数字电路第10章脉冲波形的产生.ppt

2019/7/15,阜师院数科院,获取矩形脉冲波形的途径不外乎有两种:用多谐振荡器产生;通过整形电路把已有的周期性变化的波形变换为符合要求的矩形脉冲。,第十章脉冲波形的产生与整形,10.1 概述,图10.1.1 描述矩形脉冲特性的主要参数,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。,脉冲幅度VM脉冲电压的最大变化幅度。,脉冲宽度tw从脉冲前沿到达0.5VM起，到脉冲后沿到达0.5VM为止的一段时间。,占空比q脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q=tw/T,上升时间tr脉冲前沿从0.1VM上升到0.9VM所需要的时间。,下降时间tf脉冲后沿从0.9VM下降到0.1VM所需要的时间。,2019/7/15,阜师院数科院,电压传输特性,10.2施密特触发器（Schmitt Trigger）,它是脉冲波形变换中经常使用的一种电路具有下述特点:,(1) 属于电平触发,当输入信号达到某一定电压值时,输出电压会发生突变;,（2）输入信号增加和减少时，电路有不同的阈值电压。,假定电路中CMOS反相器的阈值电压Vth=VDD/2,R1R2,输入信号VI为三角波,分析工作过程:,根据叠加原理可写出:,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，而且可以将叠加在脉冲信号高低电平上的噪声有效地清除。,10.2.1门电路组成的施密特触发器,vi1,2019/7/15,阜师院数科院,当Vi=0V时，G1门截止，G2门导通，输出端V0=0V。此时Vi1=0V。输入从0V电压逐渐增加，只要Vi1Vth，则电路保持V0=0V。当Vi上升使得Vi1=Vth时，电路产生如下正反馈过程：,结果是使V0很快变为VDD,正向阈值电压：输入电压Vi由小变大使电路输出发生突变所对应的值。,所以,当Vi1Vth时,电路状态维持VO=VDD不变。,2019/7/15,阜师院数科院,Vi继续上升至最大值后开始下降,当Vi1=Vth时,电路产生如下正反馈过程:,Vi1,VO1,VO,结果VO迅速回0,将VDD=2Vth代入可得,回差电压：VT=VT+-VT-,2019/7/15,阜师院数科院,*10.2.2 集成施密特触发器,由于施密特触发器的应用非常广泛，所以无论是在TTL电路中还是在MOS电路中，都有单片集成的施密特触发器产品。,图10.2.3 带与非功能的TTL集成施密特触发器7413,因为在电路的输入部分附加了与的逻辑功能，同时输出端附加了反相器，所以它也叫施密特触发的与非门，集成电路手册中将其归入与非门类。,2019/7/15,阜师院数科院,图10.2.4 集成施密特触发器7413的电压传输特性,2019/7/15,阜师院数科院,图10.2.5 CMOS集成施密特触发器CC40106,2019/7/15,阜师院数科院,图10.2.6 集成施密特触发器CC40106的特性（ a）电压传输特性（b）VDD对VT、VT的影响,2019/7/15,阜师院数科院,10.2.3施密特触发器的应用,一、用于波形变换,利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用,可以把边沿缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。,图10.2.7 用施密特触发器实现波形变换,2019/7/15,阜师院数科院,二、用于脉冲波形的整形,图10.2.8 用施密特触发器对脉冲整形,2019/7/15,阜师院数科院,三、用于脉冲鉴幅,图10.2.9 用施密特触发器鉴别脉冲幅度,2019/7/15,阜师院数科院,10.3单稳态触发器 (Monostable Multivibrator),具有下述特点：,1、电路有一个稳态、一个暂稳态；,2、在外来触发信号作用下，电路由稳态转到暂稳态；经过一段时间后，电路会自动返回稳态。,3、暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度无关。,6.3.1门电路组成的单稳态触发器,图为用CMOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器。