第6章-脉冲波形的产生与整形.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,兰州财经大学电子工程系,6.脉冲波形的变换与产生,6.1,集成,555,定时器,6.2 施密特触发器,6.3 多谐振荡器,6.4,单稳态触发器,1.,理解,555,定时器的工作原理，掌握由,555,定时器组成的单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器的电路结构、工作原理和参数计算。,2.,掌握单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器的逻辑功能；,3.,掌握波形分析的方法，能够熟练地计算对应波形的脉冲周期、占空比以及脉冲宽度等典型参数；,教学要求,在数字电路或系统中，常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、控制过程的定时信号等。这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种则是通过对已有信号进行变换，使之满足系统的要求。,集成,555,定时器的用途很广，该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成施密特触发器、多谐振荡器和单稳态触发器。,有双极型（型号最后三位为,555,）和,CMOS,型（型号最后四位为,7555,）两类电路。它们的功能、外引线排列完全相同。,应用：在测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域得到了广泛的应用。,6.1,集成,555,定时器,6.1.1 555,定时器的电路结构,图,6-1,（,a,）所示是国产双极型定时器,CB555,的电路结构图。,图,6-1(a),定时器原理图,CB555,定时器,由两个电压比较器,C,1,和,C,2,、基本,RS,触发器、三个阻值为,5k,的电阻组成的分压器、放电三极管,T,及缓冲器,G,组成。,（,1,）电压比较器,集成运放构成的电压比较器,C,1,、,C,2,，,V,+,V-,时，则,V,O,=V,OH,(1),；,V,+,V-,时，则,V,O,=V,OL,(0),。,（,2,）电阻分压器,电阻分压器使,C1,：,V,+,=V,R1,2V,CC,/3,C2,：,V-=V,R2,V,CC,/3,V,V,+,V,O,+,A,（,3,）,基本,RS,触发器,由与非门,G,1,、,G,2,构成，,R,为置零输入端，低电平有效。工作时触发器的状态受比较器输出,V,C1,和,V,C2,控制。,（,4,）输出缓冲,G,3,G,3,有较大的电流驱动能力，隔离负载对定时器影响,（,5,）三极管开关,T,T,起开关作用，当,Q,1,时，,T,导通；,Q,0,时，,T,截止。,图,6-1,（,b,）、（,c,）分别为,555,定时器的电路符号和引脚排列。,引脚功能,:,1:,GND,地,2:,TL,低,触发输入端,(,负脉冲有效,),3:OUT,输出,4:,R,异步清零，低电平有效,5:,V-C,控制电压输入端,6:,TH,高触发输入端,7:,D,放电输出,8:,Vcc,电源端,（,b,）电路符号,（,c,）引脚排列,图,6-1 555,定时器,双极型,CB555,定时器的工作原理：,0,1,0,1,2,V,CC,/3,0,1,0,2,V,CC,/3,V,CC,/3,不变,不变,1,1,2,V,CC,/3,V,CC,/3,1,0,0,1,6.1.2 555,定时器的工作原理,图,6-1(a),定时器原理图,通过前面的分析，可得,555,定时器的功能表如表,6-1,所示。,表,6-1 555,定时器的功能表,施密特触发器（,Schmitt Trigger,）是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，是一种双稳态触发电路，输出有两个稳定的状态。但与一般触发器不同的是：施密特触发器属于电平触发，有以下两个特点：,（,1,）输入信号从低电平上升的过程中电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降的过程中对应的输入转换电平不同，即具有回差电压特性。,（,2,）在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈使输出电压波形的边沿变得很陡。