脉冲波形的产生和整型.ppt

1,第 十 章,脉 冲 波 形 的产生和整形,作业: 10.1; 10.3; 10.5; 10.6; 10.11; 10.13; 10.20; 10.22; 10.24; 10.25,教学内容,10.1 概述 10.2 施密特触发器 10.3 单稳态触发器 10.4 多谐振荡器 10.5 555定时器及其应用,教学要求,一.重点掌握的内容：,(1)555定时器及其应用. (2)石英晶体多谐振荡器.,二.一般掌握的内容：,(1)施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工作特点和典型应用。 (2)施密特触发器、单稳态触发器输入电压与输出电压之间的关系；多谐振荡器振荡周期的估算方法。,10.1 概述,矩形脉冲信号的获取方法有两种：,产生:不用信号源，加上电源自激振荡，直接产生波形。,整形:输入信号源进行整形.,脉冲产生电路:多谐振荡器,脉冲整形（变换）电路:施密特触发器、 单稳态触发器,脉冲周期T,脉冲幅度Vm,脉冲宽度,上升时间tr,下降时间tf,占空比：,施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于 数字电路需要的矩形脉冲的电路。,10.2 施密特触发器,施密特触发器有两个重要特点： 1、传输特性具有滞回特性，输入电压从小变大和从大变小方向不同，输出状态改变的阈值电压不同，所以有两个阈值（普通门电路只有一个阈值）。抗干扰能力强。 2、利用正反馈，使输出波形的边沿变得很陡峭。,10.2.1 用门电路组成的施密特触发器,设G1、G2阈值电压VTHVDD/2， R1R2（否则电路进入自锁状态,不能正常工作）,二、原理及主要参数计算,G1、G2是CMOS构成，阈值电压为VTH约为1/2VDD，且R1R2。 1）vI=0时，vO=0=vOL，vA=0 2) vI 上升至vA= VTH时， G1进入放大区，且由于R1、R2作用，引发正反馈过程，使vO急剧上升为vO =vOH =vDD，使上升沿很陡峭。,a)求VT+：定义vI上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平vI = VT+，叫正向阈值电压。 计算过程：忽略G1、G2门输入电流，又跳变前有vO=0， iR1=iR2 (VT+ -vA)/ R1 = (vA-vO )/ R2 = vA / R2 得 VT+ =（1+R1/R2）VTH,b) vI 从vDD下降至vA= VTH时， 由于R1、R2作用，引发正反馈过程，使vO急剧下降为vO =vOL =0，且下降沿很陡峭。 求VT-：定义vI下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平vI = VT-，叫负向阈值电压。 计算过程：忽略G1、G2门输入电流，又跳变前有vO= vDD ， iR1=iR2 (VI -vA)/ R1 = (vA -vDD )/ R2 又vDD =2 VTH 得 VT- = VI =（1-R1/R2）VTH 回差电压 VT： VT = VT+ - VT- = 2（R1/R2）VTH,正向阈值电压,负向阈值电压,回差电压：VT VTVT,滞回电压传输特性，即输入电压的上升过程和下降过 程的阈值电平不同。这是施密特触发器固有的特性。,同相输出的施密特触发器,反相输出的施密特触发器,电路的电压传输特性图,同相输出： vO和vI的高、低电平是同相的。入高出高，入低出低 反相输出： vO和vI的高、低电平是反相的。入高出低，入低出高 例10.2.1（书中459页）,*10.2.2 集成施密特触发器7413（460页，略）,组成：1）二极管与门：D1-D4，另外四个D，防负脉冲干扰，电源VCC，R1。 2）施密特电路：T1、T2、R2、R3、R4，R4的正反馈保证了边沿的陡峭。,3）电平偏移：T3、D5、R5、R6，偏移0.7V+0.7V=1.4V 保证VO低电平时（1.9V)，T4能可靠截止。 4）输出电路：推挽倒相出，T4截止、 T5截止、 T6导通，Vo高电平出；T4导通、 T5导通、 T6截止，Vo低电平出。降低输出电阻以提高电路的驱动能力。,电压传输特性： VT- =0.8v VT+ =1.7V VT = VT+- VT-=0.9V,图6.2.6 CMOS集成施密特触发器CC40106（315页）（略） 四级电路组成：输入保护、施密特电路、整形级、输出缓冲级。