第10章 脉冲信号的产生与整形.ppt

10.210.2多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器10.310.3单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器10.410.4施密特触发器施密特触发器施密特触发器施密特触发器退出退出退出退出第第10章章脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形10.110.1脉冲信号及参数脉冲信号及参数脉冲信号及参数脉冲信号及参数10.1脉冲信号及参数脉冲信号及参数一、脉冲信号一、脉冲信号脉冲信号是指在短暂时间间隔内发生突变或跃变的电压或电流信号。广义的脉冲信号指凡不连续的非正弦电压或电流。狭义的脉冲信号指规则的矩形脉冲。实际的矩形脉冲并无理想的跳变，顶部也不平坦。图1.各种常见的脉冲波形图2.实际脉冲的参数脉冲信号的参数：1.脉冲幅度脉冲幅度Um指脉冲的最大幅值。2.前沿或上升时间前沿或上升时间tr通常指由脉冲信号幅值由0.1Um上升到0.9Um所需要的时间，tr愈短，脉冲上升愈快，就愈接近于理想矩形脉冲。3.后沿或下降时间后沿或下降时间tf脉冲信号下降由0.9Um下降到0.1Um所需要的时间。4.脉冲宽度脉冲宽度tw通常用脉冲前、后沿0.5Um两点间的时间间隔来代表脉冲宽度。5.脉冲周期脉冲周期T对重复性的脉冲信号，两个相邻的脉冲波形上相应点的时间间隔称为脉冲周期，其倒数为脉冲频率,f/T 是单位时间内脉冲信号的重复次数。6.占空比占空比q=tw/T脉冲宽度与周期之比。二、二、脉冲的获得脉冲的获得在数字系统中，常常采用以下两种方法来获得所需符合要求的脉冲信号：利用振荡器直接产生所需要的脉冲波形。不需外加触发信号，只要电路电源电压、电路参数选取合适，电路就会自动产生脉冲信号（自激振荡）。这一类电路称多谐振荡电路多谐振荡电路或多谐振荡器多谐振荡器。利用变换电路将已有的性能不符合要求的脉冲信号变换成符合要求的矩形脉冲信号。变换电路本身不能产生脉冲信号，它仅仅起变换作用而已。这类电路包括单稳态触发器单稳态触发器和施密特触发器施密特触发器。二、二、二、二、555555定时器定时器定时器定时器三、由三、由三、由三、由555555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器四、多谐振荡器的应用四、多谐振荡器的应用四、多谐振荡器的应用四、多谐振荡器的应用退出退出退出退出10.2 多谐振荡器多谐振荡器一、多谐振荡器一、多谐振荡器一、多谐振荡器一、多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，没有稳定状态，只有两个暂态。电路工作时，不需要外加触发信号，只要接通电源，电路就能在两个暂稳态之间相互转换，自动产生矩形脉冲信号。由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，因此，常将矩形脉冲产生电路称作多谐振荡器。一、多谐振荡器1.环形多谐振荡器最简单的环形振荡器是利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成的，从任何一个门的输出端都可得到高、低电平交替出现的方波。1G11G21G3vovI1vI2vI3vo1vo2图3.环形振荡器及工作波形利用门的延迟时间，使三级门产生180o的相移，再加上每级门的倒相作用，则反馈回来的信号和原来输入的信号同相，就可产生自激振荡，并输出方波，其频率为在环形振荡器中增加增加RC电路作延迟环电路作延迟环节，构成节，构成RC环形多谐振荡器环形多谐振荡器，如图4（a）所示，图4（b）为其工作波形。由于RC电路的延迟时间远大于tpd，所以分析时可以忽略tpd，认为每个门的I/O跳变同时发生。2.RC环形多谐振荡器图4.RC环形多谐振端器图5 电路中电容C充放电等效电路振荡器的参数暂态时间和周期3.石英晶体多谐振荡器TTL或CMOS门电路构成的多谐振荡器通常在频率稳定度和准确度要求不高的情况下使用。因为电路决定振荡频率的主要因素是电路到达阈值电压VT的时间。然而，阈值电压VT容易受温度、电源电压波动和RC参数误差的影响而变化，电容的充放电曲线在到达阈值电压时已经平缓，VT的微小变化或者受到干扰，都将使振荡周期时间变化。而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号频率不稳定会直接影响到系统的工作显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。石英晶体的特性石英晶体的品质因素Q很高，选频特性好只有当信号的频率f=f 0（f 0为石英晶体固有谐振频率）时，其等效阻抗最小，因而信号最容易通过，并在电路中形成正反馈。