尹其畅 第二十五～二十六讲 脉冲电路的产生与整形.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,第七章,脉冲波形的产生与整形,数字,电子技术,(,第二十五,二十六讲,),1,在前面各章的讨论中，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,）,，,等等。事实上，现代电子系统都离不开脉冲信号。,获取脉冲信号的方法通常有两种,：,直接,产生,；,将其它非脉冲信号经过整形,变换,电路变为脉冲信号。,7.1,概述,矩形波,尖顶波,锯齿波,阶梯波,2,脉冲波形,为了定量地描述矩形脉冲波的特性，我们来看看它,的几个指标：,t,r,t,f,0.9V,m,0.5V,m,0.1V,m,T,t,w,V,m,3,描述矩形脉冲特性的主要参数,T,脉冲周期,(,f,),。,V,m,脉冲电压最大,变化幅度。,t,w,脉冲宽度。,t,r,上升时间。,t,f,下降时间。,q,占空比，脉冲宽度,与脉冲周期的比值,即：,q=,t,w,/T,4,本章内容,脉冲的产生,多谐振荡器,脉冲的整形,单稳态触发器,施密特,触发器,多用途定时电路,555,定时器,与,产生,模拟信号要用模拟振荡器一样，产生脉冲信,号要用,脉冲振荡器,。,脉冲波形,变换,则包括,脉冲宽度、幅度、相位及上升,和下降时间等等,的改变，通过变换，使这些特性符合要,求。,5,TTL,：,555,，,556,（含有两个,555,）；,CMOS,：,7555,，,7556,（含有两个,7555,），,755,（含有三个,7555,）。,流行产品,:,7,.,2,555,定时器,555,定时器电路是一种用途广泛的,数,-,模混合,中规模集成电路。只需外接几个阻容元件,就可以方便地构成各种不同用途的脉冲电路,如多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等。,555,定时电路有,TTL,集成定时电路和,CMOS,集成定时电路,它们的,逻辑功能与外引线排列,都,完全相同,。,6,一、,555,定时器的电路结构,由以下几部分组成,：,（,1,）三个阻值为,5k,的电阻组成的分压器。,（,2,）两个电压比较器,C,1,和,C,2,。,电压比较器的功能：,v,+,v,-,，,v,O,=1,v,+,v,-,，,v,O,=0,（,3,）,基本,RS,触发器、,（,4,）放电三极管,T,及缓冲器,G,。,7,8,（,1,）,4,脚为,复位输入端：,R,D,=0,时，输出,v,o,为低电平。正常工作时，应将其,接高电平,。,（,2,）,5,脚为,电压控制端,：当其悬空时，比较器,C,1,和,C,2,的比较电压分别为,2/3,V,CC,和,1/3,V,CC,；,（,3,）,2,脚为,触发输入端,，,6,脚为,阈值输入端,，两端的电位高低,控制比较器,C,1,和,C,2,的输出，从而控制,RS,触发器，决定输出状态。,（,4,）,3,脚为,输出端,，,7,脚是,放电端,，,8,、,4,脚分别是,电源,和,地,。,比较器,C,1,和,C,2,的比较电压分别为,V,CO,和,1/2,V,CO,。,当不用时，应在该端和地之间接一个,0.01,f,的去耦电容，以消除干扰，保证其稳定在,2/3,V,CC,而当其输入电压为,V,CO,时,:,9,二,.555,定时器的工作原理,10,on,0,0,T,V,V,V,V,V,R,D,O,C2,C1,I2,I1,D,off,1,0,0,V,3,1,V,3,2,1,CC,CC,off,1,0,1,V,3,1,V,3,2,1,CC,CC,不,不,1,1,V,3,1,V,3,2,1,CC,CC,变,变,工作原理分析,11,555,的,功能表,12,555,定时器功能表,13,1,）定时的精度、工作速度和可靠性高；,2,）使用的电源电压范围宽，从,2V,18V,，,能和数字电路,直接连接；,3,）有一定的输出功率，可驱动微电机、指示灯、扬声器等；,4,）结构简单，使用灵活，用途广泛,(,有,“万能芯片”,之称,),。,555,定时器的特点：,555,定时器的,用途：,555,定时器主要用于脉冲波形的,产生、变换、控制与检测,。