脉冲波形产生与整形.pptx

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1、16.1 6.1 概概概概 述述述述图6.1.1 描述矩形脉冲特性的主要参数 因为在数字系统中，所处理的信号大都是数字信号和脉冲信号，因此首先应该对如何描述一个脉冲信号的各种参数有一个明确的规定。第2页/共95页第1页/共95页2脉冲周期T周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。频率 f表示单位时间内脉冲重复的次数。f=1/T脉冲幅度 Vm脉冲电压的最大变化幅度。脉冲宽度 tw从脉冲前沿到达0.5 Vm起，到脉冲后沿到达0.5 Vm为止的 一段时间。上升时间 tr脉冲上升沿从 0.1 Vm上升到0.9 Vm所需要的时间。下降时间 tf脉冲下降沿从 0.9 Vm下降到 0.1Vm所需

2、要的时间。占空比q脉冲宽度与脉冲周期的比值，亦即q=tw/T。第3页/共95页第2页/共95页36.2 施施密密特特触发器触发器施密特触发器（Schmitt Trigger)特点输入信号从低电平上升到触发电平使电路转换状态，当输入信号下降到另外一个电平，电路又回到原来状态。但触发电平和返回电平不一样，存在滞后现象，或叫回差。电路转换状态时，通过内部的正反馈作用，使输出信号的变化沿非常陡峭。因此可以将缓慢变化的信号整形为边沿陡峭的矩形波，而且因为回差电压的存在，还可以有效抑制干扰。vIvOtt第4页/共95页第3页/共95页46.2.1 用门电路组成的施密特触发器 1.用CMOS门电路组成的施密

3、特触发器图6.2.1 用CMOS反相器构成的施密特触发器（a）电路 （b）图形符号R10.7V时，由于射级耦合，将发生正反馈，即最终使T2截止，T1饱和，vO=VOL。当vI下降到VT使vBE10.7V时，又开始正反馈过程，即最终使T1又截止，T2饱和，vO=VOH。第11页/共95页第10页/共95页11（2）参数计算 T1截止，T2饱和时的电路方程为得出：将参数代入后解出：(6.2.7)(6.2.8)(6.2.9)(6.2.10)当vI上升到T1刚导通时，开始正反馈，因此此时的输入为正向阈值电压：第12页/共95页第11页/共95页12 当vI下降到使T2刚开始导通时，即VCE1=0.7V

4、时，正反馈开 始，因此，此时的输入电压为负向阈值电压，有：因此负向阈值电压为：回差电压为：第13页/共95页第12页/共95页13图6.2.5 集成施密特触发器7413的电压传输特性第14页/共95页第13页/共95页142.CC40106 CMOS集成施密特触发器图6.2.6 CMOS集成施密特触发器CC40106第15页/共95页第14页/共95页15图6.2.7 集成施密特触发器CC40106的特性（a）电压传输特性（b）VDD对VT、VT的影响第16页/共95页第15页/共95页166.2.3 施施密密特特触发器触发器的应用的应用一、用于波形变换图6.2.8 用施密特触发器实现波形变换

5、第17页/共95页第16页/共95页17二、用于脉冲整形图6.2.9 用施密特触发器对脉冲整形(b)(a)(c)第18页/共95页第17页/共95页18三、作为幅度鉴别器(Amplitude discriminator)图6.2.10 用施密特触发器鉴别脉冲幅度第19页/共95页第18页/共95页196.3 单稳态单稳态触发器触发器(Monostable multivibrator)单稳态电路的特点：有一个稳态和一个暂稳态 在触发脉冲作用下，它从稳态进入暂稳态，维持一段时间后自动回到原来的稳态。暂稳态时间的长短取决于电路中的参数，与触发脉冲宽度无关。主要应用 脉冲整形 延迟 定时第20页/共9

