第六章-脉冲波形的产生和整形 1

第六章脉冲波形的产生和整形,东北大学秦皇岛分校自动化工程系,6.1概述,6.2施密特触发器,6.3单稳态触发器,6.4多谐振荡器,6.5555定时器及其应用,6.2施密特触发器,6.2.1用门电路组成的施密特触发器,6.2.2集成施密特触发器,6.2.3施密特触发器的应用,6.3单稳态触发器,6.3.1用门电路组成的单稳态触发器,6.3.2集成单稳态触发器,6.4.1对称式多谐振荡器,6.4.2非对称式多谐振荡器,6.4.3环形振荡器,6.4.4用施密特触发器构成的多谐振荡器,6.4.5石英晶体多谐振荡器,*6.4.6压控振荡器,6.4多谐振荡器,6.5.1555定时器的电路结构与功能,6.5.2用555定时器接成的施密特触发器,6.5.3用555定时器接成的单稳态触发器,6.5.4用555定时器接成的多谐振荡器,6.5555定时器及其应用,6.1概述,在数字系统中，矩形脉冲作为时钟信号控制和协调着整个数字系统的工作，所以时钟脉冲的好坏直接关系整个系统能否正常工作。,获得矩形脉冲的方法一般有两种：,一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生需要的矩形波脉冲。,一种是通过整形电路把已有的周期性信号，变换为符合要求的矩形脉冲信号。,矩形脉冲特性的主要参数,图6.1.1描述矩形脉冲特性的主要参数,T脉冲周期，在周期性脉冲序列中，两个相邻脉冲间的时间间隔。,Vm脉冲幅度，脉冲电压的最大变化幅度。,tW脉冲宽度，从脉冲前沿上升到0.5Vm开始到脉冲后沿下降到0.5Vm为止的一段时间。,tr上升时间，脉冲前沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需的时间。,tf下降时间，脉冲后沿从0.9Vm上升到0.1Vm所需的时间。,q占空比，脉冲宽度和脉冲周期的比值。q=tw/T,6.2施密特触发器,施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。,施密特触发器性能的两个重要特点,第一，输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的电平，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,第二，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,图6.2.1用COMS反相器构成的施密特触发器（a)电路（b）图形符号,6.2.1用门电路组成的施密特触发器,将两级反相器串联，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就构成了图6.2.1（a）的施密特触发器电路,反相器G1和G2是CMOS电路，阈值电压为,且R1R2,vI=0时，G1和G2接成了正反馈电路，vO=VOL0，G1的输入vI0,vI从0升高并达到vI=VTH时，G1进入电压传输特性的转折区，vI的增加引发如下的正反馈，vO=VOHVDD,vIVOlvO,正向阈值电压VT+：vI上升过程中电路状态发生转换时对应的电压,（6.2.1）,vI从VDD下降并达到vI=VTH时，vI的下降引发如下的正反馈，vO=VOL0,vIVOlvO,负向阈值电压VT-：vI下降过程中电路状态发生转换时对应的电压,将VDD=2VTH带入上式得,（6.2.2）,回差电压VT：VT+与VT-之差,（6.2.3）,根据式（6.2.1）、（6.2.2）画出电路的电压传输特性图,图6.2.2图6.2.1电路的电压传输特性（a）同相输出（b）反相输出,图6.2.2（b）是以图6.2.1（a）vO作为输出端的电压传输特性，把这种形式的电压传输特性叫做反相输出的施密特触发器,【例6.2.1】在图6.2.1（a）电路中，如果要求VT+=7.5V，VT=5V，试求R1、R2和VDD的值,解：由式（6.2.1）、（6.2.2）和（6.2.3）得：,解出R2=2R1，VTH=5V。应取VDD=10V,为保证反相器G2输出高电平的负载电流不超过最大允许电流,（6.2.4）,如果G1、G2选用CC4069反相器，VDD=10V，IOH（max）=1.3mA,由式（6.2.4）得,在使用TTL门电路组成施密特触发器时，经常采用图6.2.3所示的电路,图6.2.3用TTL门电路接成的施密特触发器,串进的二极管，防止vO=VOH时，门G2的负载电流过大,正向阈值电压VT+：,（6.2.5）,负向阈值电压VT-：VT-=VTH,回差电压VT：,（6.2.6）,二极管的导通压降,6.2.2集成施密特触发器,图6.2.4带与非功能的TTL集成施密特触发器,核心部分是由T1、T2、R2、R3、R4组成的施密特触发器,严格地讲这是一个DTL电路，即输入端为二极管结构而输出端为三极管结构,假定三极管发射结的导通压降和二极管的正向导通压降均为0.7V,输入端电压时，T1截止而T2导通。