数字电路第七章 脉冲波形的产生与整形【优选内容】

1、第七章 脉冲波形的产生与整形,主要内容 555定时器的工作原理、逻辑功能 及由555构成的脉冲电路。 由门电路构成的脉冲电路。,1,行业知识,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。 最常用的脉冲信号是方波(矩形波)。如何产生方波以及对不理想的方波如何整形，是本章讨论的重点。,2,行业知识,脉冲电路分类：,脉冲电路作用：,脉冲波形的产生和整形。,脉冲电路构成：,开关电路 + RC电路,破坏电路的稳态，产生暂态。,控制暂稳态时间的长短。,脉冲电路与数字电路的比较：,3,行业知识,电容充放电知识复习：,(1) 电容两端的电压不能突变，Vc（0） Vc（0）， 电容充放

2、电需要时间，有过渡过程，其时间长短只与 RC有关,工程上取3；,（2）开始充放电（换路）瞬间，阻抗很小，相当短路； 充放电结束，电路处于稳态，C支路电流为0，阻抗很大， 相当开路；,（3）简单RC电路中，各处电压、电流均按指数规律变化；,（4）在简单RC电路中,4,行业知识,本章讲授,2 集成门构成的脉冲电路,1 555定时器的原理和应用,学习要求,5,行业知识,1 555定时器的原理和应用,555定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。它使用方便,带负载能力较强, 目前得到了非常广泛的应用。,6,行业知识,一、 555定时器的电路结构和基本功能,555定时器的内部电路包括以下几部分

3、 : 两个电压比较器: C1、C2 ; 一个基本RS 触发器; 一个晶体管T； 由三个相等电阻组成的分压器; 一个反相器等。,1.电路结构,7,行业知识,8,行业知识,触发 输入端,阈值 输入端,电压 控制端,复位端 低电平有效,放电端,4.518V,输出端,地,9,行业知识,555定时器的管脚图,10,行业知识,2.基本工作状态,三个电阻构成的分压器给两个比较器提供基准电压: 分别为 和 。,11,行业知识,0,0,1,工作状态： 在TH、TR、RD 端施 加不同电平的控制 信号，得到555的几 种不同工作状态。 需了解C1、C2、T、 Q、Q、Vo 的工作情 况。,12,行业知识,b,2/

4、3VCC,1/3 VCC,0,0,0,1,1,1,13,行业知识,2VCC/3,VCC/3,1,1,0,1,0,b,14,行业知识,2VCC/3,2/3 VCC。 充电时间决定于RC的大小。,触发:VI0 Vo1， T截止。,触发翻转（VI0，C20）,结论：Vi0触发后，电路进入暂态，Vo1，T截止，Vc 逐渐上升。,22,行业知识,T导通时，C放电。,工作原理（续2）：,VTH,VC,b,T,VC2/3VCC时，Vo0，T导通，C放电。,VI1,自动返回（VI1，C21）,结论：Vc充电到2/3VCC 后，电路返回到稳态，Vo0，T导通，Vc放电0。,23,行业知识,2/3VCC, 上电后

5、进入稳态 （VI1，Vc =0，Vo =0 ）,工作波形：,24,行业知识,2/3VCC,外触发: Vi,Vi1/3 VCC， 比较器C20，触发器置1， Vo1 T截止，C充电 电路进入暂稳态。,=V2,=V6,25,行业知识,T截止，C充电，当vc上升到2/3 VCC时: 比较器C1=0，触发器置0， Vo0 T导通，C放电,vc 0电路 电路返回稳态。,2/3VCC,自动返回（VI1）:,26,行业知识,由以上过程可以看出 : 每来一次负脉冲 , vo 便输出一个正脉冲,其宽度 tW 由 R C 决定 。,27,行业知识,输出脉冲宽度tw,tw是Vc从0指数上升到2VCC/3时所需的时间

