第六章脉冲产生与波形转换优秀PPT.ppt

第六章脉冲产生与波形转换第一页，本课件共有48页第二节第二节.施密特触发器施密特触发器施密特触发器是一种脉冲波形变换电路，在性能上有两个特点：1特触发器属于电平触发，缓慢变化的信号也可作触发输入信号，当输入信号达到某一特定的阈值，输出电平会发生突变，即施密特触发器会从一个稳态转换到另一个稳态。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VT+和VT-，也就是引起输出电平突变的输入电平不同，即滞后电压传输特性，此特性又称回差特性。VT+VT-OVOHVOLVOVI滞后电压传输特性定性符号第二页，本课件共有48页1用用CMOS门电路组成的施密特触发器门电路组成的施密特触发器VIVIVOVO11R1R2G1G2VOVO1VIVOVI G1G2为CMOS门，输出VOH=VDD。VTH=1/2VDD11R1R2VO=VOLVO1VI=0VOVIVO1VO第三页，本课件共有48页 当Vi上升到使Vi=VTH时，电路输出迅速的VO=VOH VDD，此时Vi就是VT+则可以求出Vi为：由得：VT+称为正向阈值电压反过来，若Vi从高电平缓慢下降，同样存在一个正反馈过程当VI继续下降达到VIVT时，门G1截止，门G2导通，输出VO=0，电路又一次翻转。此时，VI 称为施密特触发器的下限转换电平VT-，也称为负向阈值电压。VT 可求得VT-=可知：第四页，本课件共有48页我们将VT+与VT-之差定义为回差电压VT，即：VT=VT+-VT-VDDVTHOVOHVOVIVDDVTHOVO(2R1/R2)VTH(2R2/R1)VTH同相输出反相输出VI第五页，本课件共有48页2用用TTL门电路组成的施密特触发器门电路组成的施密特触发器&1R1R2G1G2VOVO1VIVOVI 假定门电路的阈值电压为VTH，输出的低电平VOL=，当VI从逐步上升至VTH时，由于门G1的另一个输入端的电平VI仍低于VTH，因此电路状态并不改变。当VI继续升高，并使VIVTH时，门G1由截止转为导通，而且由于G1、G2间存在着正反馈，所以电路迅速转换为G1导通，G2截止的状态，使VO=VOH。触发器发生一次翻转，此时对应的输入电平就是VT+。如果忽略VIVTH时，门G1的输入电流，则可得到 VI=VTH=（VT+-VT-）所以 VT+=VTH+VD 所以 VT+=VTH+VD 第六页，本课件共有48页 当输入VI由高电平逐渐下降时，只要降至VI VTH，门G1由导通转为截止；门G2由截止转为导通。同时，由于有正反馈的作用，电路迅速返回VO=VOL的状态。因此，触发器再次发生翻转，VI下降时的转换电平为VT-=VTH。由此可求出电路的回差电压为：VTH+VD VT=VT+-VT-=3.施密特触发器的应用施密特触发器的应用(1)波形变换。将任何符合特定条件的输入信号变为对应的矩形波输出信号。(2)幅度鉴别。(3)脉冲整形。第七页，本课件共有48页波形变换VOttOOVT+VT+第八页，本课件共有48页脉冲整形幅度鉴别第九页，本课件共有48页tttOOOVIVT+V1T-V2T-V2OV1O 有些测量装置输出信号经放大后，可能是不规则的波形，如图所示，将它接在施密特电路的输入端，如果电路的回差较小，为如图中V10所示电路的回差为V=VT+-V1T-时，输出波形如图所示。若输入波形顶部的脉动是由干扰造成的，则会产生不良的后果，输出信号就变成了三个脉冲。若适当的增加电路的回差，即V=VT+-V2T-，输出波形为图V20所示，实现了整形作用，因此在这种情况下，适当的增加回差，可以提高电路的抗干扰能力。脉冲整形第十页，本课件共有48页第三节第三节.单稳态触发器单稳态触发器 单稳态触发器是数字系统中又一种常用的脉冲整形电路。