第十章-脉冲波形的产生和整形 4

第十章脉冲波形的产生与整形,1、什么是脉冲波形？,2、为什么要产生脉冲？,4、如何产生脉冲以及对其进行整形？,3、为什么要对脉冲波形进行整形？,1、什么是脉冲？,脉冲：电压(V)或电流(A)的波形像心电图上的脉搏跳动的波形。,在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量称之为脉冲。,2、为什么要产生脉冲？,数字电路经常用到各种宽度和幅值的边沿陡峭的脉冲信号：时钟信号、定时信号。最常用的脉冲信号是方波或矩形波。,3、为什么要对脉冲波形进行整形？,脉冲有各式各样的形状，有矩形、三角形、锯齿形、钟形、阶梯形和尖顶形的等等。,描述矩形脉冲特性的主要参数,1、脉冲幅度Vm2、脉冲宽度tw3、上升时间tr4、下降时间tf5、周期T6、占空比q,4、如何产生脉冲以及对其进行整形？,利用多谐振荡器产生脉冲。,用门电路可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。,利用单稳态触发器和施密特触发器对脉冲进行整形。,用555定时器也可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。,脉冲电路分类：,脉冲电路作用：,脉冲波形的产生和整形。,脉冲电路构成：,开关电路+RC电路,破坏电路的稳态，产生暂态。,控制暂稳态时间的长短。,脉冲电路与数字电路的比较：,10-2施密特触发器,10-2-1特点和用途,一、特点,1、电平触发：触发信号UI可以是变化缓慢的模拟信号，UI达某一电平值时，输出电压U0突变。U0为脉冲信号。,2、电压滞后传输：输入信号UI从低电平上升过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与UI从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同。,施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。,利用上述两个特点，施密特触发器不仅能将边沿缓慢变化的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，还可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。,同向输出特性：,VT+,Uo,UI,UoL,UoH,二、输出特性,反向输出特性：,VT+,Uo,UI,UoL,UoH,0,0,当UI=0时，Uo=UoL,当UI=0时，Uo=UoH,正向阈值电平VT+：,UI上升时，引起Uo突变时对应的UI值。,负向阈值电平VT-：,UI下降时，引起Uo突变时对应的UI值。,三、用途,波形变换，整形，脉冲鉴幅，构成多谐振荡器。,UO1,UI,UI,UO,10-2-2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,UI,（用CMOS非门）,二、工作原理,VT+,VTH,0,1,1,0,VT-,VTH,三、举例,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,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UI,入手求VT+：,UI,=VTH=UR2=,电路中电流流向和电位情况见图。,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。,五、电压传输特性,UI=0时，UO=UOL,是同相施密特特性,UI,UO,VDD,VTH,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。,六、逻辑符号,VT-,VT+,10-2-3集成施密特触发器,常用TTL电路集成施密特触发器有7413等，常用CMOS电路集成施密特触发器有CC40106等。,10-2-4施密特触发器的应用,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,二、用于脉冲整形,VT+,VT-,VT+,VT-,VT+,VT-,三、用于脉冲鉴幅,VCD,10-3单稳态触发器,10-3-1特点和用途,一、特点,1、开机（接通电源），电路出现稳态。