ch6脉冲整形.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,*,脉冲信号的基本参数,单稳态触发器,施密特触发器,555,定时器,脉冲波形的产生和整形,多谐振荡器,数字电路常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿的,脉冲信号,，如触发器就需要,时钟脉冲（,CP,）,。,脉冲信号产生要用,多谐振荡器,。,本章将介绍常用的,施密特触发器,、,单稳态触发器,和,多谐振荡器,，同时重点介绍一种多用途的定时电路,555,定时器,。,获取这些脉冲信号的方法通常有两种：,直接,产生,；,利用已有信号,整形,或,变换,得到。,脉冲信号整形则要用,单稳态触发器,和,施密特触发器,本章基本内容,一、脉冲信号的定义,（不对称方波）,三角波：,锯齿波：,微分窄脉冲：,脉冲信号的基本参数,按非正弦规律变化的信号均可称脉冲信号。,方波：,（对称方波）,二、,脉冲信号的参数,q,=,T,W,/,T,占空比,T,w,T,V,m,v,0,t,T,脉冲周期,f,=1/,T,频率,T,w,脉冲宽度,V,m,幅值,脉冲信号的基本参数,施密特触发器,施密特触发器,特点：,（,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（,V,T,+,和,V,T,-,）。,什么是,施密特触发器,？,施密特触发器,是具有滞回特性的数字逻辑门。（模拟电路中，叫滞回比较器）,（,4,）在状态转换时，通过电路内部的正反馈过程，使输出,电压波形的边沿变得很陡。,施密特触发器,逻辑符号,同相传输,反相传输,施密特触发器的电压传输特性,施密特触发器,施密特同相器,输入输出波形,利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。,G,1,、,G,2,为,CMOS,门电路。电路中,R,1,R,2,。,由,门电路构成的施密特触发器,施密特触发器电路构成,工作原理分析,（,1,）,当,v,I,=0V,时，,v,O1,V,DD,，,v,O,0V,，,v,I,0V,；,0,1,0,0,v,O,输出，为施密特同相器；,v,O1,输出，为施密特反相器；,由,门电路构成的施密特触发器,（,2,）当,v,I,升高时，,v,I,也升高,。当,v,I,达到,1/2V,DD,时，,G,1,、,G,2,输出状态将发生翻转。此时对应的,v,I,值称为,V,T,+,。,（,3,）当,v,I,大,于,V,T+,时，电路转到另一稳态：,v,O1,0V,，,v,O,V,DD,。,V,T+,=1/2V,DD,0,1,0,1,0,0,（,4,）当,v,I,由高变低时，,v,I,也由高变低。当,v,I,1/2V,DD,时，电路又将发生转换。此时对应的,v,I,称为,V,T,。,由,门电路构成的施密特触发器,（,5,）当,v,I,小于,V,T,时，电路转到另一稳态：,v,O1,V,DD,，,v,O,0V,。,0,1,1,0,V,T,=1/2V,DD,施密特触发器工作波形,v,I,V,T+,V,T-,0,t,0,t,v,O1,0,t,v,O,由,门电路构成的施密特触发器,v,O,输出，,施密特同相器；,v,O1,输出，,施密特反相器；,施密特触发器,应用举例,1.,用于,脉冲整形,施密特触发器,应用举例,2.,用于,脉冲鉴幅：,将幅度大于,V,T+,的脉冲选出。,施密特触发器,应用举例,3.,用于,构成多谐振荡器 （重点）,P487,接通电源以后，因为电容上的初始电压为零，所以输出为高电平，并开始经电阻,R,向电容,C,充电。,有两种状态：,0,态和,1,态，但只有一种状态作为稳态可以长久保持，故名单稳态触发器。,单稳态触发器的特点：,（,1,）有稳态和暂稳态两种状态；,（,2,）平时处于稳态，在外部触发脉冲作用下，由稳态进入,暂稳态；,暂稳态维持一定时间后自动回到稳态。,（,3,）,暂稳态维持时间的长短取决于电路本身，与触发脉冲,的宽度和幅度无关。,单稳态触发器,什么是,单稳态触发器？,单稳态触发器主要有以下三类：,（,1,）,微分型,单稳态触发器,（,2,）,积分型,单稳态触发器,（,3,）集成单稳态触发器,74121,单稳态触发器的分类,门电路,+RC,微分电路,微分型单稳态触发器,G,1,、,G,2,为,CMOS,或非门，,v,O1,、,v,O,分别为,G,1,、,G,2,的输出，,v,I2,为,G,2,输入。,微分型单稳态触发器,电路组成,RC,微分电路,触发脉冲,1.,单稳态触发器的稳态,触发器的稳态为,v,O1,V,DD,，,v,O,0V,。,此时，电容两端的电压相等，无充放电。