它的特点是：只有一个稳态，另外还有一个暂稳态。在单稳态触发器中，在没有外加触发信号作用时，电路始终处于稳态；只有在外加触发信号的作用下，电路能从稳态转换到暂稳态，经过一段时间后，又能自动回到稳态。电路处于暂稳态的时间长短通常取决于电路中电容的充电和放电时间，这个时间是单稳态触发器的输出脉冲宽度tPO。1.1.由门电路构成的单稳态触发器由门电路构成的单稳态触发器 单稳态触发器的暂态通常是由RC电路的充放电过程来决定的。根据RC电路的不同接法（即接成微分电路形式或积分电路形式），把单稳态触发器又分为微分型电路和积分型电路两种。第十一页，本课件共有48页VO1VO2CR1RVI2VCCVT1VT2VT3VT4VDG2VO1VI1VO2VI2C&G1RG2微分单稳态触发器1电路组成电路组成第十二页，本课件共有48页2工作原理工作原理 设与非门的电压传输特性很好，TTL与非门的门坎电平VT=1.4V。VI高电平时，电路和处于稳态：VO1=0，VO2=1（因为RtPO+tre即最小时间间隔Tmin=tPO+tre，因此单稳态触发器的最高工作频率为 UR1，集成运放A1输出Uo1=0;当UTH 0与地导通 1 保持原状态不变保持原状态不变 1 1与地断开第二十二页，本课件共有48页5G555和和CC7555的主要参数的主要参数四、四、555定时器的主要参数定时器的主要参数5G555(单时基双极型定时器）和CC7555（单时基CMOS型定时器）的主要参数对比如表所示。参数单位CMOS型 CC7555TTL型5G555电源电压UDDV 3184.516静态电源电流IDDmA01210定时精度%21高电平触发断电压UTHV高电平触发端电流ITHuA0000 0501低电平触发端电压V第二十三页，本课件共有48页续表（续表（2）参数单位CMOS型 CC7555TTL型5G555复位端复位电压V 11复位端复位电流uA01400放电端放电电流mA1050200输出端驱动电流mA120200最高工作频率kHz500500从上表可见：(1)二者的工作电源电压范围不同。(2)双极型定时器输入输出电流较大，驱动能力强，可直接驱动负载，适宜于有稳定电源的场合使用。(3)单极型定时器输入阻抗高，工作电流小，功耗低且精度高，多用于需要节省功耗的领域。第二十四页，本课件共有48页第五节第五节.555定时器的基本应用电路定时器的基本应用电路1.施密特触发器施密特触发器 施密特触发器是一种脉冲号变换电路，用来实现整形和鉴波。它可以将符合特定条件的输入信号变为对应的矩形波，这个特定条件是：输入信号的最大幅度Umax要大于施密特触发器中555定时器的参考电压UR1。当定时器控制端S悬空或通过电容接地时，UR1=2/3VDD ；当定时器控制端S外接控制电压US时，则UR1=US。第二十五页，本课件共有48页一一.电路结构电路结构 由555定时器构成的施密特触发器如图所示,VTDC2QQC187654321+5k+-5k5kVC1VC2VOVCCRD&1VAVBVI0.01FQVI由低逐渐升高第二十六页，本课件共有48页一一.电路结构电路结构 由555定时器构成的施密特触发器如图所示,VTDC2QC187654321+-1VCCRD&11/3VCC2/3VCC1010VI由低逐渐升高第二十七页，本课件共有48页一一.电路结构电路结构 由555定时器构成的施密特触发器如图所示。VTDC2QC187654321+-VCCRD&11/3VCC2/3VCC101110VI由高逐渐降低第二十八页，本课件共有48页第二十九页，本课件共有48页 二、二、工作原理工作原理 设输入信号ui为最常见的正弦波，正弦波幅度大于555定时器的参考电压UR1=（控制端S通过滤波电容接地），电路输入输出波形如图所示。输入信号Ui从零时刻起，信号幅度开始从零逐渐增加并呈正弦形变化。