脉冲波形变换和产生

1、脉冲波形变换和产生2第八章第八章 脉冲波形的变换与产生脉冲波形的变换与产生概述概述8.3 多谐振荡器多谐振荡器8.1 单稳态触发器单稳态触发器8.4 555定时器的原理和应用定时器的原理和应用8.2 施密特触发器施密特触发器3概述概述 数字电路区别于模拟电路的主要特点之一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的脉冲信号是方波 ( 矩形波矩形波)。如何产生方波。如何产生方波以及对不理想的方波如何整形，是本章讨论的以及对不理想的方波如何整形，是本章讨论的重点。重点。48.1 单稳态触发器单稳态触发器特点特

2、点:稳定状态稳定状态稳定状态稳定状态暂稳态暂稳态由外界触发由外界触发自动返回自动返回学习的重点学习的重点:为什么会自动返回为什么会自动返回?需多少时间需多少时间?1、输出端只有一个稳定状态、输出端只有一个稳定状态, 另一个状态则是暂稳态。另一个状态则是暂稳态。2、加入触发信号、加入触发信号,电路由稳态转入暂稳态。电路由稳态转入暂稳态。3、 经过一定时间以后经过一定时间以后,电路又会自动返回电路又会自动返回 原来的原来的 稳定状态。稳定状态。（1）没有触发信号时电路工作在稳态：）没有触发信号时电路工作在稳态： 当没有触发信号时，当没有触发信号时，ui为低电平。因为门为低电平。因为门G2的输入端经

3、电阻的输入端经电阻R接至接至VDD，VA为高电平，因此为高电平，因此uo2为低电平；门为低电平；门G1的两个输入均为的两个输入均为0，其输出，其输出uo1为高电平，电容为高电平，电容C两端的电压接近为两端的电压接近为0。这是电路的稳态，在触发信号到。这是电路的稳态，在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：来之前，电路一直处于这个状态：uo11，uo20。00111、用、用CMOS或非门组成：或非门组成：一、由门电路组成的微分型单稳态触发器一、由门电路组成的微分型单稳态触发器6110（2）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态 当正触发脉冲当正触发脉冲ui到

4、来时，门到来时，门G1输出输出uo1由由1变为变为0。由于电容电压。由于电容电压不能跃变，不能跃变，uA也随之跳变到低电平，使门也随之跳变到低电平，使门G2的输出的输出uO2变为变为1。这个高。这个高电平反馈到门电平反馈到门G1的输入端，此时即使的输入端，此时即使ui的触发信号撤除，仍能维持的触发信号撤除，仍能维持门门G1的低电平输出。但是电路的这种状态是不能长久保持的，所以称为的低电平输出。但是电路的这种状态是不能长久保持的，所以称为暂稳态。暂稳态时，暂稳态。暂稳态时，uo10，uo21。70011（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态 在暂稳态期间

5、，在暂稳态期间，VDD经经R和和G1的导通工作管对的导通工作管对C充电，随着充电的充电，随着充电的进行，进行，C上的电荷逐渐增多，使上的电荷逐渐增多，使uA升高。当升高。当uA上升到阈值电压上升到阈值电压UT时时，G2的输出的输出uo2由由1变为变为0。由于这时。由于这时G1输入触发信号已经过去，输入触发信号已经过去，G1的输的输出状态只由出状态只由uo2决定，所以决定，所以G1又返回到稳定的高电平输出。又返回到稳定的高电平输出。uA随之向随之向正方向跳变，加速了正方向跳变，加速了G2的输出向低电平变化。最后使电路退出暂稳的输出向低电平变化。最后使电路退出暂稳态而进入稳态，此时态而进入稳态，此

6、时uo11，uo20。脉冲宽度：脉冲宽度：tp=0.7RC)1 ()(RCtDDAeVtv当当Vth=VDD/2时，时，tw=RCln29电路的改进电路的改进 当当ui的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个RC微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门G1被被ui封住了，会使封住了，会使uo2的下降沿变缓。的下降沿变缓。 0tuiuo1uAuo20t0t0tt1当当 ui 发生负跳变后：发生负跳变后： uo1 和和uA跟着正跳变，跟着正跳变，uo2 立立即下跳（暂稳态）。即下跳（暂稳态）