,6.2,施密特触发器,6.2,施密特触发器,（,a,）同相输出的逻辑符号,（,b,）同相输出的回差特性,图,6-2,施密特触发器的逻辑符号和回差特性,6.2,施密特触发器,（,c,）反相输出的逻辑符号,（,d,）反相输出的回差特性,图,6-2,施密特触发器的逻辑符号和回差特性,6.2.1,用,555,定时器构成的施密特触发器,1,电路组成及工作原理,图,6-3(a)555,定时器构成的,施密特触发器原理图,（,1,）,v,I,=0V,时，,v,O1,输出高电平。,（,2,）当,v,I,上升到,2,V,CC,/3,时，,v,O1,输出低电平。当,v,I,由,2,V,CC,/3,继续上升，,v,O1,保持不变。,（,3,）当,v,I,下降到,V,CC,/3,时，输出,v,O1,由低电平跳变为高电平。而且在,v,I,继续下降到,0V,时，电路的这种状态不变。,施密特触发器的波形,v,O,t,0,2,V,CC,3,0,v,I,t,V,CC,3,V,T+,V,T-,图,6-3(b),施密特触发器工作波形,施密特触发器的电压滞回特性如图,6-4,所示。,图,6-4 555,定时器构成的施密特触发器的电压传输特性,2,电压滞回特性和主要参数,主要静态参数有：,（,1,）上限,阈值电压,：,上升过程中，输出电压,由高电平,跳变到低电平,时，所对应的输入电压值,。,（,2,）下限阈值电压,：,下降过程中，,由低电平,跳变到高电平,时，所对应的输入电压值,。,（,3,）回差电压,回差电压又叫滞回电压，定义为,如果在电压控制端（,5,脚）施加一个外加电压,，则有,，,，,。,而且当改变,时，它们的值也随之改变,。,1.,电路组成,CMOS,门组成的同相施密特触发器如图所示。,6.2.2 CMOS,门电路构成的施密特触发器,2.,工作原理,设,V,TH,0.5V,DD,，,R,1,R,2,，,v,I,为三角波。,v,I1,确定电路状态，,v,I,=0,，,v,O,=0,，,v,I1,=0,。,v,I,，只要,v,I1,V,TH,，,v,O,=0,当,v,I1,=V,TH,，电路产生正反馈,v,I,v,I1,v,O1,v,O,V,OH,V,T+,：,I,值在增加过程中，使输出电压产生跳变时所对应,I,的值。,由叠加原理,0,1,2.,工作原理,设,V,TH,0.5V,DD,，,R,1,V,TH,，保持,v,O,=,V,OH,当,v,I,，,v,I1,，,v,I1,V,TH,，,v,O,=,V,OH,v,I1,=,V,TH,，,电路产生正反馈,v,I,v,I1,v,O1,v,O,V,OL,V,DD,2V,TH,代入,1,0,V,T,V,T+,v,I,v,O,传输特性,输入输出波形,2.,工作原理,t,t,6.2.3,集成施密特触发器,图,6-7,（,a,）是,CMOS,集成施密特触发器,CC40106,（六反相器）的引线功能图，表,6-2,所示是其主要静态参数。,1,CMOS,集成施密特触发器,表,6-2,集成施密特触发器,CC40106,的主要静态参数（单位为）,电源电压,V,DD,V,T+,最小值,V,T+,最大值,V,T,最小值,V,T,最大值,V,T,最小值,V,T,最小值,5,2.2,3.6,0.9,2.8,0.3,1.6,10,4.6,7.1,2.5,5.2,1.2,3.4,15,6.8,10.8,4,7.4,1.6,5,（,a,）,CC40106,（,b,）,74LS14,图,6-7,集成施密特触发器的外引线功能图,2,TTL,集成施密特触发器,TTL,施密特触发器具有以下特点：,（,1,）输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作。,（,2,）对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿。,（,3,）带负载能力和抗干扰能力都很强。,6.2.4,施密特触发器的应用举例,1,用作接口电路,利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以将边沿缓慢变化的输入信号，转换成为符合,TTL,系统要求的边沿很陡的矩形脉冲波形。如图,6-8,所示。,图,6-8,慢输入波形的,TTL,系统接口,2,用作整形电路,在数字电路中，矩形脉冲经传输后往往会发生波形畸变，如图,6-9,所示。只要施密特触发器的 和 设置得合适，都可以把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。,图,6-9,脉冲整形电路的输入输出波形,3,用于脉冲鉴幅,由图,6-10,可以看出，若将一系列幅度不同的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些幅值大于,的脉冲才会在输出端产生输出信号。