6、5页第19页/共95页206.3.1 用门电路组成的单稳态触发器一、微分型单稳态触发器 1.由CMOS门构成的微分型单稳态触发器图6.3.1 用CMOS门组成的微分型单稳态触发器定时微分电路输入微分电路第21页/共95页第20页/共95页21（1）静态时，vo1=1,vo=0 当正向触发信号来到时，首先使，vo1=0,vo=1，然后电路自锁，即便是触发信号消失，也能维持vo=0，电路进入暂稳态。其过程为：（2）进入暂稳态后，vO1为低电平，电源为C充电，v12开始上升，当上升到VTH时，又将开始一个正反馈，最后回到原来的稳态，vO=0第22页/共95页第21页/共95页22 （3）恢复时间 由

7、于电容电压不能突变，所以v12也跟随v01上跳，然后电容开始放电，最后恢复到静态值。图6.3.2 图6.3.1电路的电压波形图VDD第23页/共95页第22页/共95页23（4）暂稳态时间计算 由于RC一阶电路的响应可表示为：因此暂稳宽度：输出脉冲幅度恢复时间分辨时间最高工作频率（6.3.1)（6.3.2)（6.3.3)（6.3.4)（6.3.5)第24页/共95页第23页/共95页24图6.3.3 图6.3.1电路中电容C充电的等效电路图6.3.4 图6.3.1电路中电容C放电的等效电路第25页/共95页第24页/共95页25vIvo1v12voCCdRdRDvd 2.由TTL门构成的微分型

8、单稳态触发器（1）工作原理 在静态时，vo1=0,vO=1.当负触发信号到来时，vo1=1，v12跟随上跳使vo=0，然后自锁。暂稳态开始。电容开始充电，v12指数下降，当v12=VTH时，开始正反馈，最后回到原来的稳态。二极管的作用是减小反向恢复时间。工作波形如下图所示。图6.3.5 用CMOS门组成的微分型单稳态触发器第26页/共95页第25页/共95页26tw1.4VVOLVOHVTHv120+Vmv120trevIvdvo1v12vo图6.3.6 TTL微分单稳态的电压波形图6.37 电容C充电的等效电路图6.3.8 电容C放电电的等效电路加恢复二极管后第27页/共95页第26页/共9

9、5页27（2）参数计算结论：对于微分单稳态，要求输入触发发脉冲宽度要小于暂稳宽度，它是靠输入微分电路来实现的。因而对快速变化的脉冲沿比较敏感，抗干扰能力差。第28页/共95页第27页/共95页28二、积分单稳态（1）结构与工作原理图6.3.9 积分型单稳态触发器定时积分电路图6.3.10 图6.3.9电路的电压波形图第29页/共95页第28页/共95页29静态时，vI=vIL，vO1=VOH,vA=VOH,vO=VOH 当正触发脉冲来到时，vO1=VOL,vA来不及突变，开始放电,而且此时输入尚没撤掉，因此vO变为低电平VOL，暂稳开始。当vA放电到VTH后，vO回到高电平VOH。当输入结束，

10、vO1又上升为高电平，电容开始充电，经过恢复时间，使vA=VOH。因此，可以看出积分单稳态电路的特点为：触发脉冲的宽度应该大于暂稳时间，否则输出宽度将等于触发脉冲宽度。没有正反馈过程，输出脉冲前沿不是很陡峭。抗干扰能力比较强第30页/共95页第29页/共95页30图6.3.11 图6.3.9电路中电容C的放电回路（2）.参数计算第31页/共95页第30页/共95页316.3.2 集成单稳态触发器 一、TTL集成单稳态触发器图6.3.12 集成单稳态触发器74121的逻辑图外接定时元件触发输入第32页/共95页第31页/共95页32第33页/共95页第32页/共95页33图6.3.13 集成单稳

