第六章脉冲波形的产生和整形备份用PPT讲稿.ppt
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1、第六章脉冲波形的产生和整形备份用第1页，共75页，编辑于2022年，星期三 6.2 施密特触发器施密特触发器 6.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器 6.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器 6.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用第2页，共75页，编辑于2022年，星期三 6.3 单稳态触发器单稳态触发器 6.3.1 用门电路组成的单稳态触发器用门电路组成的单稳态触发器 6.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器第3页，共75页，编辑于2022年，星期三 6.4.1 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器 6.4.2 非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器 6
2、.4.3 环形振荡器环形振荡器 6.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器用施密特触发器构成的多谐振荡器 6.4.5 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 *6.4.6 压控振荡器压控振荡器 6.4 多谐振荡器多谐振荡器第4页，共75页，编辑于2022年，星期三 6.5.1 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能 6.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器 6.5.3 用用555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器 6.5.4 用用555定时器接成的多谐振荡器定时器接成的多谐振荡器 6.5 555定时器及其应用定时器及其应用第5页，共75页，
3、编辑于2022年，星期三6.1 概述概述 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。作，所以时钟脉冲的好坏直接关系整个系统能否正常工作。获得矩形脉冲的方法一般有两种：获得矩形脉冲的方法一般有两种：一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生需要的矩形波脉一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生需要的矩形波脉冲。冲。一种是通过整形电路把已有的周期性信号，变换为符合要求的矩形脉一种是通过整形电路把已有的周期性信号，变换为符合要求的矩形脉冲信号。冲信号。第6页，共75
4、页，编辑于2022年，星期三 矩形脉冲特性的主要参数矩形脉冲特性的主要参数图图6.1.1 6.1.1 描述矩形脉冲特性的主要参数描述矩形脉冲特性的主要参数 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。Vm脉冲幅度，脉冲电压的最大变化幅度。tW脉冲宽度，从脉冲前沿上升到0.5Vm开始 到脉冲后沿下降到0.5Vm为止的一段时间。tr上升时间，脉冲前沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需的时间。tf下降时间，脉冲后沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需的时间。q占空比，脉冲宽度和脉冲周期的比值。q=tw/T 第7页，共75页，编辑于2022年，星期三 6.2 施密特触发器施密特触发器 施密特触
5、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。冲的电路。施密特触发器性能的两个重要特点施密特触发器性能的两个重要特点 第一，输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的电第一，输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同 第二，电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿第二，电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡变得很陡第8页，共75页，编
