教学课件第7章 脉冲波形的产生与整形ppt（全）.ppt

教学课件第教学课件第7章章 脉冲波形的产生与整形脉冲波形的产生与整形第第7章章 脉冲波形的产生与整形脉冲波形的产生与整形 脉脉冲冲是是脉脉动动和和短短促促的的意意思思，凡凡是是具具有有不不连连续续波波形形的的信信号号均均可可称称为为脉脉冲冲信信号号。广广义义讲讲，各各种非正弦信号都是种非正弦信号都是脉冲信号脉冲信号。按按脉脉冲冲波波形形的的形形式式分分成成矩矩形形波波、梯梯形形波波、阶梯波、锯齿波阶梯波、锯齿波等。等。矩形脉冲波常作为时钟信号。矩形脉冲波常作为时钟信号。波形的好坏直接波形的好坏直接关系到电路能否正常工作。为了定量描述矩形关系到电路能否正常工作。为了定量描述矩形脉冲波，通常采用如图所示参数。脉冲波，通常采用如图所示参数。trtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脉冲波形参数脉冲波形参数一些基本概念一些基本概念脉冲宽度脉冲宽度Tw上升时间上升时间tr下降时间下降时间tf占空比占空比q脉冲周期脉冲周期T脉冲频率脉冲频率f脉冲幅度脉冲幅度Vm7.1 集成555定时器及应用集成集成555定时器的用途很广，有定时器的用途很广，有双极型双极型和和CMOS型型两类电路。它们的功能、外引线两类电路。它们的功能、外引线排列完全相同。排列完全相同。CMOS型型7555：电源电压范围为电源电压范围为318V，最大负载电流在最大负载电流在4mA以下以下双极型双极型555电源电压范围：电源电压范围：4.5V 16V最大负载电流最大负载电流:200mA7.1.1 电路组成电路组成图图7-1为双极型为双极型5G555定时器的原理电路定时器的原理电路和引脚排列图。和引脚排列图。12348765+VCCD TH V-CGND TLOUT R5G5553图图7-1集成集成5G555定时器原理图定时器原理图C1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQRS12385k5k5kC1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQ12385k5k5k电阻分压器电阻分压器比较器比较器基本基本SR锁存器锁存器三极三极管开管开关关输出缓冲器输出缓冲器555定时器基本结构定时器基本结构 5G555定时器的功能表定时器的功能表TH TLRVO T 2VCC/32VCC/32VCC/3VCC/3VCC/30111 0 0不变不变 1导通导通导通导通不变不变截止截止C1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQ12385k5k5kvo7.1.2 工作原理工作原理 7.1.3 集成集成555定时器的应用定时器的应用多谐振荡器多谐振荡器单稳态触发器单稳态触发器施密特触发器施密特触发器 1.多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器是一种产生矩形脉冲波的自激振是一种产生矩形脉冲波的自激振荡器。由于矩形波含有丰富的高次谐波，所荡器。由于矩形波含有丰富的高次谐波，所以以矩形波振荡器又称为多谐振荡器矩形波振荡器又称为多谐振荡器。特点：多谐振荡器没有稳态，不需外加触发特点：多谐振荡器没有稳态，不需外加触发信号。信号。电电路路构构成成：图图中中的的R1、R2和和C是是外外接接电电阻阻和和电容，是定时元件。电容，是定时元件。工作原理：工作原理：VCC0.01F584376215G555DTHTLvC图图7-2多谐振荡器多谐振荡器CR1R2工作原理分析如下：工作原理分析如下：电路接通电源前，电路接通电源前，vTH=vTL=vd=vC=0V。电路接通电源电路接通电源VCC开始开始时，时，TH、TL均处于低均处于低电位。电位。