6、,注意:tw宽度的增加，将降低定时精度和稳度。 tw 的范围为几秒到几分钟。,28,行业知识,在充电过程中（C1=1）,如VI再次触发,C2=10,Q仍保持为1，电路状态不变（T 截止，C保持充电状态）。,多次触发时的情况：,故该电路为不可重复触发型单稳态触发器：,29,行业知识,电路图：,可重复触发的单稳态触发器,30,行业知识,可重复触发的单稳态触发器（续）,工作过程,b.触发时:,a.稳态时:,VI=1,T1截止, 电路状态同 普通单稳。,VI=0，电路触发翻转，Vo1 VI=0期间,T1导通,电容不能充电。 VI=1后， T1截止,电容开始充电。,31,行业知识,可重复触发的单稳态触发

7、器（续）,工作过程（续）,c.重复触发时:,当Vc2/3VCC (电路仍处暂态)时，若VI又进行触发(VI=0),则C通过T1放电,电路将维持在暂态,直到在tW 时间内没有新的触发,电路回到稳态。,a.稳态时:,b.触发时:,VI=1,T1截止, 电路状态同 普通单稳。,电路翻转。,32,行业知识,vI, 可重复触发的单稳态触发器的波形图：,失落脉冲检测仪,触发过程：,c. VI=1 电容开始充电,e.重复触发： 电容充电过程中VI=0, 电容放电，VI=1后，再次充电实现可重复触发。,a. VI=1,稳态VO=0,b. VI=0,触发VO=1 进入暂态，C不能充电。,33,行业知识,单稳态触

8、发器的应用,一般用于,定时（产生一定宽度的矩形波）,整形（把不规则的波形转换成宽度、 幅度都相等的波形）,延时（把输入信号延迟一定时间后输出）,34,行业知识,1)定时,3)整形,2) 延时,35,行业知识, 555定时器做多谐振荡器,多谐振荡器的特点： （1）不需外触发的自激振荡器； （2）无稳定状态，均为暂稳态； （3）矩形波中含有丰富的高次谐波，习惯称多谐振荡器。,36,行业知识,外接R1,R2,C,电路：,37,行业知识, Vcc通过R1、R2向C充电,在 VC 没有充电到 2VCC/3 之 前,Vo 保持 1 不变。, 当VC2VCC /3时 Vo由1翻转为 0 。 T 导通 电容C

9、 经R2、T放电。,当Vc降至VCC /3时，使得 Vo回到 1 T截止 电容C 再充电，进入循环 .,原理,38,行业知识,39,行业知识,占 空 比：,频 率：,振荡周期：,40,行业知识,电路特点：充放电电路各自独立。,充电回路：tw1=RACln2,放电回路：tw2=RBCln2,占空比： q=tw1/(tw1+tw2) =RA / (RA+RB),通过调节R2来调节占空比,占空比可调多谐振荡器:,41,行业知识, 555定时器做施密特触发器,施密特触发器的特点： （1）双稳态触发器，有两个稳定的状态； （2）电平触发电压达到某个值时电路状态翻转； （3）具有滞后电压传输特性回差特性

10、（两次翻转输入电平不同）；,42,行业知识,电路：,2，6端连在一起作为信号输入端,VI2/3VCC时，C10，C21，VO=0,构成 集电 极开 路型 输出 端。,43,行业知识,工作原理：,44,行业知识,v,i,v,o,t,t,0,0,U,T+,U,T,2,V,CC,/,3,V,CC,/,3,45,行业知识,v,i,v,o,t,t,0,0,U,T+,U,T,2,V,CC,/,3,V,CC,/,3,46,行业知识,下限阈值电压,(b)逻辑符号,(a)传输特性,V,T,V,T+,上限阈值电压,回差电压（滞后电压）： VT+=2/3VCC; VT-=1/3VCC VT VTVT =1/3VCC

