脉冲波形的产生与整形

1第6章脉冲波形的产生与整形§6.1概述§6.2施密特触发器（2学时）§6.3单稳态触发器（1.5学时）§6.4多谐振荡器（1.5学时）§6.5555定时器及其应用（3学时）【教学目的】通过本章学习，让学生掌握施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工作原理、工作波形以及参数计算；掌握555定时器电路结构及其应用；掌握基本脉冲电路的设计。【教学重点】1、施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工作特点；2、555定时器电路结构与功能以及典型应用。3、555定时器的典型应用。【教学难点】上述典型电路的特点与应用。【教学方法和手段】多媒体课堂教学【课外作业】6.2，6.12，6.25，6.29【学时分配】共8学时【自学内容】压控振荡器【教学内容】见下第6章脉冲波形的产生与整形2§6.1概述在数字电路或数字系统中，常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、控制过程的定时信号等。这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种则是对已有信号进行整形，使之满足系统的要求。脉冲波形的整形电路中，最常用的有施密特触发器和单稳态触发器电路；脉冲波形的产生电路中，最常用的有多谐振荡器电路。施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器可以用基本门组成，也可以用555定时器构成。脉冲波形的形式多种多样，本章主要介绍矩形脉冲波形的产生和整形电路。§6.2施密特触发器6.2.1特点与电压传输特性一、特点施密特触发器是典型的脉冲整形电路。施密特触发器在性能上有两个重要特点：第一为电平触发：触发信号UI可以是变化缓慢的模拟信号，UI达某一电平值时，输出电压UO突变。所以UO为脉冲信号。第二为电压滞后传输：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。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、低电平上的噪声信号有效地清除。二、电压传输特性1、同相传输特性同向传输特性和图形符号如图6.2.1（a）所示图6.2.1施密特触发器的电压传输特性（a）同相传输特性(b)反相传输特性1）当UI=0时，UO=UOL；2）当UI上升到大于等于VT+时，UO突变为UOH；3）当UI从最大值下降到小于等于VT-时，UO突变为UOLVT+是UI上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平，称为正向阈值电平；VT-是UI下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平，称为负向阈值电平。2、反相传输特性反相传输特性和图形符号如图6.2.1(b)所示：31）当UI=0时，UO=UOH；2）当UI上升到大于等于VT+时，UO突变为UOL；3）当UI从最大值下降到小于等于VT-时，UO突变为UOH其中：6-2-2用门电路构成施密特触发器一、构成用CMOS非门构成的施密特触发器如图6.2.2所示。二、工作原理设UI是变化缓慢的三角波，其工作原理为：1、UI=0V时，IU＝0，UO1＝1，所以UO＝UOL，电路输出低电平。2、UI上升时，IU也上升；当UI上升使IU趋于G1门的阈值电平VTH时，G1门和G2门处在要翻转的边缘；当UI上升使IU＝VTH时，UO1＝0，UO1＝UOH≈VDD。由此可求出此电路的正向阈值电平VT+。因为这时有TTHIVRRRVU212所以THTHTVRRVRRRV)1(212213、当UI从高电平下降时，IU也下降；当UI下降使IU趋于G1门的阈值电平VTH时，G1门和G2门又处在要翻转的边缘；当UI下降使IU＝VTH时，UO1＝1，UO1＝UOL≈0。由此可求出此电路的负向阈值电平VT－。因为这时有212)(RRRVVVVUTDDDDTHI所以DDTHTVRRVRRRV21221将VDD＝2VTH代入上式后得THTVRRV)1(21结果，UO波形如图6.2.3所示。VT+与VT－之差定义为回差电压ΔVT，即ΔVT＝VT+－VT-＝THVRR212常用TTL集成施密特触发器有7413等，常用CMOS集成施密特触发器有CC40106等。6-2-3集成施密特触发器施密特触发器应用十分广泛，所以市场上有专门的电路产品出售，称之为施密特触发门电路。图6.2.2CMOS非门构成的施密特触发器图6.2.3图6.2.2工作原理波形4集成施密特触发器性能的一致性好，触发阈值稳定，使用方便。一.CMOS集成施密特触发器图6.2.4（a）是CMOS集成施密特触发器CC40106（六反相器）的引线功能图，表6.2.1所示是其主要静态参数。图6.2.4集成施密特触发器CC40106和74LS14外引线功能图表6.2.1集成施密特触发器CC40106的主要静态参数电源电压VDDVT+最小值VT+最大值VT－最小值VT－最大值ΔVT最小值ΔVT最小值单位52.23.60.92.80.31.6V104.67.12.55.21.23.4V156.810.847.41.65V二.TTL集成施密特触发器图6.2.4（b）是TTL集成施密特触发器74LS14外引脚图，其主要参数的典型值如表6.2.2所示。TTL施密特触发器具有以下特点：（1）输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作。（2）对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿。（3）带负载能力和抗干扰能力都很强。表6.2.2TTL集成施密特触发器几个主要参数的典型值器件型号延迟时间（ns）每门功耗（mW）VT+（V）VT－（V）ΔVT（V）74LS14158.61.60.80.874LS132158.81.60.80.874LS1316.58.751.60.80.8集成施密特触发器不仅可以做成单输入端反相缓冲器形式，还可以做成多输入端与非门形式，如CMOS四2输入与非门CC4093，TTL四2输入与非门74LS132和双4输入与非门74LS13等。6.2.4施密特触发器的应用举例一、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，见图6.2.5。