数字电路第八章脉冲波形的产生与整形j.ppt

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1、第第8 8章章 脉冲波形的产生与整形脉冲波形的产生与整形 8.1 概述概述 8.2 555 555定时器定时器8.3 单稳态触发器单稳态触发器 8.4 施施密特触发器密特触发器8.5 多谐振荡器多谐振荡器8.1 8.1 概述概述一、脉冲信号一、脉冲信号 脉冲是脉冲是脉动脉动和和短促短促的意思，凡是具有的意思，凡是具有不连续波形不连续波形的信的信号均可称为脉冲信号。广义讲，各种号均可称为脉冲信号。广义讲，各种非正弦信号非正弦信号都是脉冲都是脉冲信号。信号。(a)(a)矩形波矩形波(b)(b)方波方波(c)(c)尖脉冲尖脉冲(d)(d)锯齿波锯齿波8.1 8.1 概述概述 在在数数字字系系统统中中

2、常常常常需需要要用用到到各各种种幅幅度度、宽宽度度以以及及具具有有陡峭边沿的矩形脉冲信号陡峭边沿的矩形脉冲信号，如触发器的时钟脉冲（，如触发器的时钟脉冲（CPCP）。）。获取这些脉冲信号的方法通常有两种：获取这些脉冲信号的方法通常有两种：脉冲产生电路直接产生；脉冲产生电路直接产生；利用已有的周期信号整形、变换得到。利用已有的周期信号整形、变换得到。脉冲整形、变换电路脉冲整形、变换电路单稳态触发器单稳态触发器 施密特触发器施密特触发器；脉冲产生电路脉冲产生电路多谐振荡器；多谐振荡器；多用途的定时电路多用途的定时电路555定时器定时器。8.1 8.1 概述概述二、脉冲信号的参数二、脉冲信号的参数t

3、rtftWT0.9 Um0.5 Um0.1 UmUm矩形脉冲信号的主要参数矩形脉冲信号的主要参数 脉脉冲冲幅幅度度 脉冲周期脉冲周期脉冲宽度脉冲宽度上升时间上升时间下降时间下降时间占空比占空比D D脉冲宽度与脉冲周期的比值，脉冲宽度与脉冲周期的比值，D Dt tW W/T/T 。8.1 8.1 概述概述三、脉冲产生电路的暂态分析三、脉冲产生电路的暂态分析脉冲波形产生与整形电路多是由脉冲波形产生与整形电路多是由RCRC充放电电路充放电电路构成的。构成的。开开关关闭闭合合的的一一瞬瞬间间，电电容容器器上上电电压压不不能能突突变变，满满足足开开关关定理定理U UC C(0(0+)=)=U UC C(

4、0(0-)。充充电电暂暂态态过过程程结结束束后后，流流过过电电容容器器的的电电流流i iC C()()为为0 0，即即电容器相当于开路电容器相当于开路。tMU(t)UTtU()0U(0+)CCCUC(t)SUCR令令u uC C(t(tW W)=U)=UT T，则则从从暂暂态态过过程程的的起起始始值值U UC C(0(0+)变变到到U UT T所所经经历历的时间的时间t tW W（脉冲宽度）可用下式计算：脉冲宽度）可用下式计算：电电路路的的时时间间常常数数=RCRC，决决定定了了暂暂态态时时间间的的长长短短。根根据据三要素公式三要素公式，可以得到电压随时间变化的方程为，可以得到电压随时间变化的

5、方程为 8.1 8.1 概述概述tWU(t)UTtU()0U(0+)CCC 555555定时器是一种将模拟电路和数字电路集成定时器是一种将模拟电路和数字电路集成定时器是一种将模拟电路和数字电路集成定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。用它可以构成单稳态触发器、于一体的电子器件。用它可以构成单稳态触发器、于一体的电子器件。用它可以构成单稳态触发器、于一体的电子器件。用它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。555555定定定定时器在工业控制、定时、检测、

