六章节脉冲波形产生和整形000002.ppt

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1、第六第六章章 脉冲波形脉冲波形的的产生产生和和整形整形 6-1 概述 6-3 单稳态触发器 6-4 多谐振荡器 6-5 555定时器及其应用 6-2 施密特触发器 6-1 概述 获取矩形脉冲波形（时钟）的途径有两种： 2、用整形电路把已有的周期性变化的波形整形产生 1、用多谐振荡器直接产生 矩形脉冲波形的整形电路施密特触发器、单稳态触发器。 用门电路可以构成施密特触发器、单稳态触发器 和多谐振荡器。 用555定时器也可以构成施密特触发器、单稳态触发器 和多谐振荡器。 6-2 施密特触发器 6-2-1 特点和用途 一、特点 1、电平触发：触发信号UI可以是变化缓慢的模拟信号， UI达 某一电平值

2、时，输出电压U0突变。 U0为脉冲信号。 2、电压滞后传输：输入信号UI从低电平上升过程中，电路状 态转换时对应的输入电平，与UI 从高电平下降过程中电路状 态转换时对应的输入电平不同。 施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。 利用上述两个特点，施密特触发器不仅能将边沿缓慢变化 的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，还可以将叠加在矩形脉 冲高、低电平上的噪声有效地清除。 同向输出特性： VT+ Uo UI UoL UoH 二、 输出特性 VT 反向输出特性： VT+ Uo UI UoL UoH UI = VT+时， Uo = UoL UI = VT- 时， Uo = UoL UI = V

3、T- 时， Uo = UoH VT UI = VT+ 时， Uo = UoH 00 当UI = 0时，Uo= UoL当UI = 0时， Uo= UoH 正向阈值电平VT+： UI 上升时，引起Uo 突变时对应的UI 值。 负向阈值电平VT- ： UI 下降时，引起Uo 突变时对应的UI值。 三、用途整形，构成单稳态触发器，构成多谐振荡器。 UO1UIUIUO 11 R2 R1 G1G2 6-2-2 用门电路构成施密特触发器 一、构成 UIUO1UO说 明 UI =00010 同相施密特触发器 UI上升 过程中 VT-VTH 01 01 10 VT-VTH =VT-=VTH G1、G2门将要翻转

4、 UO突变 1 UI （用CMOS非门） = = = = 二、工作原理 VT+VTH 01 10 = 电路中电流流向和电位情况见图。 2、求VT- UOL 1 UI，G1 R1 R2 UI G2 1 UO 在UI从最大值开始 下降时，UO=UOH。 UOHVTH VT- 从求UI ,入手求V T- ： UI , = U TH = UOH UR2 = VT- = R2 R1+R2 VTH R2 R1 UOH R2 R1+R2 UOH （UOH VT ） 又： 故： UOH = VDD； VTH = VDD 1 2 VT- =（1 ）VTH R1 R2 电路中电流流向和电位情况见图。 在UI VT

5、+ ， UI , V TH ，G1、G2 门要翻转前的瞬间， = = 五、电压传输特性 UI =0时，UO=UOL 是同相施密特特性 UI UO VDDVTH 2 VTH R1 R2 3、求回差电压VT VT =VT+ - VT- = 2 VTH R1 R2 = R1 R2 VDD 当VDD一定时，调R1、R2 ，可调UT ， 即可调VT+ VT-，可调UO脉宽。 六、逻辑符号 11 & 1 VT-VT+ 6-2-3 集成施密特触发器 常用TTL电路集成施密特触发器有7413等， 常用CMOS电路集成施密特触发器有CC40106等。 6-2-4 施密特触发器的应用 一、用于波形变换 例： 已知

6、UI为半波，UI m= 9V， 电路的VT+ =6V， VT-=3V UOH =VDD，试画UO波形。 9 6 3 VT+ VT- VDD VDD 1 1 UI （V） t o t UO o t UO o 二、用于脉冲整形 UI tO UO tO UI tO UO tO UI tO UO tO VT+ VT- VT+ VT- VT+ VT- 1 1 三、用于脉冲鉴幅 6-3 单稳态触发器 6-3-1 特点和用途 一、特点 1、开机（接通电源），电路出现稳态。 2、外加触发信号，电路翻转为暂态。 暂态维持一段时间，自动返回稳态 3、暂态维持时间的长短，只和电路参数有关， 与触发信号的幅度、电源电

7、压的高低无关。 二、用途 1、整形输出矩形波。 2、定时输出一定宽度的矩形波。 3、延时将输入信号延长一定时间后输出。 6-3-2 用门电路组成单稳态触发器 一、微分型单稳态触发器 1、组成（用CMOS或非门） 2、工作原理（用正窄脉冲触发） UI UO1UI2UO说 明 接通VDD 不触发 VDDUOL 00110 稳态：UO=0 C中无电荷 触发1001暂态：UO=1 C充电 UI2 =VTH0 00110 返回稳态：UO=0 C放电 UI2 =VDD0 00110 恢复为起始稳态 C中无电荷 注释：此时的逻辑电平“1”， 对应的电位为（VDD+0.7）V。 UI UO1UI2 UO UI