7、。在在ui负脉冲到来以前（稳态）：负脉冲到来以前（稳态）：uo1uo2RC&1uiAR较小较小2 2、用与非门组成：、用与非门组成：101uo1=0，uo2=10Uo1向向C充电，充电，uA下降。下降。uA=UT时：时：uo2上跳。上跳。之后之后uA继续下降。继续下降。Ui负脉冲过后，负脉冲过后，uo2保持高电平。保持高电平。uo1uo2RC&1uiAUT0tuiuo1uAuo20t0t0tt1tWCMOS门电路：门电路：12稳态时，稳态时，ui1，G1、G2均导通。均导通。uo10，uA0，uo20。ui负跳变到负跳变到0时，时，G1截止，截止，uo1随之跳变到随之跳变到1。

8、由于电容电压不能跃变，。由于电容电压不能跃变，uA仍为仍为0，故门，故门G2截止，截止，uo2跳变到跳变到1。在。在G1、G2截止时，截止时，C通过通过R和和G1的导通管的导通管放电，使放电，使uA逐渐上升。当逐渐上升。当uA上升到管子的开启电压上升到管子的开启电压UT时，如果时，如果ui仍为低电平仍为低电平，G2导通，导通，uo2变为变为0。当。当ui回到高电平后，回到高电平后，G1导通，导通，C又通过又通过R和和G1的导通的导通管充电，电路恢复到稳定状态。管充电，电路恢复到稳定状态。（补充）积分型单稳态触发器：（补充）积分型单稳态触发器：GND13二、集成单稳态触发器二、集成单稳态触发器1

9、、不可重复触发的集成单稳态触发器：、不可重复触发的集成单稳态触发器： 74 121是一种不可重复触发的集成化单稳态触是一种不可重复触发的集成化单稳态触发器。包括触发信号控制电路、微分型单稳态触发发器。包括触发信号控制电路、微分型单稳态触发器及输出缓冲电路。单稳输出脉冲的宽度，主要由器及输出缓冲电路。单稳输出脉冲的宽度，主要由外接的定时电阻外接的定时电阻( R )和定时电容和定时电容( C )决定。决定。1474 121管脚图管脚图QGNDQBCextRintNCRext / CextA1A2NCVDD1234567891014131211NCNC1574LS121功能表功能表A1 A2BQQ说

10、说 明明011x00001111x xx 00 x1 1稳态稳态触发触发1111 1 0 xx 01674LS121的使用方法（的使用方法（P393):1. 采用内部定时电阻（采用内部定时电阻（2K ）：）：9脚接到脚接到14脚。脚。tW = R Cln2单位单位 ： RT: k 、CT: Pf、tW: nS定时电容接在定时电容接在10、11脚之间，定时电阻有两种选择：脚之间，定时电阻有两种选择：2. 采用外部定时电阻（采用外部定时电阻（1.440K ）：）：9脚悬空，电阻脚悬空，电阻接到接到11、14脚之间。脚之间。172、可重复触发的集成单稳态触发器：、可重复触发的集成单稳态触发器：1Ce

11、xtVSS1Q1Q1TR-2TR+2TR-2Q2Q2RD1RD1TR+1Rext/1CextVDD123456789101615141312112Cext2Rext/2CextMC14528管脚图管脚图 MC14528是一种可重复是一种可重复触发的集成单稳态触发器。触发的集成单稳态触发器。包括三态门、积分型单稳态包括三态门、积分型单稳态触发器控制电路及输出缓冲触发器控制电路及输出缓冲电路。电路。18MC14528功能表功能表RDTR+QQ说说 明明001x0001111x1稳态稳态触发触发TR-xx1xx0清零清零与前一种单稳态触发器的区别：与前一种单稳态触发器的区别： 当电路处在暂稳态，再来

