第9章 脈沖信號

1、第9章 脈沖信號的產(chǎn)生與整形,學(xué)習(xí)要點： 多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸 發(fā)器、施密特觸 發(fā)器的工作原理及邏輯功能。 555定時器的工作原理及邏輯功能。 由555定時器構(gòu)成單穩(wěn)、多諧、施密特觸 發(fā)器的方法。,第六章 脈沖波形的產(chǎn)生和整形,概述,§6.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,§6.1 多諧振蕩器,§6.3 施密特觸發(fā)器,§6.4 555定時器的原理和應(yīng)用,概述,數(shù)字電路區(qū)別于模擬電路的主要特點之 一

2、是：它的工作信號是離散時間的脈沖信號。最常用的脈沖信號是方波(矩形波)。如何產(chǎn)生方波以及對不理想的方波如何整形，是本章討論的重點。,脈沖波形的獲?。?）利用脈沖信號產(chǎn)生器直接產(chǎn)生；2）對已有的信號進(jìn)行變換，使之滿足系統(tǒng)的要求。,脈沖信號的產(chǎn)生與整形電路:,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,多諧振蕩器,施密特觸發(fā)器,,脈沖波形的獲?。?）利用脈沖信號產(chǎn)生器直接產(chǎn)生；2）對已有的信號進(jìn)行變換，使之滿足系統(tǒng)的要求。,1. 環(huán)形多諧振蕩器,利用邏輯門電路

3、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:,§ 9.1 多諧振蕩器,能產(chǎn)生矩形脈沖的自激振蕩電路叫做多諧振蕩器。,,設(shè) vo3 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: 頻率太高, 且不可調(diào)整。f=(1/6)tpd,,,,,tpd,T=6tpd,1. 環(huán)形多諧振蕩器,在該電路的基礎(chǔ)上添加RC延時電路,便可以克服上述不

4、足:,下面將結(jié)合它的工作波形說明其工作原理:,,,,,,,,,,,,,,,,v1,vo1,vo2,R,C,假設(shè)：開始時v1=1,,電容上的放電電流，vA下降,vA>VT時，vo1不翻轉(zhuǎn)。,,,,,,,,,,,,,,,,v1,vo1,vo2,R,C,,A,,1,0,1,,2. 多諧振蕩器,1,1,第二暫穩(wěn)態(tài)。,當(dāng)vA=VT時，vo1翻轉(zhuǎn)，vo2也翻轉(zhuǎn)。,,,,,1,,,,,,,,,,,,,v1,vo1,vo2,R,C,0,1,0,

5、,A,1,第二暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路進(jìn)入第一暫穩(wěn)態(tài)。,由于電容電壓不能 突變,當(dāng)vo2 發(fā)生下跳時,vA有一突變。,,,,,,,,,,,,,,,,,,v1,vo1,vo2,R,C,A,,0,0,1,1,1,第一暫穩(wěn)態(tài)。,,vo1>vo2，電容充電,vA上升。,只要vA<VT，vo1就不翻轉(zhuǎn)。,,,,,,,,,,,,,,,,,v1,vo1,vo2,R,C,0,0,1,,A,,1,1,當(dāng)vA=VT 時，vo1、vo2翻轉(zhuǎn),,,,,,,

6、,,,,,,,,,,,v1,vo1,vo2,R,C,1,1,0,A,,第一暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路返回到第二暫穩(wěn)態(tài)，又開始重復(fù)前面的過程。,由于vo2上跳，電容電壓不能突變，所以vA上跳，然后放電開始,vA開始下降??,,,,,,,,,,,,,,,,,,,v1,vo1,vo2,R,C,1,1,0,,放電,A,,輸出信號的周期近似為:,T = 1.4 RC,,,,,,,,,,,,,,,,,v1,vo1,vo2,R,C,A,,多諧振蕩器CMOS電路

