第7章 脉冲产生与整形_周开利.ppt

1、第7章 脉冲产生与整形,2020/8/1,2020/8/1,本章简要及内容,本章介绍获得脉冲波形的方法和具体电路。一是利用振荡器；二是利用脉冲整形电路。最后讲述应用很广泛的555集成定时器及其电路。,问 题 引 入,2020/8/1,施密特触发器是如何工作的？,信号发生器,2020/8/1,7.1 脉冲信号及其参数,脉冲信号,凡是具有不连续波形的信号均可称为脉冲信号。广义讲，各种非正弦信号都是脉冲信号。比如方波、矩形波、尖脉冲、锯齿波等。,常见脉冲信号,2020/8/1,2. 脉冲信号的参数,7.1 脉冲信号及其参数,（1）脉冲周期T（频率f）：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间的时间间隔

2、。频率f代表单位时间内脉冲重复的次数，f = 1/T 。,脉冲信号,（2）脉冲幅度Vm ：脉冲电压最大变化的幅值。,（3）脉冲宽度Tw ：脉冲前沿0.5Vm到脉冲后沿0.5Vm的时间。,2020/8/1,7.1 脉冲信号及其参数,（4）占空比q ：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即 q = tw / T 。,（5）上升时间tr ：脉冲从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。,（6）下降时间tf ：脉冲从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。,2020/8/1,7.2 施密特触发器,施密特触发器特点是能够把变化非常缓慢的输入脉冲波形，整形成为适合于数字电路所需要的矩形脉冲，抗干扰能力较强，在波形变换和

3、脉冲整形等方面有广泛应用。,7.2.1 集成TTL施密特触发器,1.电路组成,TTL施密特触发器原理电路,施密特触发器逻辑符号,施密特触发器,输入电路,输出电路,7.2 施密特触发器,2.工作原理,施密特触发器的电压传输特性,vI为低电平：,T1截止、T2饱和导通，D2、T3、T5截止，T4、D3导通，输出为高电平,2020/8/1,2020/8/1,7.2 施密特触发器,vI由低电平上升 增大,vIvB10.5V，产生如下正反馈，T1迅速由截止到饱和，T2由饱和到截止，D2导通，T3、T5饱和，输出为低电平。,7.2 施密特触发器,vI由最大值下降减小,vIvB1，产生如下正反馈，T1迅速由

4、饱和到截止，T2由截止到饱和，D2、T3、T5截止，T4、D3导通，输出为高电平。,2020/8/1,7.2 施密特触发器,2020/8/1,参数：,上限阈值电压VT+：vI上升过程中，使施密特电路状态翻转，输出电压由高电平跳变到低电平时的输入电压值,VT+,下限阈值电压VT-：vI下降过程中，使施密特电路状态翻转，输出电压由低电平跳变到高电平时的输入电压值,VT-,回差电压V：V=VT+-VT-,V,7.2 施密特触发器,2020/8/1,输入/输出波形,7.2 施密特触发器,输入和输出为反相关系的施密特触发器为反相施密特触发器,输入和输出为同相关系的施密特触发器为同相施密特触发器,反相施密

5、特触发器,同相施密特触发器,2020/8/1,2020/8/1,施密特触发器特点：,7.2 施密特触发器,（1）输出有两种状态（输出为数字信号）；,（2）输入采用电平触发（输入为模拟信号）；,（3）对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平（VT+和VT-），具有回差特性。,2020/8/1,1）脉冲整形,传感器输出的信号波形边沿较差，利用施密特电路可以对这些信号进行整形。将边沿较差或畸变脉冲uI作为施密特电路的输入，其输出uO为矩形波。,脉冲整形波形图,7.2 施密特触发器,3. 应用举例施密特触发器的应用,2020/8/1,2）脉冲变换电路,施密特电路在状态转换速度极快输出的矩形波

6、的前后沿总是很陡峭。利用这一特点，施密特电路可以把变化比较缓慢的正弦波、三角波等变换成矩形脉冲信号 。,变换波形图,7.2 施密特触发器,3）电平检测（脉冲鉴幅）,2020/8/1,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。当输入电压到达施密特触发器的VT+ 时，电路就输出一个脉冲信号。,电平检测（鉴幅）电路,7.2 施密特触发器,4）多谐振荡器,2020/8/1,7.2 施密特触发器,施密特触发器构成的多谐振荡器,电容波形和输出波形,5）脉冲展宽电路,2020/8/1,7.2 施密特触发器,脉冲展宽电路,输入波形、电容波形及输出波形,工作原理：, vI

7、为低电平，三极管截止，vA为高电平，vo为低电平；, vI由低变高，三极管导通，C放电，vA为低电平，vo为高电平；, vI由高变低，三极管截止，C充电至VT+，vo由高变低，脉宽展宽，并可通过电容调节。,2020/8/1,7.2 施密特触发器,7.2.2 CMOS施密特触发器,CC40106 是六CMOS施密特触发器，它是用CMOS反相器构成的，其应用与TTL施密特触发器相同。,引脚排列图,逻辑符号,电压传输特性,2020/8/1,单稳态触发器的特点：,它有一个稳定状态和一个暂稳状态；,暂稳状态维持一段时间之后，将自动返回到稳定状态，而暂稳状态时间的长短，与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参

