第九章脉冲波形的产生和整形

1、1 第九章第九章 脉冲波形的产脉冲波形的产生和整形生和整形 2本章基本内容本章基本内容施密特触发电路的工作原理和应用施密特触发电路的工作原理和应用 单稳电路的工作原理和应用单稳电路的工作原理和应用多谐振荡电路的工作原理和应用多谐振荡电路的工作原理和应用 555定时器及其应用定时器及其应用39. 1 矩形脉冲的特性参数矩形脉冲的特性参数脉冲幅度脉冲幅度脉冲宽度脉冲宽度脉冲周期脉冲周期上升时间上升时间下降时间下降时间占空比占空比TtqW49. 2 施密特触发器电路施密特触发器电路9.2.1 施密特触发器电路和工作原理施密特触发器电路和工作原理由两个由两个CMOSCMOS反相器组成的施密特触发电路如

2、图所示。反相器组成的施密特触发电路如图所示。电路符号电路符号 设反相器的阈值电压设反相器的阈值电压VTH=1/2VDD，且，且R1R2，当，当 vi=0 时，时，vAVTH，所以所以 vo=VOL0。vivAvO1vO 形成正反馈过程，形成正反馈过程，迅速使输出跳变为高迅速使输出跳变为高电平电平: : VOH=VDD。 施密特触发器是脉冲整形电路的一种，它可以将任意形施密特触发器是脉冲整形电路的一种，它可以将任意形状的波形转换成周期相同矩形波。状的波形转换成周期相同矩形波。5THTVRRV)1 (21正向阈值电压正向阈值电压TH21TT212THATI)1(VRRVVRRRVvVv 生转换时的

3、输入电平生转换时的输入电平上升过程中电路状态发上升过程中电路状态发求出求出即当输入电压即当输入电压vi达到达到VT+时，时，输出电压输出电压vo等于等于VDD 。6vivAvO1vO 当输入电压降低时，又形成正反馈过程，迅速使输当输入电压降低时，又形成正反馈过程，迅速使输出跳变为低电平出跳变为低电平: : VOL 0。212)(RRRVVVVvTDDDDTHA在在VTH=1/2VDD的条件下，根据上式可求出的条件下，根据上式可求出V VT-T- ：VT-VTHVDD可求出：可求出：7212)(RRRVVVVvTDDDDTHA在在VTH=1/2VDD的条件下，根据上式可求出的条件下，根据上式可求

4、出V VT-T- ：THTVRRV)1 (21负向阈值电压负向阈值电压回差电压回差电压TTTVVVTHVRR)(221电压传输特性电压传输特性 改变改变R R1 1和和R R2 2的的比值即可改变比值即可改变回差电压的大回差电压的大小。小。8例例CMOSCMOS反相器构成的施密特电路如图所示，电源电压反相器构成的施密特电路如图所示，电源电压V VDDDD=5V=5V，反相器的阈值电压，反相器的阈值电压V VTHTH=2.5V=2.5V，试求，试求V VT+T+、V VT- T- 和和V VT T 。解解VVVVVVVRRVVVVRRVTTTTHTTHT5 . 225. 175. 325. 15

5、 . 2)22/111 ()1 (75. 35 . 2)22/111 ()1 (2121电压传输特性如图所示。电压传输特性如图所示。9施密特触发电路的特点：施密特触发电路的特点：1. 1. 它是靠电平触发的，输入信号上升和下降过程它是靠电平触发的，输入信号上升和下降过程中，引起输出状态转换的输入电平是不同的，即中，引起输出状态转换的输入电平是不同的，即存在有回差现象。存在有回差现象。2. 2. 由于输出状态改变时有正反馈存在，所以，输由于输出状态改变时有正反馈存在，所以，输出电压波形边沿很陡，可以得到比较理想的矩形出电压波形边沿很陡，可以得到比较理想的矩形输出脉冲。输出脉冲。施密特触发电路的结

