数电-第十章 脉冲波形的产生与整形

第6章脉冲波形的产生与整形电子教研室唐彰国2006年3月6.1概述6.2施密特触发器6.3单稳态触发器6.5555定时器及其应用6.4多谐振荡器第6章脉冲波形的产生与整形6.6小结★基本内容★学习重点★基本学习要求6.1本章概述★本章基本内容在前面各章的讨论中，常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿的脉冲信号，如触发器就需要时钟脉冲（CP），等等。事实上，现代电子系统都离不开脉冲信号。获取这些脉冲信号的方法通常有两种：①直接产生；②利用已有信号变换得到。与产生模拟信号要用模拟振荡器一样，产生脉冲信号要用脉冲振荡器。脉冲波形变换则包括脉冲宽度、幅度、相位及上升和下降时间等等的改变，通过变换，使这些特性符合要求。本章将介绍常用的脉冲变换电路——单稳态触发器和施密特触发器，脉冲产生电路——多谐振荡器，和一种多用途的定时电路——555定时器。★基本学习要求·掌握脉冲电路的基本分析方法·掌握常用脉冲电路的工作原理·掌握几种集成电路的应用·理解双稳态—单稳态—无稳态等几种电路原理的内在联系Emailmepleaseifyouhaveanyquestions:[e-mail]★本章学习重点·脉冲电路分析的关键·微分型单稳态触发器、晶体振荡器、555定时器的基本原理·74221、4538、4098、74HC14、555等集成电路的应用6.2.1RC积分与微分电路6.2.3集成单稳态触发器6.2.2单稳态触发器的工作原理6.2单稳态触发器6.2.4单稳态触发器应用举例6.2.1RC积分与微分电路基础知识RC积分电路电路条件：τ=RCtWtW——输入脉冲宽度tW6.2.1RC积分与微分电路基础知识RC微分电路电路条件：τ=RCtWtW——输入脉冲宽度tW6.2.2单稳态触发器工作原理基础知识A以微分型为例6.2.2单稳态触发器工作原理分析方法ABABQQVth6.2.2单稳态触发器工作原理ABABQQVth分析方法6.2.2单稳态触发器工作原理ABABQQVth稳态稳态暂稳态分析方法6.2.2单稳态触发器工作原理基础知识ABABQQVthtWtre暂稳态时间恢复时间6.2.2单稳态触发器工作原理基础知识AB计算tW及tre运用“三要素法”：UB(0+)=VCCUB(∞)=0τ=RC（忽略其他电阻）uB(t)=UB(∞)+[UB(0+)－UB(∞)]=VCCtete若Vth=VCC则tW≈0.7τ=0.7RCtre=(3~5)τre单稳态触发器的一般特性？！思考！单稳应用举例……习题1试设计一自动延时楼道照明灯。！讨论与思考！几点讨论：①反馈环节也可采用RC积分电路（见习题6-5）。②若采用TTL门电路，为保证稳态时门2输入低电平，电阻R必须小于某一数值。采用CMOS电路无此限制。③为减小恢复时间tre，可在R上并联一个二极管，给电容C提供放电回路。④若输入脉冲过宽（tA＞tW），电路工作可能不正常时，可在输入端另加一RC微分电路，形成短输入脉冲。⑤采用或非门电路同样可构成单稳电路。设计一微分型单稳态触发器：采用CMOS或非门、输入信号较宽、tre较短，设计电路并画出波形。！讨论与思考！6.2.2单稳态触发器工作原理基础知识ABABQQVthtWtreRdCd。+VDD6.2.2单稳态触发器工作原理基础知识ABQQVthtWtreABRdCd。+VDDA’6.2.2单稳态触发器工作原理分析方法VthtWtreABRdCd。+VDDA’ABQQA’6.2.3集成单稳态触发器应用基础常用集成单稳态触发器：54/74121，54/74221，54/74HC123，CD4098，CD4538等。74221—TTL双单稳态触发器应用基础4538—CMOS双单稳态触发器应用基础6.2.4单稳态触发器应用工程应用6.2.4单稳态触发器应用工程应用“看门狗”（WatchingDog)习题习题1试举出不少于3种的单稳态触发器应用实例，并尽可能说明其原理。8.2.2集成施密特触发器8.2.1特性与原理6.3施密特触发器8.2.3应用举例6.3.1施密特触发器特性与原理基础知识6.3.1施密特触发器特性与原理基础知识6.3.1施密特触发器特性与原理基础知识6.3.1施密特触发器特性与原理基础知识6.3.1施密特触发器特性与原理基础知识施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门。