第六章--脉冲波形的产生和整形电路

第六章脉冲波形的产生和整形电路,数字电路,江西省井冈山应用科技学校,TableofContents,6.2RC波形变换电路,6.1脉冲的基本概念,6.3多谐振荡器,6.4单稳态触发器,6.5施密特触发器,6.6555集成定时器,掌握多谐振荡器电路结构与工作原理,01,了解多谐振荡器电路的应用,02,了解集成单稳态触发器的应用常识,03,掌握施密特触发器电路结构及工作原理,04,能用非门集成电路搭接施密特触发器,05,脉冲的基本概念,第一节,6.1.1脉冲的概念,6.1.2几种常见的脉冲波形,6.1.3矩形脉冲波形参数,6.1.1脉冲的概念,广义上讲，凡是非正弦规律变化的电压或电流都可称为脉冲。,脉冲：瞬间突变、作用时间极短的电压或电流信号,1实验电路,图6.1.1,2现象和结论,（1）开关S闭合时，R2短接，输出电压vO=0。,（2）t1时，开关S断开，则输出电压：,重复此过程，则输出电压的波形变化即为一串脉冲波。,（3）t2时，开关S再闭合，R2又被短接，输出电压vO=0。,图6.1.1,图6.1.2,6.1.2几种常见的脉冲波形,常见的波形,图6.1.3,矩形波、锯齿波、钟形波、尖峰波、阶梯波等。,6.1.3矩形脉冲波形参数,（1）脉冲幅度Vm脉冲电压的最大变化幅度。,（2）脉冲上升沿时间tr脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm的时间。,（3）脉冲下降沿时间tf脉冲上升沿从0.9Vm下降到0.1Vm的时间。,（4）脉冲宽度tw脉冲前、后沿0.5Vm处的时间间隔，说明脉冲持续时间的长短。,（5）脉冲周期T指周期性脉冲中，相邻的两个脉冲波形对应点之间的时间间隔。,图6.1.4,RC波形变换电路,第二节,6.2.1RC电路的瞬态过程,6.2.2RC微分电路,6.2.3RC积分电路,6.2.1RC电路的瞬态过程,（1）充电过程原理,开关S在B点，电容器C上没有电荷，vC=0。,瞬态过程是指电路从一个稳定状态变化到另一个稳定状态所经历的过程。,开关S由B合到A后，电源对电容C充电。因电容器两端的电压不能突变，开关拔动瞬间vC=0。充电电流最大，R上的电压也最大，。,图6.2.1,（1）充电过程原理,随着电容C上的电荷的积累，电压vC随之增大，而vR随之下降，所以iC也逐渐下降。,最后，vC=VG，vR=0，iC=0，充电结束。,图6.2.1,瞬态过程是指电路从一个稳定状态变化到另一个稳定状态所经历的过程。,6.2RC波形变换电路,6.2.1RC电路的瞬态过程,（2）波形,电容器的的充电速度与R和C的关系：电容C越大，vC上升就越慢；电阻R越大，vC上升就越慢。,时间常数：R和C的乘积称为RC电路的时间常数。单位为s（秒）。,充电时间可以用时间常数来衡量，大则慢，小则快。,图6.2.2,2RC电路的放电过程,随后，vC按指数规律下降，iC也随之下降。,最后，vC=0，iC=0，放电结束。,开关S重新合到B点，电容器将通过电阻R放电。,开始瞬间，电容器两端的电压不能突变，vC=VG。此时，放电电流最大iC：,图6.2.3,2RC电路的放电过程,图6.2.4,波形,放电时间可以用时间常数来衡量，大则慢，小则快。,6.2.2RC微分电路,1电路组成,电路应具有如下条件：,（1）输出信号取自RC电路中电阻R的两端，即vO=vR。,（2）电路的时间常数应远小于输入的矩形波脉冲宽度，即tw。,图6.2.5,2工作原理,（1）当时t1t2，vI=0，vO=0。,（2）在t1=t2的瞬间，vI由0突变为Vm，立即有充电电流通过R和C。由于电容电压vC不能突变，此时vC=0，故vO=vI=Vm，即输出电压由0跳为Vm。,（3）在t1t2期间，输入电压vI保持Vm不变，由于时间常数很小，所以电容C被快速充电，vC上升很快。,图6.2.6,（4）在t=t2时，vI从Vm跳变到0，由于电容两端电压不能突变，vC仍为Vm。所以，vO=vI-vC=-Vm。