若逐渐升高并使时，T1进入导通状态，有如下的正反馈过程发生,从高电平逐渐下降，降到只有0.7V左右时，有如下的正反馈发生,由图6.2.4写出T1截止，T2饱和导通时电路的方程,（6.2.7）,分别表示T2饱和导通时be和间的压降,假定iR3iC2，则从式（6.2.7）求出,（6.2.8）,（6.2.9）,将图6.2.4中给定的参数代入式（6.2.8）、（6.2.9），得：,当vI从高电平下降至仅比R4上的压降高0.7V以后，T1脱离饱和，vCE1开始上升，T2开始导通引起正反馈，因此转换时R4上的压降为：,（6.2.10）,整个电路的输入电压vI等于vI减去输入端二极管的压降VD，故得:,图6.2.5集成施密特触发器7413的电压传输特性,CMOS集成施密特触发器,图6.2.6CMOS集成施密特触发器CC40106,电路的核心部分是由T1T6组成的施密特触发器,图6.2.7集成施密特触发器CC40106的特性（a）电压传输特性（b）VDD对VT+、VT-的影响,集成电路内部器件参数差异较大，VT+、VT-的数值有较大的分散性。VT+、VT-不仅受VDD的影响，而且VDD确定时VT+、VT-值对不同器件可能不完全一样,6.2.3施密特触发器的应用,一、用于波形变换,利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，把边沿变化缓慢的周期信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号,图6.2.8用施密特触发器实现波形变换,二、用于脉冲整形,图6.2.9用施密特触发器对脉冲整形,图（a）传输线上电容较大，波形的上升和下降沿明显变坏,图（b）传输线较长，而且接受端的阻抗和传输线的阻抗不匹配，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象,图（c）当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声,三、用于脉冲鉴幅,图6.2.10用施密特触发器鉴别脉冲幅度,施密特触发器能将幅度大于VT+的脉冲选出,构成多谐振荡器,6.3单稳态触发器,单稳态触发器工作特性的特点,第一，有稳态和暂稳态两个不同的工作状态,第二，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后，再自动返回稳态,第三，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关,单稳态触发器被广泛用于脉冲整形、延时（产生滞后于触发脉冲的输出脉冲）以及定时（产生固定时间宽度的脉冲）等,6.3.1用门电路组成的单稳态触发器,单稳态触发器的暂稳态通常都是靠RC电路的充、放电过程维持。根据RC电路的不同接法，单稳态触发器分为微分型和积分型,一、微分型单稳态触发器,图6.3.1微分型单稳态触发器,电路由CMOS门电路和RC微分电路构成,对于CMOS电路可以认为：VOHVDD、VOL0，VTH0.5VDD，在稳态下vI=0、vI2=VDD,故vO=0、vO1=VDD,电容上没有电压,vd上升到VTH以后，引发如下的正反馈过程，电路进入暂稳态，输出vO=1。,vdvO1vI2vO,电容充电到vI2=VTH时，又引发一个正反馈，使电路迅速恢复到稳态，vO=0,vI2vOvO1,当触发脉冲信号vI加到输入端时，在vD端产生很窄正脉冲，,图6.3.2图6.3.1电路的电压波形图,输出脉冲宽度tW：电容C开始充电到vI2上升至VTH的时间,电容充、放电过程中，电容上电压从充、放电开始到变化至某一数值VTH所经过的时间：,（6.3.1）,电容电压充、放电的终了值,电容电压的起始值,图6.3.3图6.3.1电路中电容C充电的等效电路,根据图6.3.2和式（6.3.1）解得,（6.3.2）,输出脉冲的幅度,（6.3.3）,图6.3.4图6.3.1电路中电容C放电的等效电路,恢复时间：（6.3.4）,分辨时间：在保证电路能正常工作前提下，允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔。