第15章脉冲的产生和整形电路.ppt

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1、第第 15 章脉冲的产生和整形电路章脉冲的产生和整形电路本章学习目标本章学习目标15.1锯齿波电压发生器和多谐振荡器锯齿波电压发生器和多谐振荡器15.2单稳态触发器单稳态触发器 15.3施密特触发器施密特触发器本章小结本章小结本章学习目标本章学习目标1掌握锯齿波的参数，理解锯齿波电压发生器原理，了掌握锯齿波的参数，理解锯齿波电压发生器原理，了解自举补偿锯齿波电路的工作原理。解自举补偿锯齿波电路的工作原理。2掌握多谐振荡器的电路形式、工作原理及振荡周期的掌握多谐振荡器的电路形式、工作原理及振荡周期的估算方法。估算方法。3掌握掌握与非与非门组成的单稳态触发器电路特点及工作原理。门组成的单稳态触发器

2、电路特点及工作原理。4了解施密特触发器的电路特点及工作原理。了解施密特触发器的电路特点及工作原理。15.1锯齿波电压发生器和多谐振荡器锯齿波电压发生器和多谐振荡器15.1.1锯齿波电压发生器锯齿波电压发生器15.1.2多谐振荡器多谐振荡器15.1.115.1.1锯齿波电压发生器锯齿波电压发生器锯齿波电压在示波器、雷达、锯齿波电压在示波器、雷达、自动控制和测量仪器等设备中广自动控制和测量仪器等设备中广泛应用。泛应用。一、锯齿波电压的参数一、锯齿波电压的参数1扫描期扫描期 T1：要求在要求在 T1 时间内电压随时间线性变化。时间内电压随时间线性变化。2. 回扫期回扫期 TB：电压在此期间迅速回到起

3、始值，要求越小电压在此期间迅速回到起始值，要求越小越好。越好。3休止期休止期 TN：是扫描结束到下次扫描开始的间隔时间。是扫描结束到下次扫描开始的间隔时间。4恢复期恢复期 T2：T2 = TB + TN 。5重复周期重复周期 T：T = T1 + T2 。6频率频率 f：f = 1/T。7扫描幅度扫描幅度 Vm：扫描期内电压的幅值。扫描期内电压的幅值。二、锯齿波电压发生器基本原理二、锯齿波电压发生器基本原理 1工作原理：工作原理：利用电容器的缓慢充电和快速放电的过程，利用电容器的缓慢充电和快速放电的过程，在电容器两端得到锯齿波电压。在电容器两端得到锯齿波电压。 2工作过程：工作过程：初始时开关

4、初始时开关 S 闭合，闭合，VC = 0。若将。若将 S 断开，断开，C 开始充电，开始充电， = RC，VC 按指数规律上升，经短暂时间按指数规律上升，经短暂时间 T1( (T1 ) )后再将后再将 S 闭合，闭合，C 快速放电。不断重复快速放电。不断重复上述过程，就可以得到锯齿波。上述过程，就可以得到锯齿波。3简单的锯齿波电压发生器：简单的锯齿波电压发生器： 用晶体管用晶体管 V 代替开关代替开关S，在，在V的基极输入连续的矩形波，让的基极输入连续的矩形波，让 V 交替地工作在截止与饱和状态，交替地工作在截止与饱和状态，就可以获得锯齿波电压。就可以获得锯齿波电压。三、自举补偿锯齿波电路三、

5、自举补偿锯齿波电路+VG 为电源；为电源；V2 是射极跟随器；是射极跟随器；V1 起开关作用；起开关作用；C1 为自举电容器；为自举电容器；V3 是是隔离二极管。隔离二极管。1电路：电路：2要求：要求：自举电容自举电容 C1 电容量足够大。电容量足够大。3工作原理：工作原理：V1 截止时，电容截止时，电容 C 充电，充电，V2 输出锯齿波正输出锯齿波正程电压；程电压；V1 饱和导通时，饱和导通时，C 迅速放电，迅速放电，V2 输出锯齿波逆程电压。输出锯齿波逆程电压。同时同时 +VG 通过通过 V3、C1、Re 对对 C1 再充电补足被放掉的电荷。再充电补足被放掉的电荷。15.1.2多谐振荡器多

6、谐振荡器 在电路数字系统中，经常要处理脉冲的产生、延时、整形在电路数字系统中，经常要处理脉冲的产生、延时、整形等问题，多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器可以实现等问题，多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器可以实现这些功能。这些功能。 多谐振荡器多谐振荡器：能自动反复输出矩形脉冲的自激振荡电路，：能自动反复输出矩形脉冲的自激振荡电路，是无稳态电路。是无稳态电路。 无稳态电路无稳态电路：不需要外加触发信号，电路的输出状态会在：不需要外加触发信号，电路的输出状态会在高、低电平两种状态间反复不停的翻转，没有稳定的状态。高、低电平两种状态间反复不停的翻转，没有稳定的状态。万丛章补充万丛章补充由门电