因此，施密特触发器具有脉冲鉴幅的功能。,图,6-10,用施密特触发器鉴别脉冲幅度,6.3,多谐振荡器,多谐振荡器（,Astable Multivibrator,）是一种自激振荡器。在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲波。一旦起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此它又称为无稳态电路，常用来做脉冲信号源。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上将矩形波振荡器称为多谐振荡器。,1,电路组成及工作原理,用,555,定时器构成的多谐振荡器如图,6-11,（,a,）所示。,工作原理,暂稳态,：,v,O,=1,T,截止。,C,充电,。,1,=(R,1,+R,2,)C,自动翻转,：,当充电,v,C,2V,CC,/3,v,O,=0,，,T,导通。,暂稳态,：,v,O,=0,T,导通，,C,放电,。,2,=R,2,C,自动翻转,：当放电,v,C,V,CC,/3,，,v,O,=1,，,T,截止。又进入暂稳态,。,6.3.1,用,555,定时器构成的多谐振荡器,波形图,2,振荡频率的估算,（,1,）电容充电时间,T,1,C,充电,，,1,=(R,1,+R,2,)C,，,v,C,(0,+,)=1/3V,CC,，,v,C,()=V,CC,2,振荡频率的估算,（,2,）电容放电时间,T,2,C,放电,，,1,=R,2,C,，,v,C,(0,+,)=2/3V,CC,，,v,C,()=0,2,振荡频率的估算,（,3,）电路振荡周期,T,（,4,）电路振荡频率,f,（,5,）输出波形占空比,q,脉冲宽度与脉冲周期之比称为占空比，即,3,占空比可调的多谐振荡器电路,R,A,=R,1,+R,2,上,，,R,B,=R,3,+R,2,下,充电，,V,CC,R,A,D,1,C,，,T,1,=0.7R,A,C,放电，,C,D,2,R,B,T,地，,T,2,=0.7R,B,C,T,=T,1,+T,2,0.7(R,A,+R,B,)C,=0.7(R,1,+R,2,+R,3,)C,调节,R,2,，,T,保持不变,调节,R,2,，改变占空比。,若,R,A,=,R,B,，占空比为,1/2,32,6.3.2,用门电路构成的多谐振荡器电路,图,6-13,所示是用,TTL,门电路构成的对称式多谐振荡器电路。,图,6-13,门电路构成的多谐振荡器,v,I1,在扰动的作用下正向增大，会有,v,O1,跳变到低电平，,v,O2,增大到高电平，电路进入第一个暂态。此时，,C,1,开始充电，,C,2,开始放电。,C,1,同时经过,R,1,和,R,F2,充电，,v,I2,增大到了,G,2,的阈值,V,TH,，使得,v,O2,跳变成低电平，,v,I1,减小，,v,O1,跳变成高电平，电路进入第二个暂态。,6.3.2,用门电路构成的多谐振荡器电路,（,a,）,C,1,充电的等效电路 （,b,）,C,2,放电的等效电路,C,2,开始充电，,C,1,开始放电。这个过程和第一个暂态下电容的充放电过程对应。当,v,I1,增加到了阈值,V,TH,时，电路又将进入第一个暂态。这样，电路在两个暂态中往复振荡输出脉冲波形。,6.3.2,用门电路构成的多谐振荡器电路,（,a,）,C,1,充电的等效电路 （,b,）,C,2,放电的等效电路,图,6-15,门电路多谐振荡器各点波形,门电路多谐振荡器各点的波形：,6.3.3,石英晶体多谐振荡器,在上面介绍的多谐振荡器中，由于其工作频率取决于电容,C,充、放电过程中电压到达转换值的时间，因此稳定度不够高。这是因为：第一，转换电平易受温度变化和电源波动的影响；第二，电路的工作方式易受干扰，从而使电路状态转换提前或滞后；第三，电路状态转换时，电容充、放电的过程已经比较缓慢，转换电平的微小变化或者干扰，对振荡周期影响都比较大。一般在对振荡器频率稳定度要求很高的场合，都需要采取稳频措施，其中最常用的一种方法，就是利用石英谐振器（简称石英晶体或晶体）构成石英晶体多谐振荡器。,1,石英晶体的选频特性,如图,6-16,所示为石英晶体的符号和电抗频率特性。石英晶体有两个谐振频率，当 时，为串联谐振，石英晶体的电抗,X=0,；当 时，为并联谐振，石英晶体的电抗无穷大。,由晶体本身的特性决定：（晶体的标称频率），石英晶体的选频特性极好，十分稳定，其稳定度可达,10-10,10-11,。