11、态触发器74121的工作波形图第34页/共95页第33页/共95页34图6.3.14 集成单稳态触发器74121的外部连接方法（a）使用外接电阻Rext（下降沿触发）（b）使用内部电阻Rint（上升沿触发）第35页/共95页第34页/共95页35（a）不可重复触发型（b）可重复触发型图6.3.15 不可重复触发型与可重复触发型单 稳态触发器的工作波形目前常用的TTL单稳态集成电路有不可重触发74LS121、74LS221(双单稳)、74221(双单稳)可重触发74122、74LS122、74123(双单稳)、74LS123(双单稳)等。第36页/共95页第35页/共95页36图6.3.16 集

12、成单稳态触发器CC14528的逻辑图A-下降沿触发B-上升沿触发静态时A=1，B=0二、CMOS集成单稳态触发器第37页/共95页第36页/共95页37图6.3.13 集成单稳态触发器CC14528的工作波形第38页/共95页第37页/共95页386.4 多谐振荡器(Multivibrator)一种能自动产生连续矩形脉冲信号的电路。它具有两个暂稳态，来回交替，产生振荡。图6.4.1 对称式多谐振荡器电路图6.4.2 TTL反相器（7404）的电压传输特性负载线，调整RF使之与传输特性交于P点6.4.1 对称式多谐振荡器 1.电路原理第39页/共95页第38页/共95页39图6.4.3 计算TT

13、L反相器静态工作点的等效电路 要使电路静态时没有稳态，必须使每个门的工作点处于门电路的转折区。如图6.4.2所示。从图6.4.3看出输入电压为(6.4.1)曲线斜率为：vo=0时与横轴交于第40页/共95页第39页/共95页40（1）当vI有轻微正跳边变时，必然引起以下正反馈过程。迅速使vO1=VOL，vO2=VOH。电路进入第一个暂稳态。然后电容C1开始充电，vI2指数上升；C2开始放电，vI1指数下降。充放电等效电路如图图6.4.4*电容电压不能突变第41页/共95页第40页/共95页41图6.4.4 图6.4.1电路中电容的充、放电等效电路（a）C1充电的等效电路（b）C2放电的等效电路

14、等效充电电压为：充电时间常数为：放电时间常数为：(6.4.2)(6.4.3)(6.4.4)第42页/共95页第41页/共95页42 当vI2上升到转折电压VTH时，又发生一个正反馈过程如下。迅速使vO1=VOH，vO2=VOL。电路进入第二个暂稳态。然后电容C2开始充电，vI1指数上升；C1开始放电，vI2指数下降。当vI1上升到转折电压VTH时，又重新开始下一个周期。*电容电压不能突变*第43页/共95页第42页/共95页43图6.4.5 图6.4.1电路中各点电压的波形VTH+Vm输入保护二极管导通电压。第44页/共95页第43页/共95页442.参数计算根据RC电路充放电原理当参数完全对

15、称时如设VOH=3.4V,VIK=-1V,RFR1，可以近似计算出振荡周期和频率为(6.4.5)(6.4.6)(6.4.7)第45页/共95页第44页/共95页45第46页/共95页第45页/共95页466.4.2 非对称式多谐振荡器图6.4.6 CMOS非对称式多谐振荡器电路图6.4.7 图6.4.6电路中CMOS反相器静态工作点的确定选择RF使工作点位于P点，因此该点是不稳定的。第47页/共95页第46页/共95页47（1）当vI1有轻微正跳边变时，必然引起以下正反馈过程。结果迅速使vO1=VOL，vO2=VOH。电路进入第一个暂稳态。然后电容C开始放电，vI1指数下降。充放电等效电路如图

16、6.4.8。放电时间常数为(6.48)第48页/共95页第47页/共95页48 当vI1下降到转折电压VTH=0.5VDD时，电路又发生一个正反馈过程如下。结果迅速使vO1=VOH，vO2=VOL。电路进入第二个暂稳态。然后电容C开始充电，vI1指数上升。充电时间常数为(6.4.8)第49页/共95页第48页/共95页49图6.4.8 图6.4.6电路中电容的充、放电等效电路（a）放电的等效电路（b）充电的等效电路第50页/共95页第49页/共95页50图6.4.9 图6.4.6电路的工作波形图第51页/共95页第50页/共95页51(6.4.9)(6.4.10)(6.4.11)因此可以求出：

