清华大学数电10脉冲电路课件

1、1第十章第十章 脉冲波形脉冲波形 的产生和整形的产生和整形第一节第一节 概述概述本章只讨论矩形脉冲。本章只讨论矩形脉冲。矩形脉冲的主要参数：矩形脉冲的主要参数：脉冲周期脉冲周期T；脉冲频率：脉冲频率：脉冲幅度脉冲幅度VM；脉冲宽度脉冲宽度tW；上升时间上升时间tr；下降时间下降时间tf； 本章讨论三种脉冲电路：施密特触发器；单稳态触发器；多谐本章讨论三种脉冲电路：施密特触发器；单稳态触发器；多谐振荡器。振荡器。 每种电路都有三种构成方式：集成；用门电路构成；用每种电路都有三种构成方式：集成；用门电路构成；用555电电路构成。路构成。本章只介绍用本章只介绍用555电路构成的脉冲电路。电路构成的脉

2、冲电路。f = 1/T占空比占空比q：q=tw /T .【题【题10.1】【】【10.20】2第二节第二节 555定时器及其应用定时器及其应用一、一、555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能555电路又称为电路又称为集成定时器集成定时器。1972年由年由Signetics公司公司推出。既有双推出。既有双极型产品，也极型产品，也有有MOS型产品。型产品。它们产品型号它们产品型号的最后的最后3位数码位数码都是都是555.如：如：CB555 是国产双极型电路；是国产双极型电路；CH7555是是CMOS型电路。型电路。清零端清零端控制电压控制电压阈值端、阈值端、高触发端高触发端触发端、触发端

3、、低触发端低触发端放电端放电端CB555电路结构图电路结构图双极型双极型555电路电路CMOS型型555电路电路电源电电源电压范围压范围最大负最大负载电流载电流516V318V200mA4mA3低低导通导通1Vcc32VCC31低低导通导通1导通导通Vcc32Vcc32低低（不变）（不变）高高截止截止11Vcc32VCC31高高截止截止 （不变）（不变）VCOVCO 2电路的功能：电路的功能：当在当在VCO端外接控端外接控制电压时，阈值电制电压时，阈值电压将变化：压将变化：变为变为VCO;变为变为VCO/2。CCV32CCV31有两个阈值电压：有两个阈值电压：VR1=2VCC / 3 VR2=

4、VCC / 3 随着随着TH端和端和TR端的电压不同，端的电压不同，其工作状态将发生变化：其工作状态将发生变化：VCC312VCC / 3VCC / 30 RD TH TR TD状态状态o注意修改表注意修改表10.5.1及前面的论述及前面的论述4二、构成施密特触发器（二、构成施密特触发器（Schmitt Trigger）（一）（一）施密特触发器施密特触发器的特点：的特点： 1.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电平不同。入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入电平不同。 2

5、.在电路状态转换在电路状态转换时，通过电路内部时，通过电路内部 的正反馈过程使输的正反馈过程使输出电压波形的边沿出电压波形的边沿很陡。见很陡。见457页页（二）（二）工作原理：工作原理： 分析输入电压分析输入电压由由0V上升到上升到VCC和和由由VCC下降到下降到0V时，时，电路状态如何变化。电路状态如何变化。将将TH端和端和TR端并联作端并联作输入端，接输入电压输入端，接输入电压II5O0tI0tVCCVCC/32VCC/3V T+:正向阈值电压正向阈值电压或或上限阈值电压上限阈值电压VT- :负向阈值电压负向阈值电压或或下限阈值电压下限阈值电压V= VT+ - VT- ： 回差回差电压传电

6、压传输特性输特性若改变若改变VCO值值VT+,VT-的值将改变。的值将改变。VOHF0.01I特点：特点：由于有比较器，允许输入由于有比较器，允许输入信号信号慢变化慢变化；由于有触发器，输出端边由于有触发器，输出端边沿好。沿好。V T+V T-IO请记录请记录458页页6（三）施密特触发器的应用（见（三）施密特触发器的应用（见464页）页）1.波形变换波形变换2.脉冲整形脉冲整形3.脉冲鉴幅脉冲鉴幅波形变换波形变换脉脉冲冲整整形形脉冲鉴幅脉冲鉴幅7（四）其他类型的施密特触发器（四）其他类型的施密特触发器用门电路也可构成施密特触发器；用门电路也可构成施密特触发器；还有集成的施密特触发器。还有集成

7、的施密特触发器。 用门电路构成的施密特触发器已很少使用，用门电路构成的施密特触发器已很少使用，这里不作介绍。这里不作介绍。集成施密特触发器既有集成施密特触发器既有TTL型，也有型，也有CMOS型。型。 如如74LS14是集成施密特触发六反相器；是集成施密特触发六反相器；74LS132是是施密特触发的四施密特触发的四2输入与非门。输入与非门。 如如CC40106是集成施密特触发六反相器；是集成施密特触发六反相器；CC4093是施密特触发的四是施密特触发的四2输入与非门。输入与非门。8三、构成单稳态触发器三、构成单稳态触发器(Monostable Multivibration)（一）单稳态触发器的