当ui处于0ui 上升区间时，根据555定时器功能表可知OUT=“1”。当ui处于 ui 上升区间时，根据555定时器功能表可知OUT 仍保持原状态“1”不变。第三十页，本课件共有48页 当ui一旦处于ui 区间时，根据555定时器功能表可知OUT 将由“1”状态变为“0”状态，此刻对应的Ui值称为复位电平或上限阈值电压。当ui处于 ui 下降区间时，根据555定时器功能表可知OUT 保持原来状态“0”不变。当ui一旦处于Ui 区间时，根据555定时器功能表可知OUT 又将“0”状态变为“1”状态，此时对应的ui值称为置位电平或下限阈值电压。第三十一页，本课件共有48页 从图输入输出波形分析中，可以发现置位电平和复位电平二者是不等的，二者之间的电压差称为回差电压用UT表示，即 UT=UR1-UR2。若控制端S悬空或通过电容接地,UR1=而UR2=，则 UT=UR1-UR2=若控制端S外接控制电压US，UR1=US而UR2=，则 UT=UR1-UR2=、回差电压越大，施密特触发器的抗干扰性越强，但施密特触发器的灵敏度也会相应降低。、若施密特触发器输入其他波形的信号，只要输入信号的最大幅度Umax大于施密特触发器核心555定时器的参考电压UR1，那么总能在输出端得到对应的矩形波。结论：结论：结论：结论：第三十二页，本课件共有48页2.2.单稳态触发器单稳态触发器 一一.电路结构电路结构 单稳态触发器如图所示。VTDC2QC187654321+-VCCRD&1ViRC第三十三页，本课件共有48页图 单稳态触发器（a）电路；（b）输入输出波形第三十四页，本课件共有48页 二.工作原理 当单稳态触发器无触发脉冲信号时，输入端Ui=“1”，当直流电源+UDD接通以后，电路经过一段过渡时间后，OUT端最后稳定输出“0”，放电端D通过导通的三极管接地，电容C两端电压为零。因高电平触发端TH和放电端D直接连接，所以高电平触发端TH接地，即UTH=0UR1=，而UTR=Ui=“1”，根据555定时器功能可知，此时电路保持原态“0”不变，这种状态即是单稳态触发器的稳定状态，如图所示。第三十五页，本课件共有48页 当单稳态触发器有触发脉冲信号（即Ui=“0”）时，由于 =Ui=“0”，并且UTH=0 UR1=则触发器输出由“0”变为“1”，三极管由导通变为截止，放电端D与地断开；直流电源+UDD通过电阻R向电容C充电，电容两端电压按指数规律从零开始增加（充电时间常数=RC）；经过一个脉冲宽度时间，负脉冲消失，输入端Ui恢复为“1”，即 =Ui=“1”，由于电容两端电压UC ，而UTH=UC ，所以输出保持原状态“1”不变，这种状态即是单稳态触发器的暂稳状态。第三十六页，本课件共有48页 当电容两端电压UC 时，UTH=UC ，又有 ，那么输出就由暂稳状态“1”自动返回稳定状态“0”。如果继续有触发脉冲输入，就会重复上面的过程，如图所示。三、暂稳状态时间（输出脉冲宽度）暂稳状态持续的时间又称输出脉冲宽度，用tW表示。它由电路中电容两端的电压来决定，可以用三要素法求得tW1.1RC。当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳定状态以后，tW时间内的其他触发脉冲对触发器就不起作用；只有当触发器处于稳定状态时，输入的触发脉冲才起作用。第三十七页，本课件共有48页3.3.多谐振荡器多谐振荡器 多谐振荡器的功能是产生一定频率和一定幅度的矩形波信号。其输出状态不断在“1”和“0”之间变换，所以它又称为无稳态电路。tOVI 1tOVI 2tOVI 3tpdtpdVI 1VI 2VI 3VOG1G2G3111T=2 n tpd 评价：评价：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，很难获得稍低一些的振荡频率，而且频率不易调节。