,（5）在t2时刻以后，同样因为电路时间常数很小，电容迅速放电，vO很快由-Vm上升到0，形成一个负的尖峰脉冲波。,图6.2.6,2工作原理,而输出电压vO=vI-vC迅速下降。在t=t2之前，vC很快到达Vm，而vO迅速下降为0，形成一个正的尖峰脉冲波。,3电路特点,微分电路能对输入脉冲起到“突出变化量，压低恒定量”的作用。,图6.2.7,1电路组成,6.2.3RC积分电路,图6.2.8,电路应具有如下条件,（1）输出信号取自RC电路中电容C的两端，即vO=vC。,（2）电路的时间常数应远大于输入的矩形波脉冲宽度tw，即tw。,（2）在t1t2期间，输入电压vI保持Vm不变，电容C被充电，vC按指数规律上升。因为电路时间常数很大，所以充电速度缓慢，vC可近似认为线性增长。,（3）在t=t2时，vI从Vm下跳变到0，相当于输入端短路，电容C通过R开始放电，输出电压下降，直到下一矩形脉冲到来。,（1）在t=t1时刻，vI由0跳变为Vm，由于电容电压vC不能突变，此时vC=0，故vO=vC=0。,图6.2.9,2工作原理,3电路特点,积分电路能对输入脉冲起到“突出恒定量，压低变化量”的作用。,4积分电路的应用,（1）将矩形脉冲变换成近似的三角波。,（2）将上升沿、下降沿陡峭的矩形脉冲波变换成上升沿和下降沿较缓慢的矩形脉冲，使跳变部分“延缓”，也称为“积分延时”。,（3）从宽窄不同的脉冲串中，把宽脉冲选出来。,例6-1图6.2.7所示电路中，R=20k，C=200pF，若输入f=10kHz的连续方波，问此电路是RC微分电路，还是一般的RC耦合电路？,图6.2.7,再求方波的脉宽tw。因为方波脉宽为周期的一半，即,解:先求电路的时间常数,=RC=,由上面计算知，这是微分电路。,多谐振荡器,第三节,6.3.1与非门基本多谐振荡器,6.3.2环形多谐振荡器,6.3.3石英晶体多谐振荡器,6.3.1与非门基本多谐振荡器,1电路组成,图6.3.1,2工作原理,使与非门G1输出低电平VL1，即0态；与非门G2输出高电平VH2，即1态。此为第一暂态。,（1）第一暂态电路对称差异的必然存在，导致正反馈过程发生，形成第一稳态。正反馈过程如下：假设与非门G2的输出电压VO2高一些。,图6.3.2,（2）第二暂稳态由于电容C1、C2的充放电，第一暂态不稳定。门G2的输出高电平对电容C1充电；而C2通过门G1的输出电路进行放电。C1、C2的充放电路径如图所示。,2工作原理,图6.3.2,（2）第二暂稳态,使与非门G1输出高电平VH1，即1态；G2与非门输出低电平VL2，即0态。此为第二暂稳态。,C1、C2的耦合，引入一个正反馈过程：,2工作原理,（3）再经过电容C1、C2的充放电，电路又将从第二暂稳态，返回到第一暂稳态。如此循环。产生波形如图6.3.3所示。,图6.3.3,3振荡周期T的估算,其中,C=C1=C2,2工作原理,6.3.2环形多谐振荡器,1电路组成,图6.3.4,三个非门首尾依次相连，构成一个闭环电路，所以称为环形多谐振荡器。,R、C：定时元件，决定振荡的周期和频率。,RS：非门G3的输入限流电阻。,2工作原理,图6.3.4,通过C的耦合使vD=0，vB通过C、R对C充电，使vE，vF,1）第一暂态初始vO=0；,初始vA=0,G1关闭，vB=1；G2开通，vD=0。,2工作原理,图6.3.4,vA=1使G1开，vB=0，vD=1，C反充电，vE，vF到达G3开门电平，G3开。,（2）第二暂态,vO=0。,（3）返回第一暂态,图6.3.4,T2.2RC,3环形振荡器的振荡周期T,2工作原理,6.3.3石英晶体多谐振荡器,1.电路符号,2.电抗特性,图6.3.5,图6.3.6,单稳态触发器,第四节,6.4.1微分型单稳态触发器,6.4.2集成单稳态触发器,6.4.3单稳态触发器的应用,6.4.1微分型单稳态触发器,1电路组成,2工作原理,（1）电路的稳态,无触发信号时，vI是高电平，门G2的输入信号为低电平0，vO输出为高电平1态，而门G1的输出电压vO1为低电平0态，这是电路的稳态。,输入端A加入低电平触发信号，门G1的输出电压为高电平1态，通过电容C耦合，门G2的输入端B处的信号是高电平1。