数电第十章脉冲波形的产生与整形.ppt

第6章 脉冲波形的产生与整形,电子教研室 唐彰国 2006年3月,6.1 概述,6.2 施密特触发器,6.3 单稳态触发器,6.5 555定时器及其应用,6.4 多谐振荡器,第6章 脉冲波形的产生与整形,6.6 小结, 基本内容, 学习重点, 基本学习要求,6.1 本章概述, 本章基本内容,在前面各章的讨论中，常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿的脉冲信号，如触发器就需要时钟脉冲（CP），等等。事实上，现代电子系统都离不开脉冲信号。获取这些脉冲信号的方法通常有两种：直接产生； 利用已有信号变换得到。,与产生模拟信号要用模拟振荡器一样，产生脉冲信号要用脉冲振荡器。 脉冲波形变换则包括脉冲宽度、幅度、相位及上升和下降时间等等的改变，通过变换，使这些特性符合要求。,本章将介绍常用的脉冲变换电路单稳态触发器和施密特触发器，脉冲产生电路多谐振荡器，和一种多用途的定时电路555定时器。, 基本学习要求, 掌握脉冲电路的基本分析方法 掌握常用脉冲电路的工作原理 掌握几种集成电路的应用 理解双稳态单稳态无稳态等几种电路 原理的内在联系,Email me please if you have any questions: win_, 本章学习重点, 脉冲电路分析的关键 微分型单稳态触发器、晶体振荡器、 555定时器的基本原理 74221、4538、4098、74HC14、555 等集成电路的应用,6.2.1 RC积分与微分电路,6.2.3 集成单稳态触发器,6.2.2 单稳态触发器的工作原理,6.2 单稳态触发器,6.2.4 单稳态触发器应用举例,6.2.1 RC积分与微分电路,基础知识,RC积分电路,电路条件： = RC tW tW输入脉冲宽度,6.2.1 RC积分与微分电路,基础知识,RC微分电路,电路条件： = RC tW tW输入脉冲宽度,6.2.2 单稳态触发器工作原理,基础知识,以微分型为例,6.2.2 单稳态触发器工作原理,分析方法,B,6.2.2 单稳态触发器工作原理,B,分析方法,6.2.2 单稳态触发器工作原理,B,稳 态,稳 态,暂稳态,分析方法,6.2.2 单稳态触发器工作原理,基础知识,B,暂稳态时间,恢复时间,6.2.2 单稳态触发器工作原理,基础知识,B,计算 tW及tre,运用“三要素法”：,UB(0+)= VCC UB()= 0 =RC（忽略其他电阻） uB(t)= UB()+ UB(0+)UB() = VCC,若 Vth=VCC 则 tW 0.7=0.7RC,tre=(35)re,单稳态触发器的一般特性 ？,！思考 ！,单稳应用举例,习题1,试设计一自动延时楼道照明灯。,！讨论与思考 ！,几点讨论： 反馈环节也可采用RC积分电路（见习题6-5）。 若采用TTL门电路，为保证稳态时门2输入低电平，电阻R必须小于某一数值。采用 CMOS 电路无此限制。 为减小恢复时间tre，可在R上并联一个二极管，给电容C提供放电回路。 若输入脉冲过宽（tAtW），电路工作可能不正常时，可在输入端另加一RC微分电路，形成短输入脉冲。 采用或非门电路同样可构成单稳电路。,设计一微分型单稳态触发器： 采用 CMOS 或非门、 输入信号较宽、tre较短，设计电路并画出波形。,！讨论与思考 ！,6.2.2 单稳态触发器工作原理,基础知识,B,6.2.2 单稳态触发器工作原理,基础知识,A,6.2.2 单稳态触发器工作原理,分析方法,tre,A,6.2.3 集成单稳态触发器,应用基础,常用集成单稳态触发器：54/74121，54/74221，54/74HC123，CD4098，CD4538等。,74221TTL双单稳态触发器,应用基础,4538CMOS双单稳态触发器,应用基础,6.2.4 单稳态触发器应用,工程应用,6.2.4 单稳态触发器应用,工程应用,“看门狗”（Watching Dog),习 题,习题1,试举出不少于3种的单稳态触发器应用实例，并尽可能说明其原理。,8.2.2 集成施密特触发器,8.2.1 特性与原理,6.3 施密特触发器,8.2.3 应用举例,6.3.1施密特触发器 特性与原理,基础知识,6.3.1施密特触发器 特性与原理,基础知识,6.3.1施密特触发器 特性与原理,基础知识,6.3.1施密特触发器 特性与原理,基础知识,6.3.1施密特触发器 特性与原理,基础知识,施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门。