第十章-脉冲波形的产生和整形 1

数字电子技术基础教学课件西安工程大学房晔,第十章脉冲波形的产生和整形,10.5555定时器及其应用,10.1概述,10.2施密特触发器,10.3单稳态触发器,10.4多谐振荡器,知识点的教学要求,续：知识点的教学要求,10.1概述,数字电路中，为了控制和协调整个系统的工作，常常需要时钟脉冲信号。,一、获得时钟脉冲的方法,1.脉冲波形发生电路:利用多谐振荡器直接产生；,2.脉冲波形整形电路：通过整形电路变换而成。,整形电路又分为两类：施密特触发器和单稳态触发器。,利用已有的周期性变化波形整形而成，但以频率和幅度都符合要求的电压信号为前提。,二、表述矩形脉冲特性的主要指标,周期T周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间的时间间隔。,频率f（1/T）代表单位时间内脉冲重复的次数。,下降时间tf脉冲从0.9Vm下降到0.1Vm所需的时间。,脉冲幅度Vm脉冲电压最大变化的幅值。,脉冲宽度tw从脉冲前沿0.5Vm始，到脉冲后沿0.5Vm止的一段时间。,上升时间tr脉冲从0.1Vm上升到0.9Vm所需的时间。,10.5555定时器及其应用,10.2施密特触发器(SchmittTrigger),施密特触发器指的是一种电路结构，这种结构可能存在于各种逻辑功能的电路中。如：施密特与门、施密特与非门等。,施密特触发器是一种重要的脉冲整形电路，它能把变化缓慢的波形变换成矩形脉冲。,施密特触发器的主要特点：,*电路状态转换时有正反馈过程，使输出波形边沿变得很陡。,*输入信号在上升和下降过程中，电路状态转换时对应的输入电平不同。,施密特,几种反相器电压传输特性对比,TTL,COMS,所以，施密特触发器利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢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。,10.5.2555接成施密特触发器,即：特性具有滞回性！,10.2.1用门电路组成的施密特触发器1.用CMOS门电路组成的施密特触发器,*当vI=0V（vA=0V）时，vO1VDD，vO0V；,*当vI增大时，vA增大，若vA增至VTH附近时，进入传输特性的放大区，因而：,使输出vO迅速跳变到vO=VOHVDD,求vI在上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平VT+,*当vI是高电平时，vO也为高电平,vOVDD；,*当vI减小时，vA减小，若vA减至VTH附近时，进入传输特性的放大区，因而：,使输出vO迅速跳变到vO=VOL0V,求vI在下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平VT-,因为vO和vI的高、低电平是相同的，故将这种形式的电压传输特性称为同相输出的施密特触发特性。,R1R2，VT+VDD,VT-为负值，而vI变化范围在0VDD之间，即达不到阈值而使电路不能翻转。,若以作为输出端，从电压传输特性看，此时和vI的高、低电平是反相的，故将这种形式的电压传输特性称为反相输出的施密特触发特性。,【10.2.1】在CMOS反相器构成的施密特触发器中，要求VT+=7.5V，VT=5V，试求R1、R2和VDD的值。,2.用TTL门电路组成的施密特触发器,*当vI=0V时，vO1VOH，vO0V；,使输出vO迅速跳变到vO=VOH,*当vI增大时，增大，只有当增至VTH附近时(G1与非门要转变为低电平，必须它的两输入端信号均达到阈值），进入传输特性的放大区，因而：,求vI在上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平VT+,*当vI是高电平时，vO也为高电平,vO=VOH；,*当vI减小时，只要减至VTH附近（此时，由于二极管截止，vI将直接控制G1门），进入传输特性的放大区，因而：,使输出vO迅速跳变到vO=VOL,vI在下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平,vI=VT-=VTH,器件实例带与非功能的TTL集成施密特7413,10.2.2集成施密特触发器,附加部分：输入加“与门”输出加推拉式输出级电压值较高，加入电平移动电路,施密特电路工作原理：它是通过公共射极电阻R4耦合的两级正反馈放大器。,可见，无论T2由导通变截止还是由截止变导通，都伴有正反馈，使输出端电压的上升和下降沿都很陡。,由于R2R3，T1饱和时的vE必低于T2饱和时的vE(VE1VT-。,10.2.3施密特触发器的应用一、用于波形变换,二、用于鉴幅,在一串幅度不相等的脉冲信号中，如果要剔除幅度不够大的脉冲,此时可利用施密特触发器将幅度大于VT+的脉冲选出。,由于施密特电路状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化比较缓慢的周期性信号变换成边沿很陡的矩形脉冲信号。