,图,6-16,石英晶体的电抗频率特性和符号,2,石英晶体多谐振荡器,如图,6-17,所示是由石英晶体构成的串联振荡器。,图,6-17,串联式石英晶体多谐振荡器,R,F1,、,R,F2,的作用是使两个反相器在静态时都工作在转折区，成为具有很强放大能力的放大电路。对于,TTL,门，常取,R,F1,=R,F2,=0.7,2k,；若是,CMOS,门，则常取,R,F1,=R,F2,=10,100M,；,C,1,=C,2,是耦合电容。,石英晶体工作在串联谐振频率,f,0,下，只有频率为,f,0,的信号才能通过，满足振荡条件。因此，电路的振荡频率为,f,0,，与外接元件,R,、,C,无关，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。,（,2,）并联式振荡器,R,F1,是偏置电阻,，保证在静态时使,G,1,工作转折区，构成一个反相放大器。反相器,G,2,起整形缓冲作用，同时,G,2,还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。,晶体工作,在,f,s,与,f,p,之间,，等效为一电感，与,C,1,、,C,2,共同构成电容三点式振荡电路。电路的振荡频率,为,f,0,。,如图,6-18,所示由石英晶体构成的并联振荡器。,图,6-18,并联式石英晶体多谐振荡器,6.3.4,多谐振荡器应用实例,图,6-19,是利用多谐振荡器构成的简易温控报警电路。,图,6-19,多谐振荡器用作简易温控报警电路,1,简易温控报警器,2,双音门铃,图,6-20,是用多谐振荡器构成的电子双音门铃电路。,图,6-20,用多谐振荡器构成的双音门铃电路,3,秒脉冲发生器,图,6-21,所示是由,CMOS,石英晶体多谐振荡器构成的秒脉冲发生器。石英晶体多谐振荡器产生,32768Hz,的基准信号，经,T,触发器构成的,15,级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒信号。这种秒脉冲发生器可作为各种计时系统的基准信号源。,图,6-21,秒脉冲发生器,6.4,单稳态触发器,单稳态触发器具有下列特点：第一，它有一个稳定状态和一个暂稳状态；第二，在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；第三，暂稳状态维持一段时间后，将自动返回到稳定状态。暂稳态时间的长短，与触发脉冲无关，仅取决于电路本身的参数。,单稳态触发器在数字系统和装置中，一般用于定时（产生一定宽度的脉冲）、整形（把不规则的波形转换成等宽、等幅的脉冲）以及延时（将输入信号延迟一定的时间之后输出）等。,6.4.1,用,555,定时器构成的单稳态触发器,工作原理为：,（,1,）无触发信号输入时电路工作在稳定状态。,当电路无触发信号时，,v,I,保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端,v,o,保持低电平，,555,定时器内放电三极管,T,饱和导通，电容电压,v,c,为,0,。,1,电路组成及工作原理,图,6-22(a),用,555,定时器构成的单稳态触发器,6.4.1,用,555,定时器构成的单稳态触发器,工作原理为：,（,2,）,下降沿触发,当,下降沿到达时，,555,定时器触发输入端（,2,脚）由高电平跳变为低电平，电路被触发，,由低电平跳变为高电平，电路由稳态转入暂稳态。,1,电路组成及工作原理,图,6-22(a),用,555,定时器构成的单稳态触发器,6.4.1,用,555,定时器构成的单稳态触发器,工作原理为：,（,3,）暂稳态的维持时间,在暂稳态期间，,555,定时器内放电三极管,T,截止，,V,CC,经,R,向,C,充电。其充电回路为,V,CC,R,C,地，时间常数,，电容电压,v,c,由,0V,开始增大，在电容电压,v,c,上升到阈值电压,2/3V,cc,之前，电路将保持暂稳态不变。,1,电路组成及工作原理,图,6-22(a),用,555,定时器构成的单稳态触发器,6.4.1,用,555,定时器构成的单稳态触发器,工作原理为：,（,4,）自动返回（暂稳态结束）时间,当,v,c,上升至阈值电压,2/3V,cc,时，输出电压,v,o,由高电平跳变为低电平，,555,定时器内放电三极管,T,由截止转为饱和导通，管脚,7,“接地”，电容,C,经放电三极管对地迅速放电，电压,v,c,由,2/3V,cc,迅速降至,0V,（放电三极管的饱和压降），电路由暂稳态重新转入稳态。