脉冲波形的产生与整形课程课件

第七章脉冲波形的产生与整形,主要内容555定时器的工作原理、逻辑功能及由555构成的脉冲电路。由门电路构成的脉冲电路。,数字电路区别于模拟电路的主要特点之一是：它的工作信号是离散的脉冲信号。最常用的脉冲信号是方波(矩形波)。如何产生方波以及对不理想的方波如何整形，是本章讨论的重点。,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：,电容充放电知识复习：,(1)电容两端的电压不能突变，Vc（0）Vc（0），电容充放电需要时间，有过渡过程，其时间长短只与RC有关,工程上取3；,（2）开始充放电（换路）瞬间，阻抗很小，相当短路；充放电结束，电路处于稳态，C支路电流为0，阻抗很大，相当开路；,（3）简单RC电路中，各处电压、电流均按指数规律变化；,（4）在简单RC电路中,本章讲授,2集成门构成的脉冲电路,1555定时器的原理和应用,学习要求,1555定时器的原理和应用,555定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。它使用方便,带负载能力较强,目前得到了非常广泛的应用。,一、555定时器的电路结构和基本功能,555定时器的内部电路包括以下几部分:两个电压比较器:C1、C2;一个基本RS触发器;一个晶体管T；由三个相等电阻组成的分压器;一个反相器等。,1.电路结构,触发输入端,阈值输入端,电压控制端,复位端低电平有效,放电端,4.518V,输出端,地,555定时器的管脚图,2.基本工作状态,三个电阻构成的分压器给两个比较器提供基准电压:分别为和。,0,0,1,工作状态：在TH、TR、RD端施加不同电平的控制信号，得到555的几种不同工作状态。需了解C1、C2、T、Q、Q、Vo的工作情况。,b,2/3VCC,1/3VCC,0,0,0,1,1,1,2VCC/3,VCC/3,1,1,0,1,0,b,2VCC/3,2/3VCC。充电时间决定于RC的大小。,触发:VI0Vo1，T截止。,触发翻转（VI0，C20）,结论：Vi0触发后，电路进入暂态，Vo1，T截止，Vc逐渐上升。,T导通时，C放电。,工作原理（续2）：,VTH,VC,b,T,VC2/3VCC时，Vo0，T导通，C放电。,VI1,自动返回（VI1，C21）,结论：Vc充电到2/3VCC后，电路返回到稳态，Vo0，T导通，Vc放电0。,2/3VCC,上电后进入稳态（VI1，Vc=0，Vo=0）,工作波形：,2/3VCC,外触发:Vi,Vi1/3VCC，比较器C20，触发器置1，Vo1T截止，C充电电路进入暂稳态。,=V2,=V6,T截止，C充电，当vc上升到2/3VCC时:比较器C1=0，触发器置0，Vo0T导通，C放电,vc0电路电路返回稳态。,2/3VCC,自动返回（VI1）:,由以上过程可以看出:每来一次负脉冲,vo便输出一个正脉冲,其宽度tW由RC决定。,输出脉冲宽度tw,tw是Vc从0指数上升到2VCC/3时所需的时间,注意:tw宽度的增加，将降低定时精度和稳度。tw的范围为几秒到几分钟。,在充电过程中（C1=1）,如VI再次触发,C2=10,Q仍保持为1，电路状态不变（T截止，C保持充电状态）。,多次触发时的情况：,故该电路为不可重复触发型单稳态触发器：,电路图：,可重复触发的单稳态触发器,可重复触发的单稳态触发器（续）,工作过程,b.触发时:,a.稳态时:,VI=1,T1截止,电路状态同普通单稳。,VI=0，电路触发翻转，Vo1VI=0期间,T1导通,电容不能充电。VI=1后，T1截止,电容开始充电。,可重复触发的单稳态触发器（续）,工作过程（续）,c.重复触发时:,当Vc2/3VCC(电路仍处暂态)时，若VI又进行触发(VI=0),则C通过T1放电,电路将维持在暂态,直到在tW时间内没有新的触发,电路回到稳态。,a.稳态时:,b.触发时:,VI=1,T1截止,电路状态同普通单稳。,电路翻转。,vI,可重复触发的单稳态触发器的波形图：,失落脉冲检测仪,触发过程：,c.VI=1电容开始充电,e.重复触发：电容充电过程中VI=0,电容放电，VI=1后，再次充电实现可重复触发。,a.VI=1,稳态VO=0,b.VI=0,触发VO=1进入暂态，C不能充电。