第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形

1、1,,第六章 脈沖波形 的產(chǎn)生和整形,本章的重點： 1.施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器典型電路的工作原理，以及電路參數(shù)和性能的定性關(guān)系； 2．555定時器的應(yīng)用； 3．脈沖電路的分析方法。本章的難點： 分析脈沖電路時使用的是分析非線性電路過渡過程的方法，而且在分析電路時必須考慮集成電路在不同工作狀態(tài)下輸入端和輸出端的等效電路。因此，脈沖電路的分析方法是本章的難點。,2,,第六章 脈沖波形 的產(chǎn)生和整

2、形,第一節(jié) 概述,本章只討論矩形脈沖。,矩形脈沖的主要參數(shù)：,脈沖周期T；,脈沖頻率：,脈沖幅度VM；,脈沖寬度tW；,上升時間tr；,下降時間tf；,本章討論三種脈沖電路：施密特觸發(fā)器；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；多諧振蕩器。,每種電路都有三種構(gòu)成方式：集成；用門電路構(gòu)成；用555電路構(gòu)成。,本章主要介紹用555電路構(gòu)成的脈沖電路。,f = 1/T,占空比q：,q=tw /T .,3,,第二節(jié) 555定時器及其應(yīng)用,一、555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功

3、能,555電路又稱為集成定時器。,1972年由Signetics公司推出。既有雙極型產(chǎn)品，也有MOS型產(chǎn)品。它們產(chǎn)品型號的最后3位數(shù)碼都是555.如：,CB555 是國產(chǎn)雙極型電路；,CH7555是CMOS型電路。,清零端,控制電壓,閾值端、高觸發(fā)端,觸發(fā)端、低觸發(fā)端,放電端,CB555電路結(jié)構(gòu)圖,4,,低,導(dǎo)通,1,>,>,低,導(dǎo)通,1,導(dǎo)通,<,<,低,（不變）,,高,截止,1,1,<,>,&

4、gt;,高,截止,（不變）,,,VCO,電路的功能：,有兩個閾值電壓：,VR1=2VCC / 3,VR2=VCC / 3,2VCC / 3,VCC / 3,0,5,,二、構(gòu)成施密特觸發(fā)器（Schmitt Trigger）,（一）電路的特點：,1.輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應(yīng)的輸入電平不同。,2.在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部 的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿很陡。,工作原

5、理：,分析輸入電壓由0V上升到VCC和由VCC下降到0V時，電路狀態(tài)如何變化。,6,,,,,,0,,t,,,,,,,,V T+:正向閾值電壓或上限閾值電壓,VT- :負向閾值電壓或下限閾值電壓,V= VT+ - VT- ： 回差,電壓傳輸特性,若改變VCO值VT+,VT-的值將改變。,VOH,,0.01,特點：,由于有比較器，允許輸入信號慢變化；,由于有觸發(fā)器，輸出端邊沿好。,V T+,V T-,,7,,,,,（二）施密特

6、觸發(fā)器的應(yīng)用,1.波形變換,2.脈沖整形,3.脈沖鑒幅,波形變換,脈沖整形,,,,,脈沖鑒幅,8,（三）其他類型的施密特觸發(fā)器,用門電路也可構(gòu)成施密特觸發(fā)器；還有集成的施密特觸發(fā)器。,用門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器已很少使用，這里不作介紹。,集成施密特觸發(fā)器既有TTL型，也有CMOS型。,如74LS14是集成施密特觸發(fā)六反相器；74LS132是施密特觸發(fā)的四－2輸入與非門。,如CC40106是集成施密特觸發(fā)六反相器；CC4093是施

7、密特觸發(fā)的四－2輸入與非門。,9,三、構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,（一）電路的特點,1.有兩個狀態(tài)——穩(wěn)態(tài)、暫穩(wěn)態(tài)；,2.在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，再自動返回；,3.暫穩(wěn)態(tài)維持時間長短取決于電路本身參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,,,,,tW,tW由電路內(nèi)部參數(shù)決定,暫穩(wěn)態(tài),穩(wěn)態(tài),10,,,（二）工作原理,1.穩(wěn)態(tài),=VH ,,設(shè)TD工作在飽和狀態(tài)，則：,VC=VTH=0V, 555電

