数电-第十章-脉冲波形的产生和整形

第十章脉冲波形的产生和整形,10.1概述,10.3单稳态触发器,10.2施密特触发器,10.4多谐振荡器,10.5555定时器及其应用,10.1概述,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时间的脉冲信号。,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。,脉冲周期T,脉冲宽度：上升沿到下降沿,下降时间：,占空比q：脉冲宽度与脉冲周期的比值：,上升时间,脉冲幅度,10.2施密特触发器,施密特电路特点：,1输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平；与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。,2在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。,10.2.1用门电路组成的施密特触发器（CMOS),设（反相器的阈值电压）,图2.10.2CMOS反相器的电压传输特性,上升时的转换电平,回差电压：,：输入电压上升时所对应的转换电压。：输入电压下降时所对应的转换电压。,为保证反相器输出高电平时负载电流不致超过允许的高电平输出电流。,例10.2.1在图10.2.1(a)电路中,如果要求试求和值。,解：,故取,10.2.3施密特触发器的应用,一、用于波形变换,图10.2.8用施密特触发器实现波形变换,二、用于脉冲整形,图10.2.9用施密特触发器对脉冲整形,三、用于脉冲鉴幅,只有那些幅度大于的脉冲会产生输出信号。,图10.2.10用施密特触发器鉴别脉冲幅度,10.3单稳态触发器,特点：,稳态和暂稳态两个状态。暂稳态维持一段时间后，自动返回稳态。暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数。,用途：整形、延时、定时。,10.3.1用门电路组成的单稳态触发器,一、微分型单稳态触发器（CMOS门）,0,0,1,1,0,有正的触发脉冲输入时,电路进入暂稳态,图10.3.2图10.3.1电路的电压波形图,与此同时，电容C开始充电,使得vI2逐渐升高，当vI2=VTH时,同时电容C通过R和G2的输入保护电路向VDD放电，直至电容上的电压为0，电路恢复到稳定状态。,图10.3.2图10.3.1电路的电压波形图,抓住：的变化这一要点,图10.3.2图10.3.1电路的电压波形图,Cd充电,Cd放电,C充电,C放电,图10.3.3图10.3.1电路中电容C充电的等效电路,1、输出脉冲宽度,1、输出脉冲宽度,图10.3.3图10.3.1电路中电容C充电的等效电路,电容上的电压vC从充、放电开始到变化至某一数值VTH所经过的时间可以用下式计算,其中，是电容电压的起始值，是电容电压充、放电的终了值,图10.3.4图10.3.1电路中电容C放电的等效电路,放电等效电路,2、输出脉冲幅度,3、恢复时间,在跳变为高电平以后,4、分辨时间,图10.3.4图10.3.1电路中电容C放电的等效电路,二、积分型单稳态触发器（TTL）,稳态下均为高电平。,输入正脉冲：,vO1变为低电平，vA维持高电平，故vO变为低电平，进入暂稳态，电容C开始放电。,当时，的输入电流忽略不计。,计算,输出幅度：,恢复时间：,分辨时间：,触发脉冲的宽度和恢复时间之和。,是G1输出高电平时的输出电阻,充电回路,优点：抗干扰能力强。缺点：边沿较差；要求触发脉冲宽度大于输出脉冲宽度。,10.3.2集成单稳态触发器,一、TTL集成单稳态触发器,图10.3.8集成单稳态触发器74121的逻辑图,集成单稳态触发器74121的工作波形图,不可重复触发：一旦进入暂稳态，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束以后，才能接受下一个触发脉冲。,可重复触发：一旦进入暂稳态，再加入触发脉冲电路将重新被触发。,10.4多谐振荡器,矩形波发生器又称多谐振荡器。,它可以由分立元件构成，也可以由集成电路构成。,一、电路,静态时门电路工作在电压传输特性的转折区或线性区。即的选取。,10.4.1对称式多谐振荡器,图10.4.1对称式多谐振荡器,图10.4.2TTL反相器（7404）的电压传输特性,T1000系列：在到之间,图10.4.3计算TTL反相器静态工作点的等效电路,只要恰好地选取值，就能够使静态工作点P刚好位于电压传输特性的转折区域线性区。