第七章-脉冲波形的整形与产生

第七章脉冲波形的产生与整形,2,2,本章教学内容,门电路构成的单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器工作原理及相关应用,555定时电路及其应用,3,3,7.1概述,7.1.1脉冲信号的特点,矩形脉冲波的几个参数：电压幅度、上升时间、下降时间、周期、脉宽、脉冲占空比。,4,4,7.1.2脉冲产生与整形电路的基本分析方法,不管是脉冲产生电路还是整形电路，都会包含开关元件（或开关电路）和惰性电路单元，开关元件的通断使电路实现不同状态的转换，而惰性电路则用来控制暂态变化过程的快慢。,设初始时刻开关K与端点a相连，电源通过电阻向电容充电，,5,5,7.1.2脉冲产生与整形电路的基本分析方法,三要素公式：,从暂态过程的初始值,变到,所经历的时间,为：,6,6,7.2单稳态触发器,单稳态触发器有如下特点：,第一，电路有一个稳定态和一个暂稳态。无信号触发时电路长期处于稳定状态。,第二，在外来触发脉冲信号作用下，电路由稳定状态翻转到暂稳状态。经过一段时间后，电路会自动返回到稳定状态。,第三，暂稳状态持续时间的长短取决于电路的定时元件参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。,1、整形输出矩形波。,2、定时输出一定宽度的矩形波。,3、延时将输入信号延长一定时间后输出。,用途：,7,7,7.2.1用门电路构成的单稳态触发器,按RC电路不同，可将门电路构成的单稳态触发器分为微分型和积分型两种,一、微分型单稳态触发器,工作原理（此电路用负窄脉冲触发）,UI,UO1,UI2,UO,说明,接通电源不触发,0,UOH,1,0,0,1,稳态：UO=1,C中无电荷,触发,0,1,1,0,暂态：UO=0,C充电UI2,=VTH,1,0,1,0,1,返回稳态：UO=1,C放电UI2,0,1,1,0,0,1,恢复为起始稳态,C中无电荷,微分型单稳态触发器电路,8,8,7.2.1用门电路构成的单稳态触发器,一、微分型单稳态触发器,由CMOS电路可知,由公式（7.1.2）可求得该电路暂态持续时间TW。,暂态时间分析：,9,9,7.2.1用门电路构成的单稳态触发器,二、积分型单稳态触发器,工作原理（此电路用宽正脉冲触发）,积分型单稳态触发器电路,UI,UI2,UO,说明,接通电源不触发,1,0,VCC,1,自然稳态：UO=1,触发,1,0,VCC,0,暂稳态：UO=0,1,返回稳态：UO=1,C放电UA,VTH,恢复为自然稳态,1,0,不触发,1,0,VCC,1,UO=1,UO1,10,7.2.1用门电路构成的单稳态触发器,二、积分型单稳态触发器,VTH,TTR,Tre,Tw,Td,输出脉宽TW和幅度UOm,Uom=UOH-UOL,电路工作波形如图所示：,11,7.2.2集成单稳态触发器,一、74LS121：是一种典型的不可重复触发单稳态触发器,12,7.2.2集成单稳态触发器,一、74LS121：是一种典型的不可重复触发单稳态触发器,13,7.2.2集成单稳态触发器,一、74LS121：是一种典型的不可重复触发单稳态触发器,图7.2.5定时元件连接方式,图（b）采用了74LS121内置的2K电阻,图（a）中外接电阻取值在1.430K之间外接电容取值在10PF10F之间，得到的脉冲宽度范围为20ns200ms，,输出的脉冲宽度由下式确定:,14,7.2.2集成单稳态触发器,二、74LS122是一种比较典型的可重复触发TTL单稳态触发器,下降沿触发有效,上升沿触发有效,低电平有效的直接复位输入端,15,7.2.3单稳态触发器应用举例,延时与定时,16,7.2.3应用举例,2整形,17,17,7.3多谐振荡器,7.3.1用门电路构成多谐振荡器,多谐