,施密特触发器的回差特性可以有效地清除叠加在输入信号上的干扰信号，抗干扰能力高。,一、施密特触发器的性能特点,2、电路状态的转换过程很短，输出电压波形的边沿很陡,施密特触发器在电路转换时，一般都有一个内部的正反馈过程，使状态转换能在很短的时间内完成，输出电压波形的边沿很陡。,利用这个特点，可以将边沿变化缓慢的信号波形（正弦波、三角波）整形成为较为理想的矩形波。,二、施密特触发器的逻辑符号,a、同相输出,b、反相输出,施密特触发器的标识符,三、如何用555定时器构成施密特触发器,（一）电路组成,“二-六一搭作输入”,（二）工作原理,1、vI从0，,FF保持原态，,（二）工作原理,2、vI从大于2/3VCC，,FF保持原态，,（三）主要参数,电压传输特性：,如果5端VCO外接一个控制电压，则有：,VCO,EWB演示,四、集成的施密特触发器,1、施密特四输入双与非门7413,2、施密特六反相器7414,3、施密特双二输入与非门74132,五、施密特触发器的应用,1、用于波形变换,VOH,2、用于脉冲整形,可以将不规则变化的输入信号，整形成为较为理想的矩形脉冲波形。,3、用于脉冲鉴幅,凡是幅值达到VT+的输入信号，都可以被检测出来，形成输出脉冲。,小结,1、施密特触发器最大的特点是具有回差特性，表征该特性的主要参数是：,VT+,VT-,VT,正向阈值电压：,负向阈值电压：,回差电压：,2、施密特触发器主要用于波形变换、脉冲整形和脉冲鉴幅等，要求能根据给定的输入信号，画出施密特触发器的输出波形。,3、重点掌握用555定时器构成施密特触发器的方法，能画出外部连线图，计算主要参数。,VT+、,VT-、,VT,一、单稳态触发器的性能特点,二、单稳态触发器的逻辑符号,五、单稳态触发器的应用举例,三、怎样用555定时器构成单稳态触发器,四、集成的单稳态触发器,10-3单稳态触发器,一、单稳态触发器的性能特点,1、有一个稳定的状态和一个“暂稳态”单稳态,2、在外界触发脉冲的作用下，电路从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，电路能自动返回到稳态。,3、暂稳态持续时间的长短，与触发脉冲无关，只取决于电路本身的参数。,双稳态触发器,Q,稳态,暂稳态,单稳态触发器,二、单稳态触发器的逻辑符号,单稳态触发器的标识符,TR+：上升沿触发输入端。,TR-：下降沿触发输入端。,Q：正脉冲输出（暂稳态为1态）,三、如何用555定时器构成单稳态触发器,（一）电路组成,Q,vI1,vI2,“七-六一搭，下C上R”,单稳态触发器为下降沿触发，,无触发信号时须vI1/3VCC。,（1）无触发信号时电路处于稳态“0”,TD导通，,（2）触发信号到来，,TD截止。,（3）暂稳态结束，电路自动返回稳态,暂稳态期间，电源经R对C充电。,vC由0逐渐升高，直至vC2/3VCC,当充电到vC2/3VCC，,vI1/3VCC，,电路进入暂稳态。,且触发信号消失，,电路返回稳态。,TD导通，,电容放电，,至vC0。,vI102/3VCC,单稳态触发器为下降沿触发，,无触发信号时须vI1/3VCC。,（1）无触发信号时电路处于稳态“0”,TD导通，,（2）触发信号到来，,TD截止。,（3）暂稳态结束，电路自动返回稳态,暂稳态期间，电源经R对C充电。,vC由0逐渐升高，直至vC2/3VCC,当充电到vC2/3VCC，,vI1/3VCC，,电路进入暂稳态。,且触发信号消失，,电路返回稳态。,TD导通，,电容放电，,至vC=vI10。,vI102/3VCC,（三）输出脉冲宽度的估算,是单稳态触发器的主要技术参数，,输出脉冲宽度tW,由图可知，tW等于电容电压vC由0上升到2/3VCC所需的充电时间。,由三要素法：,EWB仿真,（二）工作原理,vI1,vI2,（四）注意问题,为了使单稳态触发器能正常工作，,输入信号的脉冲宽度一定要小于输出uO的脉冲宽度tW。,当触发信号为连续脉冲时，输入信号的最小周期应为：,EWB仿真,四、集成的单稳态触发器,集成的单稳态触发器分为可重触发和不可重触发两种。,（1）可重触发的单稳态触发器：,电路被触发进入暂稳态期间，再次加触发脉冲，电路立即结束当前的暂稳态，进入新的暂稳态。,（2）不可重触发的单稳态触发器：,电路被触发进入暂稳态期间，再次加触发脉冲，电路不予响应，继续当前的暂稳态，直到该暂稳态结束。,74122,74121,可重触发：,不可重触发：,五、单稳态触发器的应用,1、延时,vO的下降沿要滞后vI的下降沿tW，,单稳态触发器的延时作用常被应用于时序控制。,2、定时,因单稳态触发器能产生一定脉冲宽度的矩形脉冲，利用这个矩形脉冲作为定时信号去控制某个电路，可以使其在tW时间内动作或不动作。,间歇振荡器,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。,3、脉冲整形,4、电风扇温控电路,RT为负温度系数电阻，当温度升高时电阻降低。调整RP可以改变起控温度。当温度低于起控温度时，2脚电位高于1/3VCC，电路处于稳态，输出低电平，继电器处于释放状态，电风扇静止。