12、触发信号，暂稳态的当电路处在暂稳态，再来触发信号，暂稳态的时间将增加时间将增加tw，即可重复触发。，即可重复触发。19三、三、 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用 单稳的应用多种多样，如：定时、延时控制、整形单稳的应用多种多样，如：定时、延时控制、整形（消噪）、多谐振荡器等等。（消噪）、多谐振荡器等等。 1、 延时控制延时控制 ： 利用单稳可以取得延时作用，延长的时间可利用单稳可以取得延时作用，延长的时间可以通过以通过 R、C调节。调节。QAQCQBQDCPCLRRS0S1QAQCQBQDCPCLRRABCDEFGH7 4 L S 1 9 4 ( 1 )7 4 L S 1 9 4 ( 2 )

13、R2C2A2Q2R1C1A2Q1B+ 5V移位输入移位输入74121(2)时钟时钟S1S0A1A1B174121(1)CPABCDEFGHQ 1Q 2t0t1t2t3用波形图表示如下用波形图表示如下:CPABCDEFGHQ 1Q 2t0t1t2t3用波形图表示如下用波形图表示如下:移位寄存器移位寄存器清零清零H灯上升灯上升沿触发沿触发Q1Q1的下降的下降沿触发沿触发Q2移位寄移位寄存器串存器串行输入行输入为为1循环重新循环重新开始开始2、脉冲的定时、脉冲的定时 ABuuio单稳态电路单稳态电路&只有在只有在tw时间内时间内,与门才开门与门才开门,信号信号A才能通过与门才能通过与门248

14、.2 施密特触发器施密特触发器vivo0VOHVT+VT-vivo0VOHVT+VT-一、门电路组成的施密特触发器一、门电路组成的施密特触发器11vivi1vo1voR1R2假设非门的阈值电压假设非门的阈值电压VTH=VDD/2，R1R3，所以，所以T1饱和时的饱和时的vE低于所以低于所以T1饱和时的饱和时的vE，使转变时的输入电压使转变时的输入电压VT+高于高于VT-，两者差称回差电压，两者差称回差电压VT 2、CMOS集成施密特触发器集成施密特触发器vi=0：当当vi由高电平下降过程是上述的逆过程由高电平下降过程是上述的逆过程T1 、 T2导通，导通， T4 、 T5截截止，止，vo 高电

15、平，高电平，vo 高电平高电平vi升高：升高：当当viVth，T4 先导通，开始先导通，开始T5截止，继续增大截止，继续增大vi直到直到T1、T2 趋于截止，趋于截止，vo 开始开始减少。减少。vo vs5vGS5RON5导致导致T1、T2迅速截止，迅速截止， vo =0当当vi- vS5 Vth：2829三、施密特触发器应用举例：三、施密特触发器应用举例：1、波形变换：、波形变换：302、脉冲整形与抗干扰：、脉冲整形与抗干扰： 3、脉冲鉴幅：、脉冲鉴幅： 324、组成的单稳态触发器、组成的单稳态触发器 RCvivovA3334 8.3 多谐振荡器多谐振荡器 矩形波发生器又称多谐振荡器。它可以

16、由分立元件矩形波发生器又称多谐振荡器。它可以由分立元件构成，也可以由集成电路构成。构成，也可以由集成电路构成。一、一、 门电路组成的多谐振荡器：门电路组成的多谐振荡器： 利用逻辑门电路的传输延迟时间，将奇数个与非门利用逻辑门电路的传输延迟时间，将奇数个与非门首尾相接，就可以构成一个简单的环形振荡器首尾相接，就可以构成一个简单的环形振荡器:111uo3uo2uo1111321uo3uo2uo1 设设 uo3 的初始状态为的初始状态为0:010101 用波形图来表示用波形图来表示,则为则为:0tuo3优点优点: 电路结构简单电路结构简单,所用元件少。所用元件少。缺点缺点: 频率太高频率太高,并且不

17、可调整。并且不可调整。36111RRS100CAuo1uouo2111uo3uo2uo1 在原电路的基础上添加在原电路的基础上添加RC延时电路延时电路,便可以克服便可以克服上图的不足上图的不足:0tuo0tuo20tuo10tuAUT假设：开始时假设：开始时uo=0电容上的电流，电容上的电流，uA下降下降uAUT时，时，uo不反转。不反转。111RRS100CAuo1uouo2010380tuo0tuo20tuo10tuAUT当当uA=UT时，时，uo反转，反转，uo1、uo2也一起反转。也一起反转。111RRS100CAuo1uouo2390tuo0tuo20tuo10tuAUT 由于电容电

