ch6脉冲波形的产生与整形

1、第第6章章 脉冲信号的产生和整形脉冲信号的产生和整形 数字电路常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡数字电路常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿的峭边沿的脉冲信号脉冲信号，如触发器就需要，如触发器就需要时钟脉冲（时钟脉冲（CP）。脉冲信号产生要用脉冲信号产生要用多谐振荡器多谐振荡器。 本章将介绍常用的本章将介绍常用的施密特触发器施密特触发器、单稳态触发器单稳态触发器和和多谐振荡器多谐振荡器，同时介绍一种多用途的定时电路，同时介绍一种多用途的定时电路555定时器定时器。 获取这些脉冲信号的方法通常有两种：直接获取这些脉冲信号的方法通常有两种：直接产生产生； 利用已有信号利用已有信号整形整形或

2、或变换变换得到。得到。 脉冲信号整形则要用脉冲信号整形则要用单稳态触发器单稳态触发器和和施密特触发器施密特触发器1.脉冲信号的定义脉冲信号的定义（不对称方波）（不对称方波） 三角波：三角波： 锯齿波：锯齿波： 按非正弦规律变化的信号均可称脉冲信号。按非正弦规律变化的信号均可称脉冲信号。 方波：方波：（对称方波）（对称方波）2.脉冲信号的参数脉冲信号的参数 q=TW/T 占空比占空比TwTVmv0tT 脉冲周期脉冲周期 f=1/T 频率频率Tw 脉冲宽度脉冲宽度Vm 幅值幅值2.施密特触发器施密特触发器特点：特点：（1）输出有两种状态（输出为数字信号）；）输出有两种状态（输出为数字信号）； （2

3、）输入采用电平触发）输入采用电平触发;（3）对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值）对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平（电平（VT+和和VT-）。）。1. 什么是什么是施密特触发器施密特触发器？ 施密特触发器施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门。是具有滞后特性的数字传输门。 3. 逻辑符号逻辑符号同相传输同相传输反相传输反相传输4.施密特触发器的电压传输特性施密特触发器的电压传输特性5.施密特触发器与电压比较器施密特触发器与电压比较器G1、G2为为CMOS门电路。电路中门电路。电路中R1R2 。1.电路构成电路构成2.工作原理分析工作原理分析（1） 当当vI=0V时，

4、时，vO1 VDD ， vO 0V， vI 0V； 0 01 10 00 0 思考：思考：为什么要求为什么要求R1R2？（2）当）当vI升高时，升高时，vI 也升高。当也升高。当vI 达到达到1/2VDD时，时，G1、G2输出状态将发生翻转。此时对应的输出状态将发生翻转。此时对应的vI值称为值称为VT+。（3）当当vI大大于于VT+时，电路转到另一稳态：时，电路转到另一稳态：vO1 0V ，vO VDD 。 DD221TI21VRRRVv)(21DDT121RRVVVT+=VDD/200110 01 10 00 0（4）当）当vI由高变低时，由高变低时，vI 也由高变低。当也由高变低。当vI

5、1/2VDD时时，电路又将发生转换。此时对应的，电路又将发生转换。此时对应的vI称为称为VT- -。（5）当当vI小于小于VT- -时，电路转到另一稳态：时，电路转到另一稳态：vO1 VDD ，vO 0V。 DD-T211-TDDI21VVRRRVVv)()(21DD-T121RRVV0 01 11100VT- -=1/2VDD3.工作波形工作波形vIVT+VT-0t0tvO10tvO1.用于用于脉冲整形脉冲整形2.用于用于脉冲鉴幅脉冲鉴幅3.用于用于构成多谐振荡器构成多谐振荡器4.用于用于温控系统温控系统实际温控波形实际温控波形方案一：采用电压比较器构成的温度控制系统方案一：采用电压比较器构

6、成的温度控制系统 方案二：方案二：采用采用施密特触发器施密特触发器构成的温度控制系统构成的温度控制系统实际温控波形实际温控波形 试举出施密特触发器其他应用实例，并试举出施密特触发器其他应用实例，并尽可能说明其原理。尽可能说明其原理。 有两种状态：有两种状态：0 0态和态和1 1态，但只有一种状态能长久保持，态，但只有一种状态能长久保持，故名单稳态触发器。故名单稳态触发器。 例子例子楼道灯控制系统楼道灯控制系统 单稳态触发器的特点：单稳态触发器的特点： （1 1）有稳态和暂稳态两种状态；）有稳态和暂稳态两种状态； （2 2）平时处于稳态，在外部触发脉冲作用下，由稳态进入）平时处于稳态，在外部触发