输出信号为低电平0态。触发器翻转到暂稳态。,（2）电路的暂稳态,图6.4.1,2工作原理,（3）暂稳态期间,与非门G1的输出电压vO1为高电平，它通过C、R到接地端，对电容C充电。随电容电压的升高，充电电流逐渐变小。因此，电阻上的电压也逐渐下降。,当B端的电平下降到与非门G2的关门电平时，门G2关闭，输出电压vO又跳为高电平。它反送到门G1的输入端。由于触发负脉冲的宽度很窄，A点已恢复高电平。vO1下跳为低电平，电路又恢复稳态。,（4）自动恢复为稳态,图6.4.1,3电路图,4.特点,石英晶体相当于一个RLC串联谐电路。在谐振频率下，阻抗最低，正反馈最强，易于起振；而在其他频率下，阻抗很高，阻止振荡，所以石英晶体可起选频作用。,石英晶体多谐振荡器能产生极其稳定的高频率的矩形脉冲信号。在数字系统中，常用作系统的基准信号源。,图6.4.2,5波形图,图6.4.3,6.4.2集成单稳态触发器,图6.4.4,集成组件CT74121单稳态触发器。如图6.4.4,CEXL：外接电容端。,1外引线排列及引出端符号,：暂稳态负脉冲输出端,TR-A、TR-B：两个负触发输入端。,Q：暂稳态正脉冲输出端。,Rint：内电阻端。,REXL/CEXL：为外接电阻和电容的公共端。,TR+：正触发输入端,2逻辑功能及简要说明,（1）功能表,表6.4.1,说明：表示任意值；表示电平从高到低的跳变；表示电平从低到高的跳变；“高”表示高电平脉冲；“低”表示低电平脉冲。,2逻辑功能及简要说明,（2）触发方法,如果TR-A、TR-B、TR+的初始状态为111，那么，当TR-A或TR-A上加上负跳变电压，或者在这个两个输入同时加负跳变电压，则电路翻转为暂态。,如果TR-A、TR-B、TR+的初始状态为00或者为00，则在TR+端加上正跳变触发电压，电路就由稳态翻转为暂态。,（3）定时元件R、C的接法,脉冲宽度估算,外接电阻的接法内电阻的接法。,图6.4.5,2逻辑功能及简要说明,6.4.3单稳态触发器的应用,1脉冲信号的整形,脉冲的整形，是把波形不规则的输入脉冲输入单稳态触发器，在输出端获得具有一定的宽度和幅度、前后沿比较陡峭的矩形脉冲波。,图6.4.7,图6.4.6,方框原理图,工作波形图,3定时,工作波形图,2延时,方框原理图,工作波形图,图6.4.9,图6.4.8,图6.4.10,图6.4.11,方框原理图,施密特触发器,第五节,6.5.1用集成与非门组成的施密特触发器,6.5.2集成施密特触发器,6.5.3施密特触发器的应用,6.5.1用集成与非门组成的施密特触发器,（1）组成电路,（2）逻辑符号,1电路组成,由三个与非门G1、G2、G3和一个二极管VD组成。,G1和G2构成基本RS触发器，二极管VD起到电平移动作用。用来产生回差电压。,图6.5.1,图6.5.2,2工作原理,（1）初始稳定状态第一稳态,与非门的开关电平为1.4V，二极管导通电压为0.7V。,当vI上升，只要vI1.4V，则，故RS触发器保持1态不变，即电路保持第一稳态。,vI0.7V，门G3输出高电平1，；高出vI一个二极管的正向导通电压0.7V，所以，为小于1.4V门坎电压的低电平0。则输出电压vO为高电平1，而vO1为低电平0。这是电路的第一稳态。（Q=1，）。,图6.5.3,（2）电路的第一次翻转,图6.5.3,当vI上升至1.4V时，门G3输出端，而仍比高0.7V，保持高电平1态。于是RS触发器被置0，则输出电压vO由高电平1翻转为0态。此是电路的第二稳态。（Q=0，=1）。,vI继续升高，电路将保持第二稳态不变。,2工作原理,（3）电路的第二次翻转,图6.5.3,当vI下降至1.4V以下时，门G3输出端，而仍比高0.7V，保持高电平1态。于是RS触发器保持0态不变，即电路维持第二稳态不变。,当vI下降至0.7V以下时，门G3输出端，高出vI一个二极管的正向导通电压0.7V，所以，为小于1.4V门坎电压的低电平0。电路将翻转1态。电路重返第一稳态：Q=1，=0。