6、报警等方面有广时器在工业控制、定时、检测、报警等方面有广时器在工业控制、定时、检测、报警等方面有广时器在工业控制、定时、检测、报警等方面有广泛应用。泛应用。泛应用。泛应用。6.5.1 5556.5.1 555定时器的结构定时器的结构定时器的结构定时器的结构1.1.分压器：分压器：分压器：分压器：由三个等值电阻构成由三个等值电阻构成由三个等值电阻构成由三个等值电阻构成2.2.比较器：比较器：比较器：比较器：由电压比较器由电压比较器由电压比较器由电压比较器C1C1和和和和C2C2构成构成构成构成3.3.R-SR-S触发器触发器触发器触发器4.4.集电极开路的放电三极管集电极开路的放电三极管集电极开

7、路的放电三极管集电极开路的放电三极管T T8.2 5558.2 555定时器定时器VAVB输出端输出端输出端输出端 电压电压电压电压控制端控制端控制端控制端 高电平高电平高电平高电平触发端触发端触发端触发端低电平低电平低电平低电平触发端触发端触发端触发端放电端放电端放电端放电端复位端复位端复位端复位端UCC分压器分压器分压器分压器比较器比较器比较器比较器R R-S S触发器触发器触发器触发器放电管放电管放电管放电管调转调转地地+C1+C2QQRDSD5K5K5KT2 24 456 67 78 83 31 1VTVT是一个是一个集电极开路集电极开路的的放电三极管。放电三极管。当当u uO O0

8、0时，时，VTVT导通；导通；当当u uO O1 1时，时，VTVT截止。截止。2/3 UCC2/3 UCC1/3 UCC011/3 UCC112/3 UCC2/3 UCC01101Q=0导通导通1稳定状态稳定状态稳定状态稳定状态8.3 由由555定时器组成的单稳态触发器定时器组成的单稳态触发器(地地)uCR1+U+UCCCCuiU UCCCC+C1+C2QQRDSD5K5K5KVAVB T1348(复位端复位端)uO65271101Q=1截止截止暂稳状态暂稳状态暂稳状态暂稳状态02/3 UCC1010Q=1010 110稳定状态稳定状态稳定状态稳定状态Q=0+UCC48562713.0.01

9、 FuCCuiuoRuituCtuOt(1/3UCC)Q=0Q=1T导通，导通，C通过通过T放电放电,uC 0接通电源接通电源RD=0SD=1保持保持“0”态态RD=1SD=1上升到上升到2/3 UCC8.3 由由555定时器组成的单稳态触发器定时器组成的单稳态触发器uituCtuOt暂稳态暂稳态tp+UCC48562713.0.01 FuCCuiuO2/3UCCRD=1SD=0Q=1Q=0T截止截止C充电充电RD=0SD=1Q=0Q=1R8.3 由由555定时器组成的单稳态触发器定时器组成的单稳态触发器8.3 8.3 单稳态触发器单稳态触发器TuI13UCC0uo0tWTWuC023UCCt

10、ttUCC48762315uCCuouIRUCC0.01F555波形图波形图 电电路路对对输输入入触触发发脉脉冲冲的的宽宽度度有有一一定定要要求求，它它必必须须小小于于t tW W。若若输入触发脉冲宽度大于输入触发脉冲宽度大于t tW W时，应在时，应在u u2 2输入端加入输入端加入微分电路微分电路。因此可得因此可得 8.3 8.3 单稳态触发器单稳态触发器2.2.输出脉冲宽度输出脉冲宽度t tW W 输输出出脉脉冲冲宽宽度度t tW W是是暂暂稳稳态态的的停停留留时时间间，即即电电容容C C的的电电压压从从0 0充电到充电到 所需的时间。根据电容所需的时间。根据电容C C的充电过程可知：的

11、充电过程可知：上式说明：单稳态触发器输出脉冲宽度上式说明：单稳态触发器输出脉冲宽度t tW W仅决定于定仅决定于定时元件时元件R R、C C的取值，且成正比关系，而与输入触发信号和的取值，且成正比关系，而与输入触发信号和电源电压无关，因此调节电源电压无关，因此调节R R、C C的大小，即可方便地改变的大小，即可方便地改变t tW W。矩形脉冲的周期与输入的触发信号周期相同。矩形脉冲的周期与输入的触发信号周期相同。8.3 8.3 单稳态触发器单稳态触发器二、单稳态触发器的应用二、单稳态触发器的应用1.1.脉冲整形脉冲整形IutWOu 单稳态触发器能够把输入的单稳态触发器能够把输入的不规则不规则脉