,2、外加触发信号，电路翻转为暂态。,暂态维持一段时间，自动返回稳态,3、暂态维持时间的长短，只和电路参数有关，与触发信号的幅度、电源电压的高低无关。,二、用途,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。,10-3-2用门电路组成单稳态触发器,一、微分型单稳态触发器,1、组成,（用CMOS或非门）,2、工作原理（用正窄脉冲触发）,UI,UO1,UI2,UO,说明,接通VDD不触发,VDD,UOL,0,0,1,1,0,稳态：UO=0,C中无电荷,触发,1,0,0,1,暂态：UO=1,C充电UI2,=VTH,0,0,0,1,1,0,返回稳态：UO=0,C放电UI2,=VDD,0,0,0,1,1,0,恢复为起始稳态,C中无电荷,注释：此时的逻辑电平“1”，对应的电位为（VDD+0.7）V。,UI,UO1,UI2,UO,UI，,UI，,总之：,不触发：UO=0，C中无电荷,触发：UO=1,C充电：返回UO=0,C放电：恢复为起始稳态，UO=0，C中无电荷,3、电压波形,VTH,*为了保证触发时间极短，通常在UI端加RC微分电路：,VDD+0.7,注意；第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。,电压波形,4、输出脉宽TW和幅度UOm,TW,根据一阶RC电路暂态过程中，求任意变量的一般公式：,可得：,A()-,A()-,t=ln,从波形图中看出，TW是C充电使UI2从0上升到VTH对应的时间，,UI2()=VDD,UI2(0+)=0,RC,TW=RCln,Uom=UOH-UOLVDD,1）求TW,2）求Uom,=RCln2,A(0+),A(t),所以：,=0.69RC,5、分辨时间Td,Td是指在保证电路正常工作的前提下，两个相邻触发脉冲之间，允许的最小时间间隔。,TW,Tre,Td,由波形图知：Td=TW+Tre,TW：输出脉冲的宽度,Tre：恢复时间，即C放电达稳定值VDD所需的时间T放。,RON,D1,G2,G1,由放电回路知：,放电回路,（D1是G2门输入保护电路中的二极管。）,Tre=T放=(35)(RON+R/rD)C,当D1的等效电阻rD远远小于RON和R时，,Tre=T放(35)RONC,电容要放电，电容两极分别带有一定的电荷量，且外界和电容构成闭环(一般闭环中不包括电源)，电容两极在闭环内为了迫使自己达到静电平衡形成电场，电场不断推动电容一极的多余电子（负电荷）向电容正极靠近即形成电流，使电容两端电荷中和，当中和完成则电容两极电场消失，但是这是在理想情况下，在现实中闭环总存在电阻，因此电容两端电荷量呈指数中和一直趋向零，但不会为零。,二、积分型单稳态触发器,1、组成,可用TTL与非门组成，门之间用RC积分电路耦合。,2、工作原理,（用正的宽脉冲触发）,UI,UA,UB,UO,说明,接通VCC不触发,1,0,VCC,0,1,自然稳态：UO=1,触发,1,0,VCC,1,0,暂稳态：UO=0,1,返回稳态：UO=1,C放电UA,VTH,恢复为自然稳态,1,0,1,不触发,1,0,VCC,0,1,UO=1,C,UO1,3、电压波形,VTH,TTR,Tre,Tw,4、输出脉宽TW和幅度UOm,Uom=UOH-UOL,5、分辨时间Td,Td,由波形图知：Td=TTR+Tre,TTR：触发脉冲的宽度,Tre：恢复时间，即UO1跳到UOH后，C充电达稳定值所需的时间T充。,由充电回路知：,充电回路,Tre=T充=(35)(RO+R)C,10-3-3集成单稳态触发器,1、不可重复触发,触发进入暂稳态时，再加触发脉冲无效,TW,2、可重复触发,触发进入暂稳态时，再次触发有效，输出脉冲可再维持一个脉宽。,TW,常用74121，74221，74LS221等都是不可重复触发的单稳态触发器。,其中，74121的电路符号如图：,一、分类,二、常用产品举例,输入,输出,A1,A2,B,UO,0,X,1,0,1,X,0,1,0,1,X,X,0,0,1,1,1,X,0,1,电平触发,1,1,1,1,1,0,X,X,0,脉冲触发,集成单稳态触发器74121的功能表,下降沿触发时的接法,1,UI,不利用Rint时的接法,+VCC,上升沿触发时的接法,UI,利用Rint时的接法（Rint2K）,C,R,C,三、应用举例,1、脉冲整形,TW=0.69RC,2、输出脉冲延时,UI,+VCC,UO2,TW2,触发后，电路延时TW1时间再输出。