,单稳态触发器的应用,一般用于,定时（产生一定宽度的矩形波）,整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）,延时（把输入信号延迟一定时间后输出）,1)定时,3)整形,2)延时,555定时器做多谐振荡器,多谐振荡器的特点：（1）不需外触发的自激振荡器；（2）无稳定状态，均为暂稳态；（3）矩形波中含有丰富的高次谐波，习惯称多谐振荡器。,外接R1,R2,C,电路：,Vcc通过R1、R2向C充电,在VC没有充电到2VCC/3之前,Vo保持1不变。,当VC2VCC/3时Vo由1翻转为0。T导通电容C经R2、T放电。,当Vc降至VCC/3时，使得Vo回到1T截止电容C再充电，进入循环.,原理,占空比：,频率：,振荡周期：,电路特点：充放电电路各自独立。,充电回路：tw1=RACln2,放电回路：tw2=RBCln2,占空比：q=tw1/(tw1+tw2)=RA/(RA+RB),通过调节R2来调节占空比,占空比可调多谐振荡器:,555定时器做施密特触发器,施密特触发器的特点：（1）双稳态触发器，有两个稳定的状态；（2）电平触发电压达到某个值时电路状态翻转；（3）具有滞后电压传输特性回差特性（两次翻转输入电平不同）；,电路：,2，6端连在一起作为信号输入端,VI2/3VCC时，C10，C21，VO=0,构成集电极开路型输出端。,工作原理：,v,i,v,o,t,t,0,0,U,T+,U,T,2,V,CC,/,3,V,CC,/,3,v,i,v,o,t,t,0,0,U,T+,U,T,2,V,CC,/,3,V,CC,/,3,下限阈值电压,(b)逻辑符号,(a)传输特性,V,T,V,T+,上限阈值电压,回差电压（滞后电压）：VT+=2/3VCC;VT-=1/3VCCVTVTVT=1/3VCC,在7脚外接一电阻，并与VCC1相连，vO=1时，vO1=VCC1;vO=0时，vO1=0，可以实现电平移动。,在5脚上加控制电压VCO可以改变VT+,VT-，以调节回差电压的大小,说明：,施密特触发器的应用：,波形变换三角波、正弦波变换成方波,正弦波方波,三角波方波,调节VT+,VT-可以改变宽度,波形整形消除噪声干扰,回差电压比较小,回差电压比较大,幅度鉴别,可以调节VT+作为鉴别门限,构成多谐振荡器,2集成门构成的脉冲电路,一、单稳态触发器,1.微分型单稳态触发器,由与非门和RC微分电路构成，二个与非门首尾相接交叉耦合，RC为定时元件。,窄脉冲触发,RRoff,(1)电路构成:,(a)稳态,vI=1,无触发，电路处于稳态，vO1=0，vO2=1vC0,=1,=0,=1,=0,vR,（2）工作原理：,RRoff,(b)外加触发信号,vI=0,vO1=1,电容电压不能突变vR=1vO2=0进入暂稳态,vO2=0vO1=1vO2=0形成正反馈，自锁，vI即使为1也不影响。,=0,=1,=1,=0,vR,(c)自动返回,=1,电容C按指数上充电，vR按指数逐渐降低；,vR,当vR下降到达门电路阈值电压（1.4V）时，电路状态将发生翻转,vI即使恢复为高电平，由于电路中的正反馈，输出仍能维持。,vR下降，电路状态改变,vR下降vO2=1vO1=0,电容电压不能突变vC=VTHvR下降V,vR,(d)恢复稳态,电容放电，vC恢复电路恢复到稳态vI=1vO1=0vO2=1vR=0,vR,G1的输出电阻,tW,V,TH,7,.,0,0,ln,-,=,tW=0.7（RR0）C,vR,0,（RR0）C,-,(3)输出脉冲宽度tW,VTH,（RR0）C,取VOH3.6VR=330R0=100VTH=1.4V,tre,一般认为经过（35)RC时间，电容已经放电完毕即,最大工作频率：,vO2,(4)恢复时间tre,tre=(35)RC,（1）微分型单稳态触发器电路适于窄脉冲触发，若宽脉冲触发，输入端需另加微分电路,说明：,（2）微分型单稳态触发器窄脉冲触发，容易引起误动作；,（3）电路中有正反馈，所以输出的边沿比较好。,不被再次触发,被再次触发,2.集成单稳态触发器：,分类,不可重复触发:,可重复触发：,电路进入暂稳态(被触发状态)中，不受触发输入影响，只有返回稳态后才可以被再次触发。,电路在暂稳态中仍然可以接受输入，可以被重复触发，每触发一次，电路暂稳态会继续保持tW。,74121(单)74221(双),74122(单)74123(双),B=1时A:10,74LS121,(1)功能表(P215),A有0时B:01,(2)电路,(3)原理,稳态,稳态信号：VR1,G50,G6=1,Uc=0,(3)原理(续1),触发翻转,1,1,0,1,0,尽管稳态时Z可以为1或0，但只有Z0，且外触发信号使Z1时电路才能正常翻转。