①电路具有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压，二者的差值称为回差。输出电平的变化滞后于输入，形成回环。②与双稳态触发器和单稳态触发器不同，施密特触发器属于“电平触发”型电路，不依赖于边沿陡峭的脉冲。特点：6.3.1施密特触发器特性与原理基础知识6.3.1施密特触发器特性与原理基础知识6.3.1施密特触发器特性与原理基础知识电路举例一6.3.1施密特触发器特性与原理基础知识电路举例二电路举例三基础知识6.3.1施密特触发器特性与原理6.3.2集成施密特触发器应用基础施密特触发器就是带有回差特性的门电路。如74HC14和74HC132等。74HC14：六反相器，74HC132：四2与非门。在VDD=6V时，典型回差为0.9～1.2V。6.3.3应用举例工程应用6.3.3应用举例工程应用习题习题2试举出不少于3种的施密特触发器应用实例，并尽可能说明其原理。6.4.0多谐振荡器New！6.4.1晶体振荡器6.4多谐振荡器单稳回忆6.4.2单稳态触发器工作原理基础知识A以微分型为例6.4.0多谐振荡器基础知识A6.4.0多谐振荡器基础知识对称多谐振荡器：6.4.0多谐振荡器分析方法ABQQVthVth对称多谐振荡器：6.4.0多谐振荡器ABQQVthVth分析方法对称多谐振荡器：6.4.0多谐振荡器ABQQVthVth分析方法对称多谐振荡器：6.4.0多谐振荡器ABQQVthVth暂稳态1暂稳态2分析方法对称多谐振荡器：6.4.0多谐振荡器应用基础ABQQVthVthT=tW1+tW2tW1tW2若R1=R2，C1=C2，则T=2tW=1.4RC对称多谐振荡器：“多谐”6.4.0多谐振荡器扩展知识其他多谐振荡器：6.4.0多谐振荡器扩展知识其他多谐振荡器：6.4.0多谐振荡器扩展知识其他多谐振荡器：6.4.0多谐振荡器扩展知识其他多谐振荡器：6.4.1晶体振荡器基础知识6.4.1晶体振荡器基础知识6.5555定时器及其应用主要要求：了解脉冲信号产生与整形的方法。了解555定时器的电路结构，掌握其符号和功能。掌握用555定时器构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的方法。6.5.2定时器应用举例6.5.1555定时器引言：在数字系统中，矩形脉冲作为时钟信号控制和协调着整个数字系统的工作，所以时钟脉冲的好坏直接关系整个系统能否正常工作，实际矩形波信号如图所示。其特征主要由以下几个参数来表征。1、矩形波信号的参数Um——脉冲幅度，脉冲电压最大值。tW——脉冲宽度，从脉冲前沿上升到0.5Um开始到脉冲后沿下降到0.5Um为止的一段时间。tr—上升时间，脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。tf——下降时间，脉冲后沿从0.9Um上升到0.1Um所需的时间。T——脉冲周期，在周期性脉冲序列中，两个相邻脉冲间的时间间隔。f——脉冲频率，单位时间内脉冲重复的次数。q——占空比，脉冲宽度和脉冲周期的比值。理想的矩形脉冲波参数如下：tr=tf=0，tW、Um和T也是稳定的。实际的矩形脉冲波tr和tf都不等于0，tW、Um和T也受很多因素影响而不稳定。2、获得矩形脉冲的方法一般有两种：（1）使用各种形式的矩形波发生电路产生矩形波。（2）利用已有的周期性信号，通过整形电路变换为所需的矩形波信号。集成定时器是一种将模拟电路与数字电路的功能巧妙结合在一起的多用途单片集成电路，有些书上把它描述为：模拟电路与数字电路的的完美结合。在其外部配接上少许阻容定时元件，便能构成多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等多种应用电路。8.2.2电路结构电阻分压器两个CMOS比较器一个基本RS触发器一个NMOS开关6.5.1555定时器一、电路组成电压比较器的功能：v+v-，vO=1v+v-，vO=0由以下几部分组成：（1）三个5k电阻组成的分压器。（2）两个电压比较器C1和C2。