第6章-脉冲产生与整形电路 1

(6-1),肖合九教授,数字逻辑电路,(6-2),第6章脉冲产生与整形电路,(6-3),第6章脉冲产生和整形电路,概述6.1施密特触发器6.2单稳态触发器6.3多谐振荡器,(6-4),一常用脉冲波形及参数,1.常见的脉冲波形,脉冲波形是指突变的电流和电压的波形。,常见的脉冲波形图,概述,(6-5),2.矩形波及其参数,非周期性和周期性矩形波(a)非周期性(b)周期性,数字电路中用得最多的是矩形波。矩形波有周期性与非周期性两种。,(6-6),矩形波的主要参数,周期性矩形波的周期用T表示，有时也用频率f表示（f=1/T）。矩形波的另外几个主要参数：,（1）脉冲幅度Um（2）脉冲宽度tw（3）上升时间tr（4）下降时间tf（5）占空比q=tw/T。通常q用百分比表示，如果q=50%，则称为对称方波。,(6-7),555这个名称的由来是由于在芯片中采用了3个5k的分压电阻。555定时电路又称时基电路。由于它巧妙地将模拟功能和逻辑功能结合在一块硅片上，所以能有效地应用于模拟和数字两大类型的电路设计中，应用极其广泛。,二、555定时器,(6-8),触发端,阈值端,电压控制端,复位端,放电端,4.516V,输出端,接地端,（1）电路组成,阈值端又称高电平触发端触发端又称低电平触发端,如果在电压控制端CO另加控制电压，可改变C1、C2的参考电压。工作中不使用CO端时，一般通过一个0.01F的电容接地，以旁路高频干扰。,(6-9),电阻分压器,电压比较器,基本RS触发器,放电管TD,缓冲器,555集成定时器由五部分组成。,(6-10),（2）工作原理,(6-11),(6-12),(6-13),(6-14),555定时器的功能表,最基本最典型的脉冲产生整形电路有施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。,(6-15),三、脉冲产生整形电路,最基本、最典型的脉冲产生整形电路有施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。,1、获得脉冲波形的方法主要有两种：、利用多谐振荡器直接产生符合要求的矩形脉冲；、通过整形电路对已有的波形进行整形、变换使之符合系统的要求。2、施密特触发器：主要用于将非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲。3、单稳态触发器：主要用以将宽度不符合要求的脉冲换成符合要求的矩形脉冲。,(6-16),6.1施密特触发器,6.1.1用555定时器构成施密特触发器一、电路组成及其工作原理1、电路组成,(6-17),2、工作原理,(6-18),滞回特性,滞回特性是施密特触发器的电压传输特性，即输出电压与输入电压的关系曲线。当uI由0V上升到2VCC/3时，uO由UOH跳变到UOL，但是uI由VCC下降到2VCC/3时uO=uOL却不改变，只有当uI下降到VCC/3时，uO才会由UOL跳变回到UOH。上升过程和下降过程的阈值电平不同。这是施密特触发器固有的特性。,3、滞回特性及主要参数,(6-19),主要静态参数,上限阈值电压：uI上升过程中，输出电压uO由UOH跳变到UOL时，所对应的输入电压的值。用UT表示。下限阈值电压：uI下降过程中，输出电压uO由UOL跳变到UOH时，所对应的输入电压的值。用UT表示。回差电压：UT=UT+UT,下限触发转换电平UT,上限触发转换电平UT+,(6-20),4、特点、施密特触发器有两个稳定状态(“0”态和“1”态)，其维持与转换完全取决于输入电压的大小。、电压传输特性特殊，有两个不同的阈值电压(UT和UT)。当ui递增时，在uiUT时刻，uo由UOH下跳为UOL；当ui递减时，在uiUT时刻，uo由UOL上跳为UOH。、状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。,(6-21),6.1.2集成施密特触发器一、CMOS集成施密特触发器,(6-22),(6-23),二、TTL集成施密特触发器,(6-24),1、波形变换将变化缓慢的波形变换成矩形波（如将三角波或正弦波变换成同周期的矩形波）。,6.1.3施密特触发器的应用,(6-25),2、脉冲整形,在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，或者边沿产生振荡等。通过施密特触发器整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。,波形畸变,边沿振荡,(6-26),3、脉冲鉴幅,将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些幅度大于UT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。可见，施密特触发器具有脉冲鉴幅能力。,(6-27),合理选择回差电压，可消除干扰信号。,4、消除干扰信号,(6-28),作业题P422题6.2题6.3一、填空题1、555定时器由()、()、()、()和()五部分组成。2、施密特触发器有两个稳定状态(“0”态和“1”态)，其维持与转换完全取决于()。二、选择题1、555构成的施密特触发器的回差电压UT为()。A、VCCB、VCC/2C、2VCC/3D、VCC/3,(6-29),作业题P422题6.2题6.3一、填空题1、555定时器由(基本RS触发器)、(比较器)、(分压器)、(晶体管开关)和(输出缓冲器)五部分组成。2、施密特触发器有两个稳定状态(“0”态和“1”态)，其维持与转换完全取决于(输入电压的大小)。二、选择题1、555构成的施密特触发器的回差电压UT为(D)。A、VCCB、VCC/2C、2VCC/3D、VCC/3,(6-30),提高基准电压稳定性的滤波电容,6.2单稳态触发器,6.1.1用555定时器构成的单稳态触发器一、电路组成及其工作原理1、电路组成,(6-31),工作特点：、有一个稳定状态和一个暂态；、在外加触发脉冲作用下，电路从稳定状态翻转到暂稳态；、经过一段时间后，又自动返回到原来的稳定状态。而且暂稳态时间完全取决于电路本身的参数，与外加触发脉冲没有关系。,2、工作原理,(6-32),(6-33),(6-34),自动返回。当UTHuc上升到2VDD/3时，电路由暂稳态“1”自动返回“0”状态，定时结束，TD管由截止变为导通，电容C放电结束，电路恢复到稳态“0”。下一个触发脉冲到来时，电路重复上述过程。