脉冲的产生与整形电路课件

1、6 脉冲的产生与整形电路6.5 555定时器及其应用6.1 概述6.2 施密特触发器6.3 单稳态触发器6.4 多谐振荡器6.1 概 述 数字电路中，为了控制和协调整个系统的工作，常常需要时钟脉冲信号。获得时钟脉冲的方法有：1. 利用多谐振荡器直接产生。2. 通过整形电路变换而成。整形电路又分为两类：施密特触发器和单稳态触发器。整形电路可以使脉冲的边沿变陡峭，或形成规定的矩形脉冲。Um0.9Um0.5Um0.1UmTwTtrtf表述矩形脉冲性能指标的主要参数：周期T周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间的时间间隔频率f = 1/T， 代表单位时间内脉冲重复的次数。下降时间tf 脉冲从0.9Um

2、下降到0.1Um所需的时间Um0.9Um0.5Um0.1UmTwTtrtf脉冲幅度Um脉冲电压最大变化的幅值脉冲宽度Tw从脉冲前沿0.5Um始，到脉冲后沿0.5Um止的一段时间上升时间tr 脉冲从0.1Um上升到0.9Um所需的时间6.2 施密特触发器 UT= UT+- UT-称为回差电压 施密特触发器是一种重要的脉冲整形电路，施密特触发器能把变化缓慢的波形变换成矩形脉冲。输入电压上升的翻转电平为上限阈值电平UT+输入电压下降的翻转电平为下限阈值电平UT-1. 基本概念 输入和输出为同相关系的称为同相施密特触发器 输入和输出为反相关系的称为反相施密特触发器2. 施密特触发器的传输特性 6.2.

3、1 门电路构成的施密特触发器设UTVDD/2，且R1R211G1G2R2R1uIuO1. CMOS非门电路构成的施密特触发器2. 施密特触发器的工作原理uO11G1G2R2R1uIuOUT+UT tuI的波形图uIO(1) 当uI = 0时，有 VDD，uO 0当uI增加到使 = UT时，产生如下正反馈过程:随着uI上升， 也上升，且有 uI R2 /(R1+R2)在极短时间内，电路翻转为uO VDD。此时由可求得电路的上限阈值电压UT+= (1+R1/R2) UT11G1G2R2R1uIuO同理，uI = VDD时，uO VDDUT+UT tuI的波形图uIO= UT+R2 /( R1+R2

4、)= UTUT- = (1R1/R2) UT11G1G2R2R1uIuO(3) 触发器的回差电压UT = UT+UT- = 2 UT R1/R2UT+UT tuI的波形图uIO(2) 当uI从高电平下降达到使 = UT时，可求得电路的下限阈值电压:11G1G2R2R1uIuOUT = UT+UT- = 2 UT R1/R2 可见，电路输出的状态由输入电压的大小决定，改变R1和R2就可调节回差电压UT的大小。UT+UT tuI的波形图uIO11G1G2R2R1uIuO(4) 波形图UT+UT t tuO波形图uIOO6.2.2 集成施密特触发器TTL集成施密特触发器有：74LS14，74132，

5、7413等。 CMOS集成施密特触发器有：CD40106，CD4093和CD4584等。TTL集成施密特触发器性能表型号741474LS1327413tpd/ns151516.5Pm/mW5UT/V6.2.3 施密特触发器应用举例1. 脉冲整形电路 在数字测量和控制系统中，由传感器送来的信号波形边沿较差，利用施密特电路可以对这些信号进行整形。t脉冲整形波形图ttuIuOUT+UTuItuOUT+UTOOOO2. 脉冲变换电路 利用这一特点，施密特电路可以把变化比较缓慢的正弦波、三角波等变换成矩形脉冲信号 。一种变换波形图 由于施密特电路状态转换速度极快，输