VCC0.01F584376215G555DTHTLvC图图7-2多谐振荡器多谐振荡器CR1R2VCC0.01F584376215G555DTHTLvC图图7-2多谐振荡器多谐振荡器CR1R2VCC30tw1tw2VCCT图图7-3多谐振荡器工作波形图多谐振荡器工作波形图0TH TLRVO T 2VCC/32VCC/32VCC/3VCC/3VCC/30111 0 0不变不变 1导通导通导通导通不变不变截止截止2VCC3VCCVCC0.01F584376215G555DTHTLvC图图7-2多谐振荡器多谐振荡器CR1R23VCC0tw1tw2VCCT图图7-3多谐振荡器工作波形图多谐振荡器工作波形图0根据三要素方程：根据三要素方程：充电：充电：uC(0)=1/3VCC、uC()=VCC、=（R1+R2）C，tw1(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C2VCC3VCCVCC30tw1tw2VCCT图图7-3多谐振荡器工作波形图多谐振荡器工作波形图0根据三要素方程：根据三要素方程：放电：放电：uC(0)=2/3VCC、uC()=0、=R2C，tw2R2Cln20.7R2C2VCC3VCCVCC0.01F584376215G555DTHTLvC图图7-2多谐振荡器多谐振荡器CR1R2振荡周期振荡周期T和振荡频率和振荡频率f的近似计算的近似计算公式如下：公式如下：tw1(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C tw2R2Cln20.7R2CT=tw1+tw20.7(R1+2R2)C输出脉冲幅度为：输出脉冲幅度为：VmVCCVCC0.01F765843215G555DTHTLD2D1图图7-4 占空比可调多谐振荡器占空比可调多谐振荡器CR1R2RW充电电流放电电流脉冲宽度脉冲宽度tw10.7R1C脉冲间隔时间脉冲间隔时间tw20.7R2C振荡周期振荡周期T0.7(R1+R2)C 多谐振荡器多谐振荡器占空比可调多谐振荡器占空比可调多谐振荡器占空比占空比例例7-1试用试用555定时器设计一个每隔定时器设计一个每隔6秒振荡一秒的多谐振秒振荡一秒的多谐振器。其振荡频率为器。其振荡频率为500Hz。解：分析解：分析-只要在振荡频率为只要在振荡频率为500Hz的多谐振荡器的多谐振荡器的复位的复位R端，加入端，加入1秒的高电平，接下来是秒的高电平，接下来是6秒的低秒的低电平，便可达到题目的要求。电平，便可达到题目的要求。因因此此有有两两个个设设计计要要求求 高高电电平平1秒秒 低低电电平平6秒秒的的振振荡器。荡器。频率为频率为500Hz的振荡。的振荡。为为此此，需需设设计计一一个个占占空空比比q=1/7，周周期期T=7秒秒的的多多谐谐振振荡荡器器。由由于于占占空空比比小小于于1/2，则则应应选选择择占占空空比比可可调调的电路。的电路。例例7-1根据根据求得：求得：R2=6R1；根据根据T=0.7(R1+R2)C=0.7(R1+6R1)C，取取C=10F，算得：，算得：R1=143k。R2=857k。对于对于500Hz多谐振荡器的占空比，题目未提出要求，多谐振荡器的占空比，题目未提出要求，现选占空比等于现选占空比等于2/3，根据，根据 算得：算得：R3=R4根据根据T=0.7(R3+2R4)C，取，取C=1F，算得：，算得：R3=R4=0.95k，例例7-1根据上述设计，画出根据上述设计，画出例例7-1的电路如图的电路如图7-5所示。所示。VCC0.01F765843215G555DTHTLD2D1图图7-5 例例7-1电路图电路图C=10FR1=143kR2=857kRW0.01F765843215G555DTHTLdC1FR1 9.5kR2 9.5k2.单稳态电路单稳态电路单单稳稳态态电电路路是是一一种种用用于于整整形形、延延时时、定定时时的的脉脉冲冲电电路。路。整整形形：把把不不规规则则的的波波形形转转换换成成宽宽度度、幅幅度度都都相相等等的矩形脉冲。的矩形脉冲。延时：延时：将输入信号延迟一定时间之后输出。将输入信号延迟一定时间之后输出。定时：定时：产生一定宽度的方波。产生一定宽度的方波。单单稳稳态态电电路路的的功功能能：每每触触发发一一次次，电电路路输输出出一一个个宽宽度一定、幅度一定的矩形波。度一定、幅度一定的矩形波。单稳态电路特点：单稳态电路特点：单单稳稳态态电电路路有有两两个个工工作作状状态态，一一个个为为稳稳态态，而而另另一一个为个为暂稳态暂稳态。