17、第52页/共95页第51页/共95页52第53页/共95页第52页/共95页536.4.3 环形振荡器1.简单的环形振荡器图6.4.10 最简单的环形振荡器图6.4.11 图6.4.10电路的工作波形图第54页/共95页第53页/共95页542.带RC延迟环节的环形振荡器图6.4.12 带RC延迟电路的环形振荡器（a）原理性电路（b）实用的改进电路通过积分电路，增加到达G3的翻转电平的时间第55页/共95页第54页/共95页55图6.4.13 图6.4.12（b）电路的工作波形放电充电T1T2 当电容放电使vI3=VTH时，使vO=VOH，vI2=VOL，vO2=VOH,并使vI3下跳一个幅度

18、Vm=VOH-VOL，第一暂稳开始，电容开始充电。当电容充电使vI3=VTH时，使vO=VOL，vI2=VOH，vO2=VOL,并使vI3上跳一个幅度Vm=VOH-VOL，第二暂稳开始，电容又开始放电。开始下个周期。等效充放电回路如图6.4.14.第56页/共95页第55页/共95页56图6.4.14 图6.4.12(b)电路中电容C的充、放电等效电路（a）充电时的等效电路 （b）放电时的等效电路等效充电电压为充电时间常数为：放电时间常数为：(6.4.12)(6.4.13)(6.4.14)第57页/共95页第56页/共95页57则得出充电时间为：(6.4.15)放电时间为(6.4.16)第58

19、页/共95页第57页/共95页58如果设TTL门电路的VOL=0，VOH=3.4V,VTH=1.4V,代入后得放电时间：放电时间：振荡周期：(6.4.17)(6.4.18)(6.4.19)第59页/共95页第58页/共95页596.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器图6.4.15 用施密特触发器构成的多谐振荡器图6.4.16 图6.4.15电路的电压波形图充电放电(6.4.20)(6.4.21)第60页/共95页第59页/共95页60第61页/共95页第60页/共95页61 为了得到占空比可调的振荡波形，应设使充放电的时间常数不同。如图6.4.17.图6.4.17 脉冲占空比可调的多谐振荡

20、器(6.4.22)(6.4.23)第62页/共95页第61页/共95页626.4.5石英晶体多谐振荡器石英晶体谐振器的特点：频率稳定，不易受温度、湿度、电源波动等环境因素的影响。它的谐振频率只与几何尺寸、形状、切片形式等有关。图6.4.18 石英晶体的符号等效电路和电抗频率特性(a)(b)(c)第63页/共95页第62页/共95页63图6.4.19 石英晶体多谐振荡器只有在f0时晶体阻抗最小，因此振荡频率就是f0(6.4.24)(6.4.25)第64页/共95页第63页/共95页64*6.4.6 压控振荡器(Voltage Controled Oscillator)一、施密特触发器型压控振荡器

21、图6.4.20 施密特触发器型压控振荡器的原理性电路和电压波形（a）电路结构（b）电压波形 输出高电平时充电，输出低电平时放电，充放电电流与控制电压vI成线形关系。改变电压就可以改变充放电电流，从而改变频率。第65页/共95页第64页/共95页65图6.4.21 LM566简化的结构框图T4、T5、Rext组成受vI控制的可控电流源,I0=(VCC-vI)/RextT1、T2、D1、D2、T3组成充放电开关，而T1、T2是镜像电流源。矩形波输出三角波输出第66页/共95页第65页/共95页66结合图6.4.20(b),可以求出充放电时间为。(6.4.26)(6.4.27)(6.4.28)(6.