,二、工作原理,正跳变的过程,vO1迅速跳变为低电平，vO2迅速跳变为高电平，电路进入第一个暂稳态。,电容C1开始充电，C2开始放电。,C1充电的等效电路,C2放电的等效电路,C1同时经R1和RF2两条支路充电，所以充电速度较快，vI2首先上升到G2的阈值电压VTH，并引起下面正反馈：,vO2迅速跳变为低电平，vO1迅速跳变为高电平，电路进入第二个暂稳态。,电容C2开始充电，C1开始放电。,图10.4.5图10.4.1电路中各点电压的波形,转换电压为,C1充电起始值,假定，则C1上的电压,当时，且,例10.4.1在图10.4.1所示的对称式多谐振荡器电路中，已知。G1和G2为74LS04的两个反相器，它们的取。试计算电路的振荡频率。,解：,故振荡频率为,10.4.2非对称式多谐振荡器,CMOS门电路的输入电流在正常的输入高、低电平范围内几乎等于零，所以RF上没有压降，G1必然工作在vO1=vI1的状态。,正跳变的过程,图10.4.7图10.4.6电路中CMOS反相器静态工作点的确定,vO1迅速跳变为低电平，vO2迅速跳变为高电平，电路进入第一个暂稳态。,电容C开始充电。,放电的等效电路,随着C1的放电，vI1逐渐下降，当降到vI1=VTH时，又引起左面正反馈：,vO1迅速跳变为高电平，vO2迅速跳变为低电平，电路进入第二个暂稳态。,电容C开始放电。,充电的等效电路,图10.4.9图10.4.6电路的工作波形图,C充电,C放电,C充电,C放电,假若G1输入端传接的输入保护电阻RP足够大，则vI1高于VDD+VDF或低于VDF时，G1的输入电流可以忽略不计。,RF远大于RON(N)和RON(P)时,充电的等效电路,同时，根据电路分析理论可知，在RC电路充、放电过程中电阻两端的电压从过渡过程开始变为某一数值VTH所经过的时间可用下式计算,其中，是电容电压的起始值，是电容电压充、放电的终了值,放电的等效电路,振荡周期为,用TTL反相器也可以组成非对称式多谐振荡器。但是在输入电压低于VTH时反相器的输入电流不能忽略不计，所以电容充、放电的等效电路要复杂一些，输出电压波形的占空比也不等于50%.,例10.4.2在图10.4.6所示的非对称式多谐振荡器电路中，已知G1、G2为CMOS反相器CC4007，输出电阻小于200。若取试求电路的振荡频率。,解：反相器输出电阻RON(N)、RON(P)远小于RF，且RP较大,故振荡频率为,10.4.3环形振荡器,n为大于、等于3的奇数。,1、环形振荡器,振荡周期为,2、带RC延迟电路的环形振荡器,：防止发生负突跳时流过输入端钳位二极管的电流过大。,改进电路（b）的工作波形,10.4.4用施密特触发器组成的多谐振荡器,一、用施密特触发器组成的多谐振荡器,想法：使输入电压在和之间不停地往复变化。,接通电源，向电容C充电。,放到，输出为高电平，又充电,充到，输出为低电平，放电,二、占空比可调的多谐振荡器,图10.4.17,图10.4.15,10.4.5石英晶体多谐振荡器,一、石英晶体的电抗频率特性和符号,图10.4.18石英晶体的电抗频率特性和符号,图10.4.19石英晶体多谐振荡器,二、石英晶体多谐振荡器,频率稳定度可达,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。,10.5.1555定时器的电路结构与功能,1、CB555的电路图：,10.5555定时器及其应用,阈值端触发端控制电压输入端,2、功能表：,功能表：,功能表：,功能表：,10.5.2用555定时器接成的施密特触发器,图10.5.2用555定时器接成的施密特触发器,时：,以后：,图10.5.2用555定时器接成的施密特触发器,时：,后：,回差电压：,当参考电压由外接电压给出，则,图10.5.3图10.5.2电路的电压传输特性,讨论,10.5.3用555定时器接成的单稳态触发器,1、稳态时：,电容C充电,截止,2、暂态：vI下降沿,充到后，导通，电容C放电。,电容C放电至0V时，电路回到稳态。,C充电,C放电,图10.5.5图10.5.4电路的电压波形图,10.5.4用555定时器接成的多谐振荡器,电压波形图,充电：,占空比：,C充电,C放电,放电：,占空比：,改进电路：用555定时器组成的占空比可调的多谐振荡器,充电：,放电：,例10.5.1试用CB555定时器设计一个多谐振荡器，要求振荡周期为1秒，输出脉冲幅度大于3V而小于5V，输出脉冲的占空比。,解：由CB555的特性参数知，当电源电压取为5V时，在100mA的输出电流下输出电压的典型值为3.3V，所以取VCC=5V。,故得到,10.1若反相器输出的施密特触发器输入信