C1v+－vvOCC&&&1RS5k¦¸5k¦¸5k¦¸12VRC-VTROUTDDD(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位TH阈值输入控制电压触发输入(7)DISVT放电端(1)G1G2G3G26.5.1555定时器（3）基本RS触发器，（4）放电三极管T及缓冲器G。电路符号CC&&&1RS5k¦¸5k¦¸5k¦¸12VRC-VTROUTDDD(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位TH阈值输入控制电压触发输入(7)DISVT放电端(1)G1G2G3G212658437DISTRTHC-VVDDOUT555DR二．逻辑功能（1）4脚为复位输入端（RD），当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo为低电平。正常工作时，应将其接高电平。（2）5脚为电压控制端，当其悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3VCC和1/3VCC。1/3VCC2/3VCCCC&&&1RS5k¦¸5k¦¸5k¦¸12VRC-VTROUTDDD(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位TH阈值输入控制电压触发输入(7)DISVT放电端(1)G1G2G3G2（3）2脚为触发输入端，6脚为阈值输入端，两端的电位高低控制比较器C1和C2的输出，从而控制RS触发器，决定输出状态。1/3VCC2/3VCC阈值输入阈值输入复位输出vI1vI2RDvo×＜2/3VCC＞2/3VCC＜2/3VCC×＜1/3VCC＞1/3VCC＞1/3VCC0111010不变功能表CC&&&1RS5k¦¸5k¦¸5k¦¸12VRC-VTROUTDDD(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位TH阈值输入控制电压触发输入(7)DISVT放电端(1)G1G2G3G26.2555定时器的应用一.用555定时器构成的施密特触发器施密特触发器——具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。（一）电路组成及工作原理1265VCCRDO5553Ov7vvI2I1vIC8412IvCCVVCC2RvvItO1vt1/3VCC2/3VCCOVIV电路符号COUT5kS1(2)2/3V(7)(6)v&放电端I1(3)GV&v¦¸CC¦¸(4)TCC¦¸CI2(8)5k5k2RCC(1)&11/3VVO21RvIvCC22.电压滞回特性和主要参数（2）主要静态参数（a）上限阈值电压VT+vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。VT+=2/3VCC。（b）下限阈值电压VT—vI下降过程中，vO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。VT—=1/3VCC。（3）回差电压ΔVTΔVT=VT+－VT—=1/3VDD（1）电压滞回特性1/3VCCVoVi0传输特性VOHVOL2/3VCC1/3VCC2/3VCCVT+VT—ΔVTVT+VT—ΔVTvItO1vtOVIV电路符号O2vtO1vtVCC21265VCCRDO5553Ov7vvI2I1vIC8412IvDDVVCCRvVoutvO1C5kS1(2)2/3V(7)(6)v&放电端I1(3)GV&v¦¸DD¦¸(4)TCC¦¸CI2(8)5k5k2RCC(1)&11/3VVO21RvIvCC（二）施密特触发器的应用1.用作接口电路——将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形。2.用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。正弦波振荡器1VO输入输出VT+VT-3.用于脉冲鉴幅——从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于VT+的输入脉冲。VIOV1ItVT-T+V0VOV0tOuO/Vt[例]试对应输入波形画出下图中输出波形。184355557+12V0.01FuIuO260uI/Vt24681