第12章 脉冲信号的产生与整形.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,第12章,脉冲信号的产生与整形,本章主要内容,（1）,脉冲信号波形的特性参数,（2）单稳态触发器,（3）多谐振荡器,（4）施密特触发器,（5)555定时器,12.1,脉冲信号波形的特性参数,所谓脉冲信号，是指在短时间内出现的阶跃电压或电流信号。在各种类型的脉冲信号中，最常见的是矩形脉冲。理想的矩形脉冲是一种无上升和下降时间，在持续时间内电压,(,或电流,),保持不变的脉冲信号。,如图,12.1(,a),所示。,(,a),理想矩形脉冲,（,b,）,矩形脉冲特性参数,图,12.1,矩形脉冲,脉冲信号波形的主要特性参数：,脉冲周期,T,周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间的时间间隔。周期,T,的倒数即单位时间内出现的脉冲数弥为重复频率,f，,即,f=1/T。,脉冲幅度,V,m,脉冲电压的最大变化幅度。,脉冲宽度,T,w,从脉冲前沿上升到0.5,V,m,开始，到脉冲后沿下降到0.5,V,m,为止的一段时间(即脉冲幅度50处的持续时间)。,上升时间,t,r,脉冲前沿从0.1,V,m,上升到0.9,V,m,所需要的时间。,下降时间,t,f,脉冲后沿从0.9,V,m,下降到0.1,V,m,所需要的时间。,12.2,单稳态触发器,前面介绍的,触发器,电路，它,有两种稳定状态，在外界触发信号作用下，可以从一种稳定状态翻转到另一种稳定状态。所以，也称触发器为,双稳态电路,。,触发器之所以具有这种特点，是由触发器电路的内部结构决定的。如果将基本,RS,触发器的两条交叉耦合支路的其中一条改为,RC,耦合(电阻电容耦合)，则电路的工作情况就大不一样。这种电路平时总是处于一种稳定状态。,在外来触发信号的作用下，它能翻转成新的状态，但这种状态是不稳定的，只能维持一定时间，因而称之为,暂稳态,。,暂,稳,态时间结束，电路能自动回到原来状态，从而输出一个矩形脉冲。由于这种电路只有一种稳定状态，因而称之为,“单稳态触发器”,，简称,“单稳电路”或“单稳”,。,单稳电路的暂态时间的长短，与外界触发脉冲无关，仅由电路本身的耦合元件,RC,决定，因此称,RC,为单稳电路的定时元件。,这种电路被广泛应用于数字系统中，可用于脉冲信号的宽度调整及延时等。,按照定时元件的连接方式，单稳电路可分为,微分型和积分型,两大类。,12.2.1 微分型单稳电路,1.电路组成,微分型单稳电路如图12.2所示。图中,G,1,、G,2,是,CMOS“,或非”门。电阻,R,和电容,C,组成微分延时电路。,图,12.2,微分型单稳电路,2.工作原理,如图,12.2,所示，该电路的输入触发脉冲为正脉冲。,稳态时,(,即正触发脉冲未到来时,),，只要恰当选择,R,的阻值，,G,2,一定导通，其输出,V,02,为低电平。又由于,V,I1,为低电平，所以,G,1,的两个输入端均为低电平，,G,1,截止，其输出,V,01,为高电平。,当正触发脉冲到来并使,V,I1,由低电平上升至,V,T,(,即,CMOS,“,或非”门的开启电压,),时，将引起下列正反馈过程：,该正反馈过程使电路快速翻转到,G,1,导通（输出低电平）、,G,2,截止（输出高电平），进入暂稳状态。接着,V,DD,通过,R,及,G,1,的输出电阻对电容,C,充电，,V,I2,按指数规律上升，当,V,I2,上升到,V,T,时，又会产生下列正反馈过程（假设此时,V,I1,已回到低电平）：,V,I2,V,O2,V,O1,这个正反馈过程使电路快速返回到,G,1,截止、,G,2,导通的稳定状态。