6、构形式有多种。施密特触发电路的结构形式有多种。 可用可用CMOSCMOS器件构成，也可用器件构成，也可用TTLTTL器件构成，随着集成电路的器件构成，随着集成电路的发展都有施密特定型产品可供选用。发展都有施密特定型产品可供选用。109.2.2 9.2.2 施密特触发器电路的应用施密特触发器电路的应用1.1.用施密特触发电路进行脉冲整形用施密特触发电路进行脉冲整形改善脉冲的上升沿和下降沿改善脉冲的上升沿和下降沿去除干扰和噪声去除干扰和噪声112.2.用施密特触发电路实现波形变换用施密特触发电路实现波形变换3.3.用施密特触发电路进行脉冲鉴幅用施密特触发电路进行脉冲鉴幅可将任意形可将任意形状波形转

7、换状波形转换成矩形波。成矩形波。129.3.1 单稳态电路工作原理单稳态电路工作原理用用CMOSCMOS门电路构成的微分型单稳电路如图所示。门电路构成的微分型单稳电路如图所示。电路特点：电路特点：存在两个状态，一个稳态，另一个是存在两个状态，一个稳态，另一个是暂稳态；当外加触发信号后电路从稳态变为暂稳暂稳态；当外加触发信号后电路从稳态变为暂稳态，维持一段时间后，自动返回到稳态。态，维持一段时间后，自动返回到稳态。9. 3 单稳态电路单稳态电路工作原理：工作原理：13稳态：稳态：01001暂稳态：暂稳态：00111010当外加触发信号，单稳电路发生翻转，由稳态进入当外加触发信号，单稳电路发生翻转

8、，由稳态进入到暂稳态，随着电容的充电到暂稳态，随着电容的充电vi2的电压逐渐升高，当的电压逐渐升高，当达到达到G G2 2的门槛电压的门槛电压VTH时，电路自动返回到稳态。时，电路自动返回到稳态。014单稳电路的电压波形单稳电路的电压波形输出脉冲宽度输出脉冲宽度THDDDDWVVVRCtlnRCRC7 . 02ln输出脉冲幅度输出脉冲幅度DDOLOHmVVVV暂稳态时间暂稳态时间159.3.2 集成单稳态电路集成单稳态电路74LS121芯片芯片内部定时电阻内部定时电阻 : : 2k外界电阻一般选外界电阻一般选: : 2k 30k 外界电容：外界电容： 10pF 10F输出脉冲宽度：输出脉冲宽度

9、：RCtW7 . 0下降沿触发下降沿触发下降沿触发下降沿触发上升沿触发上升沿触发公共地公共地电源电源外接电容外接电容外接电阻外接电阻内置电阻内置电阻输出输出16123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:17-May-2010Sheet of File:E:MyDesign1.ddbDrawn By:123456ABCD654321DCBAT itleN um berR evisionSizeBD ate:17-M ay-2010Sheet of File:E :M yD esign1.ddbD raw n B y:暂稳态时间暂稳态时间暂稳

10、态时间暂稳态时间 上升沿触发用内置电阻的单上升沿触发用内置电阻的单稳电路稳电路 下降沿触发用外接电阻的单下降沿触发用外接电阻的单稳电路稳电路17不可重复触发和可重复触发的单稳态触发器不可重复触发和可重复触发的单稳态触发器不可重复触发的单不可重复触发的单稳态触发器。稳态触发器。 如如74LS12174LS121芯片芯片可重复触发的单稳态触发可重复触发的单稳态触发器。如器。如74LS12274LS122、7412374123、74LS12374LS123芯片等芯片等触发脉冲触发脉冲触发脉冲触发脉冲再触发再触发再触发再触发 第二个触发脉冲不起作用，暂第二个触发脉冲不起作用，暂稳态时间由第一个触发脉冲

11、决定。稳态时间由第一个触发脉冲决定。 第二个触发脉冲起作用，暂稳第二个触发脉冲起作用，暂稳态时间由第二个触发脉冲决定。态时间由第二个触发脉冲决定。18欲将噪声消除。欲将噪声消除。t tW Wt tW Wt tW Wt tW Wvo触发单稳电路触发单稳电路触发触发D D触发器触发器使触发触发器清零使触发触发器清零9.3.3 利用单稳态电路构成的噪声消除电路利用单稳态电路构成的噪声消除电路使触发器仍输出为使触发器仍输出为0199. 4 多谐振荡电路多谐振荡电路9.4.1 对称式和非对称式多谐振荡器电路对称式和非对称式多谐振荡器电路1.1.对称式多谐振荡电路对称式多谐振荡电路电路组成：如图所示。电路