,三、用于脉冲整形,传输线上电容较大时，使波形的上升和下降沿明显变坏。,传输线较长且接收端阻抗与传输线阻抗不匹配时，在波形的上升和下降沿产生振荡现象。,其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上时，信号将出现附加的噪声。,特点：有一个稳态和一个暂稳态。在外界触发信号作用下，能从稳态暂稳态，在暂稳态维持一段时间tw后自动返回稳态，并在输出端产生一个宽度为tw的矩形脉冲。暂稳态维持的时间长短取决于电路内部参数，而与触发脉冲的宽度和幅度无关。可广泛应用于脉冲整形、延时以及定时电路。10.3.1用门电路组成的单稳态触发器一、积分型G1和G2为TTL门1、原理分析,10.5.3555定时器接成单稳,10.3单稳态触发器,该电路为正脉冲触发，另外R阻值不能过大，以保证vO1为低电平时vA在VTH以下。,*稳态下：vI=0（低电平），vO=1（高电平），vA=vO1=1，C上存有电荷。G1、G2均截止,*vI后，vO1跳变为低电平。C上电压不能突变，使vA仍在VTH以上，G2两输入端电压均高于VTH，使vO=0，电路进入暂稳态，C开始放电。G1、G2均导通,*C放电使vA下降，当C放电至vA=VTH后，使vO=1。此时，只要vI是高电平，vO1就为低电平。C继续放电。待vI，vO1重新变成高电平，并向C充电。经过恢复时间tre以后，使vA恢复高电平，电路返回稳态。,2.性能参数计算输出脉宽：,二、微分型G1和G2为CMOS门1.原理分析,这时，vd虽回到低电平，vO的高电平仍将维持（因正反馈回路形成）。保证电容C继续充电。,VDD+vC,VOL=0,VOH=VDD,C放电至电压为0，稳态建立。,2、性能参数计算,输出脉宽,输出脉冲宽度（vO=1期间）等于vC=vI2从0充电至VTH的时间。,*微分型与积分型单稳态触发器的比较,1、积分型比微分型单稳抗干扰能力强。2、积分型单稳输出波形的边沿比较差（因为电路状态转换中无正反馈作用)。,*微分型与积分型单稳态触发器的比较,否则，暂稳态的结束将不由RC放电决定，而是受触发脉冲控制，不符合单稳态触发器的工作特性。,3、积分型单稳必须在触发脉冲宽度大于输出脉冲宽度时方能正常工作；微分型单稳可用窄脉冲触发也可在vd的脉宽大于输出脉宽时电路仍工作，但输出脉冲下降沿较差。,vO在返回低电平过程中(对应电容充电至阈值后），将不伴随有正反馈过程的发生。因为此时G1门受vI控制而关闭，导致正反馈无法形成。,三、施密特触发器构成的单稳,图为用CMOS集成施密特触发器组成的单稳，电路利用输入脉冲的上升沿触发。,10.3.2集成单稳态触发器电路结构与工作原理(TTL集成单稳74121),微分型单稳,控制附加电路,74121功能表,74121功能表,逻辑功能表说明,可重复触发？不可重复触发？,单稳态触发器的工作波形,74121属于不可重复触发型的单稳,在暂稳态未结束时，由于vO1此时仍处于低电平，若再触发vO1还是低电平，故不可能影响暂稳态的进程，电容C将继续充电，直至vI2达到阈值，暂稳态结束，电路才可能接受下一个触发脉冲。,？,10.3.3单稳态触发器的应用（以下实例对应555定时器组成的单稳态触发器）,一、用于脉冲整形,利用单稳态触发器在触发信号作用下由稳态进入暂稳态，暂稳态持续一定时间后自动返回稳态的特点，可将单稳态触发器用于脉冲整形、定时、延时等场合。,如图所示例子中，将波形不规则的vI加到单稳态触发器电路的输入端，可在输出端得到一个规则的脉冲信号vo，输出脉冲宽度即为暂稳态持续时间，主要取决于充、放电元件R和C。,二、用于定时,利用单稳态触发器脉冲宽度取决于电路元件R和C，且输出脉冲宽度一定的特点，可以实现电路定时。如图所示是单稳态触发器组成的定时电路和其相应的工作波形。vC是与门G开通与否的控制信号。当vC开通，信号vB通过与门G输入；当vC为低电平时，与门G关闭，vB不能输出。通过计算在tw时间内与门输出脉冲的个数可得到定时时间。,三、用于脉冲延时,在数字系统中，有时要求将某个脉冲宽度为t0的信号延迟一段时间t1后再输出。利用两个单稳态触发器可以很方便的实现这种脉冲延时，其电路图和波形图如图所示。从波形可以看出，第二级单稳态触发器输出信号vB的下降沿相对输入信号vI的上升沿延迟了tw1时间。图中t1=tw11.1R1C1t0=tw21.1R2C2,10.4多谐振荡器（自激振荡，不需要外加触发信号）10.4.1对称式多谐振荡器一、工作原理（TTL）(1)静态（未振荡）为产生自激振荡，电路不能有稳定状态，即在静态时应该是不稳定的。,工作位置,对74系列的门电路而言，RF1的阻值在0.51.9k之间,电路进入第一个暂稳态，C1开始充电，C2开始放电。,C1充电，使vI2上升；C2放电，使vI1(=VOH+vC2)下降。,X,+,+,+,C1充电C2放电,+,使vO1迅速跳变为低电平，而vO2迅速跳变为高电平。G1导通,G2截止；,使vO1迅速跳变为高电平，而vO2迅速跳变为低电平。