此后电容,C,通过,G,2,输入端保护电路的二极管及,G,1,的输出电阻放电，,V,I2,基本保持在,V,DD,，,V,o1,逐渐上升到,V,DD,。,这种单稳态电路各点工作波形,如图,12.3,所示,。,图,12.3,微分型单稳电路工作波形,由上述单稳电路的工作过程，可以得出输出脉冲宽度（即暂稳态时间）,t,w,的估算公式如下：,t,w,=(R+R,o,)C,lnV,DD,/(V,DD,V,T,),若,V,T,=1/2V,DD,，,则,t,w,=(R+R,o,)C ln2 0.7(R+Ro)C,其中,Ro,为,G,1,门的输出电阻。,例如，若,R=1k，R,o,=0.2k，C=150pF，,则单稳电路的输出脉冲宽度,t,w,=0.7（1k+0.2k）150pF=126nS。,输出脉冲的幅度近似等于,V,DD,。,另外，为使单稳电路可靠工作，应让电容在暂稳态之后能够充分恢复到稳态时的电压。,为此，,触发脉冲周期应大于,t,w,+3,。,称为电容充、放电时间常数。在本电路中，,即为（,R+R,o,）C,。,12.2.2,积分型单稳电路,1.,电路组成,积分型单稳电路,如图12.4所示,。,G,1,、G,2,为,CMOS“,或非”门，,R、C,构成积分型延时电路，容易看出，与微分型单稳电路相比，其中的,R、C,刚好互易位置。,图12.4 积分型单稳电路,2.,工作原理,如图12.4所示，该电路的输入触发脉冲为负脉冲。,稳态时，,V,I1,为高电平，,G,1,和,G,2,导通，所以,V,o1,为低电平，,V,I2,为低电平，,V,o2,也为低电平。,当负触发脉冲到来时，,V,I1,由高电平跳到低电平，,G,1,截止，,V,o1,由低电平跳到高电平。但由于电容上的电压不能突变，所以此刻,V,I2,仍为低电平，故,G,2,由导通变为截止，,V,o2,由低电平跳变到高电平，电路进入暂稳态。,此后电容,C,通过,R,和,R,o,（,G,1,的输出电阻）放电，,V,I2,呈指数规律上升，当上升到,V,T,时（假定,V,I1,仍为低电平），,G,2,导通，,V,o2,跳变到低电平。,当,V,I1,跳变到高电平后，,G,1,导通，电容,C,开始充电，直至电路恢复到稳定状态。其工作波形,如图,12.5,所示,。,图,12.5,积分型单稳电路工作波形,脉冲宽度,tw,的估算公式为：,t,w,=(R+R,o,)C,lnV,DD,/(V,DD,V,T,),典型情况下,V,T,=1/2V,DD,，,则,t,w,0.7(R+R,o,)C,另外，这种电路要求触发信号,V,I1,的脉冲宽度(低电平时间)应大于输出脉冲,V,o2,的宽度,t,w,，,否则该电路就成了反相器，失去了单稳电路的基本特性和功能。,12.3,多谐振荡器,在数字电路中，经常需要有能够自己产生脉冲信号的电路。,多谐振荡器就是不需要外加触发信号，自身就可以产生脉冲信号的矩形波发生器。这种自身就可以产生信号的电路称为“自激振荡器”。又由于矩形波或方波都包含有多次谐波，所以这种电路又称“自激多谐振荡器”，简称,“多谐振荡器”。,双稳态电路,和,单稳态电路有一个共同特点，就是必须在外界触发信号的作用下才能引起电路工作状态的翻转。多谐振荡器不需要外加触发信号，自身就能够反复不停地翻转、产生矩形脉冲,。,单稳电路,的,两条交叉耦合支路中的一条为,RC,耦合，因而出现一个暂稳态，一次自动翻转。如果把两条耦合支路都改为,RC,耦合，且耦合电阻选择得恰当，这时电路就,没有稳态,，即,只有两个暂稳态,。