12、冲信号脉冲信号u uI I，整整形为具有一定幅度和一定宽度的标准形为具有一定幅度和一定宽度的标准矩形脉冲矩形脉冲u uO O。u uO O的的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度t tW W决定决定于定时元件于定时元件R R和和C C。单稳态触发器的整形波形单稳态触发器的整形波形8.3 8.3 单稳态触发器单稳态触发器2.2.脉冲延时脉冲延时 脉冲延时电路一般要用脉冲延时电路一般要用两个两个单稳态触发器完成。单稳态触发器完成。延延时时间为时时间为t tW1W1，它决定于第一级单稳态触发器的定时元件它决定于第一级单稳态触发器的定时元件R R和和C

13、C。11uIu0（tW1）（tW2）单稳态触发器的延时波形单稳态触发器的延时波形8.3 8.3 单稳态触发器单稳态触发器3.3.定时定时 由于由于单稳触发器可产生宽度为单稳触发器可产生宽度为t tW W的矩形脉冲的矩形脉冲，利用，利用这个矩形脉冲去控制某电路使它在这个矩形脉冲去控制某电路使它在t tW W的时间内动作或不的时间内动作或不动作，这就是单稳态触发器的动作，这就是单稳态触发器的定时作用定时作用。定时时间为。定时时间为t tW W，可通过调节定时元件可通过调节定时元件R R和和C C来调节定时时间。来调节定时时间。1&uIOuuO单稳与门uFtWuIuOuFOu单稳态触发器的定时波形单

14、稳态触发器的定时波形例例例例1 1：单稳态触发器构成定时检测单稳态触发器构成定时检测单稳态触发器构成定时检测单稳态触发器构成定时检测&uiuBuAuouituBtuotuAt8.3 由由555定时器组成的单稳态触发器定时器组成的单稳态触发器例例例例2 2：单稳态触发器构成单稳态触发器构成单稳态触发器构成单稳态触发器构成短时用照明灯短时用照明灯48162357uouiUCCSRCuituottp若若若若S S S S未按下未按下未按下未按下,则则则则 u ui i =1=1=1=1 若若若若S S S S按下按下按下按下,则则则则 u ui i =0=0=0=0 8.3 由由555定时器组成的单

15、稳态触发器定时器组成的单稳态触发器uo按一下按一下按钮按钮 S未按未按0KT的线圈的线圈不通电不通电KT 的触点的触点断开断开灯灯灭灭1通电通电闭合闭合亮亮灯亮的时间为：灯亮的时间为：灯亮的时间为：灯亮的时间为：t tp p =1.1=1.1 R CR C48162357uOuiUCCCSKTKTD1D2R施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。其特点：一种电路。其特点：1、输入信号从低电平上升的过程中，电路、输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换

16、电平不同。高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。2、在电路状态转换时，通过电路内部的正、在电路状态转换时，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。反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。8.4 8.4 施密特触发器施密特触发器一、一、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反向输出施密特触发器反向输出施密特触发器8.4 8.4 施密特触发器施密特触发器一、一、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1.1.电路结构和逻辑符号电路结构和逻辑符号846210.01F3UCCuIuo5555综之：综之：当当5 5脚不接控制电压时，脚不接控制电压时

17、，当当5 5脚接控制电压脚接控制电压U UCOCO时，比较电压变为时，比较电压变为U UCOCO和（和（1/21/2）U UCOCO，uot00uI13UCC23UCCtUU+uOHuOL2.2.工作原理工作原理8.4 8.4 施密特触发器施密特触发器(1)(1)上升过程：上升过程：时，时，u uO O1 1；时，时，u uO O保持不变；保持不变；时，输出时，输出翻转翻转u uO O0 0。(2)(2)下降过程：下降过程：时，时，u uO O0 0；时，时，u uO O保持不变；保持不变；时，输出时，输出翻转翻转u uO O1 1。5 5脚经过脚经过0.010.01 F F电容接地，容接地，