振荡器特点：不需外加触发信号，通电后，能自动输出矩形脉冲波,工作原理：,接下来：电路由UO1、R、UI1向C充电，,假设，某一时刻，电路出现门1截止、门2导通的状态，此为暂态：UO1=1、UO2=0，且,上升，直到其上升到非门的阈值电压,电路出现门1导通、门2截止的状态，,则进入暂态：UO1=0、UO2=1,随后C反向放电，直到UI2下降，再次到达阈值电压，电路又回到暂态,注意：在门2截止的瞬间，由于UO2向上跳变，会引起UI2也向上跳变相同的值,18,18,7.3.1用门电路构成多谐振荡器,振荡周期的计算：,该电路的放电时间,电路的充电时间,电路的振荡周期为,19,19,7.3.2石英晶体多谐振荡器,石英晶体谐振器是在石英晶体柱上切下一片石英晶片，在其两面涂上银层作为电极，两电极各自焊出的引线固定在管脚上，这样就构成了一个石英晶振,制作工艺：,工作原理：,压电效应,电抗频率特性：,当外加电压的频率,时，石英晶体的电抗X=0，其余频率时电抗都很大。石英晶体不仅选频特性极好，而且谐振频率,十分稳定，其稳定度可达10-1010-11。,20,20,7.3.2石英晶体多谐振荡器,在前面的图7.3.1中的电容支路中串联一个石英晶体，就构成了一个晶体振荡器,由于串联在两级放大电路中间的石英晶体具有极好的选频特性，只有频率为f0的信号能够反馈到门1的输入端，满足振荡条件，所以接通电源后电路就会在石英晶体的谐振频率f0处形成自激振荡。,实际使用时常在输出端再加一个反相器，如门3，它既起整形作用使输出波形更接近矩形波，又起缓冲隔离作用。,21,21,7.3.2石英晶体多谐振荡器,门2是整形缓冲用反相器，用于将门1输出的正弦波变成矩形脉冲，同时也可以隔离负载对振荡电路工作的影响。,门1与RF、晶体、C1、C2构成电容三点式振荡电路。,改变C1可以微调振荡频率、。,C2是温度补偿用电容,C1、晶体、C2构成型选频正反馈网络，电路只能在晶体的谐振频率处自激振荡,22,22,7.3.3应用举例,标称频率为32768Hz的石英晶体构成CMOS石英晶体振荡器，它可以产生频率为32768Hz的基频,15片T触发器构成异步计数器，由它分频后便可得到稳定度极高的秒信号。这种秒信号可做为各种计时系统的基准信号源。,23,23,7.4施密特触发器,施密特触发器特点：,第一，电路有两个稳定状态，表示为和。,第二，电路状态由变为与由变为所需的输入触发电平是不同的，施密特触发器实际是一种具有回滞特性的门电路,第三，根据输出与输入电压的相位关系，可分为同相施密特触发器和反相施密特触发器两种,上限阈值电压,下限阈值电压,两者之差称为回差电压,24,UO1,UI1,UI,UO,7.4.1用门电路构成施密特触发器,一、构成,UI,UO1,UO,说明,UI=0,0,0,1,0,同相施密特触发器*,UI上升过程中,VT+,VTH,1,0,VT+,VTH,1,0,G1、G2门将要翻转,=VT+,=VTH,0,UO突变,UI下降过程中,VT-,VTH,0,1,0,1,1,0,VT-,VTH,=VT-,=VTH,G1、G2门将要翻转,UO突变,1,UI1,（用CMOS非门）,二、工作原理,VT+,VTH,0,1,1,0,VT-,VTH,*若从UO1输出则为反相施密特触发器,25,三、工作波形,设UI为缓慢变化的三角波：,UI,t,VTH,VT+,VT-,UO,t,UOL,UOH,G1门的阈值电平,7.4.1用门电路构成施密特触发器,26,四、计算回差电压VT,1、求VT+,在UI从0开始上升时，UO=UOL。,UOH,UOL,VTH,VT+,从求UI1入手求VT+：,UI,=VTH=UR2=,电路中电流流向和电位情况见图。,7.4.1用门电路构成施密特触发器,27,2、求VT-,UOL,在UI从最大值开始下降时，UO=UOH。