8、数 。,7.3 单稳态触发器,在外来触发脉冲的作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；,一般用于定时、整形以及延时等。,R,2020/8/1,7.3.1 CMOS单稳态触发器,7.3 单稳态触发器,微分型CMOS或非门单稳态电路,微分延时电路,1）微分型单稳态触发器电路,2）微分型单稳态触发器的工作原理,7.3 单稳态触发器,2020/8/1,稳态：vI1 =vI0，门1截止，v01VDD，输出高电平；vI2VDD，门2导通，输出低电平，vO20。,波形,稳态,R,工作原理,R,7.3 单稳态触发器,2020/8/1,波形,触发到暂态：vI由0上升到开启电压VTH，产生正反馈：,触发,电路快速进

9、入如下状态：门1导通，v010，输出低电平；vI2VDD，门2截止，输出低电平，vO20，电路进入暂态。,暂态,7.3 单稳态触发器,2020/8/1,波形,暂态保持tW：VDD通过电阻R给C充电，vI2上升，产生正反馈：,当vI2达到门的开启电压VTH，电路快速地返回稳定状态，电容C放电，vI2基本保持在VDD ，vO1逐渐上升到VDD。,电容充电,电容放电,R,7.3 单稳态触发器,波形,2020/8/1,输出脉冲宽度(在暂稳态的时间)TW的估算公式：,门1的输出电阻,R,一般VTH=VDD，故,7.3 单稳态触发器,2020/8/1,2）积分型单稳态触发器电路,积分型CMOS单稳态电路,

10、波形,积分延时电路,工作原理,稳态：vIVDD，门1、门2导通，v010，vI20，输出低电平，vO= 0。,稳态,2020/8/1,7.3 单稳态触发器,触发到暂态：vI由1下降到0，C电压不能跃变，故瞬间vI20，使vo1。,触发,暂态,暂态保持tW：Vo1通过R给C充电，vI2上升至VTH，vo0，返回稳态。,电容充电,当vI由0转为1后，vo1=0，电容C通过门1放电，电路保持稳态。,电容充电,注：TW0.7（R+Ro）C，要求vI的 负脉冲宽度大于TW，否则成为反相器,7.3 单稳态触发器,2020/8/1,3）用CMOS施密特触发器构成的单稳态电路,施密特触发器构成的单稳态电路,波

11、形,工作原理,稳态：vIVDD，C电压不能跃变，vVDD，vO= 0，输出低电平，。,稳态,7.3 单稳态触发器,2020/8/1,触发到暂态：vI由1下降到0，C电压不能跃变，故瞬间v0，使vo1。,暂态保持tW：VDD通过R给C充电。当v上升至VTH，vo0，返回稳态。,输出脉冲宽度TW的估算公式：,由于单稳态触发器在数字系统中应用十分普遍，目前已有各种单片集成电路。TTL系列：74121、74122、74123等；CMOS系列：4098、4528、4538等。这些器件只要外接很少的电阻和电容，就可构成单稳态触发电路。使用起来非常方便。,7.3 单稳态触发器,2020/8/1,7.3.2

12、集成单稳态触发器,管脚图,功能表,说明：,取1.440k,取10pF10F,200ns200ms,7.3 单稳态触发器, 74121为 A下降沿和B上升沿都可以触发，其输出脉冲的宽度为：,2020/8/1, 74121的内部设置得电阻Rint（约为2k）可取代外接的Rext。,7.3 单稳态触发器,2020/8/1,采用外接电阻R,采用内部电阻Rint,2020/8/1,1、脉冲的整形,7.3 单稳态触发器,7.3.3 单稳态触发器的应用,单稳态触发器可以将不规则的输入信号vI ，整形成为幅度和宽度都相同的矩形脉冲vO。vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于暂稳态时间,单稳

13、态电路脉冲整形输入输出波形,2020/8/1,2.脉冲延时,7.3 单稳态触发器,单稳态电路构成的延时电路框图,单稳态电路构成的延时电路的波形,2020/8/1,3.脉冲定时,7.3 单稳态触发器,脉冲定时电路,脉冲定时电路工作波形,脉冲定时电路即在一定时间内允许脉冲通过，并可计算脉冲个数。,2020/8/1,7.4 多谐振荡器,7.4.1 TTL与非门对称多谐振荡器,多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源后，不需外加触发信号，状态就会自动不断地转换，产生矩形脉冲，由于矩形波含有很多谐波分量，故称为多谐振荡器，又称方波发生器。,TTL与非门对称多谐振荡器是利用TTL与非门工作在转折区，对输入