22、4.29)第67页/共95页第66页/共95页67二、电容交叉充、放电型压控振荡器图6.4.22 电容交叉充、放电型压控振荡器的原理图 当Q开始变为1后，TN1、TP2导通，TN2、TP1截止。I0流经TP2TN1地给电容Cext充电，vB上升，当vB上升到VTH时，触发器翻转为Q=0；使TN2、TP1导通，TN1、TP2截止。然后IO流经TP1TN2地给电容Cext反向充电，vA上升，当vA上升到VTH时，触发器又翻转为Q=1，重新开始下个周期。第68页/共95页第67页/共95页68图6.4.23 图6.4.22电路的电压波形图VDF是二极管的导通电压，当vA或vB负跳变时，被箝位到-VD

23、F。(6.4.30)(6.4.31)(6.4.32)第69页/共95页第68页/共95页69 例如集成锁相还CC4046中就是采用这种结构的VCO，它的电流源结构如图6.4.24，图6.4.24 CC4046中压控振荡器的电流源电路T1,T2为镜像关系，所以IO=ID2INH为禁止输入端，INH=0时，T4导通，电流为I0，INH=1时，T4截止，电流为I0=0，图6.4.25 CC4046用作压控振荡器时的接法第70页/共95页第69页/共95页70(6.4.33)(6.4.34)第71页/共95页第70页/共95页71三、定时型压控振荡器图6.4.26 LM331的电路结构框图定时电路电流

24、源及开关控制电路放电管第72页/共95页第71页/共95页72T1T2vCLvCTSRQvo2/3VCCvItttttt000000图6.4.27 LM331各点波形T第73页/共95页第72页/共95页73从图中可以看出，CT和CL的充电时间为T1，即为Q=1的时间 CL的放电时间为T2，达到稳定振荡后，可以近似认为电容CL上在一个周期内充放电荷相等，而因为CL很大，可认为它上面的电压近似不变，约等于vI，则：(6.4.35)(6.4.36)(6.4.37)(6.4.38)第74页/共95页第73页/共95页74(6.4.39)(6.4.40)(6.4.41)第75页/共95页第74页/共9

25、5页75第76页/共95页第75页/共95页766.5 555定时器及其应用 555是一种数字-模拟混合集成电路，可应用于波形产生、变换、定时控制、测量等很多方面。双极型器件的电路有：产品型号的后三位都是555(单定时器)和556(双定时器)电源范围：516V，最大负载电流约200mA。CMOS器件的电路有：产品型号的后三位都是7555(单定时器)和7556(双定时器)电源范围：318V，最大负载电流约4mA。第77页/共95页第76页/共95页776.5 555定时器的电路结构与功能图6.5.1 CB555的电路结构图触发输入端阈值端（门限电压输入）清零端放电管控制电压输入第78页/共95页

26、第77页/共95页78因此得到555电路的功能表。第79页/共95页第78页/共95页79第80页/共95页第79页/共95页806.5.2 用555定时器接成的施密特触发器图6.5.2 用555定时器接成的施密特触发器第81页/共95页第80页/共95页81图6.5.3 图6.5.2电路的电压传输特性第82页/共95页第81页/共95页826.5.4 用555定时器接成的单稳态触发器图6.5.4 用555定时器接成的单稳态触发器 在静态时，如果vO=0，则TD通，vc1=1，vc2=1，Q不变，故维持vO=0。如假定在静态时vO=1，则TD截止，vc1=0，vc2=1，Q=0，同样使vO再回

27、到低电平。因此，静态时自动使vO=0。第83页/共95页第82页/共95页83图6.5.5 图6.5.4电路的电压波形图 触发后，使vO=1，TD截止，暂稳开始，电容充电，电压指数上升，当上升到2/3VCC时，输出又自动回到低电平。然后电容经重新导通的TD管放电，因此恢复时间很短。从555的电路可以看出，要求触发脉宽必须小于暂稳宽度。tw（6.5.1)第84页/共95页第83页/共95页846.5.6 用555定时器接成的多谐振荡器图6.5.6 用555定时器接成的多谐振荡器图6.5.7 图6.5.6电路的电压波形图 一、电路结构和工作原理第85页/共95页第84页/共95页85 设某瞬间电容