,可组成各种波形的脉冲振荡器、定时延时电路、检测电路、电源变换电路、频率变换电路。,下面介绍由定时器构成的,多谐振荡器,、,施密特触发器,、,单稳态触发器,。,14,7,.,4,多谐振荡器,多谐振荡器,不需外加触发脉冲就能够产生一定频率和幅度的矩形脉冲波的电路。,由于矩形波中除基波外，还含有丰富的高次谐波成分而得此名。,特点：,（）没有稳态，只有两个暂稳态,;,（）在自身的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换。,用途：,自动产生矩形波。,15,当,f,=,f,s,时，为串联谐振，石英晶体的电抗,X,=0,；,当,f,=,f,p,时，为并联谐振，石英晶体的电抗,X,无穷大。,二 石英晶体多谐振荡器,1.,石英晶体的选频特性,有两个谐振频率,石英晶体具有很好的选频特性，另外它具有一个极为稳定的串联谐振频率：,f,0,f,s,（晶体的标称频率）。石英晶体的选频特性极好，,f,0,十分稳定，,其稳定度可达,10,-10,10,-11,。,一,.,门电路构成的多谐振荡器,(,略,),16,石英晶体的电抗频率特性和符号,17,2.,石英晶体多谐振荡器,（,1,）串联式振荡器,R,1,、,R,2,的作用,使两个反相器在静态时都工作在,转折区,。对于,TTL,门，常取,R,1,=,R,2,=0.7,2k,，,CMOS,门则常取,R,1,=,R,2,=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,=,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。,18,（,2,）并联式振荡器,R,F,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。晶体工作在略大于,f,S,与,f,P,之间，等效一电感，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,=,f,0,。,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。,19,三,.,用,555,定时器接成的多谐振荡器,1.,电路组成及工作原理,20,4,8,1,6,2,3,5,7,R,1,R,2,C,u,C,555,D,TH,TR,u,o,V,CC,0,t,u,o,u,C,0,t,V,CC,/,3,2V,CC,/,3,输出波形,21,4,8,1,6,2,3,5,7,R,1,R,2,C,u,C,555,D,T,H,T,R,u,o,V,CC,设电容,C,原先未充电,故,T,H,=T,R,V,CC,/3,此时,u,o,=1,555,内的晶体管,T,D,截止,电源通过,R,1,和,R,2,对电容,C,充电。,22,4,8,1,6,2,3,5,7,R,1,R,2,C,u,C,555,D,TH,TR,u,o,V,CC,u,C,0,t,V,CC,/,3,2V,CC,/,3,0,t,u,o,在,u,C,没有充电到,2V,CC,/3,之前,u,o,保持,1,不变。,23,u,C,0,t,V,CC,/,3,2V,CC,/,3,0,t,u,o,在,u,C,没有充电到,2V,CC,/,3,之前,u,o,保持,1,不变。,t,1,t,2,t,3,4,8,1,6,2,3,5,7,R,1,R,2,C,u,C,555,D,TH,TR,u,o,V,CC,T,1,T,2,T=T,1,+T,2,=0.7(R,1,+2R,2,)C,24,多谐振荡器的电压波形图,25,555,定时器构成的多谐振荡器的电压波形图,26,（,2,）电容放电时间,T,2,（,3,）电路振荡周期,T,T,=,T,1,+,T,2,=0.7(,R,1,+2,R,2,),C,（,4,）,电路振荡频率,f,（,5,）,输出波形占空比,q,（,1,）电容充电时间,T,1,：（用三要素法计算）,2.,振荡频率的估算,27,28,四 占空比可调的多谐振荡器电路,利用半导体二极管的单向导电特性，把电容,C,充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。