18、则 ，。8.4 8.4 施密特触发器施密特触发器二、施密特触发器的应用二、施密特触发器的应用1.1.波形变换波形变换 施密特触发器可以将施密特触发器可以将边沿变化缓慢边沿变化缓慢的周期性信号变换的周期性信号变换成边沿陡峭的成边沿陡峭的矩形脉冲矩形脉冲信号。信号。8.4 8.4 施密特触发器施密特触发器2.2.波形整形波形整形 施密特触发器可以将施密特触发器可以将不规则的波形整形为矩形波不规则的波形整形为矩形波。若。若适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。回差电压回差电压是由是由5脚接入的控制电压脚接入的控制电压UCO来控制的。来控制的。uot0uo

19、t0uIt0U+UU(a)(b)(c)从从一一系系列列幅幅度度不不同同的的脉脉冲冲信信号号中中选选出出幅幅度度大大于于正正向向阈值电压阈值电压U U+的输入脉冲的输入脉冲，即对幅度进行鉴别。即对幅度进行鉴别。8.4 8.4 施密特触发器施密特触发器3.3.幅度鉴别幅度鉴别uIU+Ut0uo0t同向输出施密特触发器同向输出施密特触发器8.4 8.4 施密特触发器施密特触发器4.4.构成多谐振荡器构成多谐振荡器工作原理：工作原理：电容上初始电压为零，即电容上初始电压为零，即u uI I0 0，则，则u uO O1 1，并经并经R R向向C C充电，当充至充电，当充至u uI IU U+时，输出翻转

20、时，输出翻转u uO O0 0。电容电容C C又经又经R R进行放电，当放电至进行放电，当放电至u uI IU U-时，输出翻转时，输出翻转u uO O1 1。8.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器是一种常用的多谐振荡器是一种常用的多谐振荡器是一种常用的多谐振荡器是一种常用的脉冲信号产生电路脉冲信号产生电路脉冲信号产生电路脉冲信号产生电路。工作工作特性特性 无稳态无稳态，具有两个暂稳态；，具有两个暂稳态；自激振荡器自激振荡器在接通电源后，不需外加触发信号，在接通电源后，不需外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲；便能自动产生矩形脉冲；矩形波中除基波外，还含有丰富的高次谐波故称矩形波中除基波

21、外，还含有丰富的高次谐波故称为为多谐振荡器多谐振荡器。多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器是一种常用的脉冲波形发生是一种常用的脉冲波形发生器器,触发器和时序电路中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器触发器和时序电路中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器产生的。产生的。自动触发自动触发自动返回自动返回暂稳态暂稳态0暂稳态暂稳态1暂稳态暂稳态08.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器一、一、555555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器1.1.电路结构电路结构48762315CUCCR1R2555uo0.01FuCR1R2和和C是外接定时元件，是外接定时元件，2脚和脚和6脚短接，脚短接，0.01uF电容

22、起滤波作用。电容起滤波作用。8.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器uC13UCCuo0T123UCCttUCCT202.2.工作原理工作原理 接通电源后，电容接通电源后，电容C C来不及充电，来不及充电，u uc c0 0，则，则u uO O1(1(第一个第一个暂稳态暂稳态)，VTVT截止。这时截止。这时UccUcc经经R R1 1和和R R2 2向向C C充电，当充至充电，当充至u uc c2/3Ucc2/3Ucc时，输出翻转时，输出翻转u uO O0(0(第二个暂稳态第二个暂稳态)，VTVT导通；这时电导通；这时电容容C C经经R R2 2和和VTVT放电，当降至放电，当降至u uc c1/

23、3Ucc1/3Ucc时，输出翻转时，输出翻转u uO O1 1。UCC+C1+C2QQRDSD.5K5K5KVAVB T13245678(复位端复位端)(地地)uO8.5 由由555定时器组成的多谐振荡器定时器组成的多谐振荡器接通电源接通电源通电前通电前通电前通电前u uC C=0=00111002/3 UCCRD=1SD=0.uCR1R2.+C充电充电C放电放电1RR1 1，则，则D D1/21/2，即输出为对称方波。即输出为对称方波。（D50）8.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器4.4.改进电路占空比可调的多谐振荡器改进电路占空比可调的多谐振荡器 利用二极管的利用二极管的单向导电性单向导电

