第十章_脉冲波形的产生和整形

2020/1/19第十章脉冲波形的产生和整形内容提要本章主要介绍矩形波的产生和整形电路。在矩形波产生电路中介绍几种常用的多谐振荡器－对称式和非对称多谐振荡器、环形振荡器以及用施密特触发器和555定时器构成的多谐振荡器等。此外对几种不同类型的压控振荡器也做了介绍。在整形电路中，介绍了施密特触发器和单稳态触发器。本章也讨论了最常用的555定时器及其所构成的施密特触发器、单稳态触发器及多谐振荡器的电路及工作原理。本章内容10.1概述10.2施密特触发器10.3单稳态触发器10.4多谐振荡器10.5555定时器及其应用2020/1/1910.1概述一、产生矩形脉冲的途径1.利用各种形式的多谐振荡器电路；2.通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变换成符合要求的矩形脉冲。二、矩形脉冲特性的描述通常的矩形脉冲波形如图10.1.1所示。图10.1.1图10.1.1其中：10.1概述脉冲周期T：周期行重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。有时也用频率f＝1/T表示单位时间内脉冲重复的次数脉冲幅度Vm：脉冲电压的最大变化幅度。2020/1/19☻上升时间tr：脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时间图10.1.1☻脉冲宽度tW：从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿到达0.5Vm为止的一段时间。☻下降时间tf：脉冲下降沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需要的时间10.1概述占空比q：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q＝tw/T图10.1.110.1概述注：在脉冲整型或产生电路用于数字系统时，有时对脉冲有些特殊要求，如脉冲周期和幅度的稳定性等，这时需要另增加一些参数来描述脉冲。2020/1/1910.2施密特触发器（SchmittTrigger）第一输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同；第二在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。注：利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢地信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形波脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。施密特触发器时脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它具有下面两个性能特点：10.2.1用门电路组成的施密特触发器将两极反相器串接起来，通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端就够成施密特触发器电路，其电路及其图形符号如图10.2.1所示。图10.2.111Iv1R2RIvov1ovovG1G2图6.2.1用CMOS反相器构成的施密特触发器（a）电路IvovIvovov设反相器G1和G2均为CMOS门，其阈值电压为VTH＝VDD/2，输出高低电平分别为VOH＝VDD，VOL＝0，且R1R22020/1/191.