,G6VRVcc可向C充电,(3)原理(续2),延时返回,翻转后:,至此使G5完成了一个窄脉冲输出（6级门延时）。,1,1,0,1,0,1,0,0,0,1,0,1,(4)触发方式,B1时，A1A211变为有0,A1A2有0时，B由0变1。,(5)定时参数,R：内接2K外接1.440K,C：外接10Pf10f,tW0.7RC,外接电容接在10，11引脚(Cext,Rext/Cext)之间，如果C有极性，正极接11脚(Rext/Cext),如果使用外部电阻(1.440k)，电阻两端分别接11,14脚(Rext,VCC),(6)元件连接:,如果使用内部电阻(2k)，把9引脚(Rint)接VCC。,(7)应用:,整形、定时、延时。,1,7,8,14,外接电阻,内部电阻,二、多谐振荡器,一种自激振荡电路，无需外界触发即可产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。没有稳定状态无稳态电路。,方波含有很多高次谐波分量，称为多谐振荡器。,方波输出由数字逻辑器件(逻辑门电路）完成；一定频率由延时电路(RC充放电回路）完成；自动进入振荡状态由反馈回路完成。,1.CMOS自激多谐振荡器,(1)电路构成,由2个CMOS反相器和外接RC组成。,CMOS反相器内置保护二极管。,(2)工作原理,(仅分析稳定工作时的状态）,设:反相器翻转门坎电平为VTH1/2VDD,设Vo1=1,Vo2=0:暂态,VDDV1RCV4向C充电。,当VC上升使VCVTH电路翻转,Vo1、Vo2。,Vo1=0,Vo2=1:暂态,VDDV3CRV2向C反向充电。,当VC下降使VCVTH电路翻转,Vo1、Vo2电路回到暂态。,(3)工作波形,t=0时刻接通电源，C未充电；VC=0，VO1=VDD,VO2=0;第一暂稳态;,VO1高电平，VO2低电平，通过R向C充电,VC电压逐渐升高.,当VC上升至VTH时,门电路G1发生状态翻转，VO1=0,VO2=VDD电容两端电压不能突变VC=VTH突变成VC=VDD+VTH,VC应该上升到1.5VDD，但是由于保护二极管的作用，VC不能上升那么高，仅到达VDD+V+,(3)工作波形(续1),VDD+V+,VO1=0,VO2=VDD,电容通过R放电并反向充电VC电压逐渐下降。第二暂稳态;,(3)工作波形(续2),当VC下降到VTH,门电路G1再次发生状态变化VO1=VDD,VO2=0此时VC=VDD-VTH,电容电压不能突变VC=VTH-VDD,VC应该下降到-1/2VDD,由于保护二极管的作用，VC只能下降到-V,(3)工作波形(续3),VC=-VVO1=VDDVO2=0,回到第一暂稳态，电路继续持续翻转、振荡。,(3)工作波形(续4),(4)振荡频率计算：,RC电路的瞬态响应：,T1:t1为时间起点0+；T2:t2为时间起点0+；,计算T1：VC(0+)=-VVC(T1)=VTHVC()=VDD,(4)振荡频率计算(续1):,计算T2：VC()=0VC(T2)=VTHVC(0+)=VDD+V+,(4)振荡频率计算(续2)：,V+的值为保护二极管的正向导通电压,大约为0.7V,相对于VDD可以忽略不计,对CMOS门电路：VTH=1/2VDD,(4)振荡频率计算(续3)：,2.石英晶体多谐振荡器,石英晶体振荡器常用作数字系统的基准信号。,为获得稳定的振荡频率,可在振荡电路中串接石英晶体,组成石英晶体振荡器。,(1)石英晶体阻抗频率特性,在固有频率fs上,阻抗X=0。,内部电路,(2)石英晶体振荡器,石英晶体,Vo输出的振荡频率等于石英晶体的谐振频率fs,TTL门,R1，R2：0.72KC:0.1F,CMOS门,R：10100MC:30Pf,常见的外接振荡电路,三、施密特触发器,1.两级CMOS反向器构成的施密特触发器,电路,原理,Vi0Vo11VO0,Vi由0上升,ViViVth引起正反馈,结果：Vo10，VO1,Vi由Vi单独作用：,ViViVth引起正反馈,结果：Vo11，VO0,原理（续1）,Vi由最大值下降,Vi由Vi和VO共同作用：,Vi1Vo10VO1,原理（续2）,回差,VT,VT,构成同相电路,2.集成施密特触发器（74LS14）,电路,原理,由输入级、滞后特性形成级、倒相放大级、推拉输出级，4级电路组成。（书P219）,自学（核心器件：V1、V2、R2、R3、R4）。,特性曲线,V