,电路具有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压，二者的差值称为回差。输出电平的变化滞后于输入，形成回环。,与双稳态触发器和单稳态触发器不同，施密特触发器属于“电平触发”型电路，不依赖于边沿陡峭的脉冲。,特点：,6.3.1施密特触发器 特性与原理,基础知识,6.3.1施密特触发器 特性与原理,基础知识,6.3.1施密特触发器 特性与原理,基础知识,电路举例一,6.3.1施密特触发器 特性与原理,基础知识,电路举例二,电路举例三,基础知识,6.3.1施密特触发器 特性与原理,6.3.2 集成施密特触发器,应用基础,施密特触发器就是带有回差特性的门电路。 如74HC14 和74HC132等。74HC14：六反相器，74HC132：四2与非门。在VDD=6V时，典型回差为0.91.2V。,6.3.3 应用举例,工程应用,6.3.3 应用举例,工程应用,习 题,习题2,试举出不少于3种的施密特触发器应用实例，并尽可能说明其原理。,6.4.0 多谐振荡器,New！,6.4.1 晶体振荡器,6.4多谐振荡器,单稳回忆,6.4.2 单稳态触发器工作原理,基础知识,以微分型为例,6.4.0 多谐振荡器,基础知识,6.4.0 多谐振荡器,基础知识,对称多谐振荡器：,6.4.0 多谐振荡器,分析方法,对称多谐振荡器：,6.4.0 多谐振荡器,分析方法,对称多谐振荡器：,6.4.0 多谐振荡器,分析方法,对称多谐振荡器：,6.4.0 多谐振荡器,暂稳态1,暂稳态2,分析方法,对称多谐振荡器：,6.4.0 多谐振荡器,应用基础,T=tW1 + tW2,若R1=R2，C1=C2，,则T= 2tW =1.4RC,对称多谐振荡器：,“多谐”,6.4.0 多谐振荡器,扩展知识,其他多谐振荡器：,6.4.0 多谐振荡器,扩展知识,其他多谐振荡器：,6.4.0 多谐振荡器,扩展知识,其他多谐振荡器：,6.4.0 多谐振荡器,扩展知识,其他多谐振荡器：,6.4.1 晶体振荡器,基础知识,6.4.1 晶体振荡器,基础知识,6.5 555定时器及其应用,主要要求：,了解脉冲信号产生与整形的方法。,了解 555 定时器的电路结构，掌握其符号和功能。,掌握用 555 定时器构成施密特触发器、单稳态 触发器和多谐振荡器的方法。,6.5.2 定时器应用举例,6.5.1 555定时器,引言：在数字系统中，矩形脉冲作为时钟信号控制和协调着整个数字系统的工作，所以时钟脉冲的好坏直接关系整个系统能否正常工作，实际矩形波信号如图所示。其特征主要由以下几个参数来表征。,1、矩形波信号的参数,Um脉冲幅度，脉冲电压最大值。,tW脉冲宽度，从脉冲前沿上升到0.5Um开始 到脉冲后沿下降到0.5Um为止的一段时间。,tr上升时间，脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。,tf下降时间，脉冲后沿从0.9Um上升到0.1Um所需的时间。,T脉冲周期，在周期性脉冲序列中，两个相邻脉冲间的 时间间隔。,f脉冲频率，单位时间内脉冲重复的次数。,q占空比，脉冲宽度和脉冲周期的比值。,理想的矩形脉冲波参数如下：tr=tf=0，tW、Um和T也是稳定的。,实际的矩形脉冲波tr和tf都不等于0， tW、Um和T也受很多因素影响而不稳定。,2、获得矩形脉冲的方法一般有两种：,（1）使用各种形式的矩形波发生电路产生矩形波。,（2）利用已有的周期性信号，通过整形电路变换为所需的矩形波信号。,集成定时器是一种将模拟电路与数字电路的功能巧妙结合在一起的多用途单片集成电路，有些书上把它描述为：模拟电路与数字电路的的完美结合。,在其外部配接上少许阻容定时元件，便能构成多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等多种应用电路。,8.2.2 电路结构,电阻分压器,两个CMOS比较器,一个基本RS触发器,一个NMOS开关,6.5.1 555定时器,一、电路组成,电压比较器的功能： v+ v-，vO=1 v+ v-，vO=0,由以下几部分组成： （1）三个5k电阻组成的分压器。