,TW1=0.69R1C1,TW2=0.69R2C2,3、定时输出,UI,UO2,74121,74121,UA,TW,只在触发之后的TW时间内有UA输出。,10-4多谐振荡器,特点：不需要外加触发信号，电路自激振荡，没有稳态。,用途：产生脉冲方波。,10-4-1用门电路构成多谐振荡器,一、对称式多谐振荡器,1、组成（用TTL门电路）,UO2,2、工作原理,则，暂态：UO1=0、UO2=1,接下来：C1充电、C2放电,假设，某一时刻，电路出现UO1=0、UO2=1的状态，,0,0,1,1,C2放电回路：,UI1,UOL1,UOH2,C2+RF1UOL1UOH2C2-,C2放电使UI1。,C2放电：,UI2,UOH2,UOL1,C1充电：,暂态：UO1=0、UO2=1,C1充电等效回路：,UOH2RE1C1UOL1,（RE1=RF2R1）,C1充电使UI2。,由于RE1RF1（当电路对称时），,所以，充电比放电快。,C1充电UI2=VTH时G2导通UO2=0,UI1=0UO1=1,暂态：UO1=1、UO2=0,C2充电UI1=VTH时G1导通UO1=0,UI2=0UO2=1,电路回到暂态。,循环往复，直到关机。,总之：,UO1=0UO2=1,UO2=0UO1=1,UO1=1UO2=0,UO1=0UO2=1,VTH,VTH,VIK,VIK,T1,T,4、计算,在RF1=RF2=RF，C1=C2=C时：,T1RFCln,UOH-,UOH-,如果G1、G2为74LS系列反相器，,UOH=3.4V，VIK=-1V，VTH=1.1V,在RF1/3VCC)。,工作原理,导通,2.触发进入暂稳态,(二)工作原理、工作波形与参数估算,3.自动返回稳定状态,(二)工作原理、工作波形与参数估算,2.触发进入暂稳态,这时uI必须已恢复为高电平,例用上述单稳态电路输出定时时间为1s的正脉冲，R=27k，试确定定时元件C的取值。,(二)工作原理、工作波形与参数估算,输出脉冲宽度tW即为暂稳态维持时间，主要取决于充放电元件R、C。,该单稳态触发器为不可重复触发器，且要求输入脉宽tWI小于输出脉宽tWO。,解：,因为tWO1.1RC,故可取标称值33F。,估算公式tWO1.1RC,四、用555定时器组成多谐振荡器,(一)电路结构,(二)工作原理、工作波形与周期估算,UOH,工作原理,(二)工作原理、工作波形与周期估算,UOL,工作原理,(二)工作原理、工作波形与周期估算,工作原理,(二)工作原理、工作波形与周期估算,电容C如此循环充电和放电，使电路产生振荡，输出矩形脉冲。,周期与占空比估算,tWH0.7(R1+R2)CtWL0.7R2CT=tWH+tWL0.7(R1+2R2)C,例指出右图中控制扬声器鸣响与否和调节音调高低的分别是哪个电位器？若原来无声，如何调节才能鸣响？欲提高音调，又该如何调节？,解：,R1、R2、RP1和C共同构成定时元件，因此调节RP1可调节音调高低。,欲提高音调，则应减小RP1，因此触头应下移。,RP2,RP1,触摸定时开关电路设计,图中555定时器构成的单稳态触发器，只要用手触摸一下金属片P，由于人体感应电压相当于在低电平触发端(管脚2)加入一个负脉冲，电路进入暂稳态，输出高电平，灯泡发光，当暂稳态时间结束后，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。,双音门铃电路设计分析,当按钮开关AN按下时，开关闭合，VCC经Dz向充电，P点(4脚)电位迅速充至VCC，电路起振。由于D1将R3旁路，故充电时间常数为(R1+R2)C1，放电时间常数为R2C1，多谐振荡器产生高频振荡，喇叭发出高音。当按钮开关AN松开时，开关断开，由于电容C4储存的电荷经R4放电要维持一段时间，在P点电位降至复位电平之前，电路将继续维持振荡。但此时Vcc经R3、R2、R1向C充电，充电时间常数增加为(R3+R2+R1)C1，放电时间常数仍为R2C1,多谐振荡器产生低频振荡，喇叭发出低音。当电容持续放电，使P点电位降至555的复位电平以下时，多谐振荡器停止振荡，喇叭停止发声。调节高频、低频振荡相关参数，可以改变高、低音发声频率以及低音维持时间。,555定时器构成的振荡器应用实例模拟声响发生器,将振荡器A的输出电压uo1，接到振荡器B中555定时器的复位端（4脚）。当uo1为高电平时振荡器B振荡，当uo1为低电平时5