,工作原理分析,微分型单稳态触发器,稳态时，无触发脉冲输入，,v,I,为低电平，,C,没有充放电，相当于断开。,0,1,0,0,1,作用：改善,v,O1,、,v,O,边沿。,微分型单稳态触发器,1,1,0,0,1,暂稳态：,v,O1,=,0V,，,v,O,V,DD,2.,当,v,I,加一正脉冲时，由稳态进入暂稳态。,这里有一正反馈现象：,工作原理分析（续）,0,1,0,0,1,v,I,v,O1,v,I2,v,O,3.,暂稳态自动回到稳态,作用：改善,v,O1,、,v,O,边沿。,随着,V,DD,通过电阻向电容,C,的充电，,v,I2,逐渐上升，当,v,I2,上升到,V,T,时，,v,O,0V,，,v,O1,V,DD,，,电路回到稳态。,正反馈现象：,微分型单稳态触发器,0,1,0,V,T,0,0,1,1,0,工作原理分析（续）,v,O1,v,I2,v,O,微分型单稳态触发器,工作波形分析,V,T,充电的时间即暂稳态维持的时间,t,W,1.,暂稳态维持时间,T,w,电容,C,充电电压方程：,参数计算,微分型单稳态触发器,将,V,C,（,0,）,0V,，,V,C,（）,V,DD,，,T=RC,代入上式得,：,当,v,C,（,t,）,=,V,T,=1/2,V,DD,时，,t,=,T,w,，,代入上式可求得,：,V,T,T,w,T,re,单稳态触发器,应用,(1),用于整形,单稳态触发器的主要应用是整形、定时和延时。,（,2,）脉冲延时,单稳电路的延时作用,如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳电路来实现。,u,O,的下降沿比,u,I,的下降沿延迟了,t,w,的时间。,（,3,）脉冲定时,单稳态触发器能够产生一定宽度,tw,的矩形脉冲，利用这个脉冲去控制某一电路，则可使它在,tw,时间内动作,(,或者不动作,),。,脉冲定时,控制电路用于产生窄脉冲。当输入满足以下条件时，控制电路产生窄脉冲：,（,1,）若,A,1,、,A,2,中至少有一个为,0,时，,B,由,01,；,74LS121,的原理框图,集成单稳态触发器,微分型单稳态触发器,输出缓冲,（,2,）若,B,=1,，,A,1,、,A,2,中至少有一个由,10,。,74LS121,内部结构和逻辑符号,集成单稳态触发器,74LS121,的功能表,集成单稳态触发器,两种不同接法,正,脉冲触发,负脉冲触发,集成单稳态触发器,可重复触发的概念,单稳态触发器,不可重复触发工作波形,可重复触发工作波形,10.4,多谐振荡器,1,多谐振荡器,没有稳定状态,，只有两个暂稳态。,2,通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生,自激振荡,，无需外触发。,只要一上电 就会自动产生矩形脉冲。,3,输出周期性的,矩形脉冲信号,，由于含有丰富的谐波分量，故称作多谐振荡器。,电路组成及工作原理,1,1,G,2,G,1,R,C,v,O1,v,O2,v,I1,由门电路构成多谐振荡器,（,1,）设电路的初态为,v,O1,=1,v,O2,=0,，,这种状态下不可能持久维持；,1,0,0,1,（,2,）通过,v,O1,RC,v,O2,向,C,充电，使,v,I1,不断上升；,（,3,）当,v,I1,V,T,时，,G,1,输出低电平，,G,2,输出高电平，即,v,O1,=0,，,v,O2,=1,。,工作原理,1,1,G,2,G,1,R,C,v,O1,v,O2,v,I1,由门电路构成多谐振荡器,（,4,）,v,O1,=0,，,v,O2,=1,这个状态也不能持久；,1,0,0,1,（,5,）通过,v,O2,CR,v,O1,对电容,C,反向充电，,v,I1,逐步减少；,（,6,）当,v,I1,V,T,时，,G,1,输出高电平，,G,2,输出低电平，即又回到,v,O1,=1,，,v,O2,=0,的状态。,（,7,）周而复始产生方波。,工作波形,1,1,G,2,G,1,R,C,v,O1,v,O2,v,I1,由门电路构成多谐振荡器,T,1,T,2,t,v,O1,0,t,v,O2,0,v,I1,t,0,石英晶体振荡器,返回,前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点是,振荡频率不稳定,，容易受温度、电源电压波动和,RC,参数误差的影响。,在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号的频率不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须要采用,频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。,石英晶体的阻抗频率特性图,石英晶体具有很好的,选频特性,。