,一、微分型单稳态触发器,CMOS门电路可以近似认为；VOH=VDD、VOL=0，Vth=（1/2 ）VDD 。,（1）在稳态下vi=0，vi2= VDD，故vO=0， vO1= 1,没有触发时，电路处于稳态，电容C上没有电压。,2019/7/15,阜师院数科院,当Vi正跳变来时，在Rd、Cd组成的微分电路输出端得到很窄的正脉冲，使 G1输出V01由高变为低电平，经电容C耦合，使Vi2为D低电平，于是G2的输出变为高电平。即，VO1=0，VO=1。,由于G2的输出与G1的输入端相连，这时即使触发信号再变为低电平，G1输出暂时也不会变回高电平。即，维持暂态。,（3）电容C充电，电路由暂态自动返回稳态,在暂稳期间，电源经G1的导通管及电阻R对电容充电。随着电容两端的电压的增长，当Vi2上升到G2的阈值电压Vth时，电路发生下述正反馈过程：,结果使G1迅速截止，G2很快导通，电路回到稳态。,VO1=1，VO=0,（2）当外加触发信号时，电路由稳态翻转到暂态暂,2019/7/15,阜师院数科院,图10.3.2 图10.3.1电路的电压波形图,假设输入波形已知，根据以上的分析可画出图10.3.1电路中各点的电压波形，如下：,为了定量描述单稳态触发器的性能，经常使用输出脉冲宽度tW 、输出脉冲幅度VM、恢复时间tre和分辨时间td等参数。,2019/7/15,阜师院数科院,在RONR的情况下，等效电路可简化为简单的RC串联电路。该电路的过度过程可用三要素法求解。,主要参数的计算,三要素：VC（0）=0，VC（）=VDD，=RC，,VC（tw）=Vth=1/2（VDD）=VDD -VDDe-tw/RC,tw=RCln2=0.7RC,（1）输出脉冲宽度tw,输出脉冲宽度tw等于从电容C开始充电到vi2上升至VTH的这段时间。,2019/7/15,阜师院数科院,(3).恢复时间tre,暂稳态结束后,还需要一段恢复时间,以便电容C在暂稳期间所充的电荷释放完,使电路恢复初始状态。一般要经过3d（ d=RONC为放电时间常数）的时间。C 放电的等效电路如上。,(4).分辨时间td 是指在保证电路正常工作的前提下，允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔，td=tw+tre ，即最高工作频率fMAX=1/td,（2）输出脉冲的幅度：,VM=VOH- VOLVDD,2019/7/15,阜师院数科院,二、积分型单稳态触发器,该电路是用TTL与非门和反相器以及RC积分电路组成的。,为了保证VO1为低电平时VA在VTH以下，R的阻值不能取得太大。,稳态时，由于VI=0，所以VO=VOH，VA=VO1=VOH。,电路进入暂态后，电容C开始放电，VA电位开始下降，当下降到VTH时，VO回到高电平。待VI返回低电平以后，VO1又重新变成高电平，并向C充电，VA恢复为高电平，电路回到稳态。,2019/7/15,阜师院数科院,图10.3.7 图10.3.5电路中电容C的放电回路和vA的波形 （a）放电回路 （b） vA的波形,暂稳时间tW为从电容开始放电到VA下降至VTH所需的时间。,所以有： VC（0）=VOH，VC（）=VOL，=（R+RO）C,VC(t)=VC （）- VC（ ） -VC （0）e-t/ ,VC（tw）=VTH=VOL-（VOL-VOH） e-t/ ,输出脉冲幅度：Vm=VOH-VOL,恢复时间是从VO1跳变为高电平后电容C充电至VOH所经过的时间。若取充电时间常数的35倍，则得tre=（35）（R+RO1）C,2019/7/15,阜师院数科院,这个电路的分辨时间为：td=tTR+tre,与微分型单稳态触发器相比，积分型单稳态触发器具有抗干扰能力强的优点。同时这也是这种电路的缺点，因为它不适应窄脉冲触发。,窄脉冲输入的情况说明，当输入脉冲窄于电路暂稳时间时，电路输出将随输入脉冲变，已失去了单稳态的意义。,另外，该电路与微分型单稳态触发器相比存在的缺点是输出波形的边沿比较差，这是因为该电路没有正反馈作用。,2019/7/15,阜师院数科院,改进的积分型单稳态触发器窄脉冲触发的积分型单稳,由图可以看出这个电路就是在原积分型单稳态触发器的基础上加了一个与非门G3和输出至G3的反馈线而形成的。该电路为负脉冲触发，即平时VI为高电平。稳态时，Vo3=0，Vo1=1，Vo=1。当负脉冲来时，Vo3跳变为1，Vo1跳变为0，VO跳变为0，电路进入暂态，电容C开始通过G1放电。