,可计算得：,T,1,=0.7,R,1,C,T,2,=0.7,R,2,C,占空比：,29,五,.,用施密特触发器构成的多谐振荡器,30,施密特触发器脉冲占空比可调的多谐振荡器,31,六多谐振荡器应用实例,1.,简易温控报警器,32,2.,双音门铃。,33,3.,秒脉冲发生器,CMOS,石英晶体多谐振荡器产生,f,=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,可做为,各种计时系统,的,基准信号源,。,34,用,74161,组成的秒脉冲发生器,(,其分频为频率为,1,Hz),。,35,例,多谐振荡器的设计,试用,555,构成一个多谐振荡器,要求输出脉冲的振荡频率为,20KHZ,占空比,25%.,36,作业,P216,7.6 7.9 (7.10),37,7,.,2,施密特触发器,特点：,1,）电路有两个稳态，所以是一种,双稳态,触发器,；,2,）,电路状态的翻转依赖于外加触发信号的幅值，,因此，施密特触发器,不具有记忆功能,。,3),具有,滞回特性,。,用途,:,1),用于波形,变换,、,整形,；,鉴别脉冲幅度,2),构成多谐振荡器、单稳态触发器,555,电路构成的施密特触发器（重点介绍）,门电路组成的施密特触发器,(,略,),集成施密特触发器（简介）,内容,：,38,555,定时器功能表,一,.,用,555,定时器接成的施密特触发器,39,1.,电路组成及工作原理,1,2,6,5,V,CC,R,D,O,555,3,O,v,7,v,v,I2,I1,v,IC,8,4,1,2,I,v,CC,V,v,40,1.,电路组成及工作原理,电压滞回特性,41,2.,电压滞回特性和主要参数,（,1,）电压滞回特性,（,a,）正向阈值电压,V,T+,v,I,上升过程中，输出电压,v,O,由高电平,V,OH,跳变到低电平,V,OL,时，所对应的输入电压值。,（,b,）负向阈值电压,V,T,v,I,下降过程中，,V,O,由低电平,V,OL,跳变到高电平,V,OH,时，所对应的输入电压值。,回差电压,：,V,T,=V,T+,V,T,可见，,V,T+,V,T,，将此现象称为“,回差现象,”。,V,T,V,I,V,T+,V,O,42,（,3,）,回差电压,V,T,：,V,T,=,V,T+,V,T,=1/3,V,CC,（,2,）,555,定时器构成的施密特触发器主要静态参数,（,a,）上限阈值电压,V,T,：,V,T+,=2/3,V,CC,。,（,b,）下限阈值电压,V,T,：,V,T,=1/3,V,CC,。,43,2,输入输出波形及电压传输特性,输入输出波形,电压传输特性,逻辑符号,V,T,V,T+,V,T,44,电压传输特性,（,a,）,同相输出 （,b,）,反相输出,45,CMOS,反相器构成的施密特触发器,二,.,集成,施密特触发器,1,.TTL,集成,施密特触发器,7414,内部,电路图,46,TTL,集成施密特触发器,7414,的,电压传输特性,47,2,.CMOS,集成施密特触发器,CC40106,电路图,48,集成施密特触发器,CC40106,的,电压传输,特性,（,a,）,电压传输特性,（,b,）,V,DD,对,V,T,、,V,T,的影响,49,集成施密特触发器,1.CMOS,集成施密特触发器,CC40106,2.TTL,集成施密特触发器,74LS14,50,四 施密特触发器的应用举例,1.,用作接口电路,将缓慢变化的输入信号，转换成为符合,TTL,系统要求的脉冲波形。,2.,用作整形电路,把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。,51,用,施密特触发器对,脉冲整形,52,3.,用于脉冲鉴幅,从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于,V,T+,的输入脉冲。,53,用于,波形变换,将其它波形变换为矩形波,V,I,V,T+,V,T,t,t,V,O,54,用施密特触发器,构成的多谐振荡器,55,用施密特触发器,构成的单稳态触发器,56,7,.,3,单稳态触发器,1.,有一个,稳态,和一个,暂稳态,；,2.,在触发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；,3.,暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。