T1T4组成反相器，T3、T6的加入使它有施密特触发器特性，当VI从小变大过程中，由于T6（原为导通）的作用，使T5的导通滞后于T4，VI大于1/2VDD=VT+时才可能导通。,VT 、 VT+ 、 VT-固定不可调。,10.2.3 施密特触发器的应用,1.用于波形变换：,2.用于脉冲整形：,3.用于脉冲鉴幅：,施密特触发器能将幅度大于VT+的脉冲选出。,4.用于构成多谐振荡器：,本节小结,施密特触发器具有两个稳定的状态，是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。 施密特触发器可以由分立元件构成，也可以由门电路及555定时器构成。 施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。,10.3 单稳态触发器,工作特点： 1、电路中有一个稳态和一个暂稳态两个工作状态； 2、在外界触发脉冲作用下，电路能从稳态翻 转至暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动翻转至稳态； 3、暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的 参数与触发脉冲无关。,10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器,单稳态触发器因为电路具有一个稳定状态而得名。它由两个门电路、一个RC电路组成。它的暂稳态通常都是靠RC电路的充、放电过程来维持的，根据RC电路的不同接法，分为微分型和积分型。,0,1,0,1,0,1,稳态 没有触发器电平时，即vI为低电平，vO为低电平，vO1为高电平。 vI2= vO1=高电平，因此C上无电荷,一、微分型单稳态触发器,稳态至暂稳态 当vI正跳变时（加触发信号），vO1由高到低，vI2= vO1(因C上无电荷),为低电平，于是vO为高电平。即使vI 触发器信号撤除，由于vO的作用，vO1仍可为低电平。,1,1,0,1,0,暂稳态至稳态 暂稳态期间，电源经电阻R和门G1对电容C充电，vI2升高，当vI2=VTH时，vO下降，vO1上升，但使vI2再次升高，最终vO1=1，vO=0。,0,0,1,0,1,脉冲宽度要窄,tW=0.69RC,当vI的脉冲宽度很宽时，在单稳态触发器的输入端加一个RC微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门G1被vI封住了，会使vo的下降沿变缓。,组成：R 、C积分电路，门G1、G2两门级联。 原理：CMOS 门G1、G2，VOH=VDD VOL=0 VTH=1/2VDD 1）稳态下，VI=0， VO1= VOH ， （G1门，有0出1 ） VO= VOH，C上充电至充满，VC=VO1=VOH。 2）VI加入正脉冲，VO1变为低电平VOL，但C上电压不能突变，仍为VOH，G2出低电平（全1出0），VO=VOL，电路进入暂稳态。,二、积分型单稳态触发器,3）C经R和G1门放电，VC降至VTH以后，门G2输入一高一低，出高电平，电路结束暂稳态，重新回到稳态。 4）VI返回到低电平时，VO1重变为高电平，通过R对C充电，VC上升，VO输出VOH，继续保持稳态。Vc充至VOH时，下一个VI触发脉冲可加入。 5） VI加入正脉冲后，又重复以上过程。,波形：图10.3.6 参数计算： 单稳态触发器的特性参数：脉宽tW、脉幅Vm、恢复时间tre、分辩时间td。 tW =（R+R0）Cln（VOL-VOH）/（VOL-VTH） Vm=VOH-VOL=VDD tre=(35)（RON +R0）C td= tre+ tTR,微分型单稳态触发器与积分型单稳态触发器比较： 微分：因有正反馈，输出边沿好，多用窄脉冲触发，若宽触发脉冲也可工作，则输出上升、下降沿差些。 积分：因无正反馈，输出边沿差，多用宽脉冲触发，触发脉冲宽度大于tW才可正常工作，否则输出上升、下降沿差些。具抗干扰能力较强的优点。因数电中较多尖峰脉冲形成的干扰，在积分型单稳态触发器具有足够宽度的触发脉冲(干扰)才可形成干扰，所以形成的干扰少。,10.3.2 集成单稳态触发器,功能表见表10.3.1（P472） TTL微分型单稳74121,tW=0.69RextCext,图10.3.10,外接电阻 （下降沿触发）,内部电阻 （上升沿触发）,目前使用的集成单稳态触发器有不可重复触发型和可重复触发型两种。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，必须在暂稳态结束后，才接受下一个触发脉冲而转入暂稳态。