6、出矩形波的前后沿总是很陡峭。uIuOVDDUT+UTVDDttOO3. 鉴幅电路 在一串幅度不相等的脉冲信号中，如果要剔除幅度不够大的脉冲, 此时可利用施密特触发器。uIuOUT+UT鉴幅电路6.3 单稳态触发器3. 单稳态触发器常用于数字系统的整形、延时和定时电路中。 1. 单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态。单稳态触发器的特点： 暂稳态的时间取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度无关。2. 在触发脉冲的作用下，单稳态触发器从稳态翻转到暂稳态，经过时间tw后又自动翻回稳态，并在输出端产一个宽度为tw的矩形脉冲。6.3.1 门电路构成的单稳态触发器 按定时元件R和C的不同连接，这类单稳态触发器

7、可分为微分型和积分型两种 。&G1G2RuIuO1uO2uI2&C1. 微分型单稳态触发器的组成微分型单稳态触发器电路处于稳态时，uI为高电平，uO1为低电平。为了使uO2可靠为高电平，应选R Roff，一般取R0.7k。 2. 工作原理 (1) uI为高电平，电路处于稳态。uO1= 0，uO2 =1&G1G2RuIuO1uO2uI2&C 由于电容两端电压不会突变，因此uI2亦由低变高，使uO2由高变低，从而引起如下反馈过程：使电路迅速进入暂稳态：uO1=1 (2) uI的负跳沿到来时，电路触发翻转。uO1由低变高uO1uIuI2uO2(3) 在暂稳态期间1.4VtuI2OUOHUTtW&G1

8、G2RUOHuI2CRO 门1的输出高电平UOH经电容C和电阻R到地的方向给电容充电，使门2的输入电压uI2以时间常数1 = (R+RO)C (RO为门1的输出电阻)按指数曲线下降。 当uI2下降到阈值电平(UT = 1.4V)时，产生如下正反馈过程： &G1G2RuIuO1uO2uI2&CuI2uO2uI = 1uO1 使电路结束暂稳态，自动返回稳态：uO1= 0，uO2= 1。 uI2以时间常数 2 = (R1R)C按指数曲线上升，电路经历一个恢复阶段回到稳态时的初始状态。 (4) 恢复阶段+5V T3 R1 R T1uI2CG1G2uO1 0 暂稳态时间结束后，电容C放电。恢复阶段C的放

9、电回路&G1G2RuIuO1uO2uI2&CttttWIUOHUOL1.4vtWuI2 1 2 tOOOOuIuO2uO1UOHUOLUT工作波形图2. 工作波形 (1) 输出脉冲宽度(暂稳态时间) tw&G1G2RuIuO1uO2uI2&CttttWIUOHUOL1.4vtWuI2 1 2 tOOOOuIuO2uO1UOHUOLUT工作波形图uI2从UOHR/(R+RO)下降到UT的时间 1.4VtuI2OUOHUTtW&G1G2RUOHuI2CRO根据一阶RC电路的三要素法得实际常用经验公式 tw 0.8RC ( R tw则应通过微分电路RPCP再输入到与非门1。为保证稳态时uO1 = 0

10、，要求:RP CPtwIRPRON门3改善输出波形，起反相和整形的作用。 MOS门输入阻抗高，外接电阻R和RP的大小不会影响其稳态，它们不再受ROFF和RON的限制。 6.3.2 集成单稳态触发器 这些器件只要外接很少的电阻和电容，就可构成单稳态触发电路，使用起来非常方便。 TTL系列的有74121、74122、74123等。CMOS系列的有4098、4528、4538等。1. TTL集成单稳态触发器（74121）(1) 74121 的电路结构(2) 74121 的电路符号 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 输出输 入0 000(3) 74121 的的功能表 0 1 0

11、1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 输出输 入0 000(1) 稳态 Q=0(2) 当需要上升沿触发时，触发脉冲从B端输入，同时 、 当中至少应有1个为0状态。(3) 当需要下降沿触发时，则触发脉冲应该从 或 输入(另一个接1状态)，同时保持B端状态为1。由表可见： ttWOtWtWtOtOtO(4) 74121 的工作波形(5) 输出脉冲宽度tw tw RextCext ln2 = 0.7 RextCext 可用内部电阻Rint(2k)代替Rext 。 2. CMOS集成单稳态触发器（4538）BCRACXCX/ RX(1) 4538的符号图(2) 4538的功能表 1 1 0 1