其工作原理10.2.1用门电路组成的施密特触发器00211vRRRvA①当vI＝0时，vo1＝VOH，vo＝VOL≈0，此时G1门的输入电压为Av1ovov10.2.1用门电路组成的施密特触发器②当vI从0逐渐升高到使得vA＝VTH时，反相器进入电压传输特性的放大区（转折区），故vA的增加，会引起下面的正反馈，即使电路迅速跳变到vo＝VOH≈VDD由叠加原理得10.2.1用门电路组成的施密特触发器0211212vRRRvRRRvIA设施密特触发器在输入信号vI正向增加时的门槛电压（阈值电压）为VT＋，称为正向阈值电压，此时vo＝0，G1门的输入电压为T212THVVRRRvA＝TH12TH121TV)1VVRRRRR＝（＝2020/1/19当vAVTH时，电路状态维持在vo＝VOH＝VDD不变10.2.1用门电路组成的施密特触发器③当vI从高电平VDD逐渐下降到vA＝VTH时，由于也存在正反馈，即Avovov使电路迅速跳变到vo＝VOL≈0此时施密特触发器在vI下降时对应输出电压由高电平转为低电平时的输入电压为VT－，称为负向阈值电压，此时vo＝VDD，G1门的输入电压为2020/1/19DD211T2120211I212THVVVRRRRRRvRRRvRRRvA－＝＝TH21TV)1VRR＝（－10.2.1用门电路组成的施密特触发器0211212vRRRvRRRvIA由于VTH＝VDD/2，故只要vIVT-，vo≈0将VT＋和VT－之间的差值定义为回差电压，用△VT表示，即TH21TTTV2VVVRR－＋－＝10.2.1用门电路组成的施密特触发器THTIVRRVV)(211THTIVRRVV)(211施密特触发器的电压传输特性为图10.2.2所示图10.2.22020/1/19施密特触发器的两个输出电压传输特性为图10.2.3所示THVDDVIvovVOL0＋TV－TVTVTHVDDVIvAv0＋TV－TVTV(a）同相输出（b）反相输出图10.2.3由CMOS反相器构成的施密特触发器的电压传输特性VOHVOLVOH10.2.1用门电路组成的施密特触发器2020/1/1910.2.1用门电路组成的施密特触发器THVDDVIvovVOL0＋TV－TVTVTHVDDVIvAv0＋TV－TVTV(a）同相输出（b）反相输出图10.2.3由CMOS反相器构成的施密特触发器的电压传输特性VOHVOLVOH图10.2.3(a)是以vo做为输出的，vo和vI同相位；而图10.2.3(b)是以vA做为输出的，vA和vI反相位。另通过调节R1和R2的比值，可调节VT＋、VT－和回差电压△VT的大小。利用施密特触发器可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲2.施密特触发器的主要特点：10.2.1用门电路组成的施密特触发器输入信号在上升和下降过程中，电路状态转换的输入电平不同电路状态转换时有正反馈过程，使输出波形边沿变陡3.施密特触发器的应用(1)用于波形变换THVDDVIvovVOL0＋TV－TVTVTHVDDVIvAv0＋TV－TVTV(a）同相输出（b）反相输出图10.2.3由CMOS反相器构成的施密特触发器的电压传输特性VOHVOLVOH利用施密特触发器将一系列幅度不同的脉冲信号，其中幅度大于正向阈值电压的幅度鉴别出来。二、用于鉴幅10.2.1用门电路组成的施密特触发器THVDDVIvovVOL0＋TV－TVTVTHVDDVIvAv0＋TV－TVTV(a）同相输出（b）反相输出图10.2.3由CMOS反相器构成的施密特触发器的电压传输特性VOHVOLVOH三、用于脉冲整形10.2.1用门电路组成的施密特触发器在数字系统中，经常出现干扰信号，使得信号波形变差，这样可通过施密特触发器整型获得比较理想的波形。2020/1/19例10.2.1由CMOS反相器构成的施密特触发器如图10.2.2所示，设VTH＝3V，VDD＝6V，输入电压为峰－峰值6V的三角波。试画出输出电压vo的波形，注明VT＋和VT－的大小，并求回差电压△VT。10.2.1用门电路组成的施密特触发器图10.2.2kΩ50kΩ100Ivt000ttovVOHVOL图10.2.2例10.2.1电路的波形6V解：阈值电压为V5.13100501VRR1VV5.43100501VRR1(VTH21TTH21T）＝（）＝（＝）＝（）＝－＋2020/1/19回差电压为△VT＝VT＋－VT－＝4.5-1.5=3VIvt06V1.5V4.5V00ttovovVOHVOHVOLVOLVT+VT-图10.2.3例10.2.1电路的波形其输出波形如图10.2.3所示kΩ50kΩ10010.2.1用门电路组成的施密特触发器2020/1/1910.3单稳态触发器特点：第一它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；第二在外界触发脉冲的作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态；第三暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。