可重复触发的单稳态触发器进入暂稳态后，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tW宽度。,不可重复触发型,可重复触发型,10.3.3 单稳态触发器的应用,1、定时,只有在脉冲宽度 tpo内的信号才能通过。,2、延时与整形,可将脉冲宽度不等的矩形脉冲整形成脉冲宽度相等的矩形波。,通常噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号都具有一定的宽度。因此，利用单稳态电路，将输出脉宽调节到大于噪声宽度而小于信号宽度即可消除噪声。,3、消除噪声,本节小结,单稳态触发器具有一个稳态和一个暂稳态。在单稳态触发器中,由稳态到暂稳态需要输入触发脉冲,暂稳态的持续时间即脉冲宽度是由电路的阻容元件RC决定的,与输入信号无关。,单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由555定时器构成。,单稳态触发器可以用于产生固定宽度的脉冲信号，用途很广。,10.4 多谐振荡器,多谐振荡器又称无稳电路，主要用于产生各种方波或时间脉冲信号。它是一种自激振荡器，在接通电源之后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲波（连续脉冲波形）。 由于矩形脉冲波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器称为多谐振荡器。,性能特点： 没有稳态，有两个暂稳态。 工作不需要外加信号源，只需要电源。,10.4.1 对称式多谐振荡器,T1.3RFC,对称式多谐振荡器组成： 两个反相器G1、G2经耦合电容C1、C2连接起来的正反馈振荡回路。 原理：形成自激振荡，不能有稳态，振荡器静态时（没有振荡时）的状态必须不稳定。G1、G2的电压放大倍数大于1且工作在特性曲线的转折区，电路可维持振荡。 1）VI1微小正跳变，引起下列正反馈过程：VI1升VO1降VI2降VO2升，因VI2=VO1+VC1 ，所以VO1、VI2降、升一致。,VO1迅速变为低电平，VO2迅速变为高电平，电路进入第一暂稳态。 2）这时VO2高电平通过RF2对C1充电，C2通过RF1VI1端放电。使VI2升VO2降VI1降VO1升 VO1迅速变为高电平，VO2迅速变为低电平，电路进入第二暂稳态。,3）这时C1通过RF2放电，VCC通过R1、 VOH经RF1对C2充电。使 VO1迅速变为低电平，VO2迅速变为高电平，电路回到第一暂稳态。重复。 总结：两个暂稳态，无稳态，控制C1、C2的充放电振荡就形成。 特性参数计算：振荡周期T 设RF1=RF2=RF，C1=C2=C T=2T1=2RECln(Ve-Vik)/(VE-VTH), RE=RRF/(R+RF),若G1、G2为74LS系列反相器，VOH=3.4V，VIK=- 1V，VTH=1.1V，VTH=1.1V，RE1约 等于RF。 T= 2RFCln(VOH-Vik)/(VOH-VTH)约等于1.3RFC 例10.4.1(480页）,10.4.2 非对称式多谐振荡器,T2.2RFC,是对称式多谐振荡器的改进。 原理：形成自激振荡，不能有稳态，振荡器静态时（没有振荡时）的状态必须不稳定。G1、G2的电压放大倍数大于1且工作在特性曲线的转折区，电路可维持振荡。 1）VI1微小正跳变，引起下列正反馈过程：VI1升VO1降VI2降VO2升。 VO1迅速变为低电平，VO2迅速变为高电平，电路进入第一暂稳态。,2）C通过RF等放电。使VI1降VI2升VO1升VO2降 VO1迅速变为高电平，VO2迅速变为低电平，电路进入第二暂稳态。 3）这时VO1（VI2）等通过RF对C充电。使 VO1迅速变为低电平，VO2迅速变为高电平，电路回到第一暂稳态。重复。 总结：两个暂稳态，无稳态，控制C的充放电振荡就形成。 特性参数计算：振荡周期T T1=RFCln(VDD-（VTH-VDD）/(VDD-VTH)= RFCln3 T2=RFCln(0-（VTH+VDD）/(0-VTH)= RFCln3 T=T1+T2=2RFCln3=2.2RFC 例：10.4.2（483页）,10.4.3 环形振荡器,利用延迟负反馈产生振荡。将任何大于、等于3的奇数个反相器首尾相连接成环形电路，都能产生自激振荡。电路简单，但不实用。,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,T=2ntpd,环形振荡器（类似于RC移相式正弦波振荡器） 可用延迟负反馈作用同样生产自激振荡。