脉冲波形的产生与整形

,第6章脉冲波形的产生与整形,概述,555定时器及其应用,本章小结,施密特触发器,单稳态触发器,多谐振荡器,主要要求：,了解矩形脉冲的性能参数。,6.1概述,了解脉冲信号产生与整形的方法,脉冲信号：指突然变化的电压或电流。,获得脉冲波形的方法：1利用脉冲振荡电路产生；2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。,一、常用脉冲波形及参数,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,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。,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）。矩形波的其它参数：,（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。,二、RC电路的应用,可对矩形波进行变换，常用的有微分电路、积分电路和脉冲分压器。,1.微分电路,可将矩形波变换为尖峰波（条件RCtw）。,由于电路的输出uO只反映输入波形uI的突变部分，故称为微分电路。,2.积分电路,可将矩形波变换为三角波。（条件RCtw）,输出波形uO的边沿变差了。（如果RCtw，即不满足积分电路的条件）,常用的有施密特触发器和单稳态触发器。,三、脉冲信号产生与整形的方法,获取脉冲信号的方法,脉冲信号产生与整形电路的实现,是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便、灵活，应用广泛。,施密特触发器,主要用以将缓慢变化或快速变化的非矩形脉冲变换成陡峭的矩形脉冲。,单稳态触发器,主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。,主要要求：,理解施密特触发器的工作原理。,6.2施密特触发器,了解施密特触发器的逻辑功能、工作特点和典型应用。,施密特触发器主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿陡峭的矩形波。,特点：电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持和转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平触发。电压传输特性特殊，有两个转换电平（正向阈值电压UT+和负向阈值电压UT）。状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。,两个CMOS反相器，两个分压电阻。,1.电路组成,反相输出型,同相输出型,一、门电路构成的施密特触发器,2.工作原理,（1）工作过程设CMOS反相器的阈值电压UTH=VDD/2，输入信号uI为三角波。,UT+：正向阈值电压。,UT：负向阈值电压。,（2）工作波形与电压传输特性,施密特触发器将三角波uI变换成矩形波uO。,同相输出型施密特触发器的工作波形及电压传输特性（a）工作波形（b）电压传输特性,正向阈值电压UT+,负向阈值电压UT,回差电压UT=UT+UT,集成施密特触发器的UT+和UT的具体数值可从集成电路手册中查到。如CT74132的UT+1.7V、UT0.9V，所以，UTUT+UT1.7V0.9V0.8V。,1.施密特反相器,TTL的74LS14和CMOS的CC40106均为六施密特触发的反相器。下面以CC40106为例说明其功能。,二、集成施密特触发器,施密特触发反相器(a)原理框图(b)电压传输特性(c)逻辑符号,2.施密特触发与非门电路,为了对输入波形进行整形，许多集成门电路采用了施密特触发形式。比如CMOS的CC4093和TTL的74LS13就是施密特触发的与非门电路。,施密特触发与非门的逻辑符号,三、施密特触发器应用举例（以反向输出型为例）,波形变换,将三角波、正弦波和其它不规则信号变换成矩形脉冲。,脉冲整形,将受到干扰的或不符合边沿要求的信号整形成较好的矩形脉冲。,脉冲幅度鉴别,鉴别并取出幅度大于UT+的脉冲。,了解门电路构成的单稳态触发器的工作原理,了解集成单稳态触发器的用法,主要要求：,熟悉单稳态触发器的逻辑功能、分类、工作特点和典型应用。,6.3单稳态触发器,单稳态触发器,工作特点：,有一个稳态和一个暂稳态，无外触发脉冲输入时，电路处于稳态。在外触发脉冲作用下，电路从稳态翻转到暂稳态，经一段时间后，电路自动返回稳态。暂稳态时间长短取决于电路本身的参数，与外加触发脉冲无关。,monostableflip-flop,应用：脉冲整形、延时、定时,举例：楼道的灯,分类：,暂稳态期间如再次被触发，对原暂稳时间无影响，输出脉冲宽度tW仍从第一次触发开始计算。,暂稳态期间如再次被触发，输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽tW。,可重复触发型,不可重复触发型,下面通过工作波形的分析来说明可重复触发型和不可重复触发型触发器的区别。,单稳工作波形举例,暂稳态期间不能再次触发。,暂稳态期间能再次触发。其输出脉宽将在原暂稳态时间基础上再展宽tW。,一、用门电路构成的单稳态触发器,1.电路组成及工作原理,暂稳态靠RC电路的充放电过程维持。由于RC电路接成微分电路形式，故该电路又称为微分型单稳态触发器。