,（2）两个电压比较器 C1和C2。,6.5.1 555定时器,（3）基本RS触发器， （4）放电三极管T及缓冲器G。,电路符号,1,2,6,5,8,4,3,7,DIS,TR,TH,C-V,V,DD,OUT,555,D,R,二逻辑功能,（1）4脚为复位输入端（ RD ），当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo为低电平。正常工作时，应将其接高电平。 （2）5脚为电压控制端，当其悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3VCC 和1/3VCC 。,1/3VCC,2/3VCC,C,C,&,&,&,1,R,S,5k,5k,5k,1,2,V,R,C-V,TR,OUT,DD,D,(2),(6),(5),(8),(4),(3),电源,复位,TH,阈值输入,控制电压,触发输入,(7),DIS,VT,放电端,(1),G1,G2,G3,G2,（3）2脚为触发输入端，6脚为阈值输入端，两端的电位高低控制比较器C1和C2的输出，从而控制RS触发器，决定输出状态。,1/3VCC,2/3VCC,功能表,6.2 555定时器的应用,用555定时器构成的施密特触发器 施密特触发器具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。 （一） 电路组成及工作原理,电路符号,C,OUT,5k,S,1,(2),2/3V,(7),(6),v,&,放电端,I1,(3),G,V,&,v,CC,(4),T,CC,C,I2,(8),5k,5k,2,R,CC,(1),&,1,1/3V,V,O2,1,R,v,I,v,CC2,2. 电压滞回特性和主要参数,（2）主要静态参数 （a）上限阈值电压VT+ vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。VT+=2/3VCC。 （b）下限阈值电压VT vI下降过程中，vO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。VT=1 /3VCC。 （3）回差电压VT VT= VT+VT=1 /3VDD,（1）电压滞回特性,VT+,VT ,VT,VT+,VT ,v,I,t,O1,v,t,电路符号,（二） 施密特触发器的应用,1. 用作接口电路将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形。,2. 用作整形电路把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。,3. 用于脉冲鉴幅从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于VT+的输入脉冲。,例 试对应输入波形画出下图中输出波形。,+12V,解：,UT+ = 2/3 VCC = 8 V,UT- = 1/3 VCC = 4 V,因此可画出输出波形为,电路构成反相输出的施密特触发器,二. 555定时器接成单稳态触发器,单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态；在触发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。,（1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态 当vI=1时，电路工作在稳定状态，即vO=0，vC=0。,（一） 电路组成及工作原理,（2）vI下降沿触发 当vI下降沿到达时，vO由0跳变为1，电路由稳态转入暂稳态。,（3）暂稳态的维持时间 在暂稳态期间，三极管T截止，VCC经R向C充电。时间常数1=RC， vC由0V开始增大，在vC上升到2/3VCC之前，电路保持暂稳态不变。,（4）自动返回时间当vC上升至2/3VCC时，vO变0，电路由暂稳态重新转入稳态。,（5）恢复过程当暂稳态结束后，C通过饱和导通的T放电，时间常数 2=RCESC，由于RCES很小，所以放电很快。C放电完毕，恢复过程结束。,主要参数估算,(1) 输出脉冲宽度Tw（用三要素法计算）,（2）恢复时间tre tre=（35）2 （3）最高工作频率fmax vI周期的最小值： Tmin= tWtre 最高工作频率:,（二）单稳态触发器的应用,1. 