第七章-脉冲波形产生与完整PPT课件

16.05.2020,.,1,数字逻辑A,主讲：信息与通信学院谢跃雷,16.05.2020,.,2,第七章脉冲波形的产生与整形,7.1概述7.2555定时器7.3单稳态触发器7.4施密特触发器7.5多谐振荡器,16.05.2020,.,3,7.1概述,一、脉冲信号,脉冲是脉动和短促的意思，凡是具有不连续波形的信号均可称为脉冲信号。广义讲，各种非正弦信号都是脉冲信号。,16.05.2020,.,4,在数字系统中常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿的矩形脉冲信号，如触发器的时钟脉冲（CP）。获取这些脉冲信号的方法通常有两种：脉冲产生电路直接产生；利用已有的周期信号整形、变换得到。,16.05.2020,.,5,二、脉冲信号的参数,脉冲幅度,脉冲周期,脉冲宽度,上升时间,下降时间,占空比q脉冲宽度与脉冲周期的比值，qtW/T。,16.05.2020,.,6,三、脉冲产生电路的暂态分析,脉冲波形产生与整形电路多是由RC充放电电路构成的。,开关闭合的一瞬间，电容器上电压不能突变，满足开关定理UC(0+)=UC(0-)。充电暂态过程结束后，流过电容器的电流iC()为0，即电容器相当于开路。,16.05.2020,.,7,令uC(tW)=UT，则从暂态过程的起始值UC(0+)变到UT所经历的时间tW（脉冲宽度）可用下式计算：,电路的时间常数=RC，决定了暂态时间的长短。根据三要素公式，可以得到电压随时间变化的方程为,16.05.2020,.,8,7.2555定时器,555电路又称为集成定时器。555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，可以方便地构成单稳态触发器，施密特触发器和多谐振荡器。,1972年由Signetics公司推出。既有双极型产品，也有MOS型产品。双极型产品型号的最后3位数码是555，单极型最后数字是7555如：,CB555是国产双极型电路；,CH7555是CMOS型电路。,16.05.2020,.,9,一、555定时器的电路结构,电压比较器，若u+u-，则输出为高电平，反之输出为低电平。,基本触发器,清零端：0有效,输出缓冲器，起整形和提高负载的作用。,16.05.2020,.,10,1.分压器,电压控制端,5脚悬空时，；,5脚外接控制电压UCO时，。,注：当5脚不加控制电压时，通常经过一个0.01F的电容接地，以抑制干扰。,16.05.2020,.,11,2.电压比较器,阈值输入端,触发输入端,3.基本RS触发器,异步清零端,16.05.2020,.,12,4.放电三极管,VT是一个集电极开路的放电三极管。,16.05.2020,.,13,二、555定时器的功能,5脚不外接控制电压。,定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RS触发器和放电管VT状态的控制。,16.05.2020,.,14,555定时器功能表,5脚不接控制电压:,低,导通,1,低,导通,1,导通,高,截止,（不变）,uCO,0,16.05.2020,.,15,由表2可得如下口诀：,大于、大于、出0；,小于、小于、出1；,小于、大于、保持,16.05.2020,.,16,7.3施密特触发器,一、555定时器构成的施密特触发器,1.电路结构和逻辑符号,UI,UO,+VCC,0.01uF,16.05.2020,.,17,2.工作原理,UI,THTR,UO,0,1,0,1,电压波形,演示,16.05.2020,.,18,施密特触发器是一种常用的脉冲信号整形电路。,工作特性：,3.工作特性,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。,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。,16.05.2020,.,19,电压传输特性,输入信号上升时对应的转换电平U+，称为正向阈值电压；输入信号下降时对应的转换电平U，称为负向阈值电压；差值UU+U-，称为回差电压。,正向阈值电压U+,负向阈值电压U,16.05.2020,.,20,UO1,UI,UI,UO,二、用门电路构成施密特触发器,1、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,U+,VTH,1,0,U+,VTH,1,0,G1、G2门将要翻转,=U+,=VTH,0,UO突变,UI下降过程中,U-,VTH,0,1,0,1,1,0,U-,VTH,=U-,=VTH,G1、G2门将要翻转,UO突变,1,UI,（用CMOS非门）,2、工作原理,U+,VTH,0,1,1,0,U-,VTH,16.05.2020,.,21,3、举例,设UI为缓慢变化的三角波：,UI,t,VTH,U+,U,UO,t,UOL,UOH,G1门的阈值电平,16.05.2020,.,22,4、计算回差电压u,、求U+,在UI从0开始上升时，UO=UOL。,UOH,UOL,VTH,U+,从求UI,入手求U+：,UI,=VTH=UR2=,电路中电流流向和电位情况见图。,16.05.2020,.,23,、求U,UOL,在UI从最大值开始下降时，UO=UOH。,UOH,VTH,U,从求UI,入手求U：,UI,=UTH=UOHUR2=,又：,故：,电路中电流流向和电位情况见图。,16.05.2020,.,24,5、电压传输特性,UI=0时，UO=UOL,是同相施密特特性,UI,UO,VDD,VTH,、求回差电压U,当VDD一定时，调R1、R2，可调UT，即可调U+U，可调UO脉宽。,6、逻辑符号,U,U+,16.05.2020,.,25,三、施密特触发器的应用,1.波形变换,施密特触发器可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换成边沿陡峭的矩形脉冲信号。,例：,已知UI为半波，UIm=9V，,电路的U+=6V，U-=3V,UOH=VDD，试画UO波形。,9,6,3,U+,U-,VDD,VDD,16.05.2020,.,26,2.波形整形,施密特触发器可以将不规则的波形整形为矩形波。若适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。回差电压是由5脚接入的控制电压UCO来控制的。,U+,U-,U+,U-,16.05.2020,.,27,从一系列幅度不同的脉冲信号中选出幅度大于正向阈值电压U+的输入脉冲，即对幅度进行鉴别。,3.幅度鉴别,U+,U-,16.05.2020,.,28,一、555定时器构成的单稳态触发器,5脚经过0.01F电容接地，则，。