一一.由门电路构成的多谐振荡器由门电路构成的多谐振荡器第三十八页，本课件共有48页 为了产生可调控的频率，增加RC延迟环节，组成带RC延迟电路的环形振荡器 VI 2G21VI 1VI 3VOG1G311CR第三十九页，本课件共有48页VI 2G21VI 1VI 3VOG1G311RSRC为了进一步加大G2和RC延迟电路的传输延迟时间tpd2，通常在环形振荡器电路中又将电容C的接地端改接到G1的输出端上。另外，为防止VI 3发生负突跳时，在G3输入产生的电流过大，在G3输入端串接了保护电阻RS 第四十页，本课件共有48页Vth+(VOH-VOL)VO 2tVI 1tVI 2t工作电压波形tVI 3(VO)Vth-(VOH-VOL)t1t2t 3T1T2振荡周期的计算（1）充电时间T1的计算（2）放电时间T2的计算第四十一页，本课件共有48页二、由二、由555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器 1)电路组成第四十二页，本课件共有48页 2)工作原理 如图所示，假定零时刻电容初始电压为零，零时刻接通电源后，因电容两端电压不能突变，则有UTH=UC=0 ，OUT=“1”，放电端D与地断路，直流电源通过电阻R1、R2向电容充电，电容电压开始上升；当电容两端电压UC 时，UTH=UC ，那么输出就由一种暂稳状态（OUT=“1”而放电端D与地断路）自动返回另一种暂稳状态（OUT=“0”而放电端D接），由于充电电流从放电端D入地，电容不再充电，反而通过电阻R2和放电端D向地放电，电容电压开始下降；当电容两端电压UC 时，UTH=，UC ，那么输出就由OUT=“0”变为OUT=“1”，同时放电端D由接地变为与地断路；电源通过R1、R2重新向C充电，重复上述过程。第四十三页，本课件共有48页 3)振荡周期 振荡周期T=t1+t2。t1代表充电时间（电容两端电压从 上升到 所需时间），t10.7(R1+R2)C，t2代表放电时间（电容两端电压从 下降到 所需时间）,t20.7R2C。因而有 T=t1+t20.7(R1+2R2)C 对于矩形波，除了用幅度、周期来衡量以外，还存在一个占空比参数q，q=，tP指输出一个周期内高电平所占时间。故图所示电路输出矩形的q第四十四页，本课件共有48页 4)改进电路 上图所示电路只能产生占空比大于0.5的矩形波，而下图所示电路可以产生占空比处于0和1之间的矩形波。这是因为它的充放电的路径不同。第四十五页，本课件共有48页 2.石英晶体振荡器石英晶体振荡器 前面介绍的多谐振荡器，振荡频率不仅取决于时间常数RC，而且还取决于阀值电平，由于其极易受温度、电源电压等外界条件的影响，因而频率稳定性较差，在频率稳定性要求较高的场合，不大适用。为了得到频率稳定性很高的脉冲信号，可采用图所示的石英晶体振荡器，简称晶振。例如计算机中的时钟脉冲即由晶振产生。第四十六页，本课件共有48页第四十七页，本课件共有48页 石英晶体J相当于一个高Q（品质因数）选频网络。电路在满足正反馈条件的自激振荡过程中，石英晶体只允许与其谐振频率f0相等的信号顺利通过，而ff0 的其他信号则被大大衰减，因而该电路的振荡频率主要取决于石英晶体的谐振频率f0，而与R、C的取值关系不大；R主要用来使反相器工作在线性放大区，R的阻值对于TTL门通常在0.7 k到2 k之间，而对于CMOS门则常在10M到100M之间。图所示晶振电路输出的频率为32768Hz,经若干级二分频器后，可以为数字钟提供时钟脉冲，电路中电容C1用于两个反相器之间的耦合，而C2的作用则是抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出。第四十八页，本课件共有48页