,单稳态触发器特点,:,单稳态触发器用途,:,用作,整形,、,延时,和,定时,。,57,它的突出特点是,:,输出端只有一个,稳定状态,另一个状态则是,暂稳态,.,一般情况下处于稳态，加入,触发信号,后,它可以由稳定状态翻转成暂稳态,在暂稳态经过,一定时间,以后,它又会,自动返回,原来的稳态。在暂稳态维持的时间由,电路参数,决定，与触发脉冲无关,。,稳定状态,稳定状态,暂稳态,由外界触发,自动返回,恢复期,58,三、用,555,定时器组成单稳态触发器,1.,电路组成及工作原理,一、门电路构成的单稳态触发器（略）,59,用,555,定时器接成的单稳态触发器,（,1,）无触发信号输入时电路工作在稳定状态,当,v,I,=1,时，,电路工作在稳定状态，即,v,O,=0,，,v,C,=0,。,（,2,）,v,I,下降沿触发,当,v,I,下降沿到达时，,v,O,由,0,跳变为,1,，电路由稳态转入暂稳态。,波形图,60,（,3,）暂稳态的维持时间,在暂稳态期间，三极管,T,截止，,V,CC,经,R,向,C,充电。,时间常数,1,=,RC,，,v,C,由,0V,开始增大，在,v,C,上升到,2/3V,CC,之前，电路保持暂稳态不变。,（,4,）自动返回（暂稳态结束）时间,当,v,C,上升至,2/3V,CC,时，,v,O,由,1,跳变,0,，三极管,T,由截止转为饱和导通，,电容,C,经,T,迅速放电，电压,v,C,迅速降至,0V,，,电路由暂稳态重新转入稳态。,61,（,5,）恢复过程,当暂稳态结束后，电容,C,通过饱和导通的放电三极管,T,放电，时间常数,2,=,R,CES,C,，,经过（,3,5,）,2,后，电容,C,放电完毕，恢复过程结束。,62,2.,主要参数估算,(1),输出脉冲宽度,Tw,（,用三要素法计算）,上式说明，,单稳态触发器输出脉冲宽度,t,W,仅决定于定时元件,R,、,C,的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节,R,、,C,的取值，即可方便的调节,t,W,。,（,2,）,恢复时间,t,re,t,re,=,（,3,5,）,2,（,3,）,最高工作频率,f,max,v,I,周期的最小值：,T,min,=,t,W,t,re,因此，单稳态触发器的最高工作频率应为,:,63,单稳态触发器电压波形图,64,单稳态触发器的作用：,在一个输入触发脉冲作用下，输出端能输出一个一定宽度的脉冲，其,脉冲宽度,t,w,取决于,电路内部的参数,R,、,C,，,而它的周期由外加脉冲信号控制。,3.,参数计算：,1,）输出脉宽,t,w,暂稳态维持时间,t,w,=1.1RC,在定时电路中，为了调整,t,w,，,通常以改变电容,C,作为粗调，改变,R,作为细调。,2,）脉冲输出周期,T,O,T,O,=T,I,（,输出脉冲,=,输入脉冲）,3,）分辨时间,t,d,和最高触发脉冲频率,f,max,t,d,触发脉冲最小触发周期,t,d,=,t,w,+,t,re,f,max,=1/,t,d,其中,t,re,=(35)R,d,C,触发脉冲周期,T,I,应大于输出脉宽周期,t,w,65,问：若出现,T,I,t,d,，,会出现什么情况？,答,：,t,w,不定,。当电路进入恢复阶段后，若恢复过程尚未完成又出现新的输入信号，此时，电路虽仍会触发而输出脉冲，但由于触发前电容上的电压尚未达到稳定值，因而会使输出脉冲宽度发生改变，最终导致脉宽不稳，这种现象称为“,脉宽抖动,”，应避免。,66,二、集成单稳态触发器,74121,的逻辑图,74121,的电路结构,输入控制电路,输出缓冲电路,微分型单稳态触发器,67,A,1,和,A,2,是两个,下降沿有效,的触发信号输入端，,B,是,上升沿有效,的触发信号输入端。