8、特点（一）单稳态触发器的特点 1.有两个状态有两个状态稳态、暂稳态；稳态、暂稳态； 2.在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在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后，再自动返回；暂稳态维持一段时间后，再自动返回； 3.暂稳态维持时间长短取决于电路本身参数，与暂稳态维持时间长短取决于电路本身参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。触发脉冲的宽度和幅度无关。单稳态触发器单稳态触发器IOIOtWtW由电路内由电路内部参数决定部参数决定暂暂稳稳态态稳稳态态9F01. 0I（二）工作原理（二）工作原理1.稳态稳态I=VH , 设设TD工作在饱和状态，则：工作在饱和状态，则：

9、VC=VTH=0V, 555电电路处于保持状态，且路处于保持状态，且一定是一定是VO=VL， 这是因为若假设这是因为若假设TD截止，则不合理。截止，则不合理。2.触发触发555电路状态翻转为电路状态翻转为VO=VH此时此时TD截止截止，VC保持保持0V不变。不变。3.暂稳态暂稳态电容电容C充电充电 CI=VILi充充其三要素为：其三要素为：(0)=0V,CC( )=VCC，=RCVCC+下页下页RC10F01. 0Ii充充+RC当当 =2/3 VCC时，时，555电电路翻转为输出路翻转为输出VL,而而 保持保持不变。不变。CC5.恢复恢复由于由于TD导通，电容导通，电容C向向TD放放电，使电，

10、使 迅速下降为迅速下降为0V。Ctet)()0()()(4.自动返回自动返回上页上页VCCi放放用三要素法描述过渡过程用三要素法描述过渡过程:11（三）参数计算（以脉冲宽度为主）（三）参数计算（以脉冲宽度为主）VCCtW1.脉冲宽度脉冲宽度tW得到公式：得到公式：tWVCC0V2.恢复时间恢复时间tre:tre=(35)rcec3.分辨时间分辨时间td:td=tw+tretre*该电路特点：该电路特点：窄脉冲触发。窄脉冲触发。触发脉触发脉冲的最冲的最小周期小周期触发脉冲宽度要小触发脉冲宽度要小于输出脉冲宽度于输出脉冲宽度RC2/3VCCtet)()0()()(t)-)(0)-)(lnt12t0

11、2VCC若条件不满足可在输入端若条件不满足可在输入端加微分电路加微分电路 （供（供参考）参考）2RCF01. 0I13（四）应用（请记录）（四）应用（请记录）1.整形整形改变输入脉冲的占空比。改变输入脉冲的占空比。2.定时（延时）定时（延时）控制脉冲控制脉冲被测脉冲被测脉冲例例1：数字频率计。：数字频率计。例例2：延时触发：延时触发I1OOttt000tW2tW1能输出固定宽度的脉冲。能输出固定宽度的脉冲。宽度为宽度为1秒的秒的正脉冲正脉冲延迟时间为延迟时间为tW1，输出脉宽为，输出脉宽为Tw2.单单 稳稳 计数器计数器CP输出频率值输出频率值IO1O单稳一单稳一单稳二单稳二14OV（五）其他

12、类型的单稳态触发器（五）其他类型的单稳态触发器 用门电路可构成单稳态触发器；用门电路可构成单稳态触发器； 也有集成的单稳态触发器。也有集成的单稳态触发器。1.集成单稳态触发器集成单稳态触发器 既有既有TTL电路产品，也有电路产品，也有CMOS电路产品。介绍电路产品。介绍74121。只。只介绍如何使用。（见介绍如何使用。（见471页）页）有三个输入端：有三个输入端：A1,A2为下降沿触发输入端；为下降沿触发输入端；B为上升沿触发输入端。为上升沿触发输入端。有两个互补的输出端有两个互补的输出端VO、VO。 电容需外接；电阻可选择内部电容需外接；电阻可选择内部的，也可外接。接法如图。的，也可外接。接

13、法如图。可用功能表或波形图说明其工作原理。可用功能表或波形图说明其工作原理。使用内部电阻使用内部电阻15保保持持A端端触触发发B端端触触发发1016工作波形：工作波形：输出脉宽的计算：输出脉宽的计算：从器件手册可查到计算公式。从器件手册可查到计算公式。74121的公式如下：的公式如下：tW 0.69RextCextRext的取值在的取值在2K 到到30K 之间；之间；Cext的取值在的取值在10pF到到10 F之间。之间。 tW的范围在的范围在20nS到到200mS之间。之间。 也可使用内部电阻也可使用内部电阻Rint代替外代替外接电阻接电阻Rext。Rint约为约为2K 。 74121是不可