,（6.3.5）,二、积分型单稳态触发器,图6.3.5积分型单稳态触发器,电路由TTL与非门和反相器以及RC积分电路组成,电路中R的阻值不能取得太大，电路用正脉冲触发,图6.3.6图6.3.5电路的电压波形图,图6.3.7图6.3.5电路中电容C的放电回路和vA的波形（a）放电回路（b）vA的波形,（6.3.6）,（6.3.7）,（6.3.8）,（6.3.9）,6.3.2集成单稳态触发器,一、TTL集成单稳态触发器,图6.3.8集成单稳态触发器74121的逻辑图,(6.3.10),图6.3.8是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加以输入控制电路和输出缓冲电路而形成,输出脉冲宽度由Rext和Cext的大小决定,表6.3.1集成单稳态触发器74121的功能表,图6.3.9集成单稳态触发器74121的工作波形图,图6.3.10示出了使用外部电阻和内部电阻时电路连接方法,图6.3.10集成单稳态触发器74121的外部连接方法（a）使用外接电阻Rext（下降沿触发）（b）使用内部电阻Rint（上升沿触发）,目前使用的单稳态触发器有不可重复触发和可重复触发两种,图6.3.11不可重复触发型与可重复触发型单稳态触发器的工作波形（a）不可重复触发型（b）可重复触发型,不可重复触发型:进入暂稳态后，触发脉冲不影响工作过程，暂态结束后，才接收下一个触发脉冲,可重复触发型:进入暂稳态后，触发脉冲影响工作过程，再加入触发脉冲，电路将被重新触发，使输出脉冲再维持一个tW宽幅,*二、CMOS集成单稳态触发器,图6.3.12集成单稳态触发器CC14528的逻辑图,电路的核心部分是由积分电路、三态门和三态门的控制电路构成的积分型单稳态触发器,图6.3.13集成单稳态触发器CC14528的工作波形,6.4多谐振荡器,多谐振荡器是一种自激振荡器,多谐振荡器产生的矩形波含有丰富的高次谐波分量,6.4.1对称式多谐振荡器,图6.4.1对称式多谐振荡器,图6.4.2TTL反相器（7404）的电压传输特性,对称式多谐振荡器的典型电路,G1、G2工作在电压传输特性的转折区或线性区,设置适当的偏置电压，可使反相器静态时工作在放大状态,图6.4.3计算TTL反相器静态工作点的等效电路,输出电压：,（6.4.1）,斜率：,vO=0时与横轴交在：,这条直线与电压传输特性的交点就是反相器的静态工作点,vI微小的正跳变，引起的正反馈过程,vI1vO1vI2vO2,电路进入第一个暂稳态，同时电容C1开始充电、C2开始放电,图6.4.4图6.4.1电路中电容的充、放电等效电路（a）C1充电的等效电路（b）C2放电的等效电路,根据戴维南定理求得等效电阻和等效电源，分别为：,（6.4.2）,（6.4.3）,C1经R1、RF2两路同时充电，充电速度较快，vI2首先上升到G2的阈值电压，引起正反馈过程,vI2vO2vI1vO1,电路进入第二个暂稳态。同时C2开始充电而C1开始放电，这一过程和C1充电、C2放电的过程完全对应。电路不停地在两个暂稳态之间往复振荡，在输出端产生矩形脉冲。,电路中各点的电压如图6.4.5所示,图6.4.5图6.4.1电路中各点电压的波形,第一个暂稳态的持续时间,（6.4.4）,电路的振荡周期,（6.4.5）,如G1、G2为74LS系列反相器,（6.4.6）,VIK为TTL输入端负的钳位电压,【例6.4.1】在图6.4.1所示的对称式多谐振荡器电路中，已知，试计算电路的振荡频率,解：由式（6.4.2）和（6.4.3）得,将得值代入式（6.4.5）得,故振荡周期为：,6.4.2非对称式多谐振荡器,图6.4.1的电路简化，设置适当的偏置电压，电路仍然没有稳定状态，只能在两个暂稳态之间往复振荡,图6.4.6非对称式多谐振荡器,图6.4.7图6.4.6电路中CMOS反相器静态工作点确定,静态工作点在电压传输特性转折区的中点,RF的阻值选择没有严格限制,图6.4.8图6.4.6电路中电容的充、放电等效电路（a）放电的等效电路（b）充电的等效电路,vI1正跳变引起的正反馈过程,vI1vI2vO2,电路进入第一个暂稳态，电容C开始放电,vI1降到VTH时，另一个正反馈过程发生，,vI1vI2vO2,vO2跳变为低电平，电路进入第二暂稳态，同时电容C开始充电。当充电到vI1=VTH时，vO2跳变到高电平，电路进入第一暂稳态。,电容C的充电时间为：,（6.4.7）,图6.4.9图6.4.6电路的工作波形图,RC电路充、放电过程中电阻两端的电压从过渡过程开始到变为某一数值VTH所经过的时间,（6.4.8）,电容C的放电时间为：,（6.4.9）,电路的振荡周期为：,（6.4.10）,【例6.4.2】在图6.4.6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欧。若取VDD=10V，试求电路的振荡频率。,解：由于反相器输出电阻远小于RF，而RP又较大，所以可用式（6.4.10）计算电路的振荡周期，得到,故电路的振荡周期为：,6.4.3环形振荡器,环形振荡器利用延迟负反馈产生振荡，是利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成的,图6.4.10最简单的环形振荡器,vI1产生了微小的正跳变，经过3tpd时间以后，vI1自动跳变为低电平；再经过3tpd时间以后，vI1又跳变为高电平，如此往复，就产生了自激振荡，振荡周期为T=6tpd。