因此，若将石英晶体接入多谐振荡器电路中，电路的振荡频率只决定于晶体的谐振频率而与电路中其它元件（如R、C）的参数无关。图6 石英晶体的符号及阻抗频率特性(a)石英晶体的符号 (b)特性曲线(1).并联石英晶体多谐振荡器并联石英晶体多谐振荡器 图7.并联石英晶体多谐振荡器右图所示为由CMOS反相器组成的并联多谐振荡器。RF为反馈电阻，用以使G1工作在静态电压传输特性的转折区，RF值通常取510M。反馈系数取决于C1和C2的比值，C1还可微调振荡频率。石英振荡器可输出振荡频率很稳定的信号，但输出波形不太好，所以，G1输出端需加反相器G2，用以改善输出波形的前沿和后沿。(2).串联石英晶体多谐振荡器串联石英晶体多谐振荡器图8.串联石英晶体多谐振荡器下图所示为由反相器组成的串联石英晶体多谐振荡器。C1为G1和G2间的耦合电容，R1和R2用以使G1和G2工作在电压传输特性的转折区。由于G2输出的振荡波形不好，因此输出增加了一个G3，用以改善输出振荡波形的前沿和后沿。低电平低电平低电平低电平触发端高电平高电平高电平高电平触发端电压控制端复位端低电平有效低电平有效低电平有效低电平有效放电端4.516V二、二、555定时器定时器TL001R=0时，Q=1，uo=0，T导通。TLR=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。R=1、UTH2VCC/3、UTLVCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。2VCC/3VCC/300011TLR=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。R=1、UTH2VCC/3、UTLVCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。2VCC/3VCC/310011R=1、UTH2VCC/3、UTLVCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。110TLR=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。R=1、UTH2VCC/3、UTLVCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。2VCC/3VCC/311100R=1、UTH2VCC/3、UTLVCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。R=1、UTH2VCC/3、UTLVCC/3时，C1=1、C2=0，Q=0、Q=1，uo=1，T截止。TL接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。三、由三、由 555定时器构成的多谐振荡定时器构成的多谐振荡器器秒秒秒秒信信信信号号号号发发发发生生生生器器器器多谐振荡器分频电路四、多谐振荡器的应用四、多谐振荡器的应用模拟声响电路模拟声响电路模拟声响电路模拟声响电路将振荡器的输出电压uo1，接到振荡器中555定时器的复位端（4脚），当uo1为高电平时振荡器振荡，为低电平时555定时器复位，振荡器停止震荡。一、单稳态触发器一、单稳态触发器一、单稳态触发器一、单稳态触发器二、由二、由二、由二、由555555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器三、单稳态触发器的应用三、单稳态触发器的应用三、单稳态触发器的应用三、单稳态触发器的应用退出退出退出退出10.3 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器在数字电路中一般用于l定时定时（产生一定宽度的矩形波）l整整形形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）l延时延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。单稳态触发器具有下列特点：（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。（2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。（3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。一、单稳态触发器一、单稳态触发器二、由二、由555定时器构成的单稳定时器构成的单稳态触发器态触发器接通VCC后瞬间，VCC通过R对C充电，当uc上升到2VCC/3时，比较器C1输出为0，将触发器置0，uo0。这时Q=1，放电管T导通，C通过T放电，电路进入稳态。