11、,47,行业知识,在7脚外接一电阻，并与VCC1 相连， vO=1时，vO1= VCC1; vO=0时，vO1=0， 可以实现电平移动。,在5脚上加控制电压VCO可以改变VT+,VT- ， 以调节回差电压的大小,说明：,48,行业知识,施密特触发器的应用：,波形变换三角波、正弦波变换成方波,正弦波方波,三角波方波,调节VT+,VT-可以改变宽度,49,行业知识,波形整形消除噪声干扰,回差电压比较小,回差电压比较大,50,行业知识, 幅度鉴别,可以调节VT+作为鉴别门限,构成多谐振荡器,51,行业知识,2 集成门构成的脉冲电路,一、 单稳态触发器,1. 微分型单稳态触发器,由与非门和RC 微分电

12、路构成，二个与非门首尾 相接交叉耦合， RC 为定时元件。,窄脉冲触发,RRoff,(1)电路构成:,52,行业知识,(a)稳态,vI=1,无触发， 电路处于稳态， vO1=0，vO2=1 vC0,=1,=0,=1,=0,vR,（2）工作原理：,RRoff,53,行业知识,(b) 外加触发信号,vI=0,vO1=1,电容电压不能突变 vR=1 vO2=0 进入暂稳态,vO2=0 vO1=1vO2=0 形成正反馈，自锁，vI即使为1也不影响。,=0,=1,=1,=0,vR,54,行业知识,(c) 自动返回,=1,电容C按指数上充电， vR按指数逐渐降低；,vR,当vR 下降到达门电路阈值电压（1

13、.4V）时，电路状态将发生翻转,vI即使恢复为高电平，由于电路中的正反馈，输出仍能维持。,55,行业知识,vR下降，电路状态改变,vR下降vO2=1vO1=0,电容电压不能突变vC=VTH vR下降V,vR,56,行业知识,(d) 恢复稳态,电容放电，vC恢复 电路恢复到稳态 vI=1 vO1=0 vO2=1 vR=0,vR,57,行业知识,G1的输出电阻,tW,V,TH,7,.,0,0,ln,-,=,tW=0.7（R R 0）C,vR,0,（RR0）C,-,(3) 输出脉冲宽度tW,VTH,（RR0）C,取VOH3.6V R=330 R0=100 VTH=1.4V,58,行业知识,tre,一

14、般认为经过（35)RC时间，电容已经放电完毕即,最大工作频率：,vO2,(4)恢复时间tre,tre=(35)RC,59,行业知识,（1）微分型单稳态触发器电路适于窄脉冲触发，若宽脉冲触发，输入端需另加微分电路,说明：,（2）微分型单稳态触发器窄脉冲触发，容易引起误动作；,（3）电路中有正反馈，所以输出的边沿比较好。,60,行业知识,不被再次触发,被再次触发,2. 集成单稳态触发器：,分类,不可重复触发:,可重复触发：,电路进入暂稳态(被触发状态)中，不受触发输入影响，只有返回稳态后才可以被再次触发。,电路在暂稳态中仍然可以接受输入，可以被重复触发，每触发一次，电路暂稳态会继续保持tW。,74

15、121(单) 74221(双),74122(单) 74123(双),61,行业知识,B=1时 A:10,74LS121,(1)功能表 (P215),A有0时 B:01,62,行业知识,(2)电路,63,行业知识,(3)原理,稳态,稳态信号：VR1,G50,G6=1,Uc=0,64,行业知识,(3)原理(续1),触发翻转,1,1,0,1,0,尽管稳态时Z可以为1或0，但只有Z0，且外触发信号使Z1时电路才能正常翻转。,G6VR Vcc可向C充电,65,行业知识,(3)原理(续2),延时返回,翻转后:,至此使G5完成了一个窄脉冲输出（6级门延时）。,1,1,0,1,0,1,0,0,0,1,0,1,