12、组成：如图所示。 电路中电路中 G1=G2 ; C1=C2 ； RF1=RF2 ; Rp1=Rp2 反相器的电压传输特性和反相器的电压传输特性和静态工作点如图所示静态工作点如图所示。20开开始始放放电电。开开始始充充电电，电电路路进进入入第第二二个个暂暂稳稳态态迅迅速速跳跳变变为为低低。迅迅速速跳跳变变为为高高，而而使使时时，引引起起如如下下正正反反馈馈：，当当到到逐逐渐渐的的放放电电随随着着12O2O1O2I2O1I1THI12,)3(CCvvvvvvVvC 开开始始放放电电。开开始始充充电电，电电路路进进入入第第一一个个暂暂稳稳态态迅迅速速跳跳变变为为高高。迅迅速速跳跳变变为为低低，而而使

13、使，则则有有：有有微微小小由由于于干干扰扰使使21O2O1O2I2O1I1I1,)2(CCvvvvvvv 工作原理工作原理21 电压波形电压波形22CRCRTRRRVVVVVVVCRRRTFFON(P)ON(N)FDDTHTHDDDDTHDDON(P)ON(N)F2 . 23ln22/)/()(ln()(2 的的条条件件下下，和和远远大大于于、在在 振荡周期的计算振荡周期的计算2312122111IOOOIIIVCVVVVVV,)(开始放电电路进入第一个暂稳态高。迅速低，而迅速使，则有：有微小由于“扰动”使12122112IOOOIITHIVCVVVVVVV,)(开始充电电路进入第二个暂稳态低

14、。迅速高，而迅速使，则有：至又返回第一个暂稳态。至当,)(THIVV13非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器24THDDTHTHDDTHWVVVC:TVVVC:TTTT充至充至充电，从充电，从放至放至放电，从放电，从脉冲宽度计算：脉冲宽度计算： 2121)()()()(lntwVVVVRCt0CRCRTFF2 . 23ln2 振荡周期：振荡周期：25石英晶体多谐振荡电路石英晶体多谐振荡电路年年美国美国 卡第提出用石英压电效应调制电卡第提出用石英压电效应调制电磁振荡的频率。磁振荡的频率。 巴黎广播电台首先用严济慈制作的石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，英振荡片实

15、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磁回路稳频成为压电晶体的最重要应用之一。之一。石英晶体的结构和性能石英晶体的结构和性能石英晶体的外观石英晶体的外观石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路269.4.2 9.4.2 环形振荡电路环形振荡电路 用三个反相器接成最简用三个反相器接成最简单的环形振荡电路如图所单的环形振荡电路如图所示。示。 设每个门的平均传输时设每个门的平均传输时间为间为t tpd pd 。由于。由于tpd 的存在的存在则该电路形成一个正反馈则该电路形成一个正反馈电路，其电路，其G1、G2、G3 的输

16、的输出波形如图所示。出波形如图所示。振荡周期振荡周期: T=2ntpd 由于门的平均传输时间很短，且不可改变，因此该振荡由于门的平均传输时间很短，且不可改变，因此该振荡器的频率很高，为此，可将上电路加以改进。器的频率很高，为此，可将上电路加以改进。（n n 为反相器的数目，为反相器的数目，n n 必须为奇数）必须为奇数） 27改进的环形振荡电路在改进的环形振荡电路在G G2 2的输出端接入的输出端接入RCRC延迟环节延迟环节振荡周期可近似用下式计算：振荡周期可近似用下式计算：RCT2 . 2289.4.3 9.4.3 利用施密特触发构成的多谐振荡电路利用施密特触发构成的多谐振荡电路TTDDTT

17、DDTTTDDTDDVVVVVVRCttTVVRCtVVVVRCt)()(lnlnln2121 在采用在采用CMOSCMOS集成施密特电集成施密特电路的情况下，路的情况下， 计算振荡周期计算振荡周期可忽略输入电流可忽略输入电流 ，并近似认，并近似认为为VOH=VDD ，V VOLOL=0 =0 ，VTH=1/2VDD, ,可利用解过渡过可利用解过渡过程方法求得：程方法求得： 在采用在采用TTLTTL集成施密特触发器构成的电路情况下，由集成施密特触发器构成的电路情况下，由于输入电流的存在，则不能简单的套用上式。于输入电流的存在，则不能简单的套用上式。299.5.1 555定时器电路电路结构和工作