7、路构成的多谐振荡器由门电路构成的多谐振荡器能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。1 1、RC环形多谐环形多谐振荡器振荡器0(a) 电路图&ui1 ui2 uo2 ui3 uo R RSC uo(ui1)uo2ui3tttt(b) 波形图000G1G2&G3 ui2(uo1)UTt1t2t30(a) 电路图&ui1 ui2 uo2 ui3 uo R RSC uo(ui1)uo2ui3tttt(b) 波形图000G1G2&G3 ui2(uo1)UTt1t2t3在在t1时刻，时刻，ui1（uo）由）由0变为变为1，于是，于是uo1（ui2）由）由1变为变为0，uo2由由0变为变为1。由于电容电

8、压不能跃变，故由于电容电压不能跃变，故ui3必定跟随必定跟随ui2发生负跳变。这个低电平保发生负跳变。这个低电平保持持uo为为1，以维持已进入的这个暂稳态。，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，在这个暂稳态期间，uo2（高电平）通过电阻（高电平）通过电阻R对电容对电容C充电，使充电，使ui3逐渐逐渐上升。在上升。在t2时刻，时刻，ui3上升到门电路的阈值电压上升到门电路的阈值电压UT，使，使uo（ui1）由）由1变为变为0，uo1（ui2）由）由0变为变为1，uo2由由1变为变为0。同样由于电容电压不能跃变，故。同样由于电容电压不能跃变，故ui3跟随跟随ui2发生正跳变。这个高电平保持

9、发生正跳变。这个高电平保持uo为为0。至此，第一个暂稳态结束，。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。电路进入第二个暂稳态。第一暂稳态及其自动翻转的工作过程万丛章补充万丛章补充0(a) 电路图&ui1 ui2 uo2 ui3 uo R RSC uo(ui1)uo2ui3tttt(b) 波形图000G1G2&G3 ui2(uo1)UTt1t2t3第二暂稳态及其自动翻转的工作过程在在t2时刻，时刻，uo2变为低电平，电容变为低电平，电容C开始通过电阻开始通过电阻R放电。随着放电的进行，放电。随着放电的进行，ui3逐渐下降。在逐渐下降。在t3时刻，时刻，ui3下降到下降到UT，使，使uo（u

10、i1）又由）又由0变为变为1，第二个暂稳态，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。造成振荡器自动翻转的原因是电容 C的充放电。振 荡 周 期 为 ： T 2.2RC万丛章补充万丛章补充一、用非门组成的多谐振荡器一、用非门组成的多谐振荡器1结构特点结构特点 输出端与输入端接有反馈线，电路成环形。输出端与输入端接有反馈线，电路成环形。2工作原理工作原理 3. 起振条件起振条件 (R + R1) 0.85 k ；R 0.8 k 。4. 实现电路实现电路 用一块用一块 T081 型四型四非非门或一门或一 SN74S04 型六

11、型六非非门集成电路实现。门集成电路实现。用一块用一块 SN7400 型四型四 2 输入输入与非与非门或门或 CC4011 型四型四 2 输入输入与与非非门，把每个门，把每个与非与非门的输入端并接后改为门的输入端并接后改为非非门来实现。门来实现。 二、环形多谐振荡器的改进电路二、环形多谐振荡器的改进电路2参数选择：参数选择： 电位器电位器 R 为为 1 k ，C 为为 15 pF；1. 改进电路：改进电路：原电路中的原电路中的 R 用电位器来代替，构成频率用电位器来代替，构成频率可调的多谐振荡器。可调的多谐振荡器。3频率可调范围：频率可调范围：1.4 8 MHz4. 带石英晶体的环形振荡器带石英

12、晶体的环形振荡器特点：提高频率的稳定性；电特点：提高频率的稳定性；电路输出的工作频率决定于石英晶体路输出的工作频率决定于石英晶体的串联谐振频率的串联谐振频率 f。15.2单稳态触发器单稳态触发器15.2.1用用与非与非门组成的单稳态触发器门组成的单稳态触发器15.2.2单稳态触发器集成电路简介单稳态触发器集成电路简介单稳态触发器单稳态触发器：有一个稳定状态和一个暂稳态的触发器。：有一个稳定状态和一个暂稳态的触发器。主要应用：延时、整形等方面。主要应用：延时、整形等方面。15.2.1用用与非与非门组成的单稳态触发器门组成的单稳态触发器1电路组成：电路组成：两个两个与非与非门；一个积分电路。门；一