18、压不能由于电容电压不能 突突变变,当当uo1 发生下跳时发生下跳时,uA有一突变。有一突变。U111RRS100CAuo1uouo2400tuo0tuo20tuo10tuAUTUt1 后，后，uo2uo1，电容反，电容反向充电向充电,uA上升。上升。只要只要uA 2VCC / 3 , vi2 VCC / 3 ：01100T可以导通可以导通61voRSQQ+-A1A2VCCvi1vicvi2vo/TRD87645321RRR&当当vi1 2VCC / 3 , vi2 VCC / 3 ：10101T 截止截止62voRSQQ+-A1A2VCCvi1vicvi2vo/TRD87645321R

19、RR&当当vi1 VCC / 3 ：11SR锁存器保持，从而锁存器保持，从而vo、T的状态都保持。的状态都保持。 综合以上的分析综合以上的分析结果结果,便可得到便可得到555的的功能表功能表:阈值端阈值端触发端触发端vi1vi2RD晶体管晶体管Tvo保持保持保持保持2VCC /3VCC /3大于大于小于小于1大于大于2VCC /3VCC /3大于大于10导通导通2VCC /3VCC /3小于小于小于小于11截止截止0导通导通0 xxRSQQ+-A1A2VCCvi1vicvi2vo/voRD87645321R&RR64RSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&a

20、mp;RRvi1、施密特触发器：、施密特触发器：VOHvivo02VCC/3VCC/301VCC/32VCC/30VCC2VCC/3VCC/301二、二、 555定时器应用举例定时器应用举例思考：当在思考：当在5脚处加入电压脚处加入电压u5，情况如何变化？，情况如何变化？65RSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRvivi0tVCC /32VCC /30tvo应用举例应用举例: 波形变换波形变换66应用举例应用举例:简易灯光控制电路简易灯光控制电路光敏管：光弱时，光敏管：光弱时， C-E间电阻极大；光间电阻极大；光强时，电阻很小。强时，电阻很小。672、单稳态触

21、发器、单稳态触发器:若若S打开打开 , 则则 ui = 1 ;若若S合上合上 , 则则 ui = 0 。RSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRuiRRTCS68 接通电源后，设按钮接通电源后，设按钮 S 处于打开状态，电容已充电至处于打开状态，电容已充电至稳态。则：稳态。则：依前分析可知：依前分析可知： 此时此时vo = 0 ，555内的晶体管内的晶体管T导通导通 ， 电容电容 C 被短路，被短路，vi2 VCC /3 。vo保持保持0状态。状态。vi1 2VCC /3vi2 VCC /3 RSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&R

22、RuiRRTCS690tuivo = 0 , 555内的管内的管T导通导通 , 电容电容 C 被短路。被短路。0tvC2VCC /30tvoRSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRuiRRTCS0tui S按下时按下时, vi2 VCC /3，已有，已有 vi1 2VCC /3 , 且按钮已且按钮已 松松开，开， vi2 VCC /3 , 则则vo = 0 ; 555内的晶内的晶体管体管T也由截止变成导通也由截止变成导通 , 电容电容C 迅速放迅速放电而变成电而变成 0V。0tui0tvC2VCC /30tvoRSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo87643

23、21R&RRuiRRTCS 由以上过程可以看出由以上过程可以看出 : 按钮每按钮每按动一次按动一次 , vo 便输出一个正脉冲便输出一个正脉冲,其宽其宽度度 TW 由由 RT C 决定决定 。0tui0tvC2VCC /30tvoTWRSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRuiRRTCS730tui0tvC2VCC /30tvoTW74如果如果5脚接一外加电压脚接一外加电压u5？思考思考P421：脉冲宽度调制器：脉冲宽度调制器75应用举例应用举例: 洗相曝光定时器洗相曝光定时器48162357uouiVCCRRTCTvo/vi1vi2SJJ红红白白D1D