24、性，把电容，把电容C C充电和放电回路充电和放电回路隔离隔离开来，再加上一个开来，再加上一个可调电位器可调电位器R RW W，便可构成占空比便可构成占空比可调的多谐振荡器。可调的多谐振荡器。电容充电时间电容充电时间T T1 1：T T1 10.7R0.7R1 1C C电容放电时间电容放电时间T T2 2：T T2 20.7R0.7R2 2C C输出波形占空比输出波形占空比D D：电路振荡周期电路振荡周期T T：T TT T1 1+T+T2 20.7(R0.7(R1 1+R+R2 2)C)C若若R R1 1=R=R2 2，则，则D=50%D=50%。847623UCCR1R2555RWuo0.0

25、1FCVD2VD1518.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器5.5555.555定时器构成的振荡器应用实例模拟声响发生器定时器构成的振荡器应用实例模拟声响发生器 将振荡器将振荡器A A的输出电压的输出电压u uo1o1，接到振荡器接到振荡器B B中中555555定时器的定时器的复位端复位端（4 4脚）。当脚）。当u uo1o1为高电平时振荡器为高电平时振荡器B B振荡，当振荡，当u uo1o1为低为低电平时电平时555555定时器复位，振荡器定时器复位，振荡器B B停止振荡。这样，停止振荡。这样，扬声器扬声器便发出便发出“呜呜呜呜”的间歇声响的间歇声响。84762351555A0.01FCR1A

26、R2A847623155550.01FCR1BR2BRduo18uo25FUCCuo1uo2(a)(b)B.uC.+UCC4876213CR1R25.例：例：例：例：多谐振荡器构成水位监控报警电路多谐振荡器构成水位监控报警电路多谐振荡器构成水位监控报警电路多谐振荡器构成水位监控报警电路 水位正常情况下，电容水位正常情况下，电容C被短接，扬声器不发被短接，扬声器不发音；水位下降到探测器以下时，多谐振荡器开始音；水位下降到探测器以下时，多谐振荡器开始工作，扬声器发出报警。工作，扬声器发出报警。+当频率为谐振频率当频率为谐振频率f f0 0时，时，石英晶体的等效阻抗最小，石英晶体的等效阻抗最小，信号

27、最容易通过，而其它频信号最容易通过，而其它频率信号均被衰减掉。率信号均被衰减掉。晶体的晶体的选频特性极好选频特性极好。为为了了提提高高振振荡荡器器的的频频率率稳稳定定度度，往往往往使使用用石石英英晶晶体体多谐振荡器。多谐振荡器。8.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器二、石英晶体多谐振荡器二、石英晶体多谐振荡器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，受电源波动、温度变化等影响，频率稳定性较差频率稳定性较差。f f

28、0 0只与晶体的材料、几只与晶体的材料、几何形状和尺寸大小有关，何形状和尺寸大小有关，而与电路中的而与电路中的R R、C C数值无数值无关。关。输出频率稳态性很高输出频率稳态性很高。X0f0f石英晶体的石英晶体的图形符号和电抗频率特性图形符号和电抗频率特性石英晶体的固有石英晶体的固有频率或谐振频率频率或谐振频率8.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器电电阻阻R R1 1、R R2 2的的作作用用：保保证证两两个个反反相相器器在在静静态态时时都都能能工工作作在在线线性性放放大大区区。对对TTLTTL反反相相器器，常常取取R R0.7k0.7k2k2k，而而对对于于CMOS

29、CMOS门，则常取门，则常取R R10M10M；C C1 1是耦合电容；是耦合电容；C C2 2的作用：抑制高次谐波。的作用：抑制高次谐波。电路的振荡频率等于石英晶体的谐振频率电路的振荡频率等于石英晶体的谐振频率f f0 0。11RRC1f0G1G2C28.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器秒脉冲发生器秒脉冲发生器CMOSCMOS石英晶体多谐振荡器产生石英晶体多谐振荡器产生f f=32768Hz=32768Hz的基准信号；的基准信号；经经TT触发器构成的触发器构成的1515级级异步计数器异步计数器分频分频后，便可得到稳后，便可得到稳定度极高的定度极高的秒脉冲信号秒脉冲信号。这种秒脉冲发生器可做为各种这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源计时系统的基准信号源。第第8 8章章 小结小结1.1.熟练掌握熟练掌握555555定时器的工作原理及应用定时器的工作原理及应用；2.2.正确理解单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器正确理解单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器的工作原理及应用。的工作原理及应用。