,在电源接通后，电路就能不停地在两个暂稳态间来回翻转，即电路产生振荡，输出一定脉冲宽度和重复周期的矩形脉冲信号。,多谐振荡器的类型及电路组成形式较多，,这里,主要介绍,环形多谐振荡器,及,石英晶体多谐振荡器。,12.3.1 环形多谐振荡器,环形多谐振荡器，是一种由奇数个门电路首尾相联而构成的闭环电路多谐振荡器。图12.6所示即为一个由三块,TTL“,与非”门构成的环形多谐振荡器及各点电压波形。,图12.6 环形多谐振荡器,由于每个门电路都有一定的传输延迟时间，所以在电源接通后，电路的输入输出关系按“1-0-1-0”的规律变化，即这种联结形式的电路一定没有稳定状态。,例如当,V,I1,突然跳变到,V,I1,=1,时，那么经过,G,1,门延迟,t,pd,以后，,V,I2,=0；,然后经过,G,2,门延迟,t,pd,，,使,V,I3,=1；,再经过,G,3,门延迟,t,pd,使,V,o,=0=V,I1,。,即,V,I1,经过3,t,pd,之后，又变成了低电平。可以推断，再经过3,t,pd,之后，,V,o,=V,I1,又会变成高电平。如此周而复始，电路形成振荡，输出如图,12.6（,b）,所示,的矩形脉冲。,由波形图容易看出，振荡周期,T=23t,pd,=6t,pd,，,振荡频率,f,为：,f=1/,（,23t,pd,）,式中，3为门电路数，,t,pd,为单个门电路的传输延迟时间。,这种振荡器的电路结构简单，但由于门电路的传输延迟时间,t,pd,很短，所以这种电路的振荡频率很高，而且不可调，因此应用范围有限。,12.3.2,RC,环形振荡器,由,TTL,“,与非”门组成的,RC,环形振荡器,如图,12.7,所示,。其中的,R,、,C,为主要的定时元件，由它们决定电路的振荡频率，调节,R,，,可以改变振荡频率。,图,12.7,RC,环形振荡器,振荡电路中各点电压波如图,12.8,所示。,图,12.8,RC,环形振荡器各点电压波形,省略具体的推算过程，,下面,直接给出,这种电路的,振荡周期为：,T =0.98(R/R,1,)C+1.26RC,当,R,1,R,时，振荡周期的估算公式也可表示为：,T2.2RC,例如，若,R=5k，C=4F，,则振荡周期,T=2.25k4F=44mS。,12.3.3,石英晶体多谐振荡器,为了得到频率稳定度很高的时钟脉冲，可以采用的一种有效方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成,石英晶体多谐振荡器。,石英晶体的频率稳定性很高，而且其选频特性也非常好。,图12.9,给出了石英晶体的符号表示及阻抗频率特性曲线。,图12.9 石英晶体的符号及阻抗频率特性,一个,TTL“,与非”门石英晶体多谐振荡器电路,如图12.10,所示。其中,V,I,为控制端，,VI=1,时，电路振荡；,V,I,=0,时，电路不振荡。,图12.10 石英晶体多谐振荡器,这种电路的振荡频率只决定于石英晶体本身的谐振频率,f,0,，,而与电路中的,R、C,数值无关。,图12.11,是,CMOS,石英晶体多谐振荡器电路。它的振荡频率主要由石英晶体的谐振频率决定。电容,C,用作频率微调。,图12.11,CMOS,石英晶体多谐振荡器,12.4,施密特触发器,施密特触发器,能够把变化缓慢的输入信号整形成适合数字电路需要的矩形脉冲。因此，施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中得到广泛应用。