7、圖,3、RC環(huán)形多諧振蕩器,在t1時刻，ui1（uo）由0變?yōu)?，于是uo1（ui2）由1變?yōu)?，uo2由0變?yōu)?。由于電容電壓不能躍變，故ui3必定跟隨ui2發(fā)生負(fù)跳變。這個低電平保持uo為1，以維持已進(jìn)入的這個暫穩(wěn)態(tài)。在這個暫穩(wěn)態(tài)期間，uo2（高電平）通過電阻R對電容C充電，使ui3逐漸上升。在t2時刻，ui3上升到門電路的閾值電壓UT，使uo（ui1）由1變?yōu)?，uo1（ui2）由0變?yōu)?，uo2由1變?yōu)?。同樣由于電容電壓不能

8、躍變，故ui3跟隨ui2發(fā)生正跳變。這個高電平保持uo為0。至此，第一個暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路進(jìn)入第二個暫穩(wěn)態(tài)。,第一暫穩(wěn)態(tài)及其自動翻轉(zhuǎn)的工作過程,,第二暫穩(wěn)態(tài)及其自動翻轉(zhuǎn)的工作過程,,在t2時刻，uo2變?yōu)榈碗娖?，電容C開始通過電阻R放電。隨著放電的進(jìn)行，ui3逐漸下降。在t3時刻，ui3下降到UT，使uo（ui1）又由0變?yōu)?，第二個暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路返回到第一個暫穩(wěn)態(tài)，又開始重復(fù)前面的過程。,4、石英晶體多諧振蕩器,振蕩頻率等于石英晶體的

9、諧振頻率 f0。,R：使反相器工作在線性放大區(qū)，取值：TTL門電路，0.7~2k；對CMOS門則在10~100M之間；C1用于兩個反相器間的耦合；C2：抵制高次諧波，保證穩(wěn)定的頻率輸出，C2選擇：使RC2并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在fs處產(chǎn)生極點，減少諧振信號損失。,5. 多諧振蕩器的應(yīng)用,秒信號發(fā)生器,多諧振蕩器,分頻電路,石英晶體振蕩器常用 作數(shù)字系統(tǒng)的基準(zhǔn)信號.,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中一般用于定時（產(chǎn)生一定寬度的矩形波）、整形（把不規(guī)則的波形

10、轉(zhuǎn)換成寬度、幅度都相等的波形）以及延時（把輸入信號延遲一定時間后輸出）等。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有下列特點：,,（1）電路有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。（2）在外來觸發(fā)脈沖作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長久保持的狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間與觸發(fā)脈沖無關(guān)，僅決定于電路本身的參數(shù)。,§ 9.2 由門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器簡稱單穩(wěn)。,它的特點是: 輸出端只有一個穩(wěn)定狀態(tài)

11、, 另一個狀態(tài)是暫穩(wěn)態(tài).外加觸發(fā)信號后,它可以由穩(wěn)定狀態(tài)跳入暫穩(wěn)態(tài),但是 , 經(jīng)過一定時間后,它又會自動返回原來的 穩(wěn)定狀態(tài)。,（1）沒有觸發(fā)信號時電路工作在穩(wěn)態(tài)當(dāng)沒有觸發(fā)信號時，ui為低電平。因為門G2的輸入端經(jīng)電阻R接至VDD，VA為高電平，因此uo2為低電平；門G1的兩個輸入均為0，其輸出uo1為高電平，電容C兩端的電壓接近為0。這是電路的穩(wěn)態(tài)，在觸發(fā)信號到來之前，電路一直處于這個狀態(tài)：uo1＝1，uo2＝0。,0,0,1,1,