当振荡信号的频率和石英晶体的,固有谐振频率,f,o,相同时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易通过，而其它频率的信号则被衰减掉。,因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率,f,o,，,而与,RC,无关。,石英晶体振荡器电路,在对称式多谐振荡器的基础上，,串接一块石英晶体,，就可以构成一个石英晶体振荡器电路。该电路将产生稳定度极高的矩形脉冲，其,振荡频率由石英晶体的串联谐振频率,f,o,决定,。,目前，家用电子钟几乎都采用具有石英晶体振荡器的矩形波发生器。由于它的频率稳定度很高，所以走时很准。,通常选用,振荡频率为,32768,HZ,的石英晶体谐振器，因为,32768,2,15,，将,32768,HZ,经过,15,次二分频,，即可得到,1,HZ,的时钟脉冲作为计时标准。,为数字,模拟混合集成电路。,可产生精确的时间延迟和振荡，内部有,3,个,5,K,的电阻分压器，故称,555,。,在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。,10.5,555,定时器及其应用,双极型,5G555,定时器的逻辑图。由电压比较器,C1,和,C2,、电阻分压器、,G1,和,G2,组成的基本,RS,触发器、集电极开路的放电管,V,和输出缓冲级,G3,、,G4,三部分组成。,5 5 5,定时器,v,I1,v,I2,（,1,）,电阻分压器,由,3,个,5k,的电阻,R,组成，为电压比较器,C1,和,C2,提供基准电压。,（,2,）,电压比较器,C,1,和,C,2,。当,U,U,时，,U,C,输出高电平，反之则输出低电平。,CO,为控制电压输入端。,当,CO,悬空时，,U,R1,2/3V,CC,，,U,R2,1/3V,CC,。,当,CO,U,CO,时，,U,R1,U,CO,，,U,R2,1/2,U,CO,TH,称为高触发端，,TR,称为低触发端。,（,3,）,基本,RS,触发器,其置,0,和置,1,端为低电平有效触发。,R,是低电平有效的复位输入端。,正常工作时，必须使,R,处于高电平。,（,4,）,放电管,T,T,是集电极开路的三极管。相当于一个受控电子开关。,输出为,0,时，,T,导通，输出为,1,时，,T,截止。,接上拉电阻和电源后成为三极管反相器，可代替非门,G4,。,（,5,）缓冲器,缓冲器由,G3,和,G4,构成，用于提高电路的负载能力。,555,定时器的功能表,555,定时器的工作原理,+,C1,2/3V,CC,v,I1,+,C2,1/3V,CC,v,I2,截 止,1,0,0,Vcc,/3,2,Vcc,/3,1,不 变,不 变,1,1,Vcc,/3,2,Vcc,/3,1,导 通,0,1,0,Vcc,/3,2,Vcc,/3,1,截 止,1,0,1,Vcc,/3,2,Vcc,/3,1,导 通,0,0,N,1,状态,v,O,v,I2,正端,v,I1,负端,R,D,输 出,输 入,正端大，输出为高；负端大，输出为低。,用,555,构成的施密特触发器,电路结构,施密特反相器,2/3V,cc,1/3V,cc,v,I,0,t,v,O,0,t,（,1,）,当,v,I,1/3V,cc,时，,Q,=1,，,v,O,=1,；,（,2,）当,1/3V,cc,v,I,2/3V,cc,时，,Q,=1,，,v,O,=1,；,（,3,）当,v,I,2/3V,cc,时，,Q,=0,，,v,O,=0,；,（,4,）当,1/3V,cc,v,I,2/3V,cc,时，,Q,=0,，,v,O,=0,；,（,5,）,当,v,I,1/3V,cc,时，,Q,=1,，,v,O,=1,；,原理分析,用,555,构成的施密特触发器,主要参数,用,555,构成的施密特触发器,1.,阀值电平,V,T,+,=2/3V,cc,V,T,-,=1/3V,cc,2.,回差电压,=,V,T,+,V,T,-,=1/3V,cc,用,555,构成的多谐振荡器,电路,结构,多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。,两个暂稳态之间的转换，是由电路内部电容的充、放电作用自动进行的，所以它不需要外加触发信号，只要接通电源就能自动产生矩形脉冲信号。,用,555,构成的多谐振荡器,工作原理,1.,上电时，,v,C,=0,，得,Q,=1,，,N,1,管截止,v,O,=1,。,3.,当,v,C,2/3V,DD,时，基本,RS,触发器被置,0,，,Q,=0,，,N,1,管导通，,v,O,=0,。