,UOH,VTH,VT-,从求UI,入手求VT-：,UI,=UTH=UOHUR2=,又：,故：,电路中电流流向和电位情况见图。,7.4.1用门电路构成施密特触发器,28,3、求回差电压VT,当VDD一定时，调R1、R2，可调UT，即可调VT+VT-，可调UO脉宽。,五、施密特触发器逻辑符号,7.4.1用门电路构成施密特触发器,29,29,7.4.2集成施密特触发器,1、CMOS集成施密特触发器,30,30,7.4.2集成施密特触发器,1、CMOS集成施密特触发器,31,31,7.4.2集成施密特触发器,2、TTL集成施密特触发器,32,32,7.4.2集成施密特触发器,2、TTL集成施密特触发器,33,7.4.3施密特触发器主要应用,一、用于波形变换,例：,已知UI为半波，UIm=9V，,电路的VT+=6V，VT-=3V,UOH=VDD，试画UO波形。,9,6,3,VT+,VT-,VDD,VDD,34,二、用于脉冲整形,VT+,VT-,VT+,VT-,VT+,VT-,三、用于脉冲鉴幅,7.4.3施密特触发器主要应用,35,7.4.3施密特触发器主要应用,四、用作多谐振荡器,电容C的充放电引起UI的变化，从而完成UO的振荡,电容C充电,电容C放电电,36,36,7.5555定时电路及其应用,7.5.1555定时器内部电路结构与工作原理,一、555定时器内部电路结构,三个阻值为的串联电阻构成分压装置,C1和C2为两个电压比较器,输出缓冲器G3,由G1和G2两个与非门构成基本触发器,放电晶体管TD,复位端,37,7.5.1555定时器内部电路结构与工作原理,二、555定时器工作原理,输入,过渡,输出,U6,U2,Q,TD状态,0,X,X,XX,导通,1,导通,1,截止,1,保持,表1CB555功能表（CO端悬空时）,0,1,1,0,1,1,0,0,1,555定时器的电源,38,当CO端接有UCO时：,VR2=,说明：,VR1=,UCO、,所有结论仍成立。,电路符号,555定时器的电源电压范围较宽，,CMOS类：VDD为318伏，（UOHVDD95%，IOm4mA）,TTL类：VCC为516伏，（UOHVCC90%），IOm200mA）,UO,TH,TD,CO,VCC,GND,UCO，,7.5.1555定时器内部电路结构与工作原理,二、555定时器工作原理,39,7.5.2555定时器构成的单稳态触发器,RP、CP构成微分电路,负窄脉冲触发,40,R,C,UI,+,-,二、工作原理,要求触发信号为负的窄脉冲,C,UC,U6,（UC）,U2,（UI）,UO,（Q）,TD,说明,充电,0,导通,稳态：UO=0,放电,保持,接通VCC不触发UI=1,0,1,截止,暂态：UO=1,充电,0,导通,返回：UO=0,放电,保持,UI=1,无电荷,触发,7.5.2555定时器构成的单稳态触发器,41,总之：不触发，UO=0；,UO=1维持一段时间又返回UO=0,充电回路：VCC+RCVCC-（充电慢）,放电回路：C+TDC-（放电快）,三、电压波形,TW,TWRCln3=1.1RC,触发,UO=1,注意；第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。,7.5.2555定时器构成的单稳态触发器,42,7.5.3555定时器构成的施密特触发器,二、工作原理,（设：UI为模拟三角波）,UI,U6U2,UO,0,1,0,1,三、电压波形,一、组成,UI,UO,+VCC,0.01uF,从电压波形知：,此为施密特反相器。,43,7-5-4555定时器接成多谐振荡器,R1,R2,C,等效为施密特触发器构成的多谐振荡器，,电压UC是施密特触发器的输入电压，,二、工作原理,UC,U6,U2,UO,TD,起始时,0,1,截止,C充电,0,导通,C