6、辑于2022年，星期三图图6.2.1 6.2.1 用用COMSCOMS反相器构成的施密特触发器反相器构成的施密特触发器（a)a)电路电路 （b b）图形符号）图形符号 6.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器 将两级反相器串联，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，将两级反相器串联，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就构成了图就构成了图6.2.16.2.1（a a）的施密特触发器电路）的施密特触发器电路 反相器反相器G G1 1和和G G2 2是是CMOSCMOS电路，阈值电压为电路，阈值电压为 ,且且R R1 1 R R2 2 v vI I=0=0时，
7、时，G G1 1和和G G2 2接成了正反馈电路，接成了正反馈电路，v vO O=V=VOLOL00，G G1 1的输入的输入v vI I00第9页，共75页，编辑于2022年，星期三 v vI I从从0 0升高并达到升高并达到v vI I=V=VTHTH时，时，G G1 1进入电压传输特进入电压传输特性的转折区，性的转折区，v vI I的增加引发如下的正反馈，的增加引发如下的正反馈，v vO O=V=VOHOHVVDDDDv vI I V VOlOl v vO O 正向阈值电压正向阈值电压V VT+T+：v vI I上升过程中电路状态发生转换时对应的电压上升过程中电路状态发生转换时对应的电压
8、（6.2.16.2.1）v vI I从从V VDDDD下降并达到下降并达到v vI I=V=VTHTH时，时，v vI I的下降引发如下的正反馈，的下降引发如下的正反馈，v vO O=V=VOLOL00v vI I V VOlOl v vO O第10页，共75页，编辑于2022年，星期三 负向阈值电压负向阈值电压V VT-T-：v vI I下降过程中电路状态发生转换时对应的电压下降过程中电路状态发生转换时对应的电压 将将V VDDDD=2V=2VTHTH带入上式得带入上式得 （6.2.26.2.2）回差电压回差电压VVT T：V VT+T+与与V VT-T-之差之差 （6.2.36.2.3）第
9、11页，共75页，编辑于2022年，星期三 根据式（根据式（6.2.16.2.1）、（）、（6.2.26.2.2）画出电路的电压传输特性图）画出电路的电压传输特性图图图6.2.2 6.2.2 图图6.2.16.2.1电路的电压传输特性电路的电压传输特性（a a）同相输出）同相输出 （b b）反相输出）反相输出 图图6.2.26.2.2（b b）是以图）是以图6.2.16.2.1（a a）v vO O作为输出端的电压传输特性，把作为输出端的电压传输特性，把这种形式的电压传输特性叫做反相输出的施密特触发器这种形式的电压传输特性叫做反相输出的施密特触发器第12页，共75页，编辑于2022年，星期三
10、【例【例6.2.16.2.1】在图】在图6.2.16.2.1（a a）电路中，如果要求）电路中，如果要求V VT+T+=7.5V=7.5V，VVT T=5V=5V，试，试求求R R1 1、R R2 2和和V VDDDD的值的值 解：由式（解：由式（6.2.16.2.1）、（）、（6.2.26.2.2）和（）和（6.2.36.2.3）得：）得：解出解出R R2 2=2R=2R1 1，V VTH=TH=5V5V。应取。应取V VDDDD=10V=10V 为保证反相器为保证反相器G G2 2输出高电平的负载电流不超过最大允许电流输出高电平的负载电流不超过最大允许电流（6.2.46.2.4）如果如果G
11、 G1 1、G G2 2选用选用CC4069CC4069反相器，反相器，V VDDDD=10V=10V，I IOHOH（maxmax）=1.3mA,=1.3mA,由式由式（6.2.46.2.4）得）得第13页，共75页，编辑于2022年，星期三 在使用在使用TTLTTL门电路组成施密特触发器时，经常采用图门电路组成施密特触发器时，经常采用图6.2.36.2.3所示所示的电路的电路图图6.2.3 6.2.3 用用TTLTTL门电路接成的施密特触发器门电路接成的施密特触发器 串进的二极管，防止串进的二极管，防止v vO O=V=VOHOH时，门时，门G G2 2的负载电流过大的负载电流过大 正向阈
12、值电压正向阈值电压VT+VT+：（6.2.56.2.5）负向阈值电压负向阈值电压VT-VT-：V VT-T-=V=VTHTH 回差电压回差电压VTVT：（6.2.66.2.6）二极管的导通压降第14页，共75页，编辑于2022年，星期三 6.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器图图6.2.4 6.2.4 带与非功能的带与非功能的TTLTTL集成施密特触发器集成施密特触发器 核心部分是由核心部分是由T T1 1、T T2 2、R R2 2、R R3 3、R R4 4组成的施密特触发器组成的施密特触发器 严格地讲这是一个严格地讲这是一个DTLDTL电路，即输入端为二极管结构而输出端为三极管结构