18、原理定时器电路电路结构和工作原理9. 5 555定时器定时器电路结构电路结构SR锁存器锁存器输出缓冲器输出缓冲器放电管放电管TD比较器比较器电阻分压器电阻分压器控制电压控制电压域值输入域值输入触发输入触发输入输出端输出端清零端清零端电源电源地地放电端放电端30工作原理工作原理输输 入入输输 出出0 X X 低低导通导通1 低低导通导通1不变不变不变不变1高高截止截止1高高截止截止CCV32CCV31CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31DRI1vI2vOv状态状态DT可由可由555555定时器的功能定时器的功能表说明其工作原理表说明其工作原理31viVcc9.5.2 用用

19、555定时器构成的施密特触发电路定时器构成的施密特触发电路习惯画法习惯画法电路构成电路构成工作原理工作原理32电压传输特性电压传输特性：工作原理工作原理施密特触发器可将任意形状的波形变为矩形波。施密特触发器可将任意形状的波形变为矩形波。1/3VCC2/3VCC339.5.3 用用555定时器构成多谐振荡电路定时器构成多谐振荡电路电路构成电路构成: 在集成定时器电路上接入电阻在集成定时器电路上接入电阻R1、R2和和C即构即构成多谐振荡器。如图所示。成多谐振荡器。如图所示。34工作原理工作原理 接通电源，初始时接通电源，初始时vi=0，输出，输出vo=1，TDTD截止，截止，C C通过通过R1、R

20、2充电，当充电，当vi达到达到 2/3VCC 时，电路发生翻转，输出为时，电路发生翻转，输出为0 0 ，TDTD导导通，电容通，电容C C通过通过R R2 2 和和TDTD放电，当放电，当C C放电使放电使vi 达到达到1/3VCC时，电路时，电路又返回到初始态，于是周而复始变化，输出即产生方波。又返回到初始态，于是周而复始变化，输出即产生方波。35由由555555定时器构成的多谐振荡器的电压波形定时器构成的多谐振荡器的电压波形CRCRtCRRCRRtttT22221211217 . 02ln)(7 . 02ln)(谐振荡器周期的计算谐振荡器周期的计算36CRCRtCRRCRRtttT2222

21、1211217 . 02ln)(7 . 02ln)(CRRCRRT)2(7 . 02ln)2(2121振荡周期：振荡周期：振荡频率：振荡频率：CRRTf)2(7 . 0112137212RRRq占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器占空比占空比改变改变R1和和R2即可调节占空比。即可调节占空比。 改改变电容的充放电回路，使它变电容的充放电回路，使它们单独走各自的回路，即可实现们单独走各自的回路，即可实现占空比可调。如图所示。占空比可调。如图所示。389.5.4 用用555定时器构成单稳电路定时器构成单稳电路0 01 11 10 0截止截止充电充电1 11 11 10 00 01 1稳态稳

22、态: :接通电源后，电路有一个恢复过程。电路进入稳态。接通电源后，电路有一个恢复过程。电路进入稳态。1 1 电路进入到暂稳态，电路进入到暂稳态，C C充电，电容上充电到充电，电容上充电到2/3Vcc2/3Vcc时，电路自动返回到稳态。时，电路自动返回到稳态。1 139输入、输出和电容上电压波形：输入、输出和电容上电压波形：暂稳态时间的计算：暂稳态时间的计算：RCRCVVVRCtCCCCCCW1 . 13ln)3/2()0(ln40631211001. 010307 . 0)2(7 . 0CRRTmS21. 010215kHzTf5/1例例由集成定时器由集成定时器555555构成的多谐振荡器如图所示。试求：构成的多谐振荡器如图所示。试求： 计算电路的振荡频率；计算电路的振荡频率； 定性画出电容定性画出电容C C和输出电压和输出电压VoVo波形波形; ;4