12、1 1 0 1 0输出输 入0 00为清零输入端A为上升沿触发输入端为下降沿触发输入端由表可见： BCRACXCX/ RX 1 1 0 1 1 1 0 1 0输出输 入0 00a. 当选择上升沿触发时，应将输入脉冲加入A输入端，同时输入端接高电平。 b. 若选择下降沿触发时，可将输入脉冲引入输入端 ，A输入端接低电平。 c. 其他情况时，Q状态不变。tw=RextCextBCRACXCX/ RX(3) 4538输出脉冲宽度Rext和Cext可在较大范围内选择tw的范围可达10s 3. 单稳态触发器的类型集成单稳态触发器可分为单触发和重触发触发器。单触发的触发器有74121、74221、74LS

13、221等重触发的触发器有74122、74123、74LS123、4528、4538等 单触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，直到暂稳态结束后，才能接收触发脉冲而转入下一个暂稳态。(1) 单触发的单稳态触发器单触发的单稳态触发器特点b. 单触发的单稳态触发器工作波形图uIuOtWtW(1) 重触发的单稳态触发器重触发的单稳态触发器特点 重触发的单稳态触发器在电路被触发进入暂稳态以后，如果再次输入触发脉冲，电路将被重新触发，电路的输出脉冲再持续一个tW脉宽。b. 重触发的单稳态触发器工作波形图uIuOtWtWt16.3.3 单稳态触发器的应用举例 整形

14、电路可以把这些脉冲信号变换成具有一定幅度和宽度的矩形波形。1. 脉冲的整形 在实际的数字系统中，由于脉冲的来源不同，波形也相差较大。例如，从光电检测设备送来的脉冲波形一般不太规则；脉冲信号在线路中远距离传送，常会导致波形变化或叠加上干扰；(a) 电路 (b) 波形图 脉冲整形电路塑料成型顺序加工控制系统可用单稳态触发器来实现。 2. 脉冲的定时 由于单稳态电路能产生一定宽度tw的矩形脉冲，利用这一脉冲去控制某个系统，就能使其在tw时间内动作（或不动作），起到定时控制的作用。定时控制的典型例子塑料成形控制系统塑料成形一般经历预热、加压、保温、冷却四道工序。T1T2T3T4u1u2u3u4定时控制

15、工作波形 在数字控制和测量系统中，有时为了完成时序配合，需将脉冲信号延迟t1时间后输出。3. 脉冲的延迟这一过程可用双单稳集成电路外接R、C元件实现。脉冲信号的延迟t1tWuIuO6.4 多谐振荡器 由于输出的矩形波中含有很多谐波分量，故通常将它称为多谐振荡器，又称方波发生器。 多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源以后，不需外加触发信号，就能自动地不断来回翻转，产生矩形脉冲。6.4.1 集成门电路构成的多谐振荡器11uIuO1uF1. TTL集成门电路构成的多谐振荡器这些门组成一个环形，所以称为环形振荡器。它是利用门电路的时延tpd来产生方波振荡的。 (1) 电路的组成11uIuO1uF(

16、2) 工作原理a. 先假设在虚线所示处断开。b. 在uI处输入一方波，经过时延tpd之后，得uO的波形。uIuOtpd环形振荡器的工作波形uO与uI比较，除延迟tpd外，两者反相。c. uO再经过两个非门总共2 tpd时延之后，得uF 波形。uIuOuFtpd2tpd11uIuO1uF环形振荡器的工作波形若uI的周期为6tpd，则uI与uF波形同相。此时, 若把uF直接作为uI时，电路就可以自激。uIuOuFtpd2tpd11uIuO1uF环形振荡器的工作波形(3) 振荡频率振荡器的振荡频率取决于tpd及环路中非门的个数。图示电路的振荡频率为a. TTL非门的tpd约为几十纳秒，自激振荡的频率