应用：脉冲整形、延时、定时等10.3.1用门电路组成的单稳态触发器单稳态触发器的暂稳态通常是靠RC电路的充放电过程来维持的，根据RC的电路不同接法，把单稳态触发器分成微分型和积分型。一、微分型单稳态触发器图10.3.1是由CMOS门电路G1、G2和Rd、Cd微分电路构成的单稳态触发器。图10.3.1设VOH≈VDD，VOL≈0，且CMOS门的转折电压为VTH≈VDD/2，2020/1/19a.无触发信号时，电路处于稳态，vo=010.3.1用门电路组成的单稳态触发器图10.3.1在稳态下vI=0，vI2=VDD，故vo=0，vo1=VDD，电容C两端无电压，vc=0b.外加触发信号时，电路由稳态翻转到暂稳态当输入信号vI加触发脉冲时，在Rd、Cd组成的微分电路输出端得到很窄的正负脉冲vd，如图10.3.2波形所示。图10.3.22020/1/1910.3.1用门电路组成的单稳态触发器dv1ov2Ivov当vI上升，vd也随之上升，当上升到VTH后，此时存在下列正反馈：图10.3.2则vo1迅速跳变为低电平，由于电容电压不能跃变，故vI2同时为低电平，使得输出翻转为高电平，此时电路进入暂态，电容随后开始充电暂态c.电容充电，电路由暂稳态自动返回至稳态10.3.1用门电路组成的单稳态触发器图10.3.2电源VDD通过R和G1门的输出电路给电容C充电C充电电路2020/1/1910.3.1用门电路组成的单稳态触发器1ov2IvovC充电随着vI2的增加，当增加到vI2＝VTH，产生另一正反馈，即图10.3.2此时vo1和vI2迅速跳变为高电平，电路马上翻为稳态，即vo＝010.3.1用门电路组成的单稳态触发器此时电容C通过R和G2门的输入保护电路很快放电，知道电容电压为0，电路恢复到稳态。图10.3.2C放电电路C放电10.3.1用门电路组成的单稳态触发器输出的脉冲宽度为注：微分型单稳态触发器可以用窄脉冲触发，但输出脉冲的下降沿较差。图10.3.22ln0lnln)()()0()(RCVVVRCVVVVRCtTHDDDDtw2020/1/19二、积分型单稳态触发器图10.3.3为由TTL与非门、反相器及RC积分电路构成的积分型单稳态触发器。用于正脉冲触发。a.无触发信号时，电路处于稳态10.3.1用门电路组成的单稳态触发器图10.3.3当vI＝0时，输出电压vo＝VOH为高电平,vo1＝VOH，vo1通过R很快给电容C充电到vA＝VOH（R值比较小）b.当有正脉冲输入后，电路进入暂稳态当vI由低电平转为高电平时，vo1＝VOL。由于电容不能突变，vA仍保持高电平，使得输出vo＝VOL为低电平，电路进入暂态过程，此时电容C放电C放电回路图10.3.4其输出波形如图10.3.4所示10.3.1用门电路组成的单稳态触发器稳态暂态电容放电c.电容放电，电路回到稳态随着电容C的放电，vA下降到G2门的开启电压VTH时，输出翻转为高电平，回到稳定状态（“1”）。当vI回到低电平后，vo1重新为低电平，并向电容C充电。2020/1/19输出的脉冲宽度为10.3.1用门电路组成的单稳态触发器图10.3.4THOLOHOL0VVVVln)(－－CRRtWC放电回路2020/1/19微分型单稳态触发器输出波形比较理想，前后沿比较陡，因为有正反馈存在，但抗干扰能力差；积分型单稳态触发器抗干扰能力强，但输出波形边沿比较差，而且要求输入触发脉冲的宽度要大于输出脉冲宽度。10.3.1用门电路组成的单稳态触发器微分型单稳态触发器积分型单稳态触发器两种单稳态触发器的比较：10.3.2集成单稳态触发器（74121)集成单稳态触发器74121是在普通微分型单稳态触发器的基础上，附加了输入控制电路和输出缓冲电路，是TTL逻辑电路。其简化逻辑电路如图10.3.5所示。图10.3.5其中：A1和A2为下降沿触发端，此时B＝1，B为上升沿触发端，此时A1和A2当中至少要有一个接低电平(a)图形符号A1A2Bovov输入输出0×101×0101××00111×01111