二、用作整形电路把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲，见图6.2.6。5图6.2.5慢输入波形的TTL系统接口图6.2.6脉冲整形电路的输入输出波形三、用于脉冲鉴幅将幅值大于VT+的脉冲选出，见图6.2.7。图6.2.7用施密特触发器鉴别脉冲幅度§6.3单稳态触发器6.3.1单稳态触发器的特点单稳态触发器具有下列特点：第一，它有一个稳定状态和一个暂稳状态；第二，在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；第三，暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳定状态。暂稳态时间的长短，与触发脉冲以及电源电压无关，仅决定于电路本身的参数。单稳态触发器在数字系统和装置中，一般用于定时（产生一定宽度的脉冲）、整形（把不规则的波形转换成等宽、等幅的脉冲）以及延时（将输入信号延迟一定的时间之后输出）等。6.3.2用门电路组成单稳态触发器用门电路组成单稳态触发器有微分型和积分型两大类。一、微分型单稳态触发器1、构成用CMOS或非门构成的微分型单稳态触发器如图6.3.1所示。2、工作原理此电路用负脉冲触发无效，只有在正的窄脉冲触发时，电路才有响应。接通电源VDD不触发时，UI＝0，而UI2＝VDD＝1，所以UO2＝0。故有自然稳态：UO=0。这时UI，＝0，UO1＝1≈VDD，自然稳态时，电容C两端均为VDD，C中无电荷。C中无电荷，是稳态的标志。图6.3.1微分型单稳态触发器6触发时，UI＝1，UO1＝0，由于电容C两端的电压在触发瞬间不能突变，所以UI2＝0，使UO2＝1。故有暂态：UO=1。接下来，C充电，充电回路为：VDD→R→C→UO1，充电使UI2↑。当UI2↑到等于G2门的阈值电平VTH时，UO2突跳为0，电路返回到自然稳态：UO=0。当UO=0时，UI，＝0，UI＝0（因为触发高电平已经消逝），所以UO1从“0”突跳为“1”（即上升了VDD）；由于电容C两端的电压瞬间不能突变，所以UI2也应该从VTH突跳为UI2＝VTH＋VDD；但实际上由于G2门输入端有钳位二极管，所以UI2实为UI2＝VDD＋0.7。接下来，C放电，放电回路为：UI2→VDD→UO1→C→UI2，放电使UI2↓，当UI2↓到等于VDD时（此时，C两端均为VDD，C中无电荷），电路稳定，保证UO=0。根据以上的分析，即可画出电路中各点的电压波形，如图6.3.2所示。3、输出电压脉宽TW的计算由图6.3.1可知，TW等于UI2从0上升到VTH所对应的时间。这里，电容C的充电时间常数τ=RC，起始值UI2（0+）=0，稳定值UI2（∞）=VDD，转换值UI2（TW）=VTH，带入RC过渡过程计算公式进行计算可得：RCTUUUUTWIIIIW69.0)()()0()(ln22226.3.3集成单稳态触发器一、TTL集成单稳态触发器74121的逻辑功能和使用方法图6.3.3(a)是TTL集成单稳态触发器74121的逻辑符号，(b)是工作波形图。该器件是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加以输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。它有两种触发方式：下降沿触发和上升沿触发。A1和A2是两个下降沿有效的触发输入端，B是上升沿有效的触发信号输入端。UO和OU是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻Rext（阻值可在1.4～40kΩ之间选择）应一端接VCC（引脚14），另一端接引脚11。外接定时电容C（一般在10pF～10μF之间选择）一端接引脚10，另一端接引脚11即可。若C是电解电容，则其正极引脚10，负极接引脚11。74121内部已经设置了一个2kΩ的定时电阻，Rint（引脚9）是其引出端，使用时只需将引脚9与引脚14连接起来即可，不用时则应让引脚9悬空。表6.3.1是集成单稳态触发器74121的功能表，表中1表示高电平，0表示低电平，集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法见图6.3.5，图(a)是使用外部电阻Rext且电路为下降沿触发连接方式，图(b)是使用内部电阻Rint且电路为上升沿触发连接方式（Rint=2KΩ）。表6.3.1集成单稳态触发器74121的功能表图6.3.2图6.3.1的电压波形7图6.3.4集成单稳态触发器74121的逻辑符号和波形图二、主要参数1、输出脉冲宽度tWRCRCtW7.02ln使用外接电阻：tW≈0.7RextC使用内部电阻：tW≈0.7RintC2、输入触发脉冲最小周期TminTmin=tW＋tre(tre是恢复时间)图6.3.5集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法(a)使用外接电阻Rext(下降沿触发)(b)使用内部电阻Rint(上升沿触发)3、周期性输入触发脉冲占空比q定义：q=tW/T式中T是输入触发脉冲的重复周期，tW是单稳态触发器的输出脉冲宽度。最大占空比：qmax=tW/TminreWWttt74121的最大占空比qmax，当R=2kΩ时为67%；当R=40kΩ时可达90%。不难理解，若R=2kΩ且输入触发脉冲重复周期T=1.5μS，则恢复时间tre=0.5μS，这是74121恢复到稳态所必需的时间。如果占空比超过最大允许值，电路虽然仍可被触发，但tW将不稳定，也就是说74121不能正常8工作，这也是使用74121时应该注意的一个问题。三、关于集成单稳态触发器的重复触发问题集成单稳有不可重复触发型和可重复触发型两种。不可重复触发的单稳一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束以后，它才能接受下一个触发脉冲而转入下一个暂稳态，如图6.3.6(a)所示。而可重复触发的单稳态在电路被触发而进入暂稳态以后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个tW宽度，如图6.3.6(b)所示。74121、74221、74LS221都是不可重复触发的单稳态触发器。属于可重复触发的触发器有74122、74LS122、74123、