17、较高。(4) 电路特点为了降低振荡频率，通常在环形通路中串入RC延时环节。 b. 振荡频率无法调节。2. CMOS集成门电路构成的多谐振荡器(1) 电路的组成(a)电路图 (b)传输特性曲线 此时，由于uO1即为uI2, G2也工作在电压传输特性曲线的转折区。 图中R的选择应使G1工作在电压传输特性曲线的转折区。(2) 工作原理a. 若uI有正向扰动，必然引起下述正反馈过程uO1uIuO2此时，电容C通过R到uO1放电，进而通过uO2反向充电。 使uO1迅速变成低电平，而uO2迅速变成高电平，电路进入第一暂稳态。b. 随着电容C的放电，uI不断下降，当达到uI=UT(VDD/2)时,电路又经历

18、另一个正反馈过程 uO1uIuO2 从而使uO1迅速变成高电平，uO2迅速变成低电平，电路进入第二暂稳态。同时，电容C通过uO1、R、C和uO2充电。 c. 随着电容C的不断充电，uI不断上升，当达到uIUT时,电路又迅速跃变到第一暂稳态。 如此周而复始，电路不停地在两个暂稳态之间转换，产生方波输出。(2) 工作波形电路的振荡周期为 T = 1.4RC (3) 电路的振荡周期 在上述多谐振荡电路中，由于决定振荡频率的主要因素是电路的定时元件RC以及门电路的阈值电压UT。而它们都容易受温度的影响，所以RC振荡器的频率稳定性只有约10-3或更差。6.4.2 石英晶体多谐振荡器门电路的组成的多谐振荡

19、电路的特点： 因此，在对频率稳定性要求比较高的场合，普遍采用石英晶体振荡器。1. 石英晶体的基本特性 高质量石英晶体振荡器(其晶片置于恒温盒内 )，频率稳定性可达10-11。(1) 石英晶体的电路符号 是将切成薄片的石英晶体置于两平板之间构成的。 (2) 石英晶体振荡器的频率稳定性 石英晶体振荡器的频率稳定性能达到10-510-8。 石英晶体振荡器的频率稳定性高，走时准确，在通常的气温条件下，可以保证每天不差半秒的误差。 目前较好的家用电子钟表几乎都采用具有石英晶体谐振器的方波发生器。 通常选用固有频率为32768Hz的石英谐振器，因为32768=215，将此振荡频率经过15次二分频，即可得1

20、Hz的时钟脉冲，作为计时基准。 2. CMOS石英晶体多谐振荡器 石英谐振器QR及C1、C2为外接分立元件。1G1C2RuOC1图中虚线以上部分制作在集成电路内。 晶体谐振器工作频率位于其串联谐振频率fs和并联谐振频率fp之间。电路就形成一个由反相器组成的电容三点式振荡器 。 振荡器输出的波形却并不理想，还需进行整形，才能得到矩形脉冲输出。 QR6.5 555定时器及其应用 555定时器是一种中规模集成电路，目前在仪器、仪表和自动化控制装置中应用很广。 555定时器可以组成定时、延时和脉冲调制等各种电路。6.5.1 555定时器(1) TTL集成定时器NE555的电路结构和符号。THRDTRG

21、NDOUTCUVCCTHRDTRGNDOUTCUVCC接地端 正电源端 复位端 高触发端低触发端 放电端 输出端 电压控制端8个引出端：THRDTRGNDOUTCUVCC电路组成： 电阻分压器 电压比较器（A1和A2） 基本RS触发器 放电管T 输出缓冲级THRDTRGNDOUTCUVCCA1的同相输入端接参考电压VREF1=2VCC/3A2的反相输入端接参考电压VREF2 = VCC/3THRDTRGNDOUTCUVCC 在高、低触发端输入电压的作用下，A1和A2的输出电压uO1和uO2的数值不是高电平就是低电平，它们作为基本RS触发器的输入信号。THRDTRGNDOUTCUVCC 基本RS