12、1,1,0,（2）外加觸發(fā)信號使電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)正觸發(fā)脈沖ui到來時，門G1輸出uo1由1變?yōu)?。由于電容電壓不能躍變，uA也隨之跳變到低電平，使門G2的輸出uO2變?yōu)?。這個高電平反饋到門G1的輸入端，此時即使ui的觸發(fā)信號撤除，仍能維持門G1的低電平輸出。但是電路的這種狀態(tài)是不能長久保持的，所以稱為暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時，uo1＝0，uo2＝1。,0,0,0,1,1,（3）電容充電使電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返回到穩(wěn)態(tài)在暫穩(wěn)態(tài)期間，VD

13、D經(jīng)R和G1對C充電，C上的電荷逐漸增多，使uA升高。當(dāng)uA上升到閾值電壓UT時，G2的輸出uo2由1變?yōu)?。這時G1輸入觸發(fā)信號已經(jīng)過去，G1的輸出狀態(tài)只由uo2決定，所以G1又返回到穩(wěn)定的高電平輸出。uA隨之向正方向跳變，加速了G2的輸出向低電平變化。使電路退出暫穩(wěn)態(tài)而進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時uo1＝1，uo2＝0。,脈沖寬度：tw=0.7RC,主要參數(shù)的計算：1）輸出脈沖寬度tw = 0.7RC (暫穩(wěn)態(tài)的維持時間）：2）恢復(fù)時間tre

14、=3?d， ?d為放電時間常數(shù)。3）最高工作頻率fmax= （最小時間間隔）。討論：1）為保護(hù)（MOS管），在CMOS器件內(nèi)加有保護(hù)二極管。2）為避免VI的脈沖寬度tpi>tw時，V02的輸出邊沿變緩，可在其輸入端加入微分電路。,電路的改進(jìn),當(dāng)ui的寬度很寬時，可在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端加一個RC微分電路，否則，在電路由暫穩(wěn)態(tài)返回到穩(wěn)態(tài)時，由于門G1被ui封住了，會使uo2

15、的下降沿變緩。,Rext/Cext、Cext是外接定時電阻和電容的連接端，（R=1.4kΩ～40kΩ）接在VCC和Rext/Cext之間，（C=10pF～10μF）接在Cext（正）和Rext/Cext之間。74121內(nèi)部已設(shè)置了一個2kΩ的定時電阻，Rin是其引出端，使用時只需將Rin與VCC連接起來即可，不用時則應(yīng)將Rin開路。,A1、A2是兩個下降沿有效的觸發(fā)信號輸入端，B是上升沿有效的觸發(fā)信號輸入端。Q和是兩個狀態(tài)互補(bǔ)的輸出端。

16、,74121的輸出脈沖寬度：tp≈0.7RC,74121的輸出脈沖寬度：tp≈0.7RC,A1、A2是兩個下降沿有效的觸發(fā)信號輸入端，B是上升沿有效的觸發(fā)信號輸入端。Q和是兩個狀態(tài)互補(bǔ)的輸出端。該電路屬于不可重復(fù)觸發(fā)的觸發(fā)器。,可重復(fù)觸發(fā)式單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出波形：,這種單穩(wěn)可以通過加重復(fù)觸發(fā)脈沖增大輸出脈沖的寬度,所以,可用于檢測失落脈沖。,3 . 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用,單穩(wěn)的應(yīng)用多種多樣,如:整形、延時控制、定時順序控制等等。,

17、1).定時,3 . 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用,,2).延時利用單穩(wěn)可以取得延時作用,延長的時間可以通過 R、C調(diào)節(jié)。3).方波發(fā)生器（多諧振蕩）P3624).消噪聲 P3635).整形,7 4 L S 1 9 4---四位雙向移位寄存器,,,,,t0,t1,t2,t3,用波形圖表示如下:,用波形圖表示如下:,移位寄存器清零,移位寄存器串行輸入為1,循環(huán)重新開始,§ 9.3 施密特觸發(fā)器,,,,,,,,,,,,,,,,