加加触触发发信信号号前前的的状状态态为为稳稳态态，加加触触发发信信号号后后的的状状态态为为暂稳态暂稳态。单单稳稳态态电电路路在在外外加加触触发发脉脉冲冲的的作作用用下下，可可以以从从稳稳态态翻翻转转到到暂暂稳稳态态。暂暂稳稳态态维维持持一一段段时时间间后后，自自动动返返回回到稳态。到稳态。暂暂稳稳态态持持续续的的时时间间就就是是单单稳稳态态电电路路的的脉脉冲冲宽宽度度的的大大小。只取决于电路本身的参数，而与触发脉冲无关。小。只取决于电路本身的参数，而与触发脉冲无关。电电路路构构成成：图图中中R、C是是定定时时元元件件；单单稳稳态态电电路路的的输输入入信信号号vI加加在在低低触触发端发端TL端。端。工作原理：工作原理：VCC0.01F584376215G555DTHTLvO图图7-5单稳态电路单稳态电路CRvITH TLRVO T 2VCC/32VCC/32VCC/3VCC/3VCC/30111 0 0不变不变 1导通导通导通导通不变不变截止截止VCC0.01F584376215G555DTHTLvO图图7-5单稳态电路单稳态电路CRvIVCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图图7-6单稳态电路工作波形单稳态电路工作波形一一个个工工作作周周期期：单单稳稳态态电电路路在在负负脉脉冲冲触触发发作作用用下下，由由稳稳态态翻翻转转到到暂暂稳稳态态。由由于于电电容容器器充充电电，暂稳态自动返回稳态。暂稳态自动返回稳态。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图图7-6单稳态电路工作波形单稳态电路工作波形输出脉冲宽度输出脉冲宽度Tw为：为：Tw=RCln3=1.1RC 单稳态触发电路电路要单稳态触发电路电路要求输入触发脉冲宽度要小于求输入触发脉冲宽度要小于Tw，而输入，而输入vI的周期要大于的周期要大于Tw。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图图7-6单稳态触发电路工作波形单稳态触发电路工作波形如如果果输输入入负负触触发发脉脉冲冲宽宽度度大大于于输输出出脉脉冲冲宽宽度度Tw时时，接接一一个个RC微微分分电电路路。即即vI通通过过RC微微分分电电路路接接到到低低触触发发端端TL上。上。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图图7-6单稳态电路工作波形单稳态电路工作波形3.施密特触发电路施密特触发电路施施密密特特触触发发电电路路是是一一种种具具有有回回差差特特性性的的脉脉冲冲波形变换电路。它有如下特点：波形变换电路。它有如下特点：l施施密密特特触触发发电电路路有有两两个个稳稳定定输输出出状状态态，属属电电位位触触发发。当当输输入入触触发发信信号号电电平平达达到到阈阈值值电电压压时时（所所加加电位信号不得撤去），电位信号不得撤去），输出电平会发生突变输出电平会发生突变。上限阈值电压，用上限阈值电压，用VT+表表示。示。下限阈值电压，用下限阈值电压，用VT-表表示。示。VT+和和VT-不等称作回不等称作回差。差。回差电压回差电压VT=VT+-VT-使其抗干扰能力较强。使其抗干扰能力较强。vITHTLVCC84623155G555vO0.01F图图7-7施密特触发电路施密特触发电路电电路路构构成成：将将5G555定定时时器器的的高高触触发发端端TH和和低低触触发发端端TL连连接接起起来来就就构构成成了了施施密密特特触触发发电电路路。如如图图7-7所示。所示。工作原理：工作原理：vITHTLVCC84623155G555vO0.01F图图7-7施密特触发电路施密特触发电路vIvOtt002VCC3VCC3VT+VT-图图7-8施密特触发电路工作波形施密特触发电路工作波形vITHTLVCC84623155G555vO0.01图图7-7施密特触发电路施密特触发电路TH TLRVO T 2VCC/32VCC/32VCC/3VCC/3VCC/30111 0 0不变不变 1导通导通导通导通不变不变截止截止vOVOHVOL0VCC32VCC3vI图图7-9施密特触发电路电压传输特性施密特触发电路电压传输特性图图7-9所示为所示为vO=f(vI)的关系曲线，的关系曲线，是施密特触发电是施密特触发电路的电压传输特路的电压传输特性。