16、66,行业知识,(4)触发方式,B1时，A1A211变为有0, A1A2有0时，B由0变1。,(5)定时参数,R：内接2K 外接1.440K,C：外接10Pf10f,tW0.7RC,67,行业知识,外接电容接在10，11引脚(Cext, Rext/Cext)之间， 如果C有极性，正极接11脚(Rext/Cext ),如果使用外部电阻(1.440k)，电阻两端分别接11,14脚(Rext,VCC),(6)元件连接:,如果使用内部电阻(2k)，把9引脚(Rint)接VCC。,(7)应用:,整形、定时、延时。,1,7,8,14,68,行业知识,外接电阻,内部电阻,69,行业知识,二、多谐振荡器,一种

17、自激振荡电路，无需外界触发即可产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。没有稳定状态无稳态电路。,方波含有很多高次谐波分量，称为多谐振荡器。,方波输出由数字逻辑器件(逻辑门电路）完成； 一定频率由延时电路(RC充放电回路）完成； 自动进入振荡状态由反馈回路完成。,70,行业知识,1. CMOS自激多谐振荡器,(1)电路构成,由2个CMOS反 相器和外接 RC组成。, CMOS反相器 内置保护二极管。,71,行业知识,(2)工作原理,(仅分析稳定工作时的状态）,设:反相器翻转 门坎电平为 VTH1/2VDD,设Vo1=1,Vo2=0:暂态,VDDV1 R C V4向C充电。,当VC上升使VCVTH 电

18、路翻转, Vo1、Vo2 。, Vo1=0,Vo2=1:暂态,VDDV3 C R V2向C反向充电。,当VC下降使VCVTH 电路翻转,Vo1、Vo2电路回到暂态。,72,行业知识,(3)工作波形,t=0时刻接通电源，C未充电； VC=0，VO1=VDD , VO2=0; 第一暂稳态;,VO1高电平，VO2低电平，通过R向C充电, VC电压逐渐升高.,73,行业知识,当VC上升至VTH时, 门电路G1发生状态翻转， VO1=0 ,VO2=VDD 电容两端电压不能突变 VC=VTH 突变成VC=VDD+VTH,VC应该上升到1.5VDD，但是由于保护二极管的作用， VC不能上升那么高，仅到达VD

19、D+V+,(3)工作波形(续1),74,行业知识,VDD+V+,75,行业知识,VO1=0,VO2=VDD, 电容通过R放电并反向充电 VC电压逐渐下降。 第二暂稳态;,(3)工作波形(续2),76,行业知识,当VC下降到VTH, 门电路G1再次发生状态变化 VO1=VDD, VO2=0 此时VC =VDD-VTH,电容电压不能突变 VC =VTH-VDD,VC应该下降到-1/2VDD, 由于保护二极管的作用，VC只能下降到-V,(3)工作波形(续3),77,行业知识, VC =-V VO1=VDD VO2=0,回到第一暂稳态， 电路继续持续翻转、振荡。,(3)工作波形(续4),78,行业知识

20、,(4)振荡频率计算：,RC电路的瞬态响应：,79,行业知识,T1: t1为时间起点0+； T2: t2为时间起点0+ ；,计算T1： VC(0+)=-V VC(T1)=VTH VC()=VDD,(4)振荡频率计算(续1):,80,行业知识,计算T2： VC()=0 VC(T2)=VTH VC(0+)=VDD+V+,(4)振荡频率计算(续2) ：,81,行业知识,V+的值为保护二极管的正向导通电压,大约为0.7V,相对于VDD可以忽略不计,对CMOS门电路：VTH=1/2VDD,(4)振荡频率计算(续3) ：,82,行业知识,2.石英晶体多谐振荡器,石英晶体振荡器常用 作数字系统的基准信号。,为获得稳定的振荡频率, 可在振荡电路中串接石英晶体,组成石英晶体振荡器。,(1)石英晶体阻抗频率特性,在固有频率fs上, 阻抗X=0。,83,行业知识,内部电路,(2)石英晶体振荡器,石英晶体,Vo输出的振荡频率等于石英晶体的谐振频率fs,TTL门,R1， R2：0.72K C :0.1F,CMOS门,R：10100M C