脉冲波形产生与整形12.ppt
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1、第第6 6章章 脉冲波形的脉冲波形的 产生与整形产生与整形 6.1 6.1 概述概述 6.2 6.2 施施密特触发器密特触发器6.3 6.3 单稳态触发器单稳态触发器 6.46.4 多谐振荡器多谐振荡器6.5 6.5 555555定时器定时器6.1 6.1 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6.1 6.
2、1 概述概述 在在数数字字系系统统中中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。6.1 6.1 概述概述
3、二、脉冲信号的参数二、脉冲信号的参数trtftWT0.9 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 。6.1 6.1 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 U
4、C C(0(0+)=)=U UC C(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
5、间变化的方程为,可以得到电压随时间变化的方程为 6.1 6.1 概述概述tWU(t)UTtU()0U(0+)CCC6.2 6.2 施密特触发器施密特触发器 主要用途:把变化缓慢的信号波形变换为边沿陡峭的矩形波。特点:电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持和转换完全取决于外加触发信号。触发方式:电平触发。电压传输特性特殊,电路有两个转换电平(上限触发转换电平UT+和下限触发转换电平UT)。状态翻转时有正反馈过程,从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。6.2.16.2.1用集成门电路构成的施密特触发器用集成门电路构成的施密特触发器 1.电路组成两个CMOS反相器,两个分压电阻。图6-7用集成门电路构成的施密
6、特触发器(a)电路(b)逻辑符号2.工作原理(1)工作过程设CMOS反相器的阈值电压UTH=VDD/2,输入信号uI为三角波。怎样确定怎样确定UT+、UT 的值?的值?当uI=0V时,G1截止、G2导通,输出为UOL,即uO=0V。只要满足uI1UTH,电路就会处于这种状态(第一稳态)。当uI上升,使得uI1=UTH时,电路会产生如下正反馈过程:电路会迅速转换为G1导通、G2截止,输出为UOH,即uO=VDD的状态(第二稳态)。此时的uI值称为施密特触发器的上限触发转换电平UT+。显然,uI继续上升,电路的状态不会改变。如果uI下降,uI1也会下降。当uI1下降到UTH时,电路又会产生以下的正
7、反馈过程:电路会迅速转换为G1截止、G2导通、输出为UOL的第一稳态。此时的uI值称为施密特触发器的下限触发转换电平UT。uI再下降,电路将保持状态不变。(2)工作波形与电压传输特性施密特触发器将三角波uI变换成矩形波uO。图6-8施密特触发器的工作波形及电压传输特性(a)工作波形(b)电压传输特性3.重要参数上限触发转换电平UT+下限触发转换电平UT回差回差UT=UT+UT(通常(通常UT+UT)改变改变R1和和R2的大小可以改变回差的大小可以改变回差UT 集成施密特触发器的UT+和UT的具体数值可从集成电路手册中查到。如CT74132的UT+1.7 V、UT0.9 V,所以,UTUT+UT
8、1.7 V0.9 V0.8 V。6.2.26.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器 1.施密特反相器TTL的74LS14和CMOS的CC40106均为六施密特触发的反相器。下面以CC40106为例说明其功能。图6-9施密特触发反相器(a)原理框图(b)电压传输特性(c)逻辑符号为了提高电路的性能,电路在施密特触发器为了提高电路的性能,电路在施密特触发器的基础上,增加了整形级和输出级。的基础上,增加了整形级和输出级。整形级整形级可以使输出波形的边沿更加陡峭,可以使输出波形的边沿更加陡峭,输出级输出级可以提高电路的负载能力。可以提高电路的负载能力。2.施密特触发与非门电路 为了对输入波形进行整
