脉冲波形的产生和变换PPT课件

1、20.1 单稳态及多谐振荡器描述矩形脉冲波形的特性主要有以下几个主要参数（见图20.1）第1页/共59页图20.1 矩形脉冲的特性参数0.5 UmTtrtfUmTW0.9 Um0.1 Um0.5 UmTtrtfUmTW0.9 Um0.1 Um第2页/共59页20.1.1 单稳态触发器单稳态触发器的工作特性具有如下特点： (1) 有稳态和暂态两个工作状态； (2) 在外界触发脉冲的作用下， 可从稳态转到暂态， 在暂态维持一段时间后， 再自动返回到稳态； (3) 暂态维持时间的长短取决于电路本身的参数， 与触发脉冲的宽度无关。 第3页/共59页1. 门电路组成的单稳态触发器 用CMOS门电路和RC

2、微分电路构成的微分型单稳态触发器如图20.2所示。 第4页/共59页图 20.2 微分型单稳态触发器UICdUdUO1RG2UOVDDRdC11UI2G1第5页/共59页1. 门电路组成的单稳态触发器 用CMOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器如图20.2所示。 对于CMOS电路， 可近似认为UOHVDD，UOL0， 在稳态下UI=0，UI2=VDD，UO=0，UO1=VDD，电容上没有电压。 当输入触发脉冲UI加到输入端时， 由Rd、Cd组成的微分电路的输出端得到一个很窄的正、 负脉冲电压Ud，当Ud上升到UTH以后， 将引发如下的正反馈过程: Ud UO1 UI2 UO 第6页

3、/共59页使UO1迅速跳变为低电平。 由于电容上的电压不能突变, 因此UI2也同时跳变为低电平，并使UO跳变为高电平， 电路进入暂态。 此时即使Ud回到低电平，UO仍将维持高电平。 与此同时， 电容C开始充电， 且随着充电过程的进行， UI2逐渐升高， 当升到UI2 =UTH时， 将引发另一个正反馈过程： UI2UOUO1 整个过程的波形变化如图20.3所示。 第7页/共59页图20.3 微分型单稳态触发器波形图UIUdUO1TW0000UI2UTH0UOttttt第8页/共59页各种参数的计算如下： 脉冲宽度输出脉冲幅度 Um=UOH-UOLVDD 为了保证单稳态触发器脉冲的宽度准确无误，

4、输入触发脉冲的时间间隔T（重复周期）应满足： TTW+Tre其中， 电路恢复时间 Tre =(35) RCRCRCUVVRCTTHDDDDW69. 02ln0ln第9页/共59页2. 集成单稳态触发器 集成单稳态触发器的特点是: 在TTL和CMOS电路产品内部具有上升沿与下降沿触发的控制和置零功能， 连线较少， 采取了温度补偿措施等。 常见的型号有74121（TTL型）、 74221（TTL型）、 74123（TTL型)和CCL14528（CMOS型）等。 3. 单稳态触发器的应用 (1) 脉冲形态是指脉冲信号在经过长距离传输后， 脉冲波形发生变化， 经过单稳电路后， 使波形变为符合要求的波形

5、， 如图20.4所示。 脉冲的宽窄根据具体要求而定。 第10页/共59页图20.4 整形示意图单稳电路UIUOUOttUI第11页/共59页（2） 脉冲延时（展宽）如图20.5所示。 图20.5 脉冲延时示意图UITW74121单 稳UIUOUOtt第12页/共59页 20.1.2 多谐振荡器1. 对称式多谐振荡器 图20.6所示为对称式多谐振荡器的典型电路。 它由反相器G1、G2 和耦合电容C1、C2及电阻RF1、RF2组成。 其中G1、 G2与C1、 C2构正反馈电路。 RF1、RF2控制G1、G2，使之工作在电压传输特性的转折点。 从图20.6可见，该电路是利用RC的充放电分别控制G1、

6、 G2门的开通与关断来实现自激振荡。 第13页/共59页图20.6 对称式多谐振荡器C1G1G2UI2UI1UO2RF21UO11RF1C2第14页/共59页假如由于某种原因（例如电源或外界的干扰）使UI1有一个微小变化（正跃变）， 则必然会得到下列的正反馈过程: UI1UO1UI2UO2使UO1迅速跳变为低电平，UO2跳变为高电平，电路进入第一个暂稳态。与此同时，UO2开始经RF2向C1充电， C2开始经RF1放电。 第15页/共59页随着C1的充电，UI2逐渐上升到G2的阈值电压UTH时，UO2开始下降， 并引起另一个正反馈过程： UI2UO2UI1UO1从而使UO迅速跳变至低电平， 电路

7、进入第二个暂态。 同时C2开始充电， 而C1开始放电。 随着C2充电， UI1逐渐升高到G1的UTH后，电路又迅速返回到第一个暂态。 因此， 电路是不停地在两个暂态之间往复转换， 在输出端不断地发出矩形电压脉冲,如图20.7所示。 第16页/共59页图 20.7 矩形电压脉冲形成示意图00UI1UTHUO1ttUTH0UI2tUO20t第17页/共59页从上面的分析可知， 输出脉冲的周期等于两个暂态持续时间之和，每个暂态持续时间与C1、C2的充放电有关。 若取RF1=RF2=RF，C1=C2=C，UTH=1.4 V，UOL=0 V，UOH=3.6 V，则振荡周期为T=2TW1.4RFC 由此可