,12.4.1 电路组成,图12.12,表示了施密特触发器的电路组成及符号表示。容易看出，它是由两极反相器组成的。,在耦合方式上，它通过电阻,R,1,和,R,2,分压，将,T,1,管集电极同,T,2,管基极耦合；同时再通过发射极电阻,R,e,完成,T,2,管与,T,1,管的耦合，所以也有人称此电路为“,射极耦合触发器”,。,图,12.12,施密特触发器,12.4.2,工作原理,下面通过,图,12.13,所示该电路的输入和输出波形来说明它的工作原理。,当输入信号,V,I,为较低电平时（即当,tV,时，比较器输出高电平；,V,2V,DD,/3，V,TR,*,V,DD,/3,时，,R=1，S=0，,触发器置0，,V,O,=0，DIS,接通；,（3）当,R*=1，V,TH,2V,DD,/3，V,TR,*,2V,DD,/3，V,TR,V,DD,/3,时，,R=1，S=1，,触发器的,Q,和,Q*,均为0，此时“或”门输出仍为0，故,V,O,=1，DIS,断开。,（4）当,R*=1，V,TH,V,DD,/3,时，,R=0，S=0，,触发器状态不变，输出,V,O,和,MOS,管,T,的状态也不变。,12.5.4 555,定时器应用举例,1.,组成单稳态触发器,由,CH 7555,组成的单稳态触发器,如图,12.19,所示,。,图,中,R,、,C,是外接定时元件。输入触发信号,V,I,加在低触发端,V,TR,上，由输出端,V,C,给出输出信号。,电压控制端,V,C,不用，因此将其接,0.01,f,旁路电容。,图,12.19,用,CH 7555,构成单稳态触发器,稳态时，输入触发信号,V,I,为高电平,V,DD,，,基本,RS,触发器处在0状态，“或”门输出高电平，,MOS,管,T,导通，,Vo0V，DIS=V,TH,0V。,当负触发脉冲到来时，只要输入脉冲的低电平小平,V,DD,/3，,则比较器,C,2,输出高电平，基本,RS,触发器置1，,Q*=0，“,或”门输出低电平，,MOS,管,T,截止，输出,Vo,跳变为高电平，电路进入暂稳态。,在暂稳态期间电源,V,DD,通过电阻,R,对电容,C,充电，随着充电过程的进行，,V,TH,=DIS,的电位逐渐升高，当,V,TH,上升到2,V,DD,/3,时，比较器,C1,输出高水平，基本,RS,触发器置0，,Q*=1，“,或”门输出高电平，输出,Vo,跳变为低电平，,MOS,管,T,导通，电容,C,放电，电路返回到稳态。,工,作波形,如图12.20,所示,。,图12.20 工作波形,若忽略,MOS,管,T,的导通压降，则该单稳电路的输出脉冲宽度可用下式估算：,T,w,RC ln31.1 RC,使用这样单稳电路时，要求输入触发脉冲的宽度一定要小于,T,w,。,当,V,I,的宽度大于,T,w,时，可在输入端加,RC,微分电路。,2.,组成多谐振荡器,由,CH 7555,组成的多谐振荡器电路,如图12.21所示,。,R,1,、R,2,、C,为外接定时元件。该电路的工作原理,如下：,假设电源接通后某时刻电路所处的状态为：输出,V,O,=1，,则此时,MOS,管,T,截止，电源,V,DD,通过,R,1,、R,2,对电容,C,充电，,V,TH,=V,TR,*,的电位逐渐升高。当,V,TH,上升到2,V,DD,/3,时，比较器,C,1,的输出跳变为高水平，基本,RS,触发器置0，,Q=1，“,或”门输出高电平，,V,O,跳变到低电平，,MOS,管,T,导通，电容,C,通过,R,2,放电，,V,TH,=V,TR,*,电位逐渐下降。