9、形,许多集成门电路采用了施密特触发形式。比如CMOS的CC4093和TTL的74LS13就是施密特触发的与非门电路。图6-10施密特触发与非门的逻辑符号1.波形变换将变化缓慢的波形变换成矩形波(如将三角波或正弦波变换成同周期的矩形波)。图6-11波形变换6.2.36.2.3施密特触发器的应用施密特触发器的应用2.脉冲整形在数字系统中,矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变,或者边沿产生振荡等。通过施密特触发器整形,可以获得比较理想的矩形脉冲波形。图6-12脉冲整形波形波形畸变畸变边沿边沿振荡振荡3脉冲鉴幅将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端,只有那些幅度大于UT+的脉冲才会在输出端产生
10、输出信号。可见,施密特触发器具有脉冲鉴幅能力。图6-13脉冲鉴幅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。工作特点:第一,它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态;第二,在外加脉冲作用下,触发器能从稳态翻转到暂稳态;第三,在暂稳态维持一段时间后,将自动返回稳
11、态,暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数,与外加触发信号无关。例:楼道的路灯。6.3 6.3 单稳态触发器单稳态触发器 6.3.16.3.1 用集成门电路构成的单稳态触发器用集成门电路构成的单稳态触发器 1.电路组成及工作原理暂稳态是靠RC电路的充放电过程来维持的。由于图示电路的RC电路接成微分电路形式,故该电路又称为微分型单稳态触发器。图6-14集成门电路构成的单稳态触发器(1)输入信号uI为0时,电路处于稳态。uI2=VDD,uO=UOL=0,uO1UOH=VDD。(2)外加触发信号,电路翻转到暂稳态。当uI产生正跳变时,uO1产生负跳变,经过电容C耦合,使uI2产生负跳变,G2输出u
12、O产生正跳变;uO的正跳变反馈到G1输入端,从而导致如下正反馈过程:使电路迅速变为G1导通、G2截止的状态,此时,电路处于uO1=UOL、uO=uO2=UOH的状态。然而这一状态是不能长久保持的,故称为暂稳态。(3)电容C充电,电路由暂稳态自动返回稳态。在暂稳态期间,VDD经R对C充电,使uI2上升。当uI2上升达到G2的UTH时,电路会发生如下正反馈过程:使电路迅速由暂稳态返回稳态,uO1=UOH、uO=uO2=UOL。从暂稳态自动返回稳态之后,电容C将通过电阻R放电,使电容上的电压恢复到稳态时的初始值。图6-15单稳态触发器工作波形2.主要参数(1)输出脉冲宽度tw输出脉冲宽度tw,就是暂
13、稳态的维持时间。根据uI2的波形可以计算出:tw 0.7RC(2)恢复时间tre暂稳态结束后,电路需要一段时间恢复到初始状态。一般,恢复时间tre为(35)放电时间常数(通常放电时间常数远小于RC)。设触发信号的时间间隔为T,为了使单稳态触发器能够正常工作,应当满足Ttw+tre的条件,即Tmin=tw+tre。因 此,单 稳 态 触 发 器 的 最 高 工 作 频 率 为 fmax=1/Tmin=1/(tw+tre)在使用微分型单稳态触发器时,输入触发脉冲uI的宽度tw1应小于输出脉冲的宽度tw,即tw1tw,否则电路不能正常工作。如出现tw1tw的情况时,可在触发信号源uI和G1输入端之间
14、接入一个RC微分电路。3.对输入触发脉冲宽度的要求对输入触发脉冲宽度的要求(3)最高工作频率fmax(或最小工作周期Tmin)6.3.26.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 用集成门电路构成的单稳态触发器虽然电路简单,但输出脉冲宽度的稳定性较差,调节范围小,而且触发方式单一。因此实际应用中常采用集成单稳态触发器。1.输入脉冲触发方式上升沿触发下降沿触发2.不可重复触发型与可重复触发型 图图(a)为为不不可可重重复复型触发单稳态触发器型触发单稳态触发器该该电电路路在在触触发发进进入入暂暂稳稳态态期期间间如如再再次次受受到到触触发发,对对原原暂暂稳稳态态时时间间没没有有影影响响,输输出出脉