性。vOvI图图7-10施密特触发电路逻辑符号施密特触发电路逻辑符号回回差差电电压压V越越大大，电电路路的的动动作作电电压压就就越越高高，抗抗干干扰扰能能力力越强。越强。施施密密特特触触发发电电路路常常用用于于进进行行波波形形变变换换及脉冲波形的整形。及脉冲波形的整形。7.2 门电路构成的矩形波发生门电路构成的矩形波发生器及整形电路器及整形电路多谐振荡器多谐振荡器单稳态电路单稳态电路施密特触发电路施密特触发电路 7.2.1 多谐振荡器多谐振荡器1.RC环形多谐振荡器环形多谐振荡器CMOS反相器构成的反相器构成的RC环形多谐振荡器如图所示。环形多谐振荡器如图所示。RC电电路路充充当当延延时时环环节节,也也可可通通过过调调节节R 或或C 的的值值来来调节振荡频率。调节振荡频率。当当vI3VT(阈阈值值电电压压,CMOS反反相相器器的的值值为为VDD/)时时，vO为低电平；为低电平；vI3VT时，时，vO为高电平。为高电平。电电容容器器上上的的电电压压不不能能突突跳跳，使使vI2不不能能随随vO1跳跳变变，但但vI2能随能随vO跳变。跳变。1.RC环形多谐振荡器环形多谐振荡器工作过程工作过程当当vO由由VOH下下跳跳为为VOL时时，vO1由由VOL上上跳跳为为VOH，同同时时vI2随随vO下下跳跳为负值为负值，vO2由由VOL上跳上跳为为VOH，维维持持vO为为0，此，此时为暂态时为暂态I。此此间间vO1通通过过电电阻阻R给给电电容容器器C充充电电，使使vI2的的电电位位逐逐渐渐上上升升。充充电回路电回路vO1RvI2CvO，充电的等效电路如图，充电的等效电路如图(a)所示所示。工作过程工作过程随随着着充充电电进进行行，当当vI2上上升升到到大大于于阈阈值值电电压压VT时时，vO2由由1下下跳跳为为0，vO由由0上跳为上跳为1，到此暂态，到此暂态I结束，进入暂态结束，进入暂态II。vO1由由VOH下下跳跳为为VOL，vI2随随vO上上跳跳为为很很高高正正值值，vO2由由1下下跳跳为为0，维维持持vO为为1，此此间间vO通通过过R给给电电容容器器C进进行行反反向向充充电电，使使vI2的的电电位位逐逐渐渐下下降降。充充电电回回路路为为vOCvI2RvO1，充充电电的的等等效效电路如图电路如图(b)所示。所示。1.RC环形多谐振荡器环形多谐振荡器2.带石英晶体的环形多谐振荡器带石英晶体的环形多谐振荡器555555构成的多谐振荡器的特点：构成的多谐振荡器的特点：优点：工作可靠，调节方便。优点：工作可靠，调节方便。缺点：振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫；缺点：振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫；受电源波动、温度变化等影响，频率稳定性较差。受电源波动、温度变化等影响，频率稳定性较差。目前，普遍采用的稳频目前，普遍采用的稳频方法是在多谐振荡器中方法是在多谐振荡器中接入接入石英晶体石英晶体组成石英组成石英晶体多谐振荡器。晶体多谐振荡器。石英晶体频率特性稳定，石英晶体频率特性稳定，有极好的选频特性。有极好的选频特性。符号符号图图7-14 石英晶体的阻抗频率石英晶体的阻抗频率 特性与符号特性与符号X感性感性0容性容性1uOG1G2图图7-15 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器C1RRC21R：保证反相器静态：保证反相器静态时工作在线性放大区。时工作在线性放大区。对对TTL反相器，常取反相器，常取R0.7k2k，对，对于于CMOS门，则常取门，则常取R10M；C1：耦合电容。：耦合电容。C2：高频滤波。：高频滤波。石英晶体振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率石英晶体振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率7.2.2 单稳态电路单稳态电路单稳态电路的暂稳态是靠单稳态电路的暂稳态是靠RC电路的电路的充放电充放电过程过程来维持的，根据来维持的，根据RC电路的不同接法，电路的不同接法，可分为可分为微分型微分型和和积分型积分型。