7、脉冲作用下，由稳态进入 暂稳态；暂稳态； （3 3）暂稳态维持一定时间后自动回到稳态。）暂稳态维持一定时间后自动回到稳态。 1.什么是什么是单稳态触发器？单稳态触发器？单稳态触发器主要有两类：单稳态触发器主要有两类：（1 1）微分型微分型单稳态触发器单稳态触发器（2 2）积分型积分型单稳态触发器单稳态触发器门电路门电路+RC微分电路微分电路微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 G1、G2为为CMOS或非门，或非门，vO1、vO分别为分别为G1、G2的输出的输出，vI2为为G2输入。输入。 1.电路组成电路组成RC微微分电路分电路触发脉冲触发脉冲（1 1）单稳态触发器的稳态）单稳态触发器的稳态

8、触发器的稳态为触发器的稳态为 vO1 VDD，vO 0V。此时，电容。此时，电容两端的电压相等，无充放电。两端的电压相等，无充放电。2.工作原理分析工作原理分析 稳态时，无触发脉冲输入，稳态时，无触发脉冲输入，vI 为低电平，为低电平，C 没有充放电没有充放电，相当于断开。，相当于断开。0 01 10 00 01 1作用：改善作用：改善vO1、 vO边沿。边沿。 1 11 10 00 01 1暂稳态：暂稳态：vO1 0V，vO VDD（2）当）当vI 加一正脉冲时，由稳态进入暂稳态。加一正脉冲时，由稳态进入暂稳态。这里有一正反馈现象：这里有一正反馈现象：0 01 10 00 01 1vIvO1

9、vI2vO（3） 暂稳态自动回到稳态暂稳态自动回到稳态 作用：改善作用：改善vO1、 vO边沿。边沿。 随着随着VDD通过电阻向电容通过电阻向电容C的充电，的充电，vI2逐渐上升，当逐渐上升，当vI2 上升到上升到VDD/2时，时，vO 0V ，vO1 VDD ，电路回到稳态。，电路回到稳态。 正反馈现象：正反馈现象： 0 01 10 0VT0 00 01 11 10 0vO1vI2vO3.工作波形分析工作波形分析 VTIvt0I2vt0Ovt0O1vt0（1）暂稳态维持时间）暂稳态维持时间Tw 电容电容C充电电压方程：充电电压方程：4. 参数计算参数计算 teVVVtv)0()()()(CC

10、CC将将VC（0）0V，VC（）VDD，=RC 代入上式得代入上式得 ：)1 ()(DDCRCteVtv当当vC（t）=VT=1/2VDD时，时，t=T w，代入上式可求得，代入上式可求得 ：RCRCT0.7ln2wVTTwTre（2）恢复时间恢复时间TreTre（35）RC （3）最高工作频率最高工作频率fmaxTd=Tw+Trefmax= dT1 在暂稳态期间在暂稳态期间Tw和恢复时间和恢复时间Tre内，电路不得响应触发信内，电路不得响应触发信号。因此，号。因此，2个触发信号之间的最小时间间隔为：个触发信号之间的最小时间间隔为：5. 思考题思考题 （1）若触发脉冲宽度大于）若触发脉冲宽度大

11、于Tw时，电路能否正常工作？时，电路能否正常工作？如何解决？如何解决？ （2）下图中稳态时）下图中稳态时a、b、d、e各点的电位如何？各点的电位如何？ 控制电路用于产生窄脉冲。当输入满足以下条件时，控制电路用于产生窄脉冲。当输入满足以下条件时，控制电路产生窄脉冲：控制电路产生窄脉冲：（1 1）若）若A1、A2中至少有一个为中至少有一个为0 0时，时，B由由0101；1.74LS121的原理框图的原理框图微分型单稳微分型单稳态触发器态触发器输出缓冲输出缓冲（2 2）若）若B=1，A1、A2中至少有一个由中至少有一个由1010。 2.74LS121的功能表的功能表3.74LS121内部结构和逻辑符

12、号内部结构和逻辑符号 4.两种不同接法两种不同接法正脉冲触发负脉冲触发1.用于整形用于整形2.用于定时用于定时楼道灯延时开关楼道灯延时开关 多谐振荡器就是方波发生器。由于方波中除基波外多谐振荡器就是方波发生器。由于方波中除基波外还包含了许多高次谐波，因此，又称为多谐振荡器。还包含了许多高次谐波，因此，又称为多谐振荡器。1.什么是什么是多谐振荡器多谐振荡器？ 多谐振荡器不需要外加信号，只要一上电就会产生多谐振荡器不需要外加信号，只要一上电就会产生方波信号。方波信号。 2.电路组成及工作原理电路组成及工作原理（1） 设电路的初态为设电路的初态为vO1=1, vO2=0，这种状态下不可能持，这种状态