28、电压降为VCC/3(VT-)，使输出跳变为vO=1，则TD截止，然后VCC经R1、R2给电容充电，vC上升，当上升到vC=VT+=2VCC/3时，输出又变为Vo=0，使TD导通，C经R2、TD放电，当vC下降到VT-时，重新开始下个周期。（6.5.2)（6.5.3)（6.5.4)（6.5.5)（6.5.6)第86页/共95页第85页/共95页86二、由555构成的占空比可调的多谐振荡器图6.5.8 用555定时器组成的占空比可调的多谐振荡器充电回路放电回路（6.5.7)（6.5.8)（6.5.9)（6.5.10)（6.5.11)第87页/共95页第86页/共95页87第88页/共95页第87页

29、/共95页88图6.5.9 例6.5.1设计的多谐振荡器第89页/共95页第88页/共95页89本章小结 在这一章里我们介绍了用于产生矩形脉冲的各种电路以及分析和计算方法。一、脉冲整形电路，即施密特触发器和单稳态触发器。因为施密特触发器输出的高、低电平随输人信号的电平改变，所以输出脉冲的宽度是由输人信号决定的。由于它的滞回特性和输出电平转换过程中正反馈的作用，使输出电压波形的边沿得到明显的改善。单稳态触发器输出信号的宽度则完全由电路参数决定，与输人信号无关。输人信号只起触发作用。因此，单稳态触发器可以用于产生固定宽度的脉冲信号。二、自激脉冲振荡器，它们不需要外加输人信号，只要接通供电电源，就自

30、动产生矩形脉冲信号。第90页/共95页第89页/共95页90本章介绍的多谐振荡器电路从工作原理上可以分为以下类型：1.一种是利用闭合回路的正反馈产生振荡的。对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器以及石英晶体多谐振荡器都属于这一种。2.第二种是靠闭合回路的延迟负反馈作用产生振荡的。环形振荡器和用施密特触发器组成的振荡器都属于这一种。3.压控振荡器是一种电压频率变换电路（VF变换电路），在自动控制和测量以及信号传输中具有广泛的用途。它的振荡频率受输人的模拟电压信号控制。在本章介绍的几种压控振荡器电路中，都是用输人电压信号去改变振荡过程中电容充、放电电流的大小实现对频率控制的。不同类型、不同型号集成压控

31、振荡器产品在电压濒率变换的线性度上相差很大。第91页/共95页第90页/共95页914.555定时器是一种用途很广的集成电路，除了能组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器以外，还可以接成各种应用电路。三、在分析单稳态触发器和多谐振荡器时，我们采用的是波形分析法。在分析一些简单的脉冲电路时，这种方法物理概念清楚，简单实用。现将这种分析方法的步骤归纳如下：分析电路的工作过程，定性地画出电路中各点电压的波形，找出决定电路状态发生转换的控制电压。画出控制电压充、放电的等效电路，并将得到的电路化简。确定每个控制电压充、放电的起始值、终了值和转换值。第92页/共95页第91页/共95页92计算充、放电

32、时间，求出所需的计算结果。可以看出，关键在于能否通过对电路工作过程的分析正确地画出电路各点的电压波形。为此，必须正确理解电路的工作原理。在分析用常见的器件组成的典型脉冲电路时，也可以藉助于计算机辅助分析的手段。在一些实用的计算机辅助分析软件中已编制了这些器件的数学模型和电路的分析程序。但无论是建立器件的数学模型还是开发分析程序，都是以充分了解电路的工作原理为基础的。此外，还可以用集成运算放大器构成多谐振荡器。第93页/共95页第92页/共95页93本章习题本章习题题6.2题6.9题6.12题6.14题6.27题6.30题6.31题6.32第94页/共95页第93页/共95页94祝同学们学习进步！再见！第95页/共95页第94页/共95页95感谢您的观看！第95页/共95页