,7.4单稳态触发器,16.05.2020,.,29,R,C,UI,+,-,2、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,演示,16.05.2020,.,30,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）,3、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。,16.05.2020,.,31,4、工作特性：,它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，电路能自动返回稳态；暂稳态不能长久保持，其维持时间的长短取决于电路自身参数，与外界触发脉冲无关。,稳态,暂稳态,触发脉冲,16.05.2020,.,32,三、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，,16.05.2020,.,33,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,16.05.2020,.,34,4、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,16.05.2020,.,35,5、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,16.05.2020,.,36,四、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。,UA,UB,UO1,UO,UI,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,R,C,UO1,16.05.2020,.,37,3、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,16.05.2020,.,38,五、单稳态触发器的应用,1.脉冲整形,单稳态触发器能够把输入的不规则脉冲信号uI，整形为具有一定幅度和一定宽度的标准矩形脉冲uO。uO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于定时元件R和C。,单稳态触发器的整形波形,16.05.2020,.,39,2.脉冲延时,脉冲延时电路一般要用两个单稳态触发器完成。延时时间为tW1，它决定于第一级单稳态触发器的定时元件R和C。,TW2,16.05.2020,.,40,3.定时,由于单稳触发器可产生宽度为tW的矩形脉冲，利用这个矩形脉冲去控制某电路使它在tW的时间内动作或不动作，这就是单稳态触发器的定时作用。定时时间为tW，可通过调节定时元件R和C来调节定时时间。,单稳态触发器的定时波形,16.05.2020,.,41,7.5多谐振荡器,一、555定时器构成的多谐振荡器,1.电路结构,16.05.2020,.,42,2.工作原理,R1,R2,C,UC,U6,U2,UO,VT,起始时,0,1,截止,C充电,0,导通,C放电,1,截止,循环往复，直到关机。,演示,16.05.2020,.,43,3、电压波形,总之：起始时，UC=0，UO=UOH,UO在UOLUOH之间振荡,T1,T2,充电回路：VCC+R1R2CVCC-（充电慢）,放电回路：C+R2VTC-（放电快）,T1=0.69(R1+R2)C；,T2=0.69R2C；,T=0.69(R1+2R2)C；,q=T1/T,以后,T1=(R1+R2)Cln,VCC-,VCC-,U-,U+,T2=R2Cln,0-,0-,U+,U-,4、电路计算,本例：,=,R1+R2,R1+2R2,16.05.2020,.,44,5、工作特性,多谐振荡器是一种常用的脉冲信号产生电路。,无稳态，具有两个暂稳态；自激振荡器在接通电源后，不需外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲；矩形波中除基波外，还含有丰富的高次谐波故称为多谐振荡器。,16.05.2020,.,45,用门电路构成多谐振荡器,二、对称式多谐振荡器,1、组成（用TTL门电路）,UI1,UO2,UO1,UI2,2、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，,16.05.2020,.,46,0,0,1,1,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。,16.05.2020,.,47,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=1,16.05.2020,.,48,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RFR1时，,T1=0.65RFC,振荡周期：T=2T1=1.3RFC,振荡频率：f=1/T,占空比：q=(T1/T)100%,3、电压波形,C2放电、充电,C1充电、放电,VTH,VIK,16.05.2020,.,49,三、环形振荡器,1、组成,利用门电路的传输延迟时间tpd，将奇数个反相器首尾相接。,UO1,UO2,UO3,2、工作波形,tpd,3、计算,TW=ntpd；,T=2TW；,f=1/T,一般，tpd=,TTL类几十ns,CMOS类几百ns,（所以，环形振荡器的振荡频率f特别高）,为了获得较低的、可调的f，可在环形回路中增加RC延时环节。,TW,n是门的数目。,16.05.2020,.,50,四、用施密特触发器构成多谐振荡器,1、组成,UI,UO,2、工作原理,接通VCC瞬间，C中无电荷，所以：,1）UC=0,3、电压波形,0,0,U+,U-,若是CMOS电路，,T1,T2,T,T1=RCln,VDD-,VDD-,T=T1+T2；,f=1/T；,q=T1/T,UI=0,UO=1,U-,U+,T2=RCln,0-,0-,U+,U-,则：,16.05.2020,.,51,5、电路改进,占空比可调电路如图：,充电经过R2，放电经过R1，,q=T1/T,T=T1+T2,调节R1或R2，即可调节q,16.05.2020,.,52,当频率为谐振频率f0时，石英晶体的等效阻抗最小，信号最容易通过，而其它频率信号均被衰减掉。晶体的选频特性极好。,为了提高振荡器的频率稳定度，往往使用石英晶体多谐振荡器。,五、石英晶体多谐振荡器,555构成的多谐振荡器的特点：优点：工作可靠，调节方便。缺点：振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫；受电源波动、温度变化等影响，频率稳定性较差。,f0只与晶体的材料、几何形状和尺寸大小有关，而与电路中的R、C数值无关。输出频率稳态性很高。,石英晶体的固有频率或谐振频率,16.05.2020,.,53,石英晶体振荡器可分为:无源晶振和有源晶振,电阻R1、R2的作用：保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对TTL反相器，常取R0.7k