延迟1800，加负反馈，变成正反馈（此理解容易）。 环形振荡器。利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成的。 图10.4.11，VI1与VI3半个周期中相差3tpd，T=6tpd n个反相器首尾相接而构成的环形振荡器T=2ntpd 改进 tpd很小，产生的振荡信号频率太高，可加带RC延时电路的环形振荡器。图10.4.12,通常RC电路的延迟时间远大于门电路tpd，估算T时只计 RC作用。,图10.4. 12 带RC延迟电路的环形振荡器 原理性电路 (b)实用的改进电路,(a)tpd2升，f可调，且f可调小 (b)进一步加大tpd2，C跨接在VI2和VI3之间，C有扩大作用，G2放大倍数K，等效电容C=KC。,10.4.4 施密特触发器构成的多谐振荡器,组成：RC充放电电路，加施密特触发器。,原理：VI=0时，VO=VOH，同时VOH通过R对C充电，VI上升， 当VI上升至VT+时，VO跳变为低电平，既而C通过R放电，当VI下降至VT-时， VO跳变为高电平。重复。 波形：图10.4 .16 计算参数：T=T1+T2 =RCln(VDD-VT-)/(VDD-VT+)+RCln(VT+/VT-) 改进：占空比q可调， 图10.4 .17，对C充电，经R1；C放电，经R2,10.4.5 石英晶体多谐振荡器,在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。前面几种电路频率稳定性不是很高。在对频率稳定性有较高要求时，应采用石英晶体多谐振荡器。,电路的振荡频率取决于石英晶体的固有振荡频率。,以上多谐振荡器不稳原因： 1、门电路的VTH不稳定，受VCC、T等影响 2、电路状态转换时间提前或滞后（易受干扰等） 3、临近转换时，C的充、放电较慢，易受干扰。 提高频率稳定度措施：多谐振荡器中加石英晶体。,石英晶体的感性区，稳频效果很好，C与石英晶体串联谐振时，f=f0时，阻抗最小，正反馈信号很容易通过此路回到G1输入端，形成强的正反馈，振荡满足振荡幅度条件，振荡形成。 F不等于f0时，反馈阻抗大，正反馈信号不容易通过此路回到G1输入端，形成弱的正反馈，振荡不满足振荡幅度条件，振荡不能形成。振荡稳定后，频率筛选结果： f出=f0（石英晶体），且具有石英晶体一样的频率稳定度。,本节小结,多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。 工作不需要外加信号源，只需要电源。,要想得到频率稳定性高的多谐振荡器时，应采用石英晶体多谐振荡器。,10.5 555定时器及其应用,555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路。该电路功能灵活、适用范围广，只要外围电路稍作配置，即可构成单稳态触发器、多谐振荡器或施密特触发器，因而可应用于定时、检测、控制、报警等方面。,集成555定时器因为其内部有3个精密的5k电阻而得名。后来国内外许多公司和厂家都相继生产出双极型和CMOS型555集成电路。虽然CMOS型3个分压电阻不再是5k,但仍然延用555名称。 目前一些厂家在同一基片上集成2个555单元，型号后加556，同一基片上集成4个555单元，型号后加558。,集成555定时器具体元件简介 555定时器的封装一般有两种： 八脚圆形封装 八脚双列直插式封装。,10.5.1 555定时器的电路结构与功能,放电三极管,精密电阻,SR锁存器,控制电压,触发输入,复位端,输出,放电端,阈值输入,电源516V,注意：工作中不使用VCO时，一般都通过一个0.01F的电容接地(交流接地），以旁路高频干扰。,当VCO悬空时，VR1=2/3Vcc, VR2=1/3Vcc,由电路框图和功能表可以得出如下结论： 1555定时器有两个阈值电压，分别是 和 。 2输出端3脚和放电端7脚的状态一致，输出低电平对应放电管饱和，在7脚外接有上拉电阻时，7脚为低电平。输出高电平对应放电管截止，在有上拉电阻时，7脚为高电平。 3.输出端状态的改变有滞回现象，回差电压为 。,10.5.2 555定时器接成施密特触发器,二六搭一,交流接地,VT-,VT+,回差电压:,反相输出施密特,VT+ =VCO,VT- =1/2VCO,回差电压:,10.5.3 555定时器接成单稳态触发器,七六搭一，上R下C,vI下降沿到达,vO输出高电平，TD截止，VCC经R向C充电， 当vC=2/3VCC时，触发器翻转，vO输出低电平，TD导通，电 容C经TD迅速放电。vI下一个下降沿到达,重复上述过程。,特性