,2工作原理,3回差特性,图6.5.4,电路两次触发电平存在差值，即是施密特触发器的回差现象。,回差电压：上升触发电压VT+，下降触发电压VT-。两次触发电平的差值V称为回差电压。,施密特触发器这种固有的特点，称为回差特性，也称为滞回特性。,施密特触发器的回差特性曲线，也称电压传输特性曲线。如图14.5.4所示。,1TTL集成施密特触发器,CT74LS132：四2输入与非门。图6.5.5（b）所示。,（2）主要参数,（1）型号、外引线排列,上升触发电压VT+；下降触发电压VT-；电源电压等。,CT74LS14：六反相器。图6.5.5（a）所示。,图6.5.5,6.5.2集成施密特触发器,图6.5.6,6.5.2集成施密特触发器,CC4093：四2输入与非门。图6.5.6（b）所示。,2CMOS集成施密特触发器,CC40106：六反相器。图6.5.6（a）所示。,6.5.3施密特触发器的应用,1波形变换,施密特触发器可以把连续变化的输入电压变换为矩形波输出。,图6.5.7,2脉冲整形,图6.5.8,脉冲信号在传输过程中，会变得不规则。用施密特触发器整形，可以使它恢复为合乎要求的矩形脉冲波。,整形波形,整形电路,图6.5.9,图6.5.10,图6.5.11,（1）电路构成,只有输入信号的幅度大于上升触发电压，才能使电路翻转，从而有脉冲输出。否则，没有矩形脉冲输出。这样，就达到鉴别输入信号幅度大小的目的。,3幅度鉴别,（2）输出与输入关系,（3）暂稳态期间，电源对电容C充电，A点电平升高，当A点电压上升到上升触发电平VT+时，电路状态又发生翻转，输出低电平，暂态结束，电路返回稳定状态。,图6.5.12,4组成单稳态电路,（1）没有外加触发信号时，图中的A端为高电平，所以输出为低电平，这是电路的稳态。,（2）当输入负触发脉冲信号时，由于电容C上的电压不能突变，A点的电平也随之跳为负电平，输出就翻转为高电平，电路进入暂稳态。,图6.5.13,5组成多谐振荡器,（2）由此电容放电，vI下降。当vI下降到触发电平VT-时，电路发生翻转，输出电压vO跳变为高电平。如此反复，形成振荡。,（1）接通电源瞬间，vI=0，输出电压vO为高电平VH。输出电压vO对电容C充电,vI上升,当vI达到上升触发电平VT+时,电路翻转,输出电压vO跳变为低电平VL;。,555集成定时器,第六节,6.6.1电路组成,6.6.2工作原理,6.6.3集成定时器的应用,6.6.4集成定时器的其他应用,6.6.1电路组成,电路可分为电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器和输出缓冲级等部分。,2外引线排列图,1电路结构,图6.6.1,图6.6.2,6.6.2工作原理,电阻分压器由三个等值电阻R组成，对电源电压VDD分压。,当进入TH的电压大于时，比较器C1输出高电平1；,若加在的电压小于，比较器C2也输出高电平1。,1电阻分压器和电压比较器,2基本RS触发器,（3）当C1=0，C2=0，即R=0，S=0时，RS触发器保持原态不变；,（1）当C1=1，C2=0，即R=1，S=0时，Q=0，=1；,（2）当C1=0，C2=1，即R=0，S=1时，Q=1，=0；,（4）如果=0，则Q=0。为直接置0端，平时应接高电平1。定时器的输出OUT=Q。,3放电管V和输出缓冲器,输出端的反相器构成输出缓冲器。主要作用是提高电流驱动能力，同JF还可隔离负载对定时器的影响。,（3）功能表,（1）若Q=0，=1，放电管的栅极为高电平，V导通。,（2）若Q=1，=0，放电管的栅极为低低平，V截止。,表6.6.1,6.6.3集成定时器的应用,R、C：定时元件；高触发端TH与放电端DIS相连；输入触发电平vI加于低触发端处，低电平有效；OUT为信号的输出端。,用7555定时器可构成单稳态电路。,1电路组成,图6.6.3,图6.6.3,2工作原理,接通电源后，电源电压VDD对电容C充电，电压vC上升。当vC高达时，输出电压vO为低电平0。同时，放电管V导通，电容对过放电端DIS放电。电路进入稳态，输出低电平0。,电路的稳态,