当温度高于起控温度时，2脚电位低于1/3VCC，单稳态电路被触发，3脚输出高电平使继电器吸合，风扇电源接通开始运转，运转时间=1.1R2C2，本电路定时时间约13分钟。,5、声光控电灯延时开关,555和R5、C5组成单稳定时电路，定时（即灯亮）时间约为1分钟。当击掌声传至压电陶瓷片时，HTD将声音信号转换成电信号（交流信号），经T1、T2放大，负半周触发555，使555输出高电平，触发导通晶闸管SCR，电灯亮；光敏二极管3DU5组成光控电路。在白天，由于光照较强，3DU5完全导通，使加至VT2基极的信号通过3DU5接地，VT2无输出，使电路不受声信号的触发；而夜晚光照减弱，3DU5截止，电路进入正常工作状态。,小结,1、单稳态触发器最大的特点是有一个稳态和一个暂稳态。,无触发信号时电路处于稳态，在触发信号作用下，电路进入暂稳态。,暂稳态持续时间的长短由电路电路参数决定，与触发信号无关。,2、单稳态触发器常用于延时、定时、脉冲整形等。,3、重点掌握用555定时器构成单稳态触发器的方法，能画出外部连线图，估算主要参数。,主要参数：输出脉冲的宽度,当5脚接VCO时，,多谐振荡器是一种自激振荡电路，,在接通电源后，不需外加任何触发信号，就能自动产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。,矩形波中包含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器叫多谐振荡器。,因为多谐振荡器在工作过程不存在稳定状态，又称为无稳态电路。,多谐振荡器的应用：,产生时基信号，,模拟声响等。,104多谐振荡器,一、如何用555定时器构成多谐振荡器,（一）电路组成,Q,“二-六一搭接C上，七在两R间”,（二）工作原理,接通电源瞬间，,TD截止。,电路工作在暂稳态1态。,在此期间，电源经R1、R2对C充电，,使vC逐渐升高，,TD导通。,电路进入暂稳态0态。,在此期间，电容经R2和TD放电，,使vC逐渐降低，,TD截止。,电路返回到暂稳态1态。,如此不断往复，产生矩形脉冲波形。,（二）工作原理,接通电源瞬间，,TD截止。,电路工作在暂稳态1态。,在此期间，电源经R1、R2对C充电，,使vC逐渐升高，,TD导通。,电路工作在暂稳态0态。,在此期间，电容经R2和TD放电，,使vC逐渐降低，,TD截止。,电路返回到暂稳态1态。,如此不断往复，产生矩形脉冲波形。,（二）工作原理,（三）振荡周期的估算,EWB仿真,（二）工作原理,（三）振荡周期的估算,电路的不足：,无法得到方波，,而且占空比不易调节。,（二）工作原理,电路的不足：,无法得到方波，,而且占空比不易调节。,（四）占空比可调的多谐振荡器,EWB仿真,二、用门电路构成的多谐振荡器,1、环形振荡器,（2）工作波形（如右图所示）,（3）振荡周期和频率,一般tpd为几ns几十ns，故环形振荡器的振荡频率很高。,若振荡器中门的数目为N，则振荡周期和频率分别为：,（1）电路构成,由大于等于3的奇数个反相器首位相接构成。(N=2K+1),（4）用途测量tpd（动态参数）,2、对称式或非对称式多谐振荡器,对称式多谐振荡器电路,非对称式多谐振荡器电路,三、用施密特触发器构成的多谐振荡器,（2）工作波形,（3）振荡周期,（1）电路构成,（4）电路改进（占空比可调）,四、石英晶体多谐振荡器（晶振）,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。,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。,晶体的固有频率或谐振频率,四、石英晶体多谐振荡器（晶振）,石英晶体振荡器最大的优点是：,频率稳定度很高。,石英晶体具有选频特性，只有频率等于石英晶体的谐振频率fS的信号，才能顺利通过，形成自激振荡。,振荡频率石英晶体的谐振频率fS（与电路的其他元件无关）,应用：对振荡频率稳定性要求高的场合（如数字钟表）常采用石英晶体振荡器来产生时基信号。,电阻R1、R2的作用：保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对TTL反相器，常取R0.7k2k，而对于CMOS门，则常取R10M；C1是耦合电容；C2的作用：抑制高次谐波。,振荡频率：,有源晶振，称为oscillator，有4只引脚，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件，因此体积较大。,1:EN或NC2:GND3:output4:VCC,小结,1、多谐振荡器是一种自激振荡电路，接通电源后，不需加输入信号，便可自动产生矩形波振荡信号。,2、多谐振荡器有两个暂稳态，没有稳定状态。,3、重点掌握用555定时器构成多谐振荡器的方法，能画出外部连线图，估算主要参数。,主要参数：振荡周期和占空比,4、占空比可调的多谐振荡器。,5、掌握石英晶体振荡器的特点。,第八章小结,1、重点掌握施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的工作特点和典型应用。,2、