,(6-35),（1）输出脉冲宽度tw输出脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间。根据uC的波形可以计算出：tw1.1RC,（2）恢复时间tre暂稳态结束后，电路需要一段时间恢复到初始状态。一般，恢复时间tre为35倍放电时间常数2。由于2很小，所以恢复时间tre极短。,（3）最高工作频率fmax（或最小工作周期Tmin）设触发信号的时间间隔为T，为了使单稳态触发器能够正常工作，应当满足Ttw+tre的条件，即Tmin=tw+tre。因此，单稳态触发器的最高工作频率为fmax=1/Tmin=1/（tw+tre）,2、主要参数的估算,(6-36),6.2.2集成单稳态触发器,不可重复触发,可重复触发,被重复触发,一、不可重复触发（非重触发）单稳态触发器74121,二、可重复触发单稳态触发器74122,(6-37),如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳电路来实现。,6.2.3单稳态触发器应用举例,1、延时,(6-38),2、定时,单稳态触发器能够产生一定宽度tw的矩形脉冲，利用这个脉冲去控制某一电路，则可使它在tw时间内动作(或者不动作)。,(6-39),3、脉冲整形脉冲信号在经过长距离传输后其边沿会变差或在波形上叠加了某些干扰。为了使这些脉冲信号变成符合要求的波形，可利用单稳态触发器进行整形。,(6-40),4、脉冲展宽当输入脉冲宽度较窄时，则用单稳态触发器展宽。图示为利用CT74121组成的脉冲展宽电路。只要合理选用Rext和Cext值，可输出宽度符合要求的矩形脉冲。,(6-41),5、触摸定时控制开关,555定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片P，由于人体感应电压相当于在触发输入端（管脚2）加入一个负脉冲，555输出端输出高电平，灯泡（RL）发光，当暂稳态时间（tW）结束时，555输出端恢复低电平，灯泡熄灭。该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由RC参数调节。,(6-42),6.3多谐振荡器,6.3.1用555定时器构成的多谐振荡器一、电路组成及其工作原理1、电路组成,(6-43),接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，TD导通，C通过R2和TD放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0变为1，TD截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。,2、工作原理,暂稳态时间tw2=0.7R2C,暂稳态时间tw1=0.7(R1+R2)C,(6-44),暂稳态时间tw1=0.7(R1+R2)C,暂稳态时间tw2=0.7R2C,振荡器输出脉冲uO的工作周期为：T=0.7(R1+2R2)C振荡频率ff=1/T=1/0.7(R1+2R2)C占空比qq=(R1+R2)/(R1+2R2),(6-45),1、多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态；2、通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，无需外触发；3、输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的谐波分量，故称做多谐振荡器,多谐振荡器的特点,(6-46),前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC参数误差的影响。而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号频率不稳定直接影响到系统的工作，显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。,6.3.2石英晶体多谐振荡器,一、石英晶体的选频特性,石英晶体具有很好的选频特性。当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率f0相同时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易通过，而其它频率的信号则被衰减掉。因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可以组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率f0，而与RC无关。,(6-47),将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率fo，而与RC无关。,在对称式多谐振荡器的基础上，串接一块石英晶体，就可以构成一个石英晶体振荡器电路。该电路将产生稳定度极高的矩形脉冲，其振荡频率由石英晶体的串联谐振频率fo决定。,二、石英晶体多谐振荡器,(6-48),6.3.3多谐振荡器应用举例,一、秒信号发生器,CMOS石英晶体多谐振荡器产生f=32768Hz的基准信号，经由T触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒信号。这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源。,(6-49),二、模拟声响电路,图(a)所示是用两个多谐振荡器构成的模拟声响电路。振荡器：f1Hz，振荡器：f1kHz，那么扬声器就会发出呜鸣的间隙声响。因为振荡器的输出电压u01，接到振荡器中555定时器的复位端R(4脚)，当u01为高电平时振荡，为低电平时555复位，停止振荡。图(b)所示是电路的工作波形。,(6-50),三、简易温控报警器,(6-51),四、双音门铃,图中的555构成多谐振荡器。按下按钮AN，振荡器振荡，振荡频率约700Hz，扬声器发出“叮”的声音。与此同时，电源通过二极管D2给C3充电。放开按钮时，C3便通过电阻R4放电，维持振荡。但由于AN的断开，电阻R3被串入电路，使振荡频率有所改变，大约为500Hz左右，扬声器发出“咚”的声音。直到C3上电压放到不能维持555振荡为止。“咚”声的余音的长短可通过改变C3的数值来改变。,(6-52),作业题P422题6.6P423题6.8一、填