,由于VO反馈到了输入端，所以即使这时负触发脉冲消失了，在暂稳态期间vO3的高电平也将继续维持。直到RC电路放电到Vc=VTH以后，VO才返回高电平，电路回到稳态。可见这一电路可以实现窄脉冲触发。,2019/7/15,阜师院数科院,10.3.2 集成单稳态触发器,一、TTL集成单稳态触发器,图10.3.9 集成单稳态触发器74121简化的逻辑图,微分型单稳态触发器,输出缓冲电路,输入控制电路,如果把G5和G6合在一起视为一个具有施密特触发特性的或非门，则这个电路与前面所讨论的微分型单稳态触发器基本相同。它用门G4给出的正脉冲触发，暂稳时间由Rext和Cext决定。,2019/7/15,阜师院数科院,门G1G4组成的输入控制电路用于实现上升沿触发或下降沿触发的控制。,表10.3.1 集成单稳态触发器74121的功能,电路处于稳定状态,电路由下降沿触发,电路由上升沿触发,2019/7/15,阜师院数科院,图10.3.10 集成单稳态触发器74121的工作波形图,输出脉冲宽度： tW=RextCextln2=0.69RextCext,通常Rext的取值在230K之间，Cext的取值在10pF10F之间，得到tW可达20ns200ms。内置电阻Rint=2K 。,2019/7/15,阜师院数科院,图10.3.11 集成单稳态触发器74121的外部连接方法（a）使用外接电阻Rext （下降沿触发） （b）使用内部电阻Rint （上升沿触发）,74121、74221、74LS221都是不可重复触发的单稳态触发器。74122、74123等是可重复触发的单稳态触发器。,*二、CMOS集成单稳态触发器,2019/7/15,阜师院数科院,多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在电源接通后，无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形波或方波。,10.4.1对称式多谐振荡器,1.电路组成及工作原理,10.4多谐振荡器 Astable Multivibrator,图10.4.1 对称式多谐振荡器电路,图10.4.2 TTL反相器（7404）的电压传输特性,RF取值0.51.9K,2019/7/15,阜师院数科院,图10.4.1所示的对称式多谐振荡器，是由两个反相器G1和G2经耦合电容C1和C2连接起来的正反馈振荡电路。,为了产生自激振荡，电路不能有稳定状态。也就是说要保证环路放大倍数大于1，即使反相器工作在放大状态（传输特性的转折区）。为此，在反相器的两端接入了反馈电阻RF1和RF2。这样只要G1或G2的输入端有及小的扰动，就会被正反馈回路放大而引起振荡。,下面具体分析一下接通电源后的工作情况。,假定由于某种原因使vI1有微小的正跳变，则必然引起如下正反馈过程：,vI1 vO1 vI2 vO2,结果使vO1迅速跳变为低电平、 vO2迅速跳变为高电平，电路进入第一暂稳态。同时电容C1开始充电而C2开始放电。由于TTL电路输入端接有保护二极管，即负向电压不大，致使vI2首先上升到G2的域值电压VTH（此时放电的初始值较大放电速度即使与充电相同，vI1也要落后与vI2降至VTH），并引起,2019/7/15,阜师院数科院,图10.4.5 图10.4.1电路中各点电压的波形,图10.4.1 对称式多谐振荡器电路,在 RF1= RF2= RF、C1= C2=C的条件下，电路的振荡周期为：,2019/7/15,阜师院数科院,10.4.2 非对称式多谐振荡器,分析图10.4.1所示的对称式多谐振荡器电路可知，只要静态时保证了G1工作在电压传输特性的转折区，如果把G2直接接到G1的输出端， G2便可得到一个介于高、低电平之间的静态偏置电压，从而使G2 的静态工作点也处于电压传输特性的转折区上。因此，可以把C1和RF2去掉，使电路进一步简化，就得到了图10.4.6所示的非对称式多谐振荡器电路。,图10.4.6 非对称式多谐振荡器电路,图中RP为CMOS电路的保护电阻,2019/7/15,阜师院数科院,由于RF跨接在G1的输入和输出之间，又CMOS电路输入电流在正常的输入高、低电平范围内几乎等于零，所以RF上没有压降， G1必然工作在vo1=vI1状态。因此，表示vo1=vI1的直线与电压传输特性的交点就是G1的静态工作点，如图10.4.7所示。