13、下不可能持久维持；久维持；1 10 00 01 1（2）通过）通过vO1RCvO2向向C充电，使充电，使vI1不断上升；不断上升；（3）当）当vI1VT时，时，G1输出低电平，输出低电平，G2输出高电平，即输出高电平，即vO1=0， vO2=1。此时使。此时使vI1=VT+VDD3.工作原理工作原理（4） vO1=0， vO2=1这个状态也不能持久；这个状态也不能持久； 1 10 00 01 1（5）通过）通过vO2CRvO1对电容对电容C反向充电，反向充电，vI1逐步减少；逐步减少；（6）当）当vI1VDD/2时，时，G1输出高电平，输出高电平， G2输出低电平，即又输出低电平，即又回到回到

14、vO1=1，vO2=0的状态。的状态。 （7）周而复始产生方波。）周而复始产生方波。 4.工作波形工作波形T1、T2的计算公式推导参考教材的计算公式推导参考教材P2461.石英晶体石英晶体振荡器振荡器（1） 石英晶体石英晶体的等效电路的等效电路（2） 石英晶体石英晶体振荡器原理图振荡器原理图1. 7555定时器的内部结构及逻辑符号定时器的内部结构及逻辑符号基本基本SR锁存器锁存器比较器比较器2VDD/3VDD/32.555定时器的功能表定时器的功能表+C1R2VDD/3vI1 +C2SVDD/3vI2 截截 止止111VDD /32 VDD /3 1不不 变变不不 变变00VDD /32 VD

15、D /3 1导导 通通010VDD /32 VDD /3 1截截 止止101VDD /32 VDD /3 1导导 通通0 0N1状态状态vORSvI2vI1 RD 输输 出出 输输 入入 1.电路结构电路结构+C1R2VDD/3vI +C2SVDD/3vI 2VDD/3VDD/3vI0tvO0t（1）当）当vIVDD/3时，时， R=0，S=1，Q=1，vO=1；（2）当）当VDD/3 vI2VDD/3时，时， R=0，S=0，Q=1，vO=1；（3）当）当 vI2VDD/3时，时，R=1，S=0，Q=0，vO=0；（4）当）当VDD/3 vI2VDD/3时，时， R=0，S=0，Q=0，vO

16、=0；（5）当）当vIVDD/3时，时， R=0，S=1，Q=1，vO=1；2.原理分析原理分析 3.主要参数主要参数1. 阀值电平阀值电平VT+=2VDD/3VT- -=VDD/32. 回差电压回差电压= VT+ VT- -=VDD/3思考：如何调节阈值电压？思考：如何调节阈值电压？ 1.电路结构电路结构2.工作原理工作原理+C1R2VDD/3vC +C2SVDD/3vC（1）上电时，上电时，vC=0=0，得，得R=0，S=1，Q=1，N1管截止管截止, ,vO O=1=1。（3）当）当vC 2VDD/3时，时，R=1，S=0，基本，基本SR锁存器被置锁存器被置0，Q=0，N1管导通，管导通

17、，vO=0。（2）当）当VDD通过通过R1、R2向向C充充电电，vC 逐渐上升逐渐上升;+C1R2VDD/3vC +C2SVDD/3vC（5）当）当vC下降到下降到vC VDD/3时，时，R=0，S=1，SR 锁存器置成锁存器置成1态，态，Q=1，T1管截止，管截止， vO=1=1。对电容对电容C充电又重新开始。充电又重新开始。 （4）电容）电容C将通过将通过R2和和N1管管放电放电，vC逐渐下降；逐渐下降；3.工作波形工作波形 4.主要参数计算主要参数计算从占空比从占空比q 的表达式可知，占空比始终大于的表达式可知，占空比始终大于50 。通过通过vC的暂态方程，求得：的暂态方程，求得： T=

18、T1+T2=0.7(R1+2R2)C 212112RRRRTTq T1=0.7(R1+R2)C T2=0.7R2C 5.占空比任意可调的占空比任意可调的多谐振荡器多谐振荡器 T1=0.7R1C T2=0.7R2C 6.思考题思考题如图所示是一个由如图所示是一个由555定时器构成的防盗报警电路，定时器构成的防盗报警电路，a、b两端被一细铜丝接通，此铜丝置于盗窃者必经两端被一细铜丝接通，此铜丝置于盗窃者必经之路，当盗窃者闯入室内将铜丝碰断后，扬声器即之路，当盗窃者闯入室内将铜丝碰断后，扬声器即发出报警声。说明本报警电路的工作原理。发出报警声。说明本报警电路的工作原理。1.电路结构电路结构最后又回最后又回vO=0=0V 。 10导通导通2.工作原理分析工作原理分析 接通电源时接通电源时R=0,S=0； 假设假设SR锁存器初态为锁存器初态为1； 假设假设SR锁存器锁存器初态为初态为0； 结论：接通电源后，不管起始状态如何，最终触发器处结论：接通电源后，不管起始状态如何，最终触发器处于稳态于稳态 vO=0。 010001截止截止2VDD/3101导通导通0000（1）什么是什么是稳态稳态？