22、触发器的输出Q经过一级与非门控制放电三极管，再经过一级反相驱动门作为输出信号。 (2) 555集成定时器的工作原理a. 当 时uO输出为低电平比较器A1输出为 0，A2为 1基本RS触发器被置 0放电管T导通uO输出高电平b. 当 时A1输出为 1，A2 输出为 0基本RS触发器被置 1T截止c. 当 时T和uO输出状态也维持不变 A1和A2输出均为 1基本RS触发器的状态保持不变(3) 555定时器功能表 THRDTRGNDOUTCUVCC6.5.2 用555定时器构成的施密特触发器THRDTRGNDOUTCUVCCuI+VCCuO1. 施密特触发器的构成THRDTRGNDOUTCUVCCu

23、I+VCCuO2. 施密特触发器的工作原理tOuIuOtOVCC2/3VCC1/3VCC(1) 输入、输出波形THRDTRGNDOUTCUVCCuI+VCCuOtOuIuOtOVCC2/3VCC1/3VCC(2) 工作过程 a. uI从0开始升高，当 时,uO=UOHb. (1/3)VCC uI rd，所以恢复期很短。 THRDTRGNDOUTCUVCCC+VCCuO555DISRuIuC+-3. 工作波形图tW充电放电OuIuOtO2/3VCC1/3VCCuCOttTHRDTRGNDOUTCUVCCC+VCCuO555DISRuIuC+- 输出脉冲宽度tW是暂稳态的停留时间，根据电容C的充电

24、过程可知： 4. 输出脉冲宽度tWtW充电放电OuIuOtO2/3VCC1/3VCCuCOtt 图示电路对输入触发脉冲的宽度有一定要求， 它必须小于tW。若输入触发脉冲宽度大于tW时，应在u2输入端加微分电路。THRDTRGNDOUTCUVCCC+VCCuO555DISRuI具有微分环节的单稳态电路 THRDTRGNDOUTCUVCCC+VCCuO555DISRuICPRP线性锯齿波电路 (a)电路 (b)波形图 6.5.4 555定时器构成的多谐振荡器1. 电路组成THRDTRGNDOUTCUVCCC+VCCuO555DISR1uCR2+2. 工作原理(1) 由于接通电源前，电容器两端电压u

25、C=0，电源刚接通时uO输出高电平，放电端截止，电源VCC通过R1、R2 给电容C充电， uC逐渐增高。 其暂态过程为 THRDTRGNDOUTCUVCCC+VCCuO555DISR1uCR2+输出电压uO一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。 当 时(2) 当uC略微超过 (即u6和u2均大于等于 )时uO从高电平翻转到低电平，即uO =0，放电管T饱和导通。此时电容C通过R2和T放电。THRDTRGNDOUTCUVCCC+VCCuO555DISR1uCR2+uO持低电平，这是第二个暂稳态。随着电容C放电，uC下降。T截止，电容C再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。(

26、3) 当uC下降到略微低于 时，电路输出又变为uO=1。THRDTRGNDOUTCUVCCC+VCCuO555DISR1uCR2+当 时T1OuO2/3VCC1/3VCCuCOttt1t2t3t4T23. 工作波形THRDTRGNDOUTCUVCCC+VCCuO555DISR1uCR2+T1、2分别为电容C的充电时间和放电时间。T1OuO2/3VCC1/3VCCuCOttt1t2t3t4T24. 振荡周期T的计算T=T1+T2THRDTRGNDOUTCUVCCC+VCCuO555DISR1uCR2+T1OuO2/3VCC1/3VCCuCOttt1t2t3t4T2THRDTRGNDOUTCUVCCC+VCCuO555DISR1uCR2T1 = (R1+R2)C ln2 0.7 (R1+R2)C 充