,74121,的逻辑功能,68,74121,的外部连接方法,（,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,）,69,集成单稳态触发器,74121,的工作波形图,74121,的工作波形图,70,不可重复触发型与可重复触发型单 稳态触发器的工作波形,（,a,）,不可重复触发型,（,74121,、,74221,、,74,221,）,（,b,）,可重复触发型,（,74122,、,7412,、,74,12,等）,71,74121,内部,电阻,=2k,，,外接电阻,R,ext,可在,1.4,40k,之间选择，外接电容,C,可在,10pF,10,F,之间选择,(,得到的,t,范围可达到,ns,ms,),，所以，,当,R,=2k,时，,最大占空比,q,max,为,67%,；,当,R,=40k,时，,最大占空比,q,max,可达,90%,。,74121,的主要参数,(1),输出脉冲宽度,t,W,使用外接电阻：,t,W,0.7,R,ext,C,使用内部电阻：,t,W,0.7,R,int,C,（,2,）输入触发脉冲最小周期,T,min,T,min,=,t,W,t,re,t,re,是恢复时间。,（,3,）周期性输入触发脉冲占空比,q,定义：,q,=,t,W,/,T,最大占空比：,q,max,=,t,W,/,T,min,72,四 单稳态触发器的应用,图中，,v,/,O,的下降沿比,v,I,的下降沿滞后了时间,t,W,。,当,v,/,O,=1,时，与门打开，,v,O,=,v,F,。当,v,/,O,=0,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，就是单稳输出脉冲,v,/,O,的宽度,t,W,。,延时,2,定时,73,例：试设计一个电路，以实现如下控制要求。,灯,1,亮,0.34S,，,灯,2,暗,灯,2,亮,0.25S,，,灯,1,暗,灯,1,、灯,2,全灭,0.41S,1S,0.34S,0.25S,0.41S,V,I1,V,O1,V,O2,单稳,0.34S,单稳,0.25S,V,O1,V,I2,V,I1,灯1,V,O2,灯2,1,74,.,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。,t,V,I,t,V,O,t,w,75,3.,触摸定时控制开关,555,定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片,P,，,由于人体感应电压相当于在触发,输入端（管脚,2,）加入一个负,脉冲，,555,输出端输出高电平，,灯泡（,R,L,）,发光，当暂稳态,时间（,t,W,）,结束时，,555,输出,端恢复低电平，灯泡熄灭。,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。,76,4.,触摸、声控双功能延时灯,555,和,T,1,、,R,3,、,R,2,、,C,4,组成单稳定时电路，定时（即灯亮）时间约为,1,分钟。当击掌声传至,压电陶瓷片,时，,HTD,将声音信号转换成电信号，经,T,2,、,T,1,放大，触发,555,，使,555,输出高电平，触发导通晶闸管,SCR,，,电灯亮；,77,同样，若触摸金属片,A,时，人体感应电信号经,R,4,、,R,5,加至,T,1,基极，也能使,T,1,导通，触发,555,，达到上述效果。,78,举例：间歇振荡器,79,举例：报警器,80,举例：,下,图为一心律失常报警电路，图中,v,I,是经过放大后的心电信号，其幅值,v,Im,=4V,。（,1,）,对应,v,I,分别画出图中,v,o1,、,v,o2,、,v,o,三点的电压波形；（,2,）说明电路的组成及工作原理,。,81,82,1,多谐振荡器,是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。用,555,定时器可以组成多谐振荡器，用石英晶体也定时器可以组成多谐振荡器。石英晶体振荡器的特点是,f,o,的稳定性极好。,2,施密特触发器,和,单稳态触发器,，虽然不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，为数字系统提供标准的脉冲信号。,3,555,定时器,是一种用途很广的集成电路，除了能组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器以外，还可以接成各种灵活多变的应用电路。,4,除了,555,定时器外，目前还有,556,（双定时器）和,558,（四定时器）等。,本章小结,83,