14、重复触发的。而是不可重复触发的。而74122是可重复触发的。见图示。是可重复触发的。见图示。17RD2.CMOS微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器（1）工作原理）工作原理 输入端微分电路提取输入端微分电路提取 的上升沿。的上升沿。I稳态：稳态：O=VDD，1O=0，2I=0。触发：触发：D1O2IO暂稳态：暂稳态：O=0，1O=VDD，2I=VDD。i充充C充电充电 2IVDD三要素为：三要素为：2I(0)=0，2I( )=VDD，=RC。自动返回：自动返回： 条件：条件： VTH。2I2IO1O+18VDDO=0，1O=VDD，2I VDD。恢复过程：恢复过程：电容电容C放电至起始状态。放

15、电至起始状态。所用时间为：所用时间为：Tre=(35)CRON（2）计算脉宽）计算脉宽tW 等于等于 由由0V上升到上升到VTH所用的时间：所用的时间：2IRCVVVRCttTHDDDDWIIIIW7.00ln)()()0()(ln2222门门G1的输的输出电阻出电阻0.5VDD取消输入微分电路会使输出后沿变坏。取消输入微分电路会使输出后沿变坏。RDi充充+19不需输入信号即可产生矩形脉冲。不需输入信号即可产生矩形脉冲。四、构成多谐振荡器四、构成多谐振荡器(Astable multivibrator)t2（一）多谐振荡器的特点（一）多谐振荡器的特点（二）电路的原理（二）电路的原理刚接通电源：刚

16、接通电源：C=0V,TD截止。截止。此时为此时为暂稳态暂稳态1：i充充C充电充电CVCC三要素为：三要素为：C(0)=0V1/3VCCC( )=VCC充充=(R1+R2)C在在t1时刻时刻 =2/3VCC，555电路翻转。电路翻转。Ct1C放电放电C0i放放=VH ，O进入进入暂稳态暂稳态2 =VL，TD导通。导通。O+先接成先接成施密特施密特触发器触发器20三要素为：三要素为：C(0)=2/3VCC，C( )=0V，放放=R2C在在t2时刻时刻 =1/3VCC，555电路翻转。电路翻转。C（三）计算周期（三）计算周期T=T1+T2i充充i放放)()() 0()(ln11TTcccc充充1/3

17、vcc2/3vcc212112RRRRTTq占空比：占空比：+f = 1/TVCCt10t2VCCt10t2给施密特触发给施密特触发器输入锯齿波器输入锯齿波可产生矩形波可产生矩形波21（四）改进电路（四）改进电路占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器T1=R1Cln2T2=R2Cln2q=211RRRT=(R1+R2)Cln2解：解：可选可选VCC=5V由由q公式，且公式，且q=2/3可求出：可求出： R1=R2由于由于 T=(R1+2R2)Cln2R1=48K选选C=10 F代入上式求出代入上式求出R2=R1=48K上述电路占空比始终大于上述电路占空比始终大于50%,且不可调。且不可调

18、。212112RRRRTTq例：用例：用CB555设计多谐振荡器。要求设计多谐振荡器。要求T=1s,3vvM5v,占空比占空比q=2/3。C选择原则选择原则:过大则漏电流大过大则漏电流大过小则电阻太大过小则电阻太大二者均可使周期不准二者均可使周期不准22（五）用门电路构成的多谐振荡器（五）用门电路构成的多谐振荡器1.非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器(1)工作原理工作原理采用采用CMOS门；门；RF使门使门1工作在转折区。工作在转折区。 因此门因此门2也工作在转也工作在转折区，电容折区，电容C引入正反馈，引入正反馈，使电路振荡。使电路振荡。 设设t1时刻时刻G1输出低电平、输出低电平、G2输

19、输出高电平。定为暂稳态出高电平。定为暂稳态2。1I当当 VTH时，产生连锁反应：时，产生连锁反应：1I1I1O2O随之电路进入暂稳态随之电路进入暂稳态1。见下页图。见下页图。C充电充电 VDD0i充充231I1O2OC放电放电 1I1O=VDD，2O=0，1I=VTHVDD。在在t2时刻：时刻：在暂稳态在暂稳态1：t1t2i放放1I三要素为：三要素为：放放=RFC。t3在在t3时刻时刻 VTH，又发生，又发生连锁反应，进入暂稳态连锁反应，进入暂稳态2：1I1I(0)=VTHVDD，在暂稳态在暂稳态2，C充电的三要素为：充电的三要素为：1I(0)=VTHVDD，( )=VDD，1I充充RFC1I( )=0VDD024(2)周期计算：周期计算：T=T1+T2RFC1.1 ttWIIIIW)()()0()(ln1111 将前面的三要素代入下面的公式，即可求出将前面的三要素代入下面的公式，即可求出T1和和T2：V00VTHVDDRFCTHln T2RFC1.1 VVDDVDDVTH+