13、电路，即输入端为二极管结构而输出端为三极管结构第15页，共75页，编辑于2022年，星期三 假定三极管发射结的导通压降和二极管的正向导通压降均假定三极管发射结的导通压降和二极管的正向导通压降均为为0.7V0.7V 输入端电压输入端电压 时，时，T T1 1截止而截止而T T2 2导导通。若通。若 逐渐升高并使逐渐升高并使 时，时，T1T1进入导进入导通状态，有如下的正反馈过程发生通状态，有如下的正反馈过程发生 从高电平逐渐下降，降到只有从高电平逐渐下降，降到只有0.7V0.7V左右时，有如下的正反左右时，有如下的正反馈发生馈发生第16页，共75页，编辑于2022年，星期三 由图由图6.2.46
14、.2.4写出写出T1T1截止，截止，T2T2饱和导通时电路的方程饱和导通时电路的方程（6.2.76.2.7）分别表示T2饱和导通时be和间的压降假定假定i iR3R3iiC2C2，则从式（，则从式（6.2.76.2.7）求出）求出（6.2.86.2.8）（6.2.96.2.9）第17页，共75页，编辑于2022年，星期三 将图将图6.2.46.2.4中给定的参数代入式（中给定的参数代入式（6.2.86.2.8）、（）、（6.2.96.2.9），得：），得：当当v vI I从高电平下降至仅比从高电平下降至仅比R R4 4上的压降高上的压降高0.7V0.7V以后，以后，T T1 1脱离饱和，脱离饱
15、和，v vCE1CE1开始上升，开始上升，T T2 2开始导通开始导通引起正反馈，因此转换时引起正反馈，因此转换时R R4 4上的压降为：上的压降为：（6.2.106.2.10）整个电路的输入电压整个电路的输入电压v vI I等于等于v vI I减去输入端二极管的压降减去输入端二极管的压降V VD D，故得，故得:第18页，共75页，编辑于2022年，星期三图图6.2.5 6.2.5 集成施密特触发器集成施密特触发器74137413的电压传输特性的电压传输特性第19页，共75页，编辑于2022年，星期三 CMOS CMOS集成施密特触发器集成施密特触发器图图6.2.6 CMOS6.2.6 CM
16、OS集成施密特触发器集成施密特触发器CC40106CC40106 电路的核心部分是由电路的核心部分是由T T1 1T T6 6组成的施密特触发器组成的施密特触发器第20页，共75页，编辑于2022年，星期三图图6.2.7 6.2.7 集成施密特触发器集成施密特触发器CC40106CC40106的特性的特性（a a）电压传输特性）电压传输特性 （b b）V VDDDD对对V VT+T+、V VT-T-的影响的影响 集成电路内部器件参数差异较大，集成电路内部器件参数差异较大，V VT+T+、V VT-T-的数值有较大的分散性。的数值有较大的分散性。V VT+T+、V VT-T-不仅受不仅受V VD
17、DDD的影响，而且的影响，而且V VDDDD确定时确定时V VT+T+、V VT-T-值对不同器件可能不完全一样值对不同器件可能不完全一样第21页，共75页，编辑于2022年，星期三 6.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 一、用于波形变换一、用于波形变换 利用施密特触发器状态转换利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，把边沿变过程中的正反馈作用，把边沿变化缓慢的周期信号变换为边沿很化缓慢的周期信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号陡的矩形脉冲信号图图6.2.8 6.2.8 用施密特触发器实现波形变换用施密特触发器实现波形变换第22页，共75页，编辑于2022年，星期三 二、用于脉冲整
18、形二、用于脉冲整形图图6.2.9 6.2.9 用施密特触发器对脉冲整形用施密特触发器对脉冲整形 图（图（a a）传输线上电容较大，）传输线上电容较大，波形的上升和下降沿明显变坏波形的上升和下降沿明显变坏 图（图（b b）传输线较长，而且接）传输线较长，而且接受端的阻抗和传输线的阻抗不匹配，受端的阻抗和传输线的阻抗不匹配，在波形的上升沿和下降沿将产生振在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象荡现象 图（图（c c）当其他脉冲信号）当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声信号上将出现附加的噪声第23
19、页，共75页，编辑于2022年，星期三 三、用于脉冲鉴幅三、用于脉冲鉴幅图图6.2.10 6.2.10 用施密特触发器鉴别脉冲幅度用施密特触发器鉴别脉冲幅度 施密特触发器能将幅度大于施密特触发器能将幅度大于V VT+T+的的脉冲选出脉冲选出 构成多谐振荡器构成多谐振荡器第24页，共75页，编辑于2022年，星期三 6.3 单稳态触发器单稳态触发器 单稳态触发器工作特性的特点单稳态触发器工作特性的特点 第一，有稳态和暂稳态两个不同的工作状态第一，有稳态和暂稳态两个不同的工作状态 第二，在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一第二，在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂
20、稳态维持一段时间后，再自动返回稳态段时间后，再自动返回稳态 第三，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲第三，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关的宽度和幅度无关 单稳态触发器被广泛用于脉冲整形、延时（产生滞后于触发脉冲的输出脉单稳态触发器被广泛用于脉冲整形、延时（产生滞后于触发脉冲的输出脉冲）以及定时（产生固定时间宽度的脉冲）等冲）以及定时（产生固定时间宽度的脉冲）等第25页，共75页，编辑于2022年，星期三 6.3.1 用门电路组成的单稳态触发器用门电路组成的单稳态触发器 单稳态触发器的暂稳态通常都是靠单稳态触发器的暂稳态通常都是靠RCRC电
21、路的充、放电过程维持。根据电路的充、放电过程维持。根据RCRC电路电路的不同接法，单稳态触发器分为微分型和积分型的不同接法，单稳态触发器分为微分型和积分型 一、微分型单稳态触发器一、微分型单稳态触发器图图6.3.1 6.3.1 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 电路由电路由CMOSCMOS门电路和门电路和RCRC微分电路构成微分电路构成第26页，共75页，编辑于2022年，星期三 对于对于CMOSCMOS电路可以认为：电路可以认为：V VOHOHVVDDDD、V VOLOL00，V VTHTH0.5V0.5VDDDD，在稳，在稳态下态下v vI I=0=0、v vI2I2=V=VDDDD,
22、故故v vO O=0=0、v vO1O1=V=VDDDD,电容上没有电压电容上没有电压 v vd d上升到上升到V VTHTH以后，引发如下的正反馈过程，电路进入暂稳态，输以后，引发如下的正反馈过程，电路进入暂稳态，输出出v vO O=1=1。v vd d v vO1O1 v vI2 I2 v vO O 电容充电到电容充电到v vI2I2=V=VTHTH时，又时，又引发一个正反馈，使电路迅速引发一个正反馈，使电路迅速恢复到稳态，恢复到稳态，v vO O=0=0 v vI2I2 v vO O v vO1O1 当触发脉冲信号当触发脉冲信号v vI I加到输入端时，加到输入端时，在在v vd d端产
23、生很窄正脉冲，端产生很窄正脉冲，第27页，共75页，编辑于2022年，星期三图图6.3.2 6.3.2 图图6.3.16.3.1电路的电压波形图电路的电压波形图 输出脉冲宽度输出脉冲宽度t tW W：电容：电容C C开始充电到开始充电到v vI2I2上升至上升至V VTHTH的时间的时间 电容充、放电过程中，电容上电压从充、电容充、放电过程中，电容上电压从充、放电开始到变化至某一数值放电开始到变化至某一数值V VTHTH所经过的时间：所经过的时间：（6.3.16.3.1）电容电压充、放电的终了值电容电压充、放电的终了值 电容电压的起始值电容电压的起始值第28页，共75页，编辑于2022年，星期
24、三图图6.3.3 6.3.3 图图6.3.16.3.1电路中电容电路中电容C C充电的等效电路充电的等效电路 根据图根据图6.3.26.3.2和式（和式（6.3.16.3.1）解得）解得 （6.3.26.3.2）输出脉冲的幅度输出脉冲的幅度 （6.3.36.3.3）第29页，共75页，编辑于2022年，星期三图图6.3.4 6.3.4 图图6.3.16.3.1电路中电容电路中电容C C放电的等效电路放电的等效电路 恢复时间：恢复时间：（6.3.46.3.4）分辨时间：在保证电路能正常工作前提下，允许两个相邻触发脉冲之间分辨时间：在保证电路能正常工作前提下，允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔
25、。的最小时间间隔。（6.3.56.3.5）第30页，共75页，编辑于2022年，星期三 二、积分型单稳态触发器二、积分型单稳态触发器图图6.3.5 6.3.5 积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器 电路由电路由TTLTTL与非门和反相器以及与非门和反相器以及RCRC积分电路组成积分电路组成 电路中电路中R R的阻值不能取得太大，电路用正脉冲触发的阻值不能取得太大，电路用正脉冲触发第31页，共75页，编辑于2022年，星期三图图6.3.6 6.3.6 图图6.3.56.3.5电路的电压波形图电路的电压波形图第32页，共75页，编辑于2022年，星期三图图6.3.7 6.3.7 图图6.3.56.
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