15、脉冲冲宽宽度度tw仍仍从从第第一一次次触触发发开开始始计算。计算。图图(b)为为可可重重复复触发型单稳态触发器触发型单稳态触发器 该该电电路路在在触触发发进进入入暂暂稳稳态态期期间间如如再再次次被被触触发发,则则输输出出脉脉冲冲宽宽度度可可在在此此前前暂暂稳稳态态时时间的基础上再展宽间的基础上再展宽tw。因因此此,采采用用可可重重复复触触发发单单稳稳态态触触发发器器时时能能比比较较方便地得到持续时间更长的输出脉冲宽度。方便地得到持续时间更长的输出脉冲宽度。3.TTL集成单稳态触发器电路74121的功能及其应用74121是一种不可重复触发的单稳态触发器,它既可采用上升沿触发,又可采用下降沿触发,
16、其内部还设有定时电阻Rint(约为2k)。表6-174121电路的功能表图6-1674121的电路符号触发输入端输出端外接定时元件引脚内部电阻引脚功能:(1)触发方式:图6-1774121应用电路(2)定时元件接法:输出脉冲uO的宽度:tw 0.7RCext外接电容Cext一般取值范围为10 pF10F,在要求不高的情况下最大值可达1000F。图图(a):外接电阻:外接电阻R=Rext(1.440k)。)。图图(b):用内部电阻:用内部电阻RRint(约为约为2k)。6.3.36.3.3单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用 1.脉冲延时单稳态触发器的主要应用是整形、定时和延时。图6-18单稳电
17、路的延时作用如果需要延迟脉冲的触发时间,可利用单稳电路来实现。uO的下降沿比的下降沿比uI的下降沿延迟了的下降沿延迟了tw的时间。的时间。2.脉冲定时单稳态触发器能够产生一定宽度tw的矩形脉冲,利用这个脉冲去控制某一电路,则可使它在tw时间内动作(或者不动作)。图6-19脉冲定时作业题作业题P3576.2P3596.91多谐振荡器没有稳定状态,只有两个暂稳态。2通过电容的充电和放电,使两个暂稳态相互交替,从而产生自激振荡,无需外触发。3输出周期性的矩形脉冲信号,由于含有丰富的谐波分量,故称作多谐振荡器。6.4 6.4 多谐振荡器多谐振荡器 6 6.4.1.4.1 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡
18、器 1.电路组成由两个TTL反相器经电容交叉耦合而成。通常令C1=C2=C,R1=R2=RF。为了使静态时反相器工作在转折区,具有较强的放大能力,应满足ROFFRFRON的条件。图6-20对称式多谐振荡器2.工作原理假定接通电源后,由于某种原因使uI1有微小正跳变,则必然会引起如下的正反馈过程:使uO1迅速跳变为低电平、uO2迅速跳变为高电平,电路进入第一暂稳态。此后,uO2的高电平对C1电容充电使uI2升高,电容C2放电使uI1降低。由于充电时间常数小于放电时间常数,所以充电速度较快,uI2首先上升到G2的阈值电压UTH,并引起如下的正反馈过程:使uO2迅速跳变为低电平、uO1迅速跳变为高电
19、平,电路进入第二暂稳态。此后,C1放电、C2充电,C2充电使uI1上升,会引起又一次正反馈过程,电路又回到第一暂稳态。这样,周而复始,电路不停地在两个暂稳态之间振荡,输出端产生了矩形脉冲。图6-21对称式多谐振荡器的工作波形3.主要参数矩形脉冲的振荡周期为 T1.4RFC当取RF1k、C100 pF100 F时,则该电路的振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内变化。6.4.26.4.2 环形振荡器环形振荡器 1.最简单的环形振荡器图6-22最简单的环形振荡器(a)电路(b)工作波形利用集成门电路的传输延迟时间,将奇数个反相器首尾相连便可构成最简单的环形振荡器。该电路没有稳定状态。如此周而复始,便产生
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