以以CMOS与非门、与非门、RC微分电路构成的单稳微分电路构成的单稳态电路为例说明其工作原理。态电路为例说明其工作原理。1.CMOS门微分型单稳态电路门微分型单稳态电路在基本在基本SR锁存器锁存器中中插入一个插入一个RC微微分电路环节分电路环节就构就构成了单稳态电路，成了单稳态电路，如图如图7-16所示。所示。图图7-16 单稳态电路单稳态电路vIvO1vOvI2CRG1G2vIvO1vOvI2CRG1G22.单稳态电路的应用单稳态电路的应用脉冲整形脉冲整形脉冲定时脉冲定时 脉冲延时脉冲延时脉冲整形脉冲整形 单稳态电路输出脉单稳态电路输出脉冲的幅度和宽度是冲的幅度和宽度是确定的。确定的。可将宽度和幅度不可将宽度和幅度不规则的脉冲串，整规则的脉冲串，整形为宽度和幅度一形为宽度和幅度一定的脉冲串。定的脉冲串。tvI0tvO0图图7-18 脉冲波形脉冲波形 单稳态电路单稳态电路vAvBvOvI(a)逻辑图逻辑图vOvIvBvA(b)波形图波形图图图7-19 脉冲定时电路脉冲定时电路Tw脉冲定时脉冲定时&脉冲延时脉冲延时Tw时间，称为延时。时间，称为延时。7.2.3 施密特触发电路施密特触发电路1.CMOS反相器构成的施密特触发电路反相器构成的施密特触发电路两个电阻中两个电阻中R2R1假设假设CMOS反相器的阈值电压反相器的阈值电压VT=VDD/2。7.2.3 施密特触发电路施密特触发电路假设假设vI为三角波，当为三角波，当vI从从0开始逐渐增加时，开始逐渐增加时，vI1也逐也逐渐增大，但只要渐增大，但只要vI1小于阈值电压小于阈值电压VT，vO1就保持为就保持为高电平，高电平，vO0V就保持不变。但当就保持不变。但当vI上升到上升到VT时，时，反相器反相器G1门进入电压传输特性的转折区，电路进入门进入电压传输特性的转折区，电路进入正反馈过程：正反馈过程：7.2.3 施密特触发电路施密特触发电路电路的输出状态迅速发生翻转，即电路的输出状态迅速发生翻转，即vO由由0V翻转为翻转为VDD。而在电路的输出状态发生翻转时所对应的输入电压值称而在电路的输出状态发生翻转时所对应的输入电压值称为阈值电压为阈值电压V+。7.2.3 施密特触发电路施密特触发电路当当vI从高电平开始逐渐下降时，从高电平开始逐渐下降时，vI1也逐渐减小。当也逐渐减小。当vI1减减小到小到VT时，产生另一个正反馈过程：时，产生另一个正反馈过程：结果导致输出电压结果导致输出电压vO跳变到低电平，即跳变到低电平，即vO=VOL0V。而。而此刻电路的输出状态发生翻转所对应的输入电压值称为此刻电路的输出状态发生翻转所对应的输入电压值称为阈值电压阈值电压V-。回差回差电压电压V下图是下图是vI为三角波时输出为三角波时输出vO随随vI变化的波形图。变化的波形图。2.施密特触发电路的应用施密特触发电路的应用波形的变换与整形波形的变换与整形幅度鉴别幅度鉴别脉冲展宽电路脉冲展宽电路波形的变换与整形波形的变换与整形 利用施密特触发电路可以将正弦波、三角波变换利用施密特触发电路可以将正弦波、三角波变换成矩形波。成矩形波。vIvOVT+VT-图图7-23波形变换和整形波形变换和整形幅度鉴别幅度鉴别 施密特触发电路的输出状态取决于输入信号施密特触发电路的输出状态取决于输入信号vI的幅度，因此它可以用来作为幅度鉴别电路。的幅度，因此它可以用来作为幅度鉴别电路。只有当脉冲信号只有当脉冲信号vI的幅度大于的幅度大于VT+的脉冲，电路的脉冲，电路才输出一个脉冲才输出一个脉冲，而幅度小于，而幅度小于VT+的脉冲，电的脉冲，电路无输出脉冲。路无输出脉冲。vIvOVT+VT-图图7-24幅度鉴别波形幅度鉴别波形幅度鉴别幅度鉴别 脉冲展宽电路脉冲展宽电路 脉冲展宽电路原理图、工作波形图。脉冲展宽电路原理图、工作波形图。VCCvIvOG1RCvC(a)原理图原理图vIvOvCVT+(b)波形图波形图图图7-25脉冲展开电路脉冲展开电路RC决定展宽大小。改变决定展宽大小。改变RC值的大小就可以改变值的大小就可以改变施密特触发器的输出脉冲宽度。施密特触发器的输出脉冲宽度。