脉冲波形的产生和整形.doc

脉冲波形的产生和整形【本章主要内容】 本章主要介绍矩形脉冲波形的产生和整形电路。在脉冲整形电路中，介绍两类最常用两类整形电路施密特触发器和单稳态触发器；在脉冲振荡电路中，介绍多谐振荡电路。上述电路可以采用门电路构成，也可以采用555集成定时器构成。重点讨论555集成定时器的工作原理及其应用。【本章学时分配】 本章共分2讲，每讲2学时。第二十八讲 用门电路组成的脉冲波形产生与整形电路一、主要内容1、 基础知识脉冲在数字电路中应用极为普遍，它的获取和分析是数字电路的一个组成部分。1）矩形脉冲的获取方法a.利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲；b.通过各种整形电路把已有的周性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。2）矩形脉冲的主要参数为了定量描述矩形脉冲的特性，通常为了定量描述矩形脉冲的特性，通常给出P308图9.1中所标注的几个主要参数。这些参数是： 脉冲周期T周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。有时也使用频率f=1/T表示单位时间内脉冲重复的次数。 脉冲幅度脉冲电压的最大变化幅度。 脉冲宽度tw从脉冲前沿到达0.5起，到脉冲后沿到达0.5为止的一段时间。 上升时间脉冲上升沿从0.1升到0.9所需要的时间。 下降时间脉冲下降沿从0.9下降到0.1所需要的时间。占空比q脉冲宽度与脉冲周期的比值，亦即qT。2、用门电路组成的施密特触发器1）施密特触发器的工作特点 a.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过程中对应的输入转换电平不同。电路有不同的阈值电压，即具有滞后的电压传输特性。 b.在电路状态转换时，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。利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。2）滞后的电压传输特性滞后的电压传输特性，即输入电压上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入电压的下降过程中对应的输入转换电平不同（阈值电平不同），这是施密特触发器固有的特性。上升时的阈值电压VT+称为正向阈值电压，下降时的阈值电压VT称为负向阈值电压，它们之间的差值称为回差电压VT。3）用门电路组成的施密特触发器的工作原理 将两级反相器串接起来，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就构成了P309图9.2（a）所示的施密特触发器电路。a.分析vI从0逐渐升高并达到vI=VT+引发的正反馈过程；b.分析vI从高电平VDD逐渐下降并达到vI=VT引发的正反馈过程；c.计算VT+ 、VT和回差电压； d.绘制同相施密特和反相施密特的电压传输特性。4)施密特触发器的应用a.用于波形变换利用施密触触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。b.用于脉冲整形在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。c.用于脉冲鉴幅 由P313图9.7可见，若将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端时，只有那些幅度大于VT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。因此，施密特触发器能将幅度大于VT+的脉冲选出，具有脉冲鉴幅的能力3、用门电路组成的单稳态触发器1）单稳态触发器的工作特点a.它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；b.在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态；c.暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。由于具备这些特点单稳态触发器被广泛应用于脉冲整形、延时(产生滞后于触发脉冲的输出脉冲)以及定时(产生固定时间宽度的脉冲信号)等。2)单稳态触发器的工作原理单稳态触发器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(即接成微分电路形式或积分电路形式)，又把单稳态触发器分为微分型和积分型两种。 a.微分型单稳态触发器P314 图9.8是用CMOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器。其工作原理如下：稳态：没有触发电平，vI为低电平，vO为低电平，vO1为高电平，电容C上没有电压。稳态至暂稳态：当vI正跳变，vO1由高电平到低电平，vI2为低电平，于是vO为高电平。即使vI触发信号撤除，由于vO的作用，vO1仍然为低电平。暂稳态至稳态：暂稳态期间，电容C充电，vI2升高，当vI2=VTH时，vO下降，vO1上升，促使vI2进一步升高，最终vO1=1，vO=0。电路的电压波形如P315图9.9所示。主要参数：脉冲宽度b.积分型单稳态触发器P316图9.12是用TTL与非门和反相器以及RC积分电路组成的积分型单稳态触发器。其工作原理如下：稳态：稳态下当vI=0，G1、G2同时截止，vO1、vA、vO均为高电平。当输入正脉冲后，G1导通，vO1产生负跳变，由于电容电压不能突变，G2导通，使vO= vO1，电路进入暂稳态。暂稳态：在暂稳态随着电容放电，当vA=VTH时，G2截止，vO回到高电平，待输入信号回到低电平，G1又截止，电容又开始充电，经过恢复时间tre以后，电路达到稳态。电路中各点电压的波形如P317图9.13所示。4、多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号能自动地产生矩形脉冲。