8、路處于保持狀態(tài)，且一定是VO=VL，,這是因為若假設(shè)TD截止，則不合理。,2.觸發(fā),,555電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為VO=VH,此時TD截止，VC保持0V不變。,3.暫穩(wěn)態(tài),電容C充電,,,,=VIL,充,其三要素為：,(0)=0V,,( )=VCC，,=RC,4.自動返回,,VCC,11,當(dāng) =2/3 VCC時，555電路翻轉(zhuǎn)為輸出VL,而 保持不變。,,5.恢復(fù),由于TD導(dǎo)通，電容C向TD放電，使 迅速

9、下降為0V。,,充,,,4.自動返回,12,,（三）參數(shù)計算,,1.脈沖寬度tW,得到公式：,tW,VCC,0V,2.恢復(fù)時間tre:,tre=(3~5)rcec,3.分辨時間td:,td=tw+tre,,tre,（四）電路特點：,窄脈沖觸發(fā)。,觸發(fā)脈沖的最小周期,觸發(fā)脈沖寬度要小于輸出脈沖寬度,RC,2/3VCC,,13,,,若條件不滿足可在輸入端加微分電路：,,14,（五）應(yīng)用,1.整形——改變輸入脈沖的占空比。,2.定時（延時）,

10、控制脈沖,被測脈沖,例1：數(shù)字頻率計。,例2：延時觸發(fā),能輸出固定寬度的脈沖。,寬度為1秒的正脈沖,延遲時間為tW1，輸出脈寬為Tw2.,,15,（六）其他類型的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,用門電路可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；,也有集成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。,1.集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,既有TTL電路產(chǎn)品，也有CMOS電路產(chǎn)品。介紹74121。只介紹如何使用。,有三個輸入端：,A1,A2為下降沿觸發(fā)輸入端；,B為上升沿觸發(fā)輸入端。,電容需外接；電阻可選擇內(nèi)部的，也可外接

11、。接法如圖。,可用功能表或波形圖說明起工作原理。,,,16,保持,A端觸發(fā),B端觸發(fā),,17,,工作波形：,輸出脈寬的計算：,從器件手冊可查到計算公式。74121的公式如下：,tW 0.69RextCext,Rext的取值在2K 到30K 之間；,Cext的取值在10pF到10 F之間。,tW的范圍在20nS到200mS之間。,也可使用內(nèi)部電阻Rint代替外接電阻Rext。Rint約為2K 。,7

12、4121是不可重復(fù)觸發(fā)的。而74122是可重復(fù)觸發(fā)的。見圖示。,,18,,,2.CMOS微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,（1）工作原理,輸入端微分電路提取 的上升沿。,穩(wěn)態(tài)：,=VDD，,=0，,=0。,觸發(fā)：,,,,,,,,,暫穩(wěn)態(tài)：,=0，,=VDD，,=VDD。,i充,C充電,,,VDD,三要素為：,(0)=0，,( )=VDD，,=RC。,自動返回：,條件： ＝VTH。,19,i充,,VDD,=0，,=VDD，,VDD

13、。,恢復(fù)過程：,電容C放電至起始狀態(tài)。所用時間為：,Tre=(3~5)CRON,（2）計算脈寬tW,等于 由0V上升到VTH所用的時間：,門G1的輸出電阻,0.5VDD,取消輸入微分電路會使輸出后沿變壞。,,,20,,,三、構(gòu)成多諧振蕩器,（一）電路的特點,（二）電路的原理,不需輸入信號即可產(chǎn)生矩形脈沖。,,剛接通電源：,=0V,,TD截止。,此時為暫穩(wěn)態(tài)1：,,i充,C充電,,,,VCC,三要素為：,(0)=0V,[1/3V

14、CC],( )=VCC,在t1時刻 =2/3VCC，555電路翻轉(zhuǎn)。,t1,C放電,,,,0,t2,,i放,=VH ，,進入暫穩(wěn)態(tài)2— =VL，TD導(dǎo)通。,21,,,,VCC,t1,,三要素為：,(0)=2/3VCC，,( )=0V，,,0,在t2時刻 =1/3VCC，555電路翻轉(zhuǎn)。,t2,（三）計算周期—T=T1+T2,,i充,,i放,充,1/3vcc,2/3vcc,占空比：,(#

15、),,,f = 1/T,22,,（四）改進電路,占空比可調(diào)的多諧振蕩器,T1=R1Cln2,T2=R2Cln2,q=,T=(R1+R2)Cln2,解：,可選VCC=5V,由(#)式，且q=2/3可求出：,R1=R2,由于,T=(R1+2R2)Cln2,R1=48K,選C=10 F代入上式求出,R2=R1=48K,上述電路占空比始終大于50%,且不可調(diào)。,,C選擇原則:過大則漏電流大過小則電阻太大二者均可使周期不準(zhǔn),,23,