当,V,TR,*,下降到,V,DD,/3,时，比较器,C,2,的输出跳变为高电平，基本,RS,触发器置1，,Q=0,“,或”门输出低电平，,V,O,跳变成高电平，,MOS,管,T,截止，,C,充电。,如此重复上述过程，电路产生振荡，在其输出端即可得到周期性的矩形脉冲信号。工作波形图如图12.22所示。,图,12.21,用,CH 7555,构成多谐振荡器,图,12.22,工作波形,根据上述分析，可求得电容,C,的充放电时间,t,1,、t,2,和脉冲周期,T，,近似计算公式如下：,t,1,(R,1,+R,2,)C ln20.7(R,1,+R,2,)C,t,2,R,2,C ln20.7R,2,C,T=t,1,+t,2,0.7(R,1,+2R,2,)C,3.,组成施密特触发器,由,CH 7555,组成的施密特触发器中,图12.23所示,。此电路原理比较简单。显然这个电路的上限阈值电压,V,T,=2V,DD,/3，,下限阈值电压,V,T,=V,DD,/3，,其回差电压为,V=V,T,V,T,=V,DD,/3。,如果在电压控制端加上电压,V,C,，,则可通过改变,V,C,来调节,V,T,、V,T,和,V。,另外，电路的,V,O2,输出幅度将随着,Ec,的不同而改变，因而可以用作电平转换。,图12.23 用,CH7555,构成施密特触发器,12.6,单次脉冲产生电路,12.6.1,异步单脉冲发生器,图,12.24(,a),所示为一个异步单脉冲发生器电路原理图。它是将微动开关的两个定触点分别接至,RS,触发器的,R,、,S,端，将微动开关的动触点接地。平常,(,即没按动微动开关时,),，,RS,触发器处于,1,状态。当按下微动开关时，动触点飞离常闭触点撞击到常开触点上；,当放开微动开关时，动触点飞离常开触点又撞击到常闭触点上。这里需要说明的是，实际微动开关触点的断开和接通存在着短时间“若离若合”的所谓开关抖动现象。,图,12.24(,b),所示的时间图上示意性地表示了由于开关抖动现象对,R,、,S,端电压波形的影响。,图,12.24,异步单脉冲发生器,事实上，该电路中的,RS,触发器起着消除抖动的作用，在端最终得到一个正脉冲，其上升边出现的时刻及脉冲的宽度由微动开关按下的时刻及按下后持续的时间所决定。,如果要求得到宽度一定的窄脉冲，可将信号经过延迟,(,假定延迟时间为,50,nS,),再反相，然后和相“与”，这样输出,Z,上即可得到一个宽度为延迟时间的窄脉冲。有关波形如图,12.24(,b),所示。,12.6.2,同步单脉冲发生器,在数字系统与计算机中，有时要求单脉冲发生器发出的脉冲信号箭与系统的时钟脉冲同步。,图12.25所示,就是具有这种功能的同步单脉冲发生器的电路原理图及时间图。它是由一个维持阻塞电路以及两个,RS,触发器构成。,图12.25 同步单脉冲发生器,平常，触发器,FF,2,、FF,1,处于01状态，按下微动开关可以在触发器,FF,1,的,Q,1,端得到一个负脉冲，其宽度决定于微动开关被按下的持续时间。,FF,1,的置0将使触发器,FF,2,置1；当,FF,1,恢复1状态后，,FF,2,、FF,1,的状态成为11状态，这时开启维持阻塞电路（,a,点呈现高电平），放过此刻之后的下一个时钟脉冲（单脉冲）。,这个脉冲又返回来将,FF,2,置0，触发器,FF,2,、FF,1,的状态又回到了01状态，关闭维持阻塞电路（,a,点呈现低电平）。,如果,FF,1,回到1状态的时间正好在某个时钟脉冲期间内，由于维持阻塞电路的功能，这个时钟脉冲将被阻塞，放过的是下一个完整的时钟脉冲。,第,12章 作业,P329,12.1 12.2 12.4 12.5,