第六章-脉冲波形的产生和整形

第六章_脉冲波形的产生和整形第1页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.1概述一、矩形脉冲脉冲信号：一种持续时间极短的电压或电流信号(即突变信号)。获得矩形脉冲的方法：(1)自激振荡电路直接产生矩形脉冲。由多谐振荡器来实现(2)将已有周期性变化波形(正弦波、锯齿波等)整形为矩形脉冲。由施密特触发器和单稳态触发器来实现矩形波方波尖顶波第2页，共57页，2023年，2月20日，星期三二、矩形脉冲的特性参数TT--

脉冲周期：两个相邻脉冲之间的时间间隔。VmVm--脉冲幅度：脉冲电压的最大变化幅度。0.5VmtWtW--脉冲宽度：脉冲上升到0.5Vm处至下降到0.5Vm处的时间间隔。0.1Vm0.9Vmtrtr

--上升时间：脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需时间。tftf--下降时间：脉冲下降沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需时间。q

--占空比q=tW/Tf=1/T第3页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.2施密特触发器6.2.1用门电路组成的施密特触发器一、CMOS电路构成G1、G2为CMOS反相器阈值电压：VTH=1/2VDDR1<R2二、工作原理R1vI+-R2vO+-vI'I--双稳态电路第4页，共57页，2023年，2月20日，星期三1.vI=0vI'≈0vO1

=VOH

≈VDDvO=VOL≈02.vI↑vO=VOL≈0保持不变3.vI↑使vO1

=VOL

≈0vO=VOH≈VDD正向阈值电压VT+：vI上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平。第5页，共57页，2023年，2月20日，星期三4.vI由VDD↓，但时vO=VOH≈VDD

保持5.vI↓使vO1

=VOH

≈VDD

vO=VOL≈0若VDD=2

VTH负向阈值电压VT-：vI下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平。第6页，共57页，2023年，2月20日，星期三vOOvIVTHVDDVT–VT+回差电压△V=VT+

-VT-OvIVTHVDD电压传输特性曲线同相输出反相输出11符号第7页，共57页，2023年，2月20日，星期三施密特触发器的特点1.施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号仍适用，当输入信号达到某一额定值时，输出电平会突变(内部存在正反馈)。2.对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平。

不仅可以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。第8页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.2.2集成施密特触发器1.TTL系列&ABCDY74LS14六反相器74LS132四2输入与非门74LS13双4输入与非门12.CMOS系列CC40106六反相器CC4093四2输入与非门0vIVTHVDDvO&ABY第9页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.2.3施密特触发器的应用一、波形变换二、脉冲整形vIvOVT+VT–VT+VT–vIvO11第10页，共57页，2023年，2月20日，星期三三、脉冲鉴幅在输入的一系列幅度各异的脉冲信号中选出幅度大于某一定值的脉冲输出。vIVT–VT+vO四、构成多谐振荡器1CvOR1第11页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.3单稳态触发器特点：1.电路有一个稳态和一个暂稳态；

暂稳态：不能长久维持的状态。2.在外界触发(窄)脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，自动返回到稳态；3.暂稳态持续时间仅取决于电路参数，与触发脉冲无关。单稳态触发器的暂稳态通常是靠RC电路的充、放电过程来维持的。RC电路可接成两种形式：微分和积分电路形式。第12页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.3.1用门电路组成的单稳态触发器微分电路0tvI

vO

0t积分电路CRvIvOCRvIvOt0vIt0vO第13页，共57页，2023年，2月20日，星期三一、微分型单稳态触发器CMOS：VTH=1/2VDDVOH≈VDDVOL≈01.电路2.工作原理(1)没有加触发脉冲时，即vI=0vI2=VDD=VOHvO=0vd=0vO1=VDD电容C上无电压稳定状态(vO1=VDDvO=0)第14页，共57页，2023年，2月20日，星期三(2)vI上加触发脉冲时(正脉冲)vd

vd↑vO1=VOL=0电容C上电压不能突变vI2=VOL=0vO=VOH=VDD此时，即使vI的触发脉冲已经撤销，vO的高电平仍将维持。暂稳态(vO1=VOL=0

vO=VOH=VDD)vd

≥VTH第15页，共57页，2023年，2月20日，星期三(3)电容C充电过程C充电vI2↑vO=VOL=0若此时触发脉冲已经撤销(vd=0)，vO1、vI2均为高电平。R>>RONvI2