8、， 1 1 VDD C R G1G2 UI， 总之： 不触发：UO=0，C中无电荷 触发：UO=1 C充电：返回 UO=0 C放电：恢复为起始稳态， UO=0， C中无电荷 3、电压波形 t UI VTH t UO1 t UI2 t UO * 为了保证触发时间极短， 通常在UI端加RC微分电路： 1 G1 UO1 Cd Rd UI Ud t UI t Ud t UO VDD+0.7 注意；第二次触发必须在 第一次触发稳定之后进行 。 电压波形 4、输出脉宽 TW 和幅度 UOm VTH t UI2 t UO TW 根据一阶RC电路暂态过程中， 求任意变量的一般公式： 可得： t A(t)=A(

9、)+ A(0+)-A() e A() - A() - t =ln 从波形图中看出，TW是C充电使UI2从0上升到VTH对应的时间， UI2()=VDD , UI2(0+)=0, 1 2 UI2(TW)=VTH = VDD ,RC TW = RC ln 1 VDD - 0 VDD - VDD 2 Uom = UOH -UOL VDD 1）求TW 2）求Uom = RC ln2 A(0+) A(t) 所以：= 0.69 RC 5、分辨时间 Td Td是指在保证电路正常工作 的前提下，两个相邻触发脉冲 之间，允许的最小时间间隔。 VTH t UI2 t UO TW Tre Td 由波形图知： Td

10、= TW + Tre TW：输出脉冲的宽度 Tre ：恢复时间，即 C放电达 稳定值VDD所需的时间 T放。 RO N D1 G2G1 R - + VDD C 由放电回路知： 放电回路 （D1是G2 门输入保护 电路中的二极管。） Tre =T放= (35)(RON +R/rD)C 当D1的等效电阻rD远远小于RON 和R时， Tre =T放 (35)RON C 二、积分型单稳态触发器 1、组成 可用TTL与非门组成， 门之间用RC积分电路耦合。 UA UB UO1 UO UI 2、工作原理 （用正的宽脉冲触发） UI UAUBUO说 明 接通VCC 不触发 10VCC01自然稳态：UO=1

11、触发10VCC10暂稳态：UO=0 1 返回稳态：UO=1 C放电 UA VTH 恢复为自然稳态 101 不触发10VCC01 UO=1 R C G1 G2 & UO1 3、电压波形 t UI t UO1 t UA t UO VTH TTRTre Tw 4、输出脉宽 TW 和幅度 UOm TW RC ln VOL - UOH VOL - VTH Uom = UOH -UOL 5、分辨时间 Td Td 由波形图知： Td = TTR + Tre TTR ：触发脉冲的宽度 Tre ：恢复时间，即 UO1跳到UOH后， C充电达稳定值所需的时间 T充。 + -C R UOH RO +VCC G1 U

12、A 由充电回路知： 充电回路 Tre =T充 = (35)(RO+R)C 6-3-3 集成单稳态触发器 1、不可重复触发 触发进入暂稳态时，再加触发脉冲无效 t UI TW UO t 2、可重复触发 触发进入暂稳态时，再次触发有效 ，输出脉冲可再维持一个脉宽。 t UI UO t TW 常用74121，74221，74LS221等都 是不可重复触发的单稳态触发器。 其中，74121的电路符号如图： Cext Rext Cext Uo RintVcc GND B A2 A1 Uo 3 4 51 6 7 1011914 74121 一、分类 二、常用产品举例 输 入输 出 A1A2BUO UO 0

13、X 101 X0 101 XX 001 11X01 电平 触发 11 11 1 0X X0 脉冲 触发 集成单稳态触发器74121的功能表 下降沿触发时的接法 1 UI 不利用Rint 时的接法 Cext Rext Cext Uo RintVcc GND B A2 A1 Uo 3 4 51 6 7 1011914 74121 +VCC Cext Rext Cext Uo RintVcc GND B A2 A1 Uo 3 4 51 6 7 1011914 74121 上升沿触发时的接法 UI 利用Rint 时的接法 （Rint2 K） CR C+VCC 三、应用举例 1、脉冲整形 Cext Re

14、xt Cext Uo RintVcc GND B A2 A1 Uo 3 4 51 6 7 1011914 74121 +VCCCR UI t UI t UO TW = 0.69 RC 2、输出脉冲延时 UI +VCC UO2 VCC UOB A1 A2 C1R1 UO （1） VCC UOB A1 A2 C2R2 UO （2） t UI t UO1 t UO2 t UO1 TW1 TW2 触发后，电路延时TW1 时间再输出。 TW1 = 0.69 R1C1 TW2 = 0.69 R2C2 3、定时输出 UI UO2 7412174121 UA B A1 A2 UO 74121 & t UI t