,（1）uI为0时，电路处于稳态。uO1UOH=VDD，uI2=VDD，uO=UOL=0。,（2）外加触发信号，电路翻转到暂稳态。当uI正跳变时，uO1负跳变，经电容C耦合，使uI2负跳变，uO正跳变；uO的正跳变反馈到G1输入端，导致正反馈：,迅速变为G1导通、G2截止，此时，电路处于uO1=UOL、uO2=uO=UOH的状态。然而这一状态是不能长久保持的，故称为暂稳态。,（3）电容C充电，电路由暂稳态自动返回稳态。,在暂稳态（uO1=UOL、uO=UOH）期间，VDD经R对C充电，使uI2上升。当uI2上升达到G2的UTH时，发生正反馈：,电路迅速由暂稳态返回稳态，uO1=UOH、uO=uO2=UOL。,从暂稳态自动返回稳态之后，电容C将通过电阻R放电，使电容上的电压恢复到稳态时的初始值。,2.主要参数,（1）输出脉冲宽度tw：即暂稳态的维持时间。tw0.7RC,（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）放电时间常数（通常放电时间常数远小于RC）。,设触发信号的时间间隔为T，为使单稳态触发器能正常工作，应满足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）,（3）最高工作频率fmax（或最小工作周期Tmin）,在使用微分型单稳态触发器时，输入触发脉冲uI的宽度tw1应小于输出脉冲的宽度tw，即tw1tw，否则电路不能正常工作。如出现tw1tw的情况时，可在触发信号源uI和G1输入端之间接入一个RC微分电路。,3.对输入触发脉冲宽度的要求,二、集成单稳态触发器,用门电路构成的单稳态触发器虽然电路简单，但输出脉冲宽度的稳定性较差，调节范围小，而且触发方式单一。因此实际应用中常采用集成单稳态触发器。,TTL集成单稳态触发器电路74121的功能及其应用,74121是一种不可重复触发的单稳态触发器，它既可采用上升沿触发，又可采用下降沿触发，其内部还设有定时电阻Rint(约为2k)。,74121电路的功能表,触发输入端,输出端,外接定时元件引脚,内部电阻引脚,功能：,（1）触发方式：,74121应用电路,（2）定时元件接法：,输出脉冲uO的宽度：tw0.7RCext外接电容Cext一般取值范围为10pF10F，在要求不高的情况下最大值可达1000F。,图(a)：外接电阻R=Rext（1.440k）。,图(b)：用内部电阻RRint(约为2k)。,三、单稳态触发器的应用,2.脉冲延时,如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳电路来实现。,uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间。,1.脉冲整形,3.脉冲定时,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)。,主要要求：,了解多谐振荡器的常用电路及其工作原理。,6.4多谐振荡器,熟悉多谐振荡器的工作特点,即矩形脉冲产生电路，由于距形脉冲中含有丰富的谐波分量，故常称多谐振荡器。,(1)不需输入信号。(2)无稳定状态，只有两个暂稳态。,6.4多谐振荡器,多谐振荡器的工作特点：,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，输出周期性的矩形脉冲信号。,一、对称式多谐振荡器,形成正反馈回路,输出波形,工作原理,接通电源后，由于某种原因使uI1有微小正跳变，将引起正反馈：,uO1迅速跳变为低电平、uO2迅速跳变为高电平，电路进入第一暂稳态。,uO2迅速跳变为低电平、uO1迅速跳变为高电平，电路进入第二暂稳态。,此后，uO2的高电平经R2对C1充电,同时VCC经G2内部电路对C1充电，使uI2升高；C2经R1放电使uI1降低。由于充电时间常数小于放电时间常数，所以充电较快，uI2首先上升到G2的阈值电压UTH，引起正反馈：,此后，C1放电、C2充电，C2充电使uI1上升，引起又一次正反馈，电路又回到第一暂稳态。这样，周而复始，电路不停地在两个暂稳态之间振荡，输出端产生了矩形脉冲。,一、对称式多谐振荡器,振荡周期的估算,取RF1=RF2=RF，C1=C2=C，UTH=1.4V，UOH=3.6V，UOL=0.3V。则可输出占空比50%的矩形波。,T=2tW1.4RFC,脉冲宽度,二、环形振荡器,1.最简单的环形振荡器,利用集成门电路的传输延迟时间，将奇数个反相器首尾相连便可构成最简单的环形振荡器。该电路没有稳定状态。,振荡周期T=6tpd。,缺点：不实用。因为集成门电路的延迟时间tpd极短，而且振荡周期不便调节。,2.RC环形振荡器,利用电容C的充放电，改变uI3的电平(因为RS很小,在分析时往往忽略它。)来控制G3周期性的导通和截止，在输出端产生矩形脉冲。,RS是限流电阻(保护G3)，通常选100左右。,增加RC延迟环节，即可组成RC环形振荡器电路。,振荡周期T2.2RCR不能选得太大（一般1k左右），否则电路不能正常振荡。,三、施密特触发器组成的多谐振荡器,设电容初始电压uC(0)=0。则接通电源后uO输出高电平UOH，输出端通过R向电容C充电，使uC升高。,工作原理,0,UOH,充电,当uC上升到UT+时，施密特触发器状态翻转，uO跃变为低电平UOL。这时C经R和施密特触发器的输出电阻RO放电，使uC下降。,uCUT+,UOL,电容如此周而复始地充电和放电，电路便产生了振荡，输出周期性矩形波。