,图10.4.7 图10.4.6电路中CMOS反相器静态工作点的确定,通常CMOS门的VTH=1/2VDD，这时静态工作点P刚好处在电压传输特性的中点，即vo1=vI1=1/2VDD的地方。因为vO1=vI2，所以这时G2的静态工作点也在电压传输特性的中点。,由于流过RF上静态电流基本等于零，所以对RF阻值没有严格地限制。,2019/7/15,阜师院数科院,10.4.3环形振荡器,图10.4.10 最简单的环形振荡器,利用闭合回路中的正反馈作用可以产生自激振荡,其实只要负反馈足够强,利用闭合回路中的延迟负反馈作用也能产生自激振荡。,不难看出，这个电路是没有稳态的。因为在静态（假定没有振荡）时任何一个反相器的输入和输出都不可能稳定在高电平或低电平，而只能处于高、低电平之间，即处于放大状态。,假定由于某种原因使vi1产生了微小的正跳变，则经过G1的传输延迟时间tpd之后vi2产生一个幅度更大的负跳变，再经过G2的传输延迟时间tpd使vi3得到更大的正跳变。可以推想，再经过3 tpd以后vi1又将跳变为高电平。如此周而复始，就产生了自激振荡。,2019/7/15,阜师院数科院,稳定振荡后，可以假设各门电路的输入、输出电平均为高、低电平。于是可画出上述自激振荡的工作波形图。,图10.4.11 图6.4.10电路的工作波形图,振荡周期为： T=6tpd,2019/7/15,阜师院数科院,基于上述原理可知，将任何大于、等于3的奇数个反相器首尾相连接成环形电路，都能产生自激振荡，而且振荡周期为：T=2ntpd,用这种方法构成的振荡器虽然很简单，但不实用。因为门电路的传输延迟时间极短，TTL电路只有几十纳秒，CMOS电路也只有一二百纳秒，所以想获得稍低一些的振荡频率很困难，而且频率不易调节。,图10.4.12 带RC延迟电路的环形振荡器 （a）原理性电路（b）实用的改进电路,2019/7/15,阜师院数科院,10.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器,施密特触发器的电压传输特性有一个滞回区。由此可以设想，若能使它的输入电压在VT+和VT-之间不停的往复变化，那么在它的输出端就可以得到矩形脉冲，即实现了多谐振荡的功能。,实现上述设想的方法，只需在施密特触发器的反相输出端经RC积分电路接回输入端即可，如图10.4.15所示。,图10.4.15 用施密特触发器构成的多谐振荡器,2019/7/15,阜师院数科院,振荡周期：,若使用的是CMOS施密特触发器，而且VOHVDD，VOL0，则用三要素法很容易计算出振荡周期。,充电时：VC（0）=VT-， VC（）= VDD，=RC，VC（T1）=VT+,VC(t)=VC （）- VC（ ） -VC （0）e-t/ ,VC(T1)= VT+ =VDD- VDD VT-e-T1/ RC,VDD VT-e-T1/ RC= VDD- VT+,eT1/ RC=,T1=RCln,放电时：VC（0）=VT+，VC（）= 0，=RC，VC（T1）=VT-,VC(T2)= VT- =0- 0 VT+e-T2/ RC,2019/7/15,阜师院数科院,图10.4.17 脉冲占空比可调的多谐振荡器,2019/7/15,阜师院数科院,石英晶体的电路符号及阻抗频率特性,C用于两个反相器的耦合.,10.4.5石英晶体振荡器,图中R的作用是使G1和G2工作在线性放大区。对TTL电路取1K2K之间；对CMOS门取10100M。,2019/7/15,阜师院数科院,555定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555（NE565双555）和C7555等多种。双极型定时器电源电压范围为516V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为318V，最大负载电流在4mA以下。,10.5.1 555定时器结构及工作原理,VCC（8）,RD（4）,V0 （3）,（1）,放电（7）,触发输入VI2 （2）,阈值输入VI1 （6）,控制电压VIC （5）,10.5 555定时器及其应用,2019/7/15,阜师院数科院,比较器C2输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管T截止，输出端V0为高电平。,比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端V0为低电平。,比较器C2输出高电