24、2按一次按一次按钮按钮 S未按未按uo0J的线圈的线圈不通电不通电J 的结点的结点不动作不动作红灯红灯 白灯白灯亮亮灭灭1通电通电闭合闭合亮亮灭灭76应用举例：触摸定时控制开关应用举例：触摸定时控制开关555定时器构成单稳态触发定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片器。只要用手触摸一下金属片P，由于人体感，由于人体感 应电压相当于在触应电压相当于在触发输入端（管脚发输入端（管脚2）加入一个负脉）加入一个负脉冲，冲，555输出端输出高电平，灯泡输出端输出高电平，灯泡（RL）发光，当暂稳态时间（）发光，当暂稳态时间（tW）结束时，）结束时，555输出端恢复低电输出端恢复低电平，灯泡熄灭。平

25、，灯泡熄灭。该触摸开关可用于夜间定该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由时照明，定时时间可由RC参数参数调节。调节。773、多谐振荡器、多谐振荡器:首先说明如何用首先说明如何用555 定时器构成多谐振荡器定时器构成多谐振荡器:RSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRR1CR2vo/vC 设电容设电容C 原先未充电原先未充电, 故故 vi1 = vi2 VCC /3 , 此时此时 uo = 1 , 555内内的晶体管的晶体管 T 截止截止 , 电源通过电源通过 R1 和和 R2 对电容对电容 C 充电充电uC0tVCC /32VCC /30tuo 在在 vC

26、没有充电到没有充电到 2VCC /3 之前之前, vo 保持保持 1 不不变。变。RSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRR1CR2vo/vCuC0tVCC /32VCC /30tuo uC一旦充至一旦充至2VCC /3，则，则 vi1 = vi2 =2VCC /3 ，uo由由1翻转为翻转为 0 。同。同时时555内的晶体管内的晶体管 T 导通导通,电容电容 C 经经 R2 、T放电放电, 一直至一直至VCC /3 ，使得，使得uo 回到回到 1 , 进入循环进入循环 .t1t2t3 在在 uC 没有充电到没有充电到 2VCC /3 之前之前, uo 保持保持

27、1 不变。不变。RSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRR1CR2vo/vC800tvovC0tVCC /32VCC /3第一段（第一段（t1）：）：t1t2810tvovC0tVCC /32VCC /3第二段（第二段（t2）：）：t1t20tvovC0tVCC /32VCC /3t1t2t1 = ( R1 +R2 ) C ln2t2 = R2 C ln2T = t1 + t2 = ( R1 + 2R2 ) C ln2 RSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRR1CR2vo/vC83如何改变矩形波的占空比？如何改变矩形波的占空比？

28、改变充放电回路的时间常数即可。改变充放电回路的时间常数即可。 充电时间常数：（充电时间常数：（R1+R2）C 放电时间常数：放电时间常数：R2CRSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRR1CR2vo/vC84RSQQ+-A1A2VCCvi1vi2vo8764321R&RRR1CR2uCt1 = R1 C ln2 t2 = R2 C ln2 T = ( R1 + R2 ) C ln2 8548162357R1C555uoVCCR21R28S8S1简易电子琴电路图简易电子琴电路图 简易电子琴就是通过改变简易电子琴就是通过改变R2 的阻值来改变输出方波的周期的

29、阻值来改变输出方波的周期 , 使外使外接的喇叭发出不同的音调接的喇叭发出不同的音调 。应用举例应用举例: 简易电子琴电路简易电子琴电路VCCRSQQ+-A1A2vi1vi2vo8764321R&RRR1CR2vo/vC5u5如果如果5脚接一外加电压脚接一外加电压u5？u5VCCvoRRC1212345678555vc思思考考87tvctvoOOu5VCCvoRRC1212345678555vc88t1t2可用前面类似的方法计算输出波形的振荡周期：可用前面类似的方法计算输出波形的振荡周期： t1 ： vC (0) = u5 /2、 vC () =VCC、 1=(R1+ R2)C。当当t= t1时，时，vC (t1) =u5代入三要代入三要素方程。于是可解出素方程。于是可解出 t2 ： vC (0) = u5、 vC () =0V、 1= R2C、当当t= t2时，时，vC (t2) = u5 /2代入公式。于代入公式。于是可解出是可解出tuctuoOO振荡周期振荡周期:89 一般的振荡器若要改变振荡频一般的振荡器若要改变振荡频率必须改变选频网络的参数值。上述率必须改变选频网络的参数值。上述555