16、（五）用門電路構(gòu)成的多諧振蕩器,1.非對稱式多諧振蕩器,(1)工作原理,采用CMOS門；,RF使門1工作在轉(zhuǎn)折區(qū)。,因此門2也工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，電容C引入正反饋，使電路振蕩。,設(shè)t1時刻G1輸出低電平、G2輸出高電平。定為暫穩(wěn)態(tài)2。,,,當(dāng) ＝VTH時，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)：,,,,,,隨之電路進入暫穩(wěn)態(tài)1。見下頁圖。,C充電,VDD,0,i充,24,,,,C放電,,,在t2時刻：,在暫穩(wěn)態(tài)1：,t1,,t2,i放,,三要素為：,放=RF

17、C。,,t3,在t3時刻 ＝VTH，又發(fā)生連鎖反應(yīng)，進入暫穩(wěn)態(tài)2：,,,,(0)=VTH＋VDD，,在暫穩(wěn)態(tài)2，C充電的三要素為：,(0)=VTH－VDD，,( )=VDD，,充＝RFC,( )=0,VDD,,0,＋,＋,－,－,25,(2)周期計算：,T=T1+T2,將前面的三要素代入下面的公式，即可求出T1和T2：,T=2.2RFC,思考：若將RP短路，會發(fā)生什么情況？,用TTL門構(gòu)成這種單穩(wěn)電路也可，但分析

18、較復(fù)雜。,(0)=VTH＋VDD，,暫穩(wěn)態(tài)2，C充電的三要素為：,充＝RFC,( )=0,( )=VDD，,放=RFC。,(0)=VTH－VDD，,暫穩(wěn)態(tài)1中，C放電三要素：,,26,,,2.石英晶體多諧振蕩器,符號,構(gòu)成：在對稱式多諧振蕩器的反饋回路中串入石英晶體。,石英晶體電抗的頻率特性如圖。f0 稱為固有頻率。,原理： 只有振蕩頻率等于f0時，晶體的阻抗為0（最?。?，電路才能產(chǎn)生振蕩。因此輸出頻率一定為f0。

19、,用TTL或CMOS門都可構(gòu)成石英晶體多諧振蕩器。,27,3.環(huán)形振蕩器,利用邏輯門電路的傳輸延遲時間，將奇數(shù)個與非門首 尾相接，就可以構(gòu)成一個簡單的環(huán)形振蕩器:,利用閉合回路中的正反饋作用可以產(chǎn)生自激振蕩，利用閉合回路的延遲負反饋作用同樣也能產(chǎn)生自激振蕩，只要負反饋信號足夠強。,28,設(shè) uo3 的初始狀態(tài)為0:,0,1,0,,1,,0,,1,,,,用波形圖來表示,則為:,優(yōu)點: 電路結(jié)構(gòu)簡單,所用元件少。,缺點: 頻率太

20、高,并且不可調(diào)整。,29,在原電路的基礎(chǔ)上添加RC延時電路,便可以克服上圖的不足:,下面將結(jié)合它的工作波形說明其工作原理:,30,假設(shè)：開始時uo=0,,電容上的電流，uA下降,uA>UT時，uo不反轉(zhuǎn)。,31,當(dāng)uA=UT時，uo反轉(zhuǎn)，uo1、uo2也一起反轉(zhuǎn)。,,32,由于電容電壓不能 突變,當(dāng)uo1 發(fā)生下跳時,uA有一突變。,,,33,,t1 后，uo2 >uo1，電容反向充電,uA上升。,只要uA <UT，

21、uo就不反轉(zhuǎn)。,t1,34,當(dāng)uA=UT 時(t2) ，uo、uo1、uo2 再次反轉(zhuǎn)。,,t2,35,由于uo1上跳，電容電壓不能突變，所以uA 上跳，然后uA開始下降??,,,36,輸出信號的周期近似為:,T = 2.2 RC,37,練習(xí),自我檢測題（二）,,,,,,自我檢測題（五）,加大輸出脈沖寬度可采取：,,（3）加大C.,38,（六）為提高振蕩頻率可采?。?（2）減小電阻R值。,不可采?。海?）加大電容C容量，（3）提高電源電