,将任何大于、等于3的奇数个反相器首尾相连地接成环形电路，都能产生自激振荡，而且振荡周期为：,T=2ntpdn为串联反相器的个数（6.4.11）,门电路的传输延迟时间极短，获得低一些的频率很困难，而且频率不宜调节,图6.4.11图6.4.10电路的工作波形图,图6.4.12带RC延迟电路的环形振荡器（a）原理性电路（b）实用的改进电路,通常RC电路产生的传输延迟时间远远大于门电路本身的传输延迟时间，所以在计算振荡周期时可以只考虑RC电路的作用,图6.4.13图6.4.12（b）电路的工作波形,图6.4.14图6.4.12（b）电路中电容C的充、放电等效电路（a）充电时的等效电路（b）放电时的等效电路,电容C的充电时间为：,（6.4.12）,电容C的放电时间为：,（6.4.13）,（6.4.14）,（6.4.15）,式（6.4.12）、（6.4.13）可简化为,（6.4.16）,（6.4.17）,电路的振荡周期近似等于,（6.4.18）,假定VOH=3V、VTH=1.4V，代入上式得,（6.4.19）,6.4.4用施密特触发器构成的多谐振荡器,图6.4.15用施密特触发器构成的多谐振荡器,若使用的是CMOS施密特触发器，而且VOHVDD，VOL0，有：,图6.4.16图6.4.15电路的电压波形图,(6.4.20),图6.4.15电路占空比q不可调，若改成图6.4.17就可改变电路q,图6.4.17脉冲占空比可调的多谐振荡器,【例6.4.3】已知图6.4.15电路中的施密特触发器为CMOS电路CC40106，试求该电路的振荡周期,解：由图6.2.7（a）CC40106电压传输特性上查到VT+=6.3V，VT-=2.7V。将数值代入式（6.4.20）得,6.4.5石英晶体多谐振荡器,在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。,前面讲的多谐振荡器的振荡频率主要取决于门电路输入电压在充、放电过程中达到转换电平所需时间，稳定性不高,第一，振荡器中门电路的转换电平本身不稳定，容易受电源电压和温度变化的影响；,第二，电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态转换时间的提前或滞后；,第三，在电路状态临近转换时电容的充、放电已经比较缓慢，在这种情况下转换电平微小的变化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。,目前普遍采用的一种稳频方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。,图6.4.18石英晶体的电抗频率特性和符号,外加电压的频率为f0时石英晶体的阻抗最小,石英晶体接入多谐振荡器的正反馈环路中以后，频率为f0的电压信号最容易通过，并在电路中形成正反馈，其他频率信号经过石英晶体时被衰减。,石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率f0，与外接电阻、电容无关。,图6.4.19石英晶体多谐振荡器,石英晶体谐振频率f0由石英晶体的结晶方向和外形尺寸决定，具有极高的频率稳定性。频率稳定度（）达,非对称式多谐振荡器电路也可以接入石英晶体构成石英晶体多谐振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体的谐振频率。,6.5555定时器及其应用,6.5.1555定时器的电路结构与功能,555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，可方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。,555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等众多领域得到了广泛应用。,所有双极型产品型号最后的3位数码都是555，所有CMOS产品型号最后4位数码都是7555，它们的功能和外部引脚的排列完全相同。双定时产品556（双极型）和7556（CMOS型）。,图6.5.1CB555的电路结构图,CB555由比较器C1和C2，基本RS触发器和集电极开路的三极管三部分组成。,6.5.2用555定时器接成的施密特触发器,如果使555定时器的vC1和vC2的低电平信号发生在输入电压信号的不同电平，那么输出与输入之间的关系就构成施密特触发器特性,图6.5.2用555定时器接成的施密特触发器,比较器C1和C2的参考电压不同，基本触发器的置0信号（vC1=0）和置1信号（vC2=0）发生在输入信号vI的不同电平,vI从0逐渐升高过程,vI从高于开始下降的过程,电路的回差电压,图6.5.3图6.5.2电路的电压传输特性,如果参考电压由外接的电压供给，则不难看出。通过改变值可以调