G2导通,G1截止；,电路进入第二个暂稳态，C1开始放电，C2开始充电。,C2充电，使vI1上升；C1放电，使vI2(=VOH+vC1)下降。,+,+,+,+,三、振荡频率计算,二、电压波形,受输入端反向钳位二极管的影响，vI1或vI2在产生负跳变时，只能下跳至输入端负的钳位电压VIK。,设VOL0，vC1vI2，所以vC1(0)=VIK，vC1()=VE1，转换电压VTH。,如果G1、G2为74LS系列反相器，取VOH=3.4V，VIK=-1V，VTH=1.1V，且RFR1，有VEVOH，RERF。则上式可化简为:,10.4.2非对称式多谐振荡器,对称式多谐振荡器还可进一步简化。只要静态时G1工作在电压传输特性的转折区，G2即可得到一个介于高、低电平之间的静态偏置电压，从而使G2的静态工作点也处于电压传输特性的转折区。因此，可以把C1和RF2去掉。,利用闭合回路的延时负反馈产生自激振荡一、最简单的环形振荡器（将奇数个反相器首尾相接构成）,10.4.3环形振荡器,电路无稳定状态，因为静态下任何一个反相器的输入、输出都不可能稳定在高电平或低电平，而只能处于高、低电平之间，即处于放大状态。,环形振荡器的工作波形,门电路传输延迟时间极短，要获得振荡频率稍低一些的脉冲信号很困难，且频率不易调节。,可见，将任何大于、等于3的奇数个反相器首尾相接构成环形电路，都能产生自激振荡，而且振荡周期为T=2ntpd,10.4.4用施密特触发器构成的多谐振荡器,利用施密特触发器电压传输特性的滞回性，使电路的输入电压在VT+与VT-之间往复变化，则在输出端即可得到矩形脉冲。,vC=0,1,+,vC=VT+,0,vC=VT-,1,实现输出脉冲的占空比可调电路,充电,放电,在上述多谐振荡电路中，由于决定振荡频率的主要因素是电路的定时元件RC以及门电路的阈值电压VTH。而它们都受如下因素的影响，使频率稳定性只有约10-3或更差。,门电路组成的多谐振荡器的特点：,因此，在对频率稳定性要求比较高的场合，普遍采用石英晶体振荡器。,第一，门电路的阈值电压VTH本身就不够稳定，易受电源电压和温度变化的影响；,第二，这些电路的工作方式易受干扰，造成电路转换时间的提前或滞后；,第三，在电路状态临近转换时，电容的充、放电已经比较缓慢，此时转换电平的微小变化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。,10.4.5石英晶体多谐振荡器,年美国卡第提出用石英压电效应调制电磁振荡的频率。巴黎广播电台首先用严济慈制作的石英振荡片实现了无线电播音中的稳频，随后各国相继采用，使无线广播振荡电磁回路稳频成为压电晶体的最重要应用之一。,石英晶体的基本特性,石英晶体振荡器是将切成薄片的石英晶体置于两平板之间构成的。,石英晶体振荡器的频率稳定度能达到10-510-8。高质量石英晶体振荡器(其晶片置于恒温盒内)，频率稳定度可达10-11。,石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率f0，而与外接电阻、电容无关。固有谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸决定。所以，频率稳定度极高。,谐振频率为石英晶体的串联谐振频率f0,一、电路结构（CB555）电阻分压器(35k)电压比较器（C1,C2）触发器（G1,G2）输出缓冲器（G3,G4）OC输出的三极管（TD）,10.5555定时器及其应用10.5.1555定时器,555定时器是一个中规模数/模混合集成电路，目前在仪器、仪表和自动化控制装置中应用很广。它可以组成定时、延时和脉冲调制等各种电路。,接地端，正电源端，复位端，阈值端，触发端，泄放输出端，输出端，控制电压输入端。,8个引出端：,当vOD端经电阻（足够大）接到电源上，则vOD将与vO有相同的高低电平。,功能表（输出与输入的关系）,0,1,1,0,TD导通,1,0,0,TD截止,1,555集成定时器的工作原理,vO输出低电平。,比较器C1输出为0，C2为1；,SR锁存器被置0；,晶体管TD导通;,vO输出维持不变。,C1输出为1，C2输出为1;,SR锁存器保持;,晶体管TD维持不变;,vO输出高电平。,比较器C1输出为1，C2为0；,SR锁存器被置1；,晶体管TD截止;,vO输出高电平。,比较器C1输出为0，C2为0；,晶体管TD截止;,10.2施密特触发器,10.5.2用555定时器接成施密特触发器工作原理,a.vI从0开始升高，当vI(1/3)VCC时,vO=VOH;,b.(1/3)VCCvI(2/3)VCC时，输出vO不变，仍为高电平；,c.当vI增大到略大于(2/3)VCC时，电路输出vO变为低电平,vO=VOL;,体现反相施密特触发特性,d.当vI由高于(2/3)VCC值下降，达到TH端(端)的触发电平时，即(1/3)VCCvI(2/3)VCC，电路维持vO=VOL;,e.当vI下降到略小于(1/3)VCC时，输出vO跃变