13、个积分电路。2工作原理：工作原理：电路处于稳态电路处于稳态 外加触发信号，电路翻转为暂稳态外加触发信号，电路翻转为暂稳态 自动返回到稳态。自动返回到稳态。（1）电路的稳态）电路的稳态无论无论 vI 是高电平还是低电平，是高电平还是低电平，G2 处于关闭状态，输出处于关闭状态，输出 vO 为高电平，这是电路的稳态。为高电平，这是电路的稳态。（2）外加触发信号，电路翻转为暂稳态）外加触发信号，电路翻转为暂稳态 设稳态时设稳态时 vI 为低电平。当为低电平。当 vI 电平由低变高时，由于电平由低变高时，由于 vC 不不能突变仍保持高电平，则使能突变仍保持高电平，则使 vO 电平从高变低；随电容电平从

14、高变低；随电容 C 的放的放电过程进行，电过程进行，vC 将下降，维持将下降，维持 G2 开通的条件将被破坏，因此开通的条件将被破坏，因此 G2 开通的状态是暂时的，是暂稳态。开通的状态是暂时的，是暂稳态。（3）自动返回到稳态）自动返回到稳态 当当 vC 下降到关门电平时，下降到关门电平时，G2 由开通返回到关闭状态，由开通返回到关闭状态，vO 由低电平返回到高电平。由低电平返回到高电平。 3正常工作条件：正常工作条件：输入正脉冲输入正脉冲 vI 的宽度的宽度 tpI 一定要大于单一定要大于单稳态的输出脉冲宽度稳态的输出脉冲宽度 tp。4弱点：弱点：正常工作依赖输入脉冲宽度。正常工作依赖输入脉

15、冲宽度。 5改进措施：改进措施：采用负窄脉冲触发的积分型单稳电路。采用负窄脉冲触发的积分型单稳电路。15.2.2单稳态触发器集成电路简介单稳态触发器集成电路简介一、一、CT74121 型单稳态触发器简介型单稳态触发器简介1引线排列引线排列2功能功能说明：说明： 表示任意值；表示任意值；表示电平从高到低的跳变；表示电平从高到低的跳变；表示电表示电平从低到高的跳变；平从低到高的跳变；单稳态触发器输出脉冲的宽度由定时元件单稳态触发器输出脉冲的宽度由定时元件 R 和和 C 决定。决定。 “高高”表示高电平脉冲；表示高电平脉冲；“低低”表示低电平脉冲。表示低电平脉冲。使用：使用：Cext 是外接电容端，

16、是外接电容端，Rint 是内部电阻端，是内部电阻端，Rint /Cext 是是外接电阻和电容公共端。外接电阻和电容公共端。接法：接法：二、二、CT74LS123 双单稳态触发器简介双单稳态触发器简介1引脚排列引脚排列2使用使用在直接复位端输入低电平脉冲，在直接复位端输入低电平脉冲，可提前终止输出脉冲，迫使脉冲变可提前终止输出脉冲，迫使脉冲变窄，由窄，由 tp 变为变为 tp。此芯片具有重复触发功能，可使输出脉冲加宽。此芯片具有重复触发功能，可使输出脉冲加宽。外加负脉冲终止输出脉冲外加负脉冲终止输出脉冲重触发脉冲加宽输出脉宽重触发脉冲加宽输出脉宽3功能表功能表CT74LS123控制功能控制功能低

17、低高高116低低高高015触发暂触发暂稳态稳态低低高高104100 3稳态稳态10 1 2清零清零10 01Q说明说明输输 出出输输 入入序号序号QDR TR TR例：由例：由 CT74LS123 组件接成的两级单稳态定时电路。组件接成的两级单稳态定时电路。单稳态触发器应用举例单稳态触发器应用举例 单稳态触发器在脉冲系统中有着广泛的应用。单稳态触发器在脉冲系统中有着广泛的应用。工作波形：工作波形：15.3施密特触发器施密特触发器15.3.1用用与非与非门组成的施密特电路门组成的施密特电路15.3.2集成施密特触发器电路简介集成施密特触发器电路简介15.3.1用用与非与非门组成的施密特电路门组成

18、的施密特电路一、工作原理一、工作原理1电路构成电路构成电路特点：具有两个稳电路特点：具有两个稳态；电路存在回差现象。态；电路存在回差现象。2工作原理工作原理第一稳态第一稳态 输入信号作用输入信号作用 第二稳态第二稳态 输入信号作用输入信号作用 回到第一稳态。回到第一稳态。3. 工作特点工作特点是一个双稳态电路；电路状态的翻转依赖于外触发信号电平。是一个双稳态电路；电路状态的翻转依赖于外触发信号电平。二、滞回特性二、滞回特性1. 下限门槛电压下限门槛电压 VTL：在输入电压下降过程中，施密特触发在输入电压下降过程中，施密特触发器的输出电平由低变高时的输入电压。又称下触发电平。器的输出电平由低变高