15、 UA t UO TW 只在触发之后的TW 时间内有UA 输出。 UO2 t 6-4 多谐振荡器 特点：不需要外加触发信号，电路自激振荡，没有稳态。 用途：产生脉冲方波。 6-4-1 用门电路构成多谐振荡器 一、对称式多谐振荡器 1、组成（用TTL门电路） UI1UO2UO1UI2 1 1 C1 C2 G1 G2 RF1 RF2 2、工作原理 则，暂态 ： UO1=0、UO2=1 接下来：C1充电、C2 放电 假设，某一时刻，电路出现 UO1=0、UO2=1的状态， 001 1 UI1UO2UO1UI2 1 1 C1 C2 G1 G2 RF1 RF2 + + C2放电回路： UI1 UOL1

16、UOH2 RF1 C2 + - C2+ RF1 UOL1 UOH2 C2- C2放电使UI1。 C2放电： UI2 UOH2UOL1 R1 VCC G2 RF2 C1 - + C1充电： 暂态 ： UO1=0、UO2=1 C1充电等效回路： UOH2 RE1 C1 UOL1 （RE1=RF2R1） C1充电使UI2。 由于RE1 时， VCC 2 3 U6 和 比较的结果，由C1反相输出。 VCC 2 3 反相 同相 U6 U2 RD UO TD Q Q Rd Sd 2 3 VCC 1 3 VCC 放电管TD的作用： 给外接电容C提供 放电通路。 Q Q C1 + - C2 + - Rd Sd

17、 VR1 VR2 5K 5K 5K UO TD +VCC CO U6 U2 1 2 6 5 84 3 7 （TH） （TR） RD 结构图的等效简化电路： 相当于： C2出0； C2出1。 C2将U2和 进行比较 VCC 1 3 当U2 时， VCC 1 3 U2 和 比较的结果， VCC 1 3 由C2同相输出。 二、工作原理 输 入过 渡输 出 RDU6U2RdSdQQTD状态 0XXX X 导通 1 2 3 VCC 2 3 VCC 1 3 VCC导通 1 1 3 VCC 1 3 VCC保 持 表 1 CB555功能表（CO端悬空时） 表1 的主要 内容见表2： U6U2 2 3 VCC

18、2 3 VCC 1 3 VCC 1 3 VCC 1 3 VCC Q 0 1 保 持 工作原理 见表1 表2 RD =1时的表1 由表2可得如下口诀： 大于、大于、出0； 小于、小于、出1； 小于、大于、保持 01 10 11 01 01 10 当CO端接有UCO 时： 1 2 UCO ，VR2 = 三、说明 VR1 = UCO、换为 1 3 VCC 将上述分析中的 换为 2 3 VCC 1 2 UCO ， 所有结论仍成立。 四、电路符号 555 定时器的电源电压范围较宽， CMOS类：VDD为318伏，（UOHVDD95% ，IOm4mA） TTL类： VCC为516伏，（UOHVCC90%）

19、， IOm200mA） UO TH TD CO VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 555 TR RD GND UCO ， 6-5-2 555定时器接成施密特触发器 二、工作原理 （设：UI为模拟三角波） UIU6 U2UO 2 3 VCC 2 3 VCC 1 3 VCC 1 3 VCC 2 3 VCC 1 3 VCC0导通 稳态：UO =0 放电= 0 2 3 VCC 1 3 VCC0导通 返回：UO =0 放电= 0 2 3 VCC 1 3 VCC0导通 C放电 2 3 VCC 1截止 = 1 3 VCC 1 3 VCC 循环往复， 直到关机。 一、电路组成 三、电压波形 总之：起始时

20、，UC=0，UO=UOH UO 在 UOLUOH 之间振荡 UC在 之间变化 2 3 VCC 1 3 VCC 2 3 VCC 1 3 VCC t UC O t UO O T1T2 充电回路：VCC+R1R2 C VCC-（充电慢） 放电回路：C+ R2 TD C -（放电快） T1 = 0.69(R1+R2)C； T2 = 0.69R2C； T= 0.69(R1+2 R2)C； q = T1/T 以后 T1=(R1+R2)C ln VCC - VCC - VT- VT+ T2= R2C ln 0 - 0 - VT+ VT- 四、电路计算 本例： = R1+R2 R1+2 R2 555定时器应用

21、举例： 下图是用555定时器接成的延时报警器。当开关S断开后 ，经过一定的延迟时间后扬声器开始发出声音。试求延迟的 时间TD和扬声器发出声音的频率f。 UO 1 UO2 解： （1）（2） （1）片接成施密特触发器， U6=U2= UC1 的电压波形通过操纵开关S获得。 （2）片不工作。（2）片的 RD=0， （2）片接成多谐振荡器。 当UO1=1时； 当UO1=0时； （2）片自激振荡，喇叭出声。 1 2 3 4 6 8 555 VCC=12V 1 6 4 2 3 8 555 0.01F 1 7 5K 5K 100F 10F 1M S + + + C1 工作波形： S闭合S断开 2 3 VCC 1 3 VCC S闭合 VCC 喇叭响 TD TO2=0.69 (R1+2R2 ) C= 0.69 (5 +25 ) 103 0.0110-6103.5S fO2 9.66KHZ U6、U2 UO1 t UO2 t t UC1 TO2 VCC-0 VCC - TD= RC ln =10610 10-6 ln 11（S） 12 12-8 2 3 VCC