数字电路脉冲波形的产生与整形概要.pptx
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1、8.1 概 述 脉冲产生电路和整形电路的特点 获得矩形脉冲的方法通常有两种:一种是用脉冲产生电路直接产生;另一种是对已有的信号进行整形,然后将它变换成所需要的脉冲信号。脉冲产生电路能够直接产生矩形脉冲或方波,它由开关元件和惰性电路组成,开关元件的通断使电路实现不同状态的转换,而惰性电路则用来控制暂态变化过程的快慢。典型的矩形脉冲产生电路有双稳态触发电路、单稳态触发电路和多谐振荡电路三种类型。第1页/共56页 双稳态触发电路具有两个稳定状态,两个稳定状态的转换都需要在外加触发脉冲的推动下才能完成。单稳态触发电路只有一个稳定状态,另一个是暂时稳定状态,从稳定状态转换到暂稳态时必须由外加触发信号触发
2、,从暂稳态转换到稳态是由电路自身完成的,暂稳态的持续时间取决于电路本身的参数。多谐振荡电路能够自激产生脉冲波形,它的状态转换不需要外加触发信号触发,而完全由电路自身完成。因此它没有稳定状态,只有两个暂稳态。第2页/共56页 脉冲整形电路能够将其它形状的信号,如正弦波、三角波和一些不规则的波形变换成矩形脉冲。施密特触发器就是常用的整形电路,它有两个特点:能把变化非常缓慢的输入波形整形成数字电路所需要的矩形脉冲;有两个触发电平,当输入信号达到某一额定值时,电路状态就会转换,因此它属于电平触发的双稳态电路。第3页/共56页脉冲电路的基本分析方法 图 8-1 RC开关电路 第4页/共56页 开关转换的
3、一瞬间,电容器上电压不能突变,满足开关定理UC(0+)=UC(0-)。暂态过程结束后,流过电容器的电流iC()为0,即电容器相当于开路。电路的时常数=RC,决定了暂态时间的长短。根据三要素公式,可以得到电压(或电流)随时间变化的方程为 如果U(tM)=UT,它是U(0+)和U()之间的某一转换值,那么从暂态过程的起始值U(0+)变到UT所经历的时间tM(见图8-2)可用下式计算:第5页/共56页图 8-2 从U(0+)到UT所经历的时间tM第6页/共56页8.2 555 定时器及其应用 定时器的组成与功能图 8-3 555 定时器(a)电路结构;(b)引脚图 第7页/共56页 图 8-3(a)
4、中,比较器C1的输入端U6(接引脚 6)称为阈值输入端,手册上用TH标注,比较器C2的输入端U2(接引脚2)称触发输入端,手册上用TR标注。C1和C2的参考电压(电压比较的基准)UR1和UR2由电源UCC经三个5k的电阻分压给出。当控制电压输入端UCO悬空时,;若UCO外接固定电压,则 。RD为异步置 0 端,只要在RD端加入低电平,则基本RS触发器就置 0,平时RD处于高电平。第8页/共56页 定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RS触发器和放电管V1状态的控制。当 时,比较器C1输出为 0,C2输出为 1,基本RS触发器被置 0,V1导通,Uo输出为低电平。当 时,C1输出为 1,C2
5、输出为 0,基本RS触发器被置 1,V1截止,Uo输出高电平。当 时,C1和C2输出均为 1,则基本RS触发器的状态保持不变,因而V1和Uo输出状态也维持不变。第9页/共56页表 8-1 555定时器功能表 第10页/共56页定时器的典型应用 1.单稳态触发器 图 8-4 用 555 定时器构成的单稳触发器(a)电路图;(b)波形图 第11页/共56页 1)工作原理 静止期:触发信号没有来到,Ui为高电平。电源刚接通时,电路有一个暂态过程,即电源通过电阻R向电容C充电,当UC上升到 时,RS触发器置 0,Uo=0,V1导通,因此电容C又通过导电管V1迅速放电,直到UC=0,电路进入稳态。这时如