,振荡频率与充放电元件值R、C及VDD、UT+、UT-有关。,四、石英晶体振荡器,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会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。,石英晶体的阻抗频率特性图,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fo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。,将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就组成石英晶体振荡器。振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率fo，与RC无关。,1、串联石英晶体多谐振荡器,目前，家用电子钟几乎都采用具有石英晶体振荡器的矩形波发生器。由于它的频率稳定度很高，所以走时很准。,通常选用振荡频率为32768HZ的石英晶体谐振器，因为32768215，将32768HZ经过15次二分频，即可得到1HZ的时钟脉冲作为计时标准。,2、并联石英晶体多谐振荡器,RF,通常取510M，使G1门工作在电压传输特性的转折区，使G1门放大工作。,选频和形成正反馈。,振荡频率晶体频率,采用CMOS门,调节C1可微调振荡频率；调节C1、C2比值可调节反馈系数。,掌握用555定时器构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的方法。,主要要求：,了解555定时器的电路结构，掌握其符号和功能。,6.5555定时器及其应用,555定时器简介,555定时器是一种结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。它电源电压范围宽(双极型555定时器为516V，CMOS555定时器为318V)，可提供与TTL及CMOS数字电路兼容的接口电平，还可输出一定功率，驱动微电机、指示灯、扬声器等。TTL单定时器型号的最后3位数字为555，双定时器的为556；CMOS单定时器的最后4位数为7555，双定时器的为7556。,一、555定时器的工作原理和逻辑功能,各公司生产的555定时器的逻辑功能与外引线排列都完全相同。,555定时器的电路结构与符号,集电极开路输出端,构成电阻分压器，为比较器C1、C2提供两个参考电压，UR1=2/3VCC，UR2=1/3VCC。,输出缓冲器OUT=Q,构成基本RS触发器，决定电路输出。,555定时器的工作原理与逻辑功能,定时器5G555的功能表,定时器5G555的功能表,555定时器的工作原理与逻辑功能,555定时器的工作原理与逻辑功能,定时器5G555的功能表,555定时器的工作原理与逻辑功能,定时器5G555的功能表,简化功能表,使用要点,通常不用CO端，为了提高电路工作稳定性，将其通过0.01F电容接地。,1.用555定时器构成施密特触发器,思考：施密特触发器的特点？,回差特性：上升过程和下降过程有不同的转换电平UT和UT。,思考：如何与555定时器发生联系？,内部比较器有两个不同的基准电压UR1和UR2。,二、555定时器的应用举例,1.用555定时器构成施密特触发器,电压传输特性为反相输出的滞回特性,UT+=2/3VCCUT-=1/3VCCUT=UT+-UT-=1/3VCC,在5脚加控制电压，可以改变电路的UT+和UT。,例试对应输入波形画出下图中输出波形。,+12V,解：,UT+=2/3VCC=8V,UT-=1/3VCC=4V,因此可画出输出波形为,电路构成反相输出的施密特触发器,2.用555定时器构成单稳态触发器,（1）得到负脉冲外触发：使高触发置0端TH有效暂稳态0自动返回：通过电容C的充放电使低触发置1端TR有效稳态1,思路：外触发自动返回,（2）得到正脉冲外触发：使低触发置1端TR有效暂稳态1自动返回：通过电容C的充放电使高触发置0端TH有效稳态0,(1)电路结构,R、C为定时元件,2.用555定时器构成单稳态触发器,3,4,8,6,2,7,1,5,(2)工作原理、工作波形与参数估算,1.稳定状态,接通电源后VCC经R向C充电，使uC上升。,该电路触发信号为负脉冲，不加触发信号时，uI=UIH(应1/3VCC)。,工作原理,导通,4,8,3,5,2,6,7,1,2.触发进入暂稳态,(2)工作原理、工作波形与参数估算,4,8,3,5,2,6,7,1,3.自动返回稳定状态,(2)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,4,8,3,5,2,6,7,1,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。,(2)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,4,8,3,5,2,6,7,1,(1)电路结构,2.用555定时器构成多谐振荡器,3,4,8,6,2,7,1,5,(2)工作原理、工作波形与周期估算,UOH,工作原理,(2)工作原理、工作波形与周期估算,UOL,工作原理,(2)工作原理、工作波形与周期估算,工作原理,(2)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,R