ui到来时，因为uiVCC/3，使C20，触发器置1，uo又由0变为1，电路进入暂稳态。由于此时Q=0，放电管T截止，VCC经R对C充电。虽然此时触发脉冲已消失，比较器C2的输出变为1，但充电继续进行，直到uc上升到2VCC/3时，比较器C1输出为0，将触发器置0，电路输出uo0，T导通，C放电，电路恢复到稳定状态。延迟与定时延迟与定时延迟与定时延迟与定时整整整整形形形形三、单稳态触发器的应用三、单稳态触发器的应用单稳态触发器是数字系统中最常用的单元电路，常用于以下几方面。（1）脉冲展宽脉冲展宽（2）脉冲定时脉冲定时（3）脉宽延迟脉宽延迟单稳态触发器应用一、施密特触发器一、施密特触发器一、施密特触发器一、施密特触发器二、由二、由二、由二、由555555定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器三、施密特触发器的应用三、施密特触发器的应用三、施密特触发器的应用三、施密特触发器的应用退出退出退出退出10.4 施密特触发器施密特触发器施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。0011一、施密特触发器一、施密特触发器0111110001100011下限阈值电压上限阈值电压回差电压（滞后电压）：回差电压 0.7V缺点是回差太小，且不能调整。集集集集成成成成施施施施密密密密特特特特触触触触发发发发器器器器二、由二、由555定时器构成的施密定时器构成的施密特触发器特触发器三、施密特触发器的应用三、施密特触发器的应用施密特触发器能将正弦波、三角波及各种周期性的不规则波形变换为边沿陡峭的矩形脉冲输出。1.用于波形变换若施密特触发器的输入信号是一种在脉冲的顶部和前后沿均受到严重干扰、发生畸变的周期性不规则信号，通过适当调节施密特触发器的UT(+)和UT(-)，就可得到矩形脉冲波。2.用于脉冲整形图6-1-4 施密特触发器用于脉冲整形当施密特触发器的输入信号是一串幅度不等的脉冲时，可通过调整电路的UT(+)和UT(-)，使只有当输入信号的幅度超过UT(+)的脉冲时才能使施密特触发器的状态翻转，从而得到所需的矩形脉冲信号。3.用于脉冲信号的鉴幅4.脉冲展宽电路图8-25多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由555555定时定时器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本RSRS触发器触发器在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。RSRS触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以又称为无稳电路。又称为无稳电路。在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态，其稳态，其“触发触发”信号是由电路内部电容充（放）电信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。周期与电路的阻容元件有关。555定时器是一种应用广泛、使用灵活的集成器件，定时器是一种应用广泛、使用灵活的集成器件，多用于脉冲产生、整形及定时等。多用于脉冲产生、整形及定时等。本章小结：本章小结：单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成的单稳态触发器和基本的单稳态触发器和基本RSRS触发器在结构上也极为触发器在结构上也极为相似，只有用于反馈的耦合网络不同。相似，只有用于反馈的耦合网络不同。单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由555555定时器构成。在单稳态触发器中，由一个暂稳定时器构成。在单稳态触发器中，由一个暂稳态过渡到稳态，其态过渡到稳态，其“触发触发”信号也是由电路内部信号也是由电路内部电容充（放）电提供的，暂稳态的持续时间即脉电容充（放）电提供的，暂稳态的持续时间即脉冲宽度也由电路的阻容元件决定。冲宽度也由电路的阻容元件决定。单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途很广。很广。本章小结：本章小结：施施密密特特触触发发器器是是一一种种能能够够把把输输入入波波形形整整形形成成为为适适合合于于数数字字电电路路需需要要的的矩矩形形脉脉冲冲的的电电路路。而而且且由由于于具具有有滞滞回回特特性性，所以抗干扰能力也很强。所以抗干扰能力也很强。施施密密特特触触发发器器可可以以由由分分立立元元件件构构成成，也可以由门电路及也可以由门电路及555555定时器构成。定时器构成。施施密密特特触触发发器器在在脉脉冲冲的的产产生生和和整整形形电路中应用很广。电路中应用很广。本章小结：本章小结：