由于矩形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叫做多谐振荡器。1）对称式多谐振荡器P318图9.15所示电路是对称式多谐振荡器的典型电路，它是由两个反相器G1、G2经耦合电容C1、C2连接起来的正反馈振荡回路。第一暂稳态：电路最初vO1=0、vO2=1，电容C1开始充电而C2开始放电，C1经R1和RF2两条支路充电，所以充电速度较快。当vI2=VTH时，vO1增大，vO2减小，电路进入第二暂稳态。第二暂稳态： vO1=1、vO2=0，电容C2开始充电而C1开始放电， 当vI1 =VTH 时，使vO1减小，vO2增大，电路返回第一暂稳态。P320图9.19为图9.15电路中各点电压的波形。2）石英晶体多谐振荡器 当对频率稳定性有较高要求时，要采用石英晶体多谐振荡器。石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率f0，而与外接电阻、电容无关，具有极高的频率稳定性。它的频率稳定度（f0/ f0 ）可达10-1010-11，足以满足大多数数字系统对频率稳定性的要求。 P322图9.20给出了石英晶体的符号和电抗的频率特性。把石英晶体和对称式多谐振荡器中的耦合电容串联起来，就组成了P322图9.21所示的石英晶体多谐振荡器。二、本讲重点1、脉冲数字电路的基础知识。2、用门电路构成的施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的特点与典型电路的工作原理。三、本讲难点各典型电路的工作原理：依赖于各电路的工作特点，采用反馈流程图和波形分析法，效果较好。四、教学组织过程由于本讲内容较多及采用波形分析法效果较好，所以本讲宜采用多媒体教学。五、课后习题见相应章节的“习题指导”。第二十九讲 555定时器及其应用一、主要内容1、 555定时器的结构及工作原理1）555定时器的电路结构555定时器的型号和种类繁多，但它们的功能和外部引脚的排列基本相同。P323图9.23是国产双极型定时器CB555的电路结构图。它由比较器C1和C2、基本RS触发器、集电极开路的放电三极管TD和三个5k电阻组成的分压器4个部分组成。各管脚引线端的功能如下：1为接地端。8为电源端。可在516V范围内使用。5为控制电压输入端。当VCO悬空时，比较器C1和C2的参考电压（电压比较的基准）VR1和VR2由VCC经三个5k电阻分压给出，比较器C1的参考电压为VCC，比较器C2的参考电压为VCC；如果VCO外接固定电压，则VR1=VCO，VR2=VCO。VCO端不用时，一般经0.01F的电容接“地”，以防止干扰的引入。3为输出端。输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器，发光二极管扬声器，指示灯等。6为比较器C1的输入端（也称阈值端，用TH标注）。当VI1VR1时，比较器C1的输出VC1=1(高电平)；当VI1VR1时，VC1=0（低电平）。2为比较器C2的输入端（也称触发端，用标注）。当VI2VR2时，比较器C2的输出VC2=0；当VI2VR2时，VC2=1。4为复位端。当=0时，使触发器及555定时器的输出直接复位（置“0”）。7为放电端。当Q=0时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD进行放电。2）555定时器的工作原理由图可知，555定时器的工作原理如下表：表9.1 CB555定时器的功能表（当VCO悬空时）输入输出TD状态01111VCCVCCVCCVCCVCCVCCVCC低低不变高高导通导通不变截止截止2、 用555定时器接成的施密特触发器将555定时器的vI1和vI2两个输入端连接在一起作为信号输入端，即可构成施密特触发器，如P325图9.24所示。其工作原理如下：a.vI从0逐渐升高的过程：当vIVCC时，vC1=1、vC2=0，Q=1，故vO= VOH；当VCC vIVCC以后，vC1=0、vC2=1，Q=0，故vO= VOL。因此，VT+ =VCC。b.vI从高于VCC逐渐下降的过程：当vIVCC时，vC1=0、vC2=1，Q=0，故vO= VOL。当VCC vIVCC时，vC1=vC2=1，故vO= VOL保持不变；当vIVCC时，vC1=1、vC2=0，Q=1，故vO= VOH；因此，VT =VCC。电压传输特性如P325图9.25所示。回差电压为VT = VT+VT=VCC。3、用555定时器接成的单稳态触发器若以555定时器的vI2端作为触发信号的输入端，并将由TD和R组成的反相器输出电压vO接至vI1端同时在vI1对地接入电容C，就构成了如P327图9.26所示的单稳态触发器。其工作原理分析与用门电路构成的单稳态触发器的工作原理相同，可以采用波形分析法。现将这种分析方法的步骤归纳如下：a.分析电路的工作过程定性地画出电路中各点电压的波形，找出决定电路状态发生转换的控制电压。b.画出控制电压充、放电的等效电路，并将得到的电路化简。c.确定每个控制电压充、放电的起始值、终了值和转换值。e计算充、放电时间，求出所需的计算结果。4、用555定时器接成的多谐振荡器先将555定时器接成施密持触发器，然后只要把施密持触发器的反相输出端经RC积分电路接回到它的输入端，就构成了多谐振荡器。其原理图如P328图9.28所示。输出电压波形如图9.29。电路的振荡周期为 占空比为 二、本讲重点1、555定时器的电路结构与工作原理。2、用555构成的施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的特点与典型电路的工作原理。三、本讲难点555定时器的电路结构与工作原理分析。采用部分单元与整体分析相结合和列功能表的方法，效果较好。四、教学组织过程本讲555定时器的结构和工作原理采用多媒体教学，555定时器的应用采用讲述，并组织学生讨论施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的不同构成方法及其优缺点；讨论脉冲整形与脉冲振荡器的区别；讨论本章的多谐振荡器与集成运放构成的多谐振荡器的区别。五、课后习题 见相应章节的“习题指导”。【本章小结】 本章介绍产生矩形脉冲的各种电路