14、信号有很强的放大作用，故利用两个与非门用电容耦合起来，就可以组成多谐振荡器,TTL与非门对称多谐振荡器,控制端,1. 组成,2020/8/1,7.4 多谐振荡器,2. 工作原理,vK为低电平，停止振荡；vK为高电平，振荡器工作；,TTL与非门对称多谐振荡器的波形,vK为高电平时，若接通电源，vI1正跳变，电路产生如下正反馈：,7.4 多谐振荡器,2020/8/1,vo1很快变为低电平，vo2为高电平，vo2通过RF2、 与非门的VCC通过输入端同时为C1充电，而C2通过RF1放电。,C1充电,C2放电,很快vI2=VT，电路又产生如下正反馈：,vo1很快变为高电平，vo2为低电平，C2充电，而

15、C1放电，电路又重复第一个暂态。,C1充电,C2放电,7.4 多谐振荡器,2020/8/1,3. 振荡周期的计算,设C1= C2= C，RORF1= RF2=RF R1，取VOH=3.4V、VOL=0.2V，VT=1.1V ，可估算得振荡周期：,7.4 多谐振荡器,2020/8/1,7.4.2 其他多谐振荡器,1. 非对称式多谐振荡器,CMOS非对称多谐振荡器,为了简化电路，产生了非对称式多谐振荡器，工作原理类似，其振荡周期为,2. 环形多谐振荡器,环形多谐振荡器是由奇数个反相器首尾相连构成，电路是没有稳定状态的。其振荡周期取决于门的延迟时间。,环形多谐振荡器,门的传输延迟时间,2020/8/

16、1,7.4 多谐振荡器,3. 石英晶体多谐振荡器,在对称多谐振荡器的C2支路串联一个石英晶体就构成图石英晶体多谐振荡器，其振荡频率为石英晶体的固有频率，具有很高的频率稳定性。,石英晶体多谐振荡器,555定时器是一种多用途的数模混合集成电路，可以方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器 。双极型产品型号最后数码为555，CMOS型产品型号最后数码为7555。 国外典型的产品型号有NE555 、LM555 、XR555 、CA555 、RC555、LC555等，国内产品型号有CB555、SL555、FX555、FD555等。,7.5 555定时器及其应用,7.5.1 555定时器的电路结构

17、与功能,外形图,管脚排列图,2020/8/1,逻辑符号,2020/8/1,7.5 555定时器及其应用,555定时器的组成,555定时器内部电路,1接地端，GND；,3输出端，输出电流可达200mA；,5压控端，VCO；,6高电平触发端TH；,7放电端，DIS；,8电源端，VCC，范围为4.518V；,7.5 555定时器及其应用,2020/8/1,基本RS触发器,比较器,放电三极管,输出缓冲,分压器,7.5 555定时器及其应用,2020/8/1,2. 555定时器的功能,555定时器功能表,7.5 555定时器及其应用,7.5.2 555定时器应用举例,1. 构成施密特触发器,555定时器

18、构成施密特触发器,2020/8/1,7.5 555定时器及其应用,2020/8/1,电压传输特性,说明：,为反向施密特触发器；上限阈值电压为2VCC/3，下限阈值电压为VCC/3，回差电压V=VCC/3。,7.5 555定时器及其应用,输入输出波形,2020/8/1,应用实例：光控照明灯电路，天黑时，RL，6脚和2脚输入低电平，3脚输出高电平，K通电，触点闭合，灯EL点亮。,光控照明灯电路,继电器的线圈,7.5 555定时器及其应用,2020/8/1,2020/8/1,7.5 555定时器及其应用,2. 构成单稳态触发器,555定时器构成的单稳态触发器电路连线图,单稳态触发器逻辑图,C,C,7

19、.5 555定时器及其应用,2020/8/1,工作波形图, 无触发输入信号（vI为高电平）时，晶体管TD导通，vC0、vO0。,工作原理,稳态,C, vI下降沿触发（vIVCC/3)，C2输出低电平，晶体管TD截止，VCC通过R给C充电，vO输出高电平，电路进入暂态 。,暂态,7.5 555定时器及其应用,2020/8/1,0,1,1,0,1, vC2VCC/3时，C1输出低电平，晶体管TD导通，C通过晶体管TD放电，vO输出低电平，电路回到稳态 。,7.5 555定时器及其应用,2020/8/1,C,0,1,1,0,1,0, 输出的脉冲宽度,例：鱼缸水温自动加热电路如图所示，RT是正温度系数

20、热敏电阻器。用555定时器构成的单稳态触发器，设定加热时间为11s，试分析该电路的工作原理以及给出R和C的设计值。,解：正常温度，RT较大，2脚输入高电平，3脚输出低电平；,水温下降，RT减小，2脚输入低电平，3脚输出高电平，VL亮，K线圈通电，触点K1闭合，加热；,经过tW=11s时间，3脚输出低电平，线圈断电，触点K1断开，停止加热。,选R =1M， C =10F,7.5 555定时器及其应用,2020/8/1,鱼缸加热器,7.5 555定时器及其应用,2020/8/1,3. 构成多谐振荡器,555定时器构成的多谐振荡器电路连线图,多谐振荡器逻辑图,7.5 555定时器及其应用,2020/8/1,工作波形图,工作原理,接通电源，设vC=0，C1输出高电平，C2输出低电平，晶体管TD截止，VCC通