,2,.,当,V,DD,通过,R,1,、,R,2,向,C,充电,，,v,C,逐渐上升,;,用,555,构成的多谐振荡器,工作原理（续）,5,.,当,v,C,下降到,v,C,1/3V,DD,时，,RS,触发器置成,1,态，,Q,=1,，,T,1,管截止，,v,O,=1,。,对电容,C,充电又重新开始。,4,.,电容,C,将通过,R,2,和,N,1,管,放电,，,v,C,逐渐下降；,T,1,T,2,工作波形,用,555,构成的多谐振荡器,主要参数计算,从占空比,q,的表达式可知，占空比始终大于,50,。,通过,v,C,的暂态方程，求得：,T,=,T,1,+,T,2,=0.7(,R,1,+2,R,2,),C,T,1,=0.7(,R,1,+,R,2,),C,T,2,=0.7,R,2,C,占空比任意可调的,多谐振荡器,用,555,构成的多谐振荡器,T,1,=0.7,R,1,C,T,2,=0.7,R,2,C,用,555,构成的单稳态触发器,电路结构,v,I,0,t,v,C,0,t,v,O,0,t,T,W,2/3Vcc,工作波形,用,555,构成的单稳态触发器,主要参数,充电的时间即暂稳态维持的时间,T,W,单稳态触发器的应用,（,1,）,脉冲延时,单稳态触发器的主要应用是整形、定时和延时。,单稳电路的延时作用,如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳电路来实现。,u,O,的下降沿比,u,I,的下降沿延迟了,t,w,的时间。,（,2,）脉冲定时,单稳态触发器能够产生一定宽度,t,w,的矩形脉冲，利用这个脉冲去控制某一电路，则可使它在,t,w,时间内动作,(,或者不动作,),。,脉冲定时,假设初态为,1,；经充电，置,0,，放电，保持等过程，,最后又回到,v,O,=0V,。,假设初态为,0,；,v,O,=0V,，此状态能长久保持；,结论：接通电源后，不管起始状态如何，最终触发器处 于稳态,v,O,=0,。,用,555,构成的单稳态触发器,1,.,稳态如何确定,？,555,定时器构成的单稳态触发器,（,a,）,电路,（,b,）,工作波形,工作原理：,稳态为,0,低触发有效，输出置,1,T,截止，,C,充电,高触发，,自动,返,0,提高基准电压稳定性的滤波电容,输出脉冲的宽度,t,w,1.1RC,。,当触发脉冲,u,I,为高电平时，,V,CC,通过,R,对,C,充电，当,TH=,u,C,2/3V,CC,时，高触发端,TH,有效，,V0,置,0,；此时，放电管导通，,C,放电，,TH=,u,C,=0,。,TH,1/3V,CC,，,维持,稳态为,0,状态不变。,此时放电管,T,截止，,V,CC,通过,R,对,C,充电。,当,TH=,u,C,2/3V,CC,时，使高触发端,TH,有效，置,0,状态，电路自动返回稳态，此时放电管,T,导通。,电路返回稳态后，,C,通过导通的放电管,T,放电，使电路迅速恢复到初始状态。,工作原理：,当触发脉冲,u,I,下降沿到来时，低触发端,TR,有效，,输出状态为,置,1,状态，电路进入暂稳态。,当触发脉冲,u,I,为高电平时，,V,CC,通过,R,对,C,充电，当,TH=,u,C,2/3V,CC,时，高触发端,TH,有效,输出状态置,0,；此时，放电管导通，,C,放电，,TH=,u,C,=,0,。,稳态为,0,状态。,此时放电管,T,截止，,V,CC,通过,R,对,C,充电。,当,TH=,u,C,2/3V,CC,时，使高触发端,TH,有效，,输出为,置,0,状态，电路自动返回稳态，此时放电管,T,导通。,电路返回稳态后，,C,通过导通的放电管,T,放电，使电路迅速恢复到初始状态。,1.,基本,RS,触发器具有两个稳态、单稳态触发器具有一个稳态，而多谐振荡器没有稳态。,2.,无论电路的具体结构如何，凡是含有,RC,元件的脉冲电路，分析的关键就是电容的充放电，而关键连接点就是与电容相连的门电路的输入端。,3.,555,定时器是一种应用广泛的集成电路，它是早期模拟电路和数字电路结合的典范。,小 结,返回,本章介绍了各种产生和变换矩形脉冲的电路。,单稳态触发器只有一个稳态，在外加触发脉冲作用下，能够从稳态翻转为暂稳态。但暂稳态的持续时间取决于电路内部的元件参数，与输入信号无关。因此，单稳态触发器可以用于产生脉宽固定的矩形脉冲波形。,施密特触发器有两种稳态，但状态的维持与翻转受输入信号电平的控制，所以输出脉冲的宽度是由输入信号决定的。,本章小结,多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。两个暂稳态之间的转换，是由电路内部电容的充、放电作用自动进行的，所以它不需要外加触发信号，只要接通电源就能自动产生矩形脉冲信号。,555,定时器是一种用途很广的集成电路，能构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器,.,