延时与定时,（1）延时 图中，v/O的下降沿比vI的下 降沿滞后了时间tW。,（2）定时 当v/O=1时，与门打开， vO= vF。当v/O=0时， 与门关闭，vO为低电平。 与门打开的时间是单稳 输出脉冲v/O的宽度tW。,*附加:2. 整形,单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲vO。vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于暂稳态时间。,例,1. 稳定状态,接通电源后 VCC 经 R 向 C 充电，使 uC 上升。,该电路触发信号为负脉冲，不加触发信号时，uI = UIH (应 1/3 VCC)。,工作原理,导通,2. 触发进入暂稳态,3. 自动返回稳定状态,2. 触发进入暂稳态,这时 uI 必须已恢复为高电平,例 用上述单稳态电路输出定时时间为1 s 的正脉冲，R = 27 k，试确定定时元件 C 的取值。,输出脉冲宽度 tW 即为暂稳态维持时间，主要取决于充放电元件 R、C。,该单稳态触发器为不可重复触发器，且要求输入脉宽 tWI 小于输出脉宽 tWO 。,解：,因为 tWO 1.1 RC,故 可取标称值 33 F。,估算公式 tWO 1.1 RC,*附加: 3. 触摸定时控制开关,555定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片P，由于人体感应电压相当于在触发 输入端（管脚2）加入一个负 脉冲，555输出端输出高电平， 灯泡（RL）发光，当暂稳态 时间（tW）结束时，555输出 端恢复低电平，灯泡熄灭。 该触摸开关可用于夜间定时 照明，定时时间可由RC参数 调节。,*附加: 4. 触摸、声控双功能延时灯,555和T1、R3、R2、C4组成单稳定时电路，定时（即灯亮）时间约为1分钟。当击掌声传至压电陶瓷片时，HTD将声音信号转换成电信号，经T2、T1放大，触发555，使555输出高电平，触发导通晶闸管SCR，电灯亮； 同样，若触摸金属片A时，人体感应电信号经R4、R5加至T1基极，也能使T1导通，触发555，达到上述效果。,三、 555定时器接成多谐波发生器,多谐波发生器能产生矩形脉冲波的自激振荡器。 （一） 电路组成及工作原理,振荡频率的估算,（1）电容充电时间T1：（用三要素法计算）,（2） 电容放电时间T2,（3）电路振荡周期T T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C,（5）输出波形占空比q,（4）电路振荡频率f,vc,t,v0UT,t,2/3VDD,1/3VDD,占空比可调的多谐波发生器,利用二极管的单向导电性，把电容C充电和放电回路隔离开，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。,可计算得： T1=0.7R1C T2=0.7R2C 占空比：,2,6,V,CC,R,D,OUT,555,3,v,I2,I1,v,8,4,v,7,V,CC,C,1,5,0.01,F,C,1,v,C,D,D,1,2,RP,PR”,例,UOH,工作原理,UOL,工作原理,工作原理,电容 C 如此循环充电和放电，使电路产生振荡，输出矩形脉冲。,周期与占空比估算,tWH 0.7 (R1 + R2)C tWL 0.7 R2C T = tWH + tWL 0.7 (R1 + 2R2)C,例 指出右图中控制扬声器鸣响与否和调节音调高低的分别是哪个电位器？若原来无声，如何调节才能鸣响？欲提高音调，又该如何调节？,解：,R1、R2、RP1 和 C 共同构成定时元件，因此调节 RP1 可调节音调高低。,欲提高音调，则应减小 RP1 ，因此触头应下移。,RP2,RP1,（二）多谐波发生器的应用,1. 简易温控报警器,2. 双音门铃。,本章小结,施密特触发器和单稳态触发器是两种常用的整形电路，可将输入的周期信号整形成符合要求的同周期矩形脉冲。,施密特触发器具有回差特性，它有两个稳态状态，有两个不同的触发电平。,施密特触发器可将任意波形变换成矩形脉冲，输出脉冲宽度取决于输入信号的波形和 回差电压的大小。施密特触发器还可用来进 行幅度鉴别、构成单