19、时的输入电压。又称下触发电平。2. 上限门槛电压上限门槛电压 VTH：在输入电压上升过程中，施密特触发在输入电压上升过程中，施密特触发器的输出电平由高变低时的输入电压。又称上触发电平。器的输出电平由高变低时的输入电压。又称上触发电平。3. 回差回差( (滞回电压滞回电压) )：VTH 与与 VTL 之间的之间的 差值；即差值；即 VH = VTH VTL4. 滞回特性：滞回特性：施密特触发器由第施密特触发器由第一稳态翻转到第二稳态的上限一稳态翻转到第二稳态的上限门槛电压门槛电压 VTH 与第二稳态翻转与第二稳态翻转到第一稳态的下限门槛电压到第一稳态的下限门槛电压 VTL 存在差值的现象。存在差

20、值的现象。15.3.2集成施密特触发器电路简介集成施密特触发器电路简介集成施密特触发器性能一性好，触发电平稳定。集成施密特触发器性能一性好，触发电平稳定。一、一、TTL 集成施密特触发器集成施密特触发器CT7414 型六施密特反相器型六施密特反相器二、二、CMOS 集成施密特触发器集成施密特触发器CC40106 和和 CC4093 是国产是国产 CMOS 施密特触发器的典型产品。施密特触发器的典型产品。施密特触发器应用举例施密特触发器应用举例一、波形的变换和整形一、波形的变换和整形1. 将连续变化的波形将连续变化的波形，如正弦波、三角波等变换成矩形如正弦波、三角波等变换成矩形波。波。2. 将发

21、生畸变的矩形波整形。将发生畸变的矩形波整形。注：施密特触发器的输出信号与输入信号是反相的，如果注：施密特触发器的输出信号与输入信号是反相的，如果要求输出与输入信号同相，可在施密特触发器的输出端再接一要求输出与输入信号同相，可在施密特触发器的输出端再接一级反相器。级反相器。 二、构成多谐振荡器二、构成多谐振荡器注：振荡频率可通过改变注：振荡频率可通过改变 R 和和 C 的大小来调节。的大小来调节。将施密特反相器的输出端经将施密特反相器的输出端经 RC 充放电电路与输入端相连。充放电电路与输入端相连。电路：电路：工作波形：工作波形：本章小结本章小结一、锯齿波电压发生器一、锯齿波电压发生器锯齿波和矩

22、形波是两种电子设备常用的电压波。锯齿波和矩形波是两种电子设备常用的电压波。自举补偿锯齿波电路是产生锯齿波电压的电路。自举补偿锯齿波电路是产生锯齿波电压的电路。二、多谐振荡器二、多谐振荡器用集成用集成与与非门组成的环形多谐振荡器是产生矩形波的一种非门组成的环形多谐振荡器是产生矩形波的一种电路。电路。三、单稳态触发器三、单稳态触发器单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态，在外加触发信号的单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态，在外加触发信号的作用下可从稳态转为暂稳态，经过一段时间后自动从暂稳态翻转作用下可从稳态转为暂稳态，经过一段时间后自动从暂稳态翻转回稳态，从而输出具有一定脉冲宽度的矩形波。回稳态，从而

23、输出具有一定脉冲宽度的矩形波。用途：做为自动控制的定时和延时线路。用途：做为自动控制的定时和延时线路。四、施密特触发器四、施密特触发器施密特触发器有两个稳态，电路状态的维持和翻转依赖于输施密特触发器有两个稳态，电路状态的维持和翻转依赖于输入端的电平。入端的电平。两个稳态翻转时的输入端触发电压不同，存在回差，这是该两个稳态翻转时的输入端触发电压不同，存在回差，这是该触发器的固有特征触发器的固有特征滞回特性。滞回特性。应用：波形变换、整形和构成多谐振荡器。应用：波形变换、整形和构成多谐振荡器。本章重点本章重点1掌握锯齿波电压发生器的工作原理和锯齿波电压参数。掌握锯齿波电压发生器的工作原理和锯齿波电

24、压参数。2掌握单稳态电路的工作原理及应用。掌握单稳态电路的工作原理及应用。3掌握多谐振荡电路的工作原理及应用。掌握多谐振荡电路的工作原理及应用。4掌握施密特电路的工作原理及应用。掌握施密特电路的工作原理及应用。本章难点本章难点3施密特触发器的滞回特性。施密特触发器的滞回特性。1环形多谐振荡器的工作原理。环形多谐振荡器的工作原理。2单稳态触发器的工作原理。单稳态触发器的工作原理。学时分配学时分配序号序号 内内 容容学学 时时115.1锯齿波电压发生器和多谐振荡器锯齿波电压发生器和多谐振荡器3215.2单稳态触发器单稳态触发器3315.3施密特触发器施密特触发器24 本章小结本章小结 25 本章总学时本章总学时10