6、果Ui一直没有触发信号来到,电路就一直处于Uo=0 的稳定状态。第12页/共56页 暂稳态:外加触发信号Ui的下降沿到达时,由于 ,RS触发器Q端置 1,因此Uo=1,V1截止,UCC开始通过电阻R向电容C充电。随着电容C充电的进行,UC不断上升,趋向值UC()=UCC。Ui的触发负脉冲消失后,U2回到高电平,在 期间,RS触发器状态保持不变,因此,Uo一直保持高电平不变,电路维持在暂稳态。但当电容C上的电压上升到 时,RS触发器置 0,电路输出Uo=0,V1导通,此时暂稳态便结束,电路将返回到初始的稳态。第13页/共56页 恢复期:V1导通后,电容C通过V1迅速放电,使UC0,电路又恢复到稳
7、态,第二个触发信号到来时,又重复上述过程。输出电压Uo和电容C上电压UC的工作波形如图 8-4(b)所示。第14页/共56页 2)输出脉冲宽度TW 输出脉冲宽度TW是暂稳态的停留时间,根据电容C的充电过程可知:因而代入式(8-2)可得 图 8-4(a)所示电路对输入触发脉冲的宽度有一定要求,它必须小于TW。若输入触发脉冲宽度大于TW时,应在U2输入端加RiCi微分电路。第15页/共56页 3)单稳触发电路的用途 延时,将输入信号延迟一定时间(一般为脉宽TW)后输出。定时,产生一定宽度的脉冲信号。第16页/共56页2.多谐振荡器 图 8-5 用 555 定时器构成的多谐振荡器(a)电路图;(b)
8、波形图 第17页/共56页 1)工作原理 多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后,电路处于某一暂稳态,电容C上电压UC略低于 ,Uo输出高电平,V1截止,电源UCC通过R1、R2 给电容C充电。随着充电的进行UC逐渐增高,但只要 ,输出电压Uo就一直保持高电平不变,这就是第一个暂稳态。第18页/共56页 当电容C上的电压UC略微超过 时(即U6和U2均大于等于 时),RS触发器置 0,使输出电压Uo从原来的高电平翻转到低电平,即Uo=0,V1导通饱和,此 时 电 容 C通 过 R2和 V1放 电。随 着 电 容 C放 电,UC下 降,但 只 要 ,Uo就一直保持低电平不变,这就是第二个暂稳
9、态。当UC下降到略微低于 时,RS触发器置 1,电路输出又变为Uo=1,V1截止,电容C再次充电,又重复上述过程,电路输出便得到周期性的矩形脉冲。其工作波形如图8-5(b)所第19页/共56页 2)振荡周期T的计算 多谐振荡器的振荡周期为两个暂稳态的持续时间,T=T1+T2。由图 8-5(b)UC的波形求得电容C的充电时间T1和放电时间2各为 因而振荡周期 第20页/共56页 3)占空比可调的多谐振荡器 图 8-6 占空比可调的多谐振荡器 第21页/共56页 电容C的充电路径为UCCR1V1C地,因而T1=0.7R1C。电容C的放电路径为CV2R2放电管V1地,因而T2=0.7R2C。振荡周期
10、为 占空比为 第22页/共56页 4)多谐振荡器应用举例 用两个多谐振荡器可以组成如图8-7(a)所示的模拟声响电路。适当选择定时元件,使振荡器A的振荡频率fA=1Hz,振荡器B的振荡频率 fB=1kHz。由于低频振荡器A的输出接至高频振荡器B的复位端(4脚),当Uo1输出高电平时,B振荡器才能振荡,Uo1输出低电平时,B振荡器被复位,停止振荡,因此使扬声器发出 1kHz的间歇声响。其工作波形如图 8-7(b)所示。第23页/共56页图 8-7 用 555 定时器构成的模拟声响发生器(a)电路图;(b)波形图 第24页/共56页3.施密特触发器1)施密特触发器的构成与工作原理 图 8-8 用
11、555 定时器构成的施密特触发器(a)电路图;(b)波形图;(c)电压传输特性 第25页/共56页 图中U6(TH)和U2(TR)端直接连在一起作为触发电平输入端。若在输入端Ui加三角波,则可在输出端得到如图 8-8(b)所示的矩形脉冲。其工作过程如下:Ui从0开始升高,当 时,RS触发器置 1,故Uo=UoH;当 时,RS=11,故Uo=UoH保持不变;当 时,电路发生翻转,RS触发器置 0,Uo从UoH变为UoL,此时相应的Ui幅值 称为上触发电平U+。第26页/共56页 当 时,Uo=UoL不 变;当 Ui下 降,且 时,由于RS触发器的RS=11,故Uo=UoL保持不变;只有当Ui下降
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