,1,电路组成及工作原理,图,6-22(a),用,555,定时器构成的单稳态触发器,6.4.1,用,555,定时器构成的单稳态触发器,工作原理为：,（,5,）恢复过程,当暂稳态结束后，电容,C,通过饱和导通的三极管,T,放电，时间常数,，式中,R,CES,是,T,的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此,亦非常小。经过,3,5,后，电容,C,放电完毕，恢复过程结束。,恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可以接收新的触发信号。,1,电路组成及工作原理,图,6-22(a),用,555,定时器构成的单稳态触发器,2.,主要参数计算,(1),输出脉冲宽度,t,W,触发后，,RC,充电过程决定暂稳态维持时间，设输出脉冲宽度,t,w,。,电容过渡过程全响应：,将,v,C,(0,+,)=0,，,v,C,(,)=,V,CC,，,=,RC,，,代入,得：,t,w,=RC ln3=1.1RC,(2),恢复时间,t,re,，约为,3,5,。,(3),最高工作频率,fmax,52,6.4.2,用门电路构成的单稳态触发器,单稳态触发器的暂稳态通常都是靠,RC,电路的充放电来维持的，根据,RC,的不同接法，门电路组成的单稳态触发器有微分型和积分型两种，如图,6-23,（,a,）、（,b,）所示。,（,a,）微分型单稳态触发器,（,b,）积分型单稳态触发器,分析微分型单稳态触发器：,波形图：,6.4.3,集成单稳态触发器,1,TTL,集成单稳态触发器,74121,的逻辑功能和使用方法,图,6-25,（,a,）是,TTL,集成单稳态触发器,74121,的逻辑符号，图（,b,）是工作波形图。该器件是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。,波形图：,表,6-4,集成单稳态触发器,74121,的功能表,图,6-26,表明了集成单稳态触发器,74121,的外部元件连接方法，图（,a,）是使用外部电阻,R,ext,且电路为下降沿触发连接方式，图（,b,）是使用内部电阻,R,int,且电路为上升沿触发连接方式。,a,）使用外接电阻,R,ext,（下降沿触发）,（,b,）使用内部电阻,R,int,（上升沿触发）,2,主要参数,（,1,）输出脉冲宽度,t,w,使用外接电阻：,使用内部电阻：,（,2,）输入触发脉冲最小周期,T,min,其中,t,re,是恢复时间。,（,3,）周期性输入触发脉冲占空比,q,式中,T,是输入触发脉冲的重复周期，,t,w,是单稳态触发器的输出脉冲宽度。,最大占空比：,集成单稳态触发器分为可重复触发和不可重复触发两种。,不可重复触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束以后，它才能接受下一个触发脉冲而转入下一个暂稳态。,可重复触发的单稳态触发器在电路被触发而进入暂稳态以后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个,t,W,宽度,。,3,关于集成单稳态触发器的重复触发问题,6.4.4,单稳态触发器的应用,（,1,）延时,v,/,O,的下降沿比,v,I,的下降沿滞后了时间,t,W,，即延迟了时间,t,W,。单稳态触发器的这种延时作用常被应用于时序控制中。,（,2,）定时,单稳态触发器的输出电压,v,/,O,，用作与门的输入定时控制信号，当,v,/,O,为高电平时，与门打开，,v,O,=,v,F,，当,v,/,O,为低电平时，与门关闭，,v,O,为低电平。显然与门打开的时间是恒定不变的，就是单稳态触发器输出脉冲,v,/,O,的宽度,t,W,。,1,延时与定时,图,6-28,单稳态触发器用于脉冲的延时,与定时选通,2,整形,单稳态触发器能够把不规则的输入信号,v,I,，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲,v,O,。,v,O,的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度,t,W,决定于暂稳态时间。,图,6-29,单稳态触发器用于波形的整形,3,触摸定时控制开关,图,6-30,触摸式定时控制开关电路,该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由,RC,参数调节。,4,触摸、声控双功能延时灯,图,6-31,所示，为一触摸、声控双功能延时灯电路，电路由电容降压整流电路、声控放大器、,555,触发定时器和控制器组成。具有声控和触摸控制灯亮的双功能。,