≥VTH第16页，共57页，2023年，2月20日，星期三同时，电容C迅速放电。放电时间极短tre≈(3~5)RONC电路回复到稳定状态工作波形第17页，共57页，2023年，2月20日，星期三3.计算一阶线性电路暂态分析的三要素公式：第18页，共57页，2023年，2月20日，星期三只与RC有关输出脉冲幅度：Vm=VOH-VOLVDD分辨时间：td=tw+tre第19页，共57页，2023年，2月20日，星期三二、积分型单稳态触发器1.电路R不能取值太大(必须保证vO1为低电平时vA<VTH)TTL门RC积分电路正脉冲触发2.工作原理(1)vI没有加触发脉冲时，即vI=0vO1=vA=VOH稳态第20页，共57页，2023年，2月20日，星期三(2)vI上加触发正脉冲时，即vI=VOHvO1=VOL∵电容C上电压不能突变∴vA缓慢下降(电容C放电)

暂稳态只要vA>VTH，vO=VOL=0vO=VOH(电容C继续放电)

vA≤VTH当vI返回低电平后，vO1=VOH，电容C充电，经一段时间后vI恢复为高电平，电路达到稳态。第21页，共57页，2023年，2月20日，星期三工作波形计算vACROR输出脉冲幅度：Vm=VOH-VOL分辨时间：td=TTR+tre优点：积分型比微分型单稳态触发器抗干扰能力强。缺点：积分型单稳态触发器输出波形边沿较差。放电回路第22页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.3.2集成单稳态触发器一、不可重复触发型(741217422174LS221)二、可重复触发型(741227112374LS12274LS123)--只能在稳态接受输入信号。--在暂稳态期间，能够接受新的触发信号。vI

vO

twtwvI

vO

twtwvO

twtw触发脉冲为负脉冲暂稳态为高电平第23页，共57页，2023年，2月20日，星期三单稳态触发器应用3.定时--产生固定时间宽度的脉冲信号。1.整形--把不规则波形变为宽度、幅度都相等的脉冲。vIvO2.延时--产生滞后于触发脉冲的输出脉冲。vIvO第24页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.4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，便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，所以又把矩形波振荡器称为多谐振荡器。类型：对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器环形振荡器用施密特触发器构成的多谐振荡器石英晶体多谐振荡器--无稳态电路第25页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.4.2非对称式多谐振荡器一、组成G1、G2工作在电压传输特性的转折区目的：获得较大的电压放大倍数第26页，共57页，2023年，2月20日，星期三二、工作原理假设vI1有极小的正跳变正反馈vI1↑

vI2↓

vO2↑

vI1↑=VTHvO1=VOLvO2=VOH

(迅速跳变)

第一个暂稳态

同时电容C开始放电第27页，共57页，2023年，2月20日，星期三vI1↓vI2↑

vO2↓

vI1↓

=VTHvO1=VOHvO2=VOL

(迅速跳变)

第二个暂稳态

同时电容C开始充电正反馈vI1↓vI1↑当vI1↑至VTH时又重新回到第一个暂稳态第28页，共57页，2023年，2月20日，星期三工作波形图计算充电时间T1放电时间T2RF>>RON(N)RF>>RON(P)振荡周期T=T1+T2≈2RFCln3=2.2RFC第29页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.4.4用施密特触发器构成多谐振荡器一、组成二、工作原理接通电源瞬间，C中无电荷，所以：1.vC=0→

2.vO=1→C充电→

vI

↑3.vO=0→C放电→vI

↓vI

↑=VT+→vO=0vI

↓=VT-→vO=1vI=0→

vO=1CvOR1vI第30页，共57页，2023年，2月20日，星期三波形图三、电路改进

vIt

vOt0T2T10VT+VT-&CvIvOR2R11CvIvOR2R1第31页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.4.5石英晶体多谐振荡器一、石英晶体符号fXf0电感性电容性选频特性当f=f0时，电抗X=0。石英晶体的固有振荡频率f0由结晶方向、外形尺寸决定；频率稳定度(Δf0/f0)可达10-10~10-11。第32页，共57页，2023年，2月20日，星期三二、石英晶体振荡器1.组成2.工作原理当vo的频率f=f