8、知， 改变R和C可改变T。 2. 石英晶体多谐振荡器 石英晶体的符号、电抗频率特性及石英晶体多谐振荡器电路如图20.8所示。 第18页/共59页图 20.8 石英晶体符号、 电抗频率特性及多振荡器电路 (a) 符号； (b) 频率特性； (c) 电路电感电容电容f0符号fX(a)(b)(c)C1UORF211RF1C2第19页/共59页20.2 施密特触发器1. CMOS门电路构成的施密特触发器图20.9所示为CMOS门电路构成的施密特触发器。 第20页/共59页图20.9 CMOS门电路构成的施密特触发器UIUO1UO11R1G1G2R2第21页/共59页如图20.9所示，当UI从0 逐渐升

9、高并达到UTH时，G1进入电压传输特性的转折区，引起正反馈，过程如下： UI UO1UO这时电路的状态迅速转换为UO=UOHVDD由此可求出UI上升过程中电路状态发生转换所对应的输入电平为UT+（正向阈值电压）： THTURRU)1 (21第22页/共59页当UI从高电平逐渐下降并达到UTH时,又引发另一个正反馈过程：UIUO1UO电路状态迅速转换为UO=UOL0由此可求出UI下降过程中电路状态发生转换时所对应的输入电平为UT- (反向阈值电压)： DDTHTVRRURRU2121)1 (第23页/共59页若DD=2UTH,则将UT+与UT-之差定义为回差电压UT： UT=UT+-UT-由此,

10、可画出施密特触发器的电压传输特性,称为施密特滞回曲线,如图20.10所示。 THTURRU)1 (21第24页/共59页图 20.10 施密特滞回曲线(a) 同相输出； (b) 反相输出uIuOUTuuIuUTUTUTuO(a)(b)第25页/共59页 常见的集成施密特触发器有： 74132、 CC40106、 74LS132等,它们的逻辑符号如图20.11所示。 第26页/共59页图20.11 施密特触发器的逻辑符号uOuI第27页/共59页2. 施密特触发器的应用 1) 用于波形变换施密特触发器可用于将三角波、正弦波等一些不规则波形转换为矩形波,如图20.12所示。 第28页/共59页图

11、20.12 波形变换示意图UIUTt00tUT0UOUIUTUTUOtt0第29页/共59页2) 用于脉冲整形当传输信号受到干扰时,施密特触发器的滞回特性将受到干扰的信号整形成较好的矩形脉冲,如图20.13所示。 第30页/共59页图20.13 脉冲整形示意图UI0000ttUOUItt(a)(b)UO第31页/共59页3) 用于脉冲幅度鉴别当输入信号为一组幅度不等的脉冲,而要求将幅度大于UTH的脉冲信号选出时，可采用施密特触发器的输入信号进行鉴别,如图20.14所示。 第32页/共59页图20.14 脉冲幅度鉴别0UIUTUO0tt第33页/共59页4） 由施密特触发器组成多谐振荡器多谐振荡

12、器最突出的特点是它的电压传输特性具有滞回特性。 据此可以使其输入信号在UT+UT-之间不停地往复变化,在输出端就可得到矩形脉冲波形。其电路及波形如图20.15所示。 第34页/共59页图20.15 多谐振荡器电路及波形CUIUOR(a)UI0ttUO0(b)第35页/共59页20.3 555定时器及其应用 图20.16所示为国产双极型定时器NE555的电路结构图,它由比较器C1、C2、 基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。 NE555定时器的功能如表20.1所示。 第36页/共59页图 20.16 NE555双极型定时器1G33UOOUTQ&THUI16CO27VCC

13、8UR25 kGNDRC1Q4G1&G2DRTDC25 kUR15 k5TRUI2DISC1第37页/共59页表20.1 NE555功能表 第38页/共59页20.3.2 555定时器的应用1. 接成施密特触发器 图20.17是将UI1和UI2连在一起作为信号输入端(UI),就可得到施密特触发器。 第39页/共59页图 20.17 由555定时器构成的施密特触发器 (a) 外部接线图； (b) 内部电路图13Q&27VCC8R1C1Q4G1&C251R6RC555VCC84123C576UOUI(a)(b)R第40页/共59页电路工作的原理如下： 当UI VCC时,UC

14、1=1, UC2=0, Q=1, UO=UOH;当 VCCUI VCC时,UC1=UC2=1, UO=UOH;当UI VCC时,UC1=0, UC2=1, Q=0, UO=UOL。由此可见UT+= VCC 3131323232第41页/共59页当VCCUI VCC时,UC1= UC2=1, UO=UOL;当UI TW时, 单稳态触发器能否正常工作?为什么? 若不能正常工作,应怎样解决? 第52页/共59页3. RC环形振荡器电路如题图20.2所示, UOH=3 V,UOL=0 V, R=470 , RZ=100 , C=3800 pF。(1) 开关S1、 S2断开时, 定性地给出UA、UB、U

15、O的波形。(2) 计算振荡频率。(3) S1断开, S2闭合时, UO的波形如何?(4) S1闭合, S2闭合时, UO的波形如何?(5) S1闭合, S2断开时, UO的波形如何? 第53页/共59页题图 20.2C200 UOR2R3UBRUAG1G3S2&G21&10 kR1S1第54页/共59页4. 题图20.3所示的施密特触发器中, 若电路参数R1=R2, UTH=1.4 V, UD=0.7 V, 试求上下限电平UT+、UT-及差电压UT。 题图 20.3 uouiDG11R2G21ouR1第55页/共59页5. 如题图20.4所示的单稳态电路, 若其5脚不接0.01 F的电容, 则必接直流正电源UR, 当UR变大和变小时, 单稳态电路的输出脉冲宽度如何变化?若5脚通过10 k的电阻接地, 其输出脉冲宽度又有什么变化?第56页/共59页题图 20.4 55576215348VDDRQ1ucCiCupRuo0.01 FSui