0时，反馈最强，信号最容易通过，而其他频率的信号经过石英晶体时被衰减。因此，振荡器的工作频率为f

0。11CRFCvoRFG1G211RFCvoG1G2RP第33页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.5555定时器及其应用555定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。用它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。555定时器在工业控制、定时、检测、报警等方面有广泛应用。55518234765分类双极型(TTL)单极型(CMOS)555、556(双555)7555、7556(双7555)电源:5~16V最大负载电流:200mA电源:3~18V最大负载电流:4mA62784153555第34页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.5.1555定时器的电路结构与功能一、电路组成分压器比较器RS触发器输出缓冲放电三极管CB555电路结构图vI1(TH)+VCCTD5

k5

k5

k83165724&&1C1C2vC1vC2&VR1VR2VCOvI2(TR)G1G2G3G4第35页，共57页，2023年，2月20日，星期三二、基本功能VCO悬空时:

VR1=2/3VCC

VR2=1/3VCCVCO接固定电压时:

VR1=VCO

VR2=1/2VCO0导通1111导通不变不变截止voTD状态RDvI1vI2VOL>2/3VCC>1/3VCC0

1VOL<2/3VCC>1/3VCC<2/3VCC<1/3VCCVOH截止>2/3VCC<1/3VCCVOH111000第36页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.5.2用555定时器接成的施密特触发器一、电路627841535550.01uF+VCCvOvI第37页，共57页，2023年，2月20日，星期三二、工作原理1.vI从0上升到VCC的过程(1)vI<1/3VCC时vC1=1vC2=0Q=1vO=VOH(2)1/3VCC<vI<2/3VCC时vC1=vC2=1vO=VOH保持(3)vI>2/3VCC时vC1=0vC2=1Q=0vO=VOL第38页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.vI从VCC下降到0的过程(1)vI>2/3VCC时vC1=0vC2=1Q=0vO=VOL(2)1/3VCC<vI<2/3VCC时vC1=vC2=1vO=VOL保持(3)vI<1/3VCC时vC1=1vC2=0Q=1vO=VOH第39页，共57页，2023年，2月20日，星期三电压传输特性VT=VT+–VT–

=1/3VCC0vIvOVT=1/2VCOVCO外接固定电压时：

第40页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.5.3用555定时器接成的单稳态触发器一、电路组成62784153555RC+VCC0.01FvI+vC–vO第41页，共57页，2023年，2月20日，星期三vI=VIH(vI不加脉冲时)二、原理分析设TD工作在饱和状态，则：vC=vI1=0vC1=vC2=1保持一定是Q=0，vO=VOL(若假设TD截止，则不合理)1.稳态第42页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.触发vC1=1vC2=0TD截止vO=VOH(暂稳态)vI<1/3VCC第43页，共57页，2023年，2月20日，星期三电容C经R充电3.暂稳态vC↑vC>2/3VCC时vC1=0vC2=1vI=VIHTD导通vO=VOLC经TD迅速放电vC=0自动恢复到稳态第44页，共57页，2023年，2月20日，星期三三、工作波形及计算vIVCC0vC02VCC/3VCCvOtw波形：计算：62784153555RC+VCC0.01FvI+vC–vO第45页，共57页，2023年，2月20日，星期三6.5.4用555定时器接成的多谐振荡器一、电路62784153555R1CR20.01uF+VCCvO第46页，共57页，2023年，2月20日，星期三二、原理分析电源刚合上时C上无电荷(vC=0)vC1=1vC2=0TD截止vO=VOH---暂稳态I电容经R1+R2充电vC↑vC>2/3VCCvC1=0vC2=1TD导通vO=VOL---暂稳态Ⅱ

第47页，共57页，2023年，2月20日，星期三电容经R2、TD放电vC↓vC<1/3VCCvC1=1vC2=0TD截止vO=VOH---暂稳态I电容重复充放电过程，电路在暂稳态I、暂稳态Ⅱ之间来回翻转(即振荡)，输出矩形脉冲。……第48页，共57页，2023年，2月20日，星期三波形图

vCtVOH

vOtVOL62784153555R1CR20.01uF+VCCvO三、工作波形及计算T2T1计算：第49页，共57页，2023年，2月20日，星期三62784153555R1CR20.01uF+VCCvO

vCtVOH

vOtVOLT2T1T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2振荡周期：振荡频率：第50页，共57页，2023年，2月20日，星期三占空比：占空比可调电路62784153555R1CR2C2+VCCD1D2vOT1=R1Cln2T2=R2Cln2T=(R1+R2)Cln2若R1=R2则q=50%第51页，共57页，2023年，2月20日，星期三例6.5.1试用CB555定时器设计一个多谐振荡器，要求振荡周期为1秒，输