18、,,,,,,,,,,,,Vi,Vi2,R1,R2,Vo2,Vo1,1。起始Vi=0，Vo2=1 Vi2=0， Vo1=0 ，,2. Vi?=VT時,由于 Vo1=0 ,所以狀態(tài)不變.,Vi? ? 使得Vi 2=VT時, Vo1=1 , Vo2=0(翻轉(zhuǎn)).,此時 Vi 2=R2/(R1+R2) Vi = VT,所以 Vi =(1+R1/R2) VT,1,0,0,,1,,0,1,,1,,0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

19、,,,,,,,,Vi,Vi2,R1,R2,Vo2,Vo1,3. Vi?=VT時,翻轉(zhuǎn) Vo2=1 , Vo1=0.,正向增長的閾值：,VT- = VT,VT+ =(1+R1/R2) VT,負(fù)向增長的閾值,回差電壓：? VT = VT+ - VT- =(R1/R2) VT,,,,,,,,VT+,VT-,VI,VO,0,1,0,1,0,下限閾值電壓,上限閾值電壓,回差電壓（滯回電壓）：ΔV

20、T＝ VT＋－VT－,三、施密特觸發(fā)器的應(yīng)用：1、波形的整形及變換，利用回差電壓的選擇來控制波形。2、幅度鑒別：3、多諧振蕩器：,集成施密特觸發(fā)器,§9.4 555定時器的原理和應(yīng)用,555定時器是集模擬電路和數(shù)字電路于 一體的電子器件。它使用方便,帶負(fù)載能力較強(qiáng), 目前得到了非常廣泛的應(yīng)用。,1。 555定時器的工作原理,555定時器的內(nèi)部電路包括以下幾部分 : 一個由三個相等電阻組成的分壓器 兩個電

21、壓比較器: A1、A2 一個 RS 觸發(fā)器 一個反相器和一個晶體管T 具體的 結(jié)構(gòu)見后圖。,,1、555定時器工作原理,觸發(fā)輸入,閾值輸入,控制電壓,復(fù)位端低電平有效,放電端,4.5～16V,輸出,接地,,uo,電源,放電,閾值,控制電壓,復(fù)位,

22、輸出,觸發(fā),地,555定時器的原理電路圖,,,,分壓器比較器: C1、C2RS 觸發(fā)器 反相器和晶體管,三個電阻構(gòu)成的分壓器給 兩個比較器提供基準(zhǔn)電壓: A1 的為 2VCC / 3 , A2 的為 VCC / 3 。,首先討論上圖中加彩色部分的電路的工作原理。,1,0,1,0,0,0,閾值端,觸發(fā)端,綜合以上的分析結(jié)果,便可得到555的功能表:,同高出低,同低出高,不同保持,復(fù)位,,,,,,,,,,,,,,,,VCC / 3,2

23、VCC / 3,vI,,,,,,,,,vO,同高出低,同低出高,不同保持,v I1,v I2,,,,t,t,2、由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器,接通VCC后，VCC經(jīng)R1和R2對C充電。當(dāng)uc上升到2VCC/3時，uo=0，T導(dǎo)通，C通過R2和T放電，uc下降。當(dāng)uc下降到VCC/3時，uo又由0變?yōu)?，T截止，VCC又經(jīng)R1和R2對C充電。如此重復(fù)上述過程，在輸出端uo產(chǎn)生了連續(xù)的矩形脈沖。,模擬聲響電路,將振蕩器Ⅰ的輸出電壓uo1，

24、接到振蕩器Ⅱ中555定時器的復(fù)位端（4腳），當(dāng)uo1為高電平時振蕩器Ⅱ振蕩，為低電平時555定時器復(fù)位，振蕩器Ⅱ停止震蕩。,3 由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,4 由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器,,,,4.3.3 施密特觸發(fā)器的應(yīng)用,6.4.2 555定時器的應(yīng)用,(1). 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器: 微電機(jī)起動停車控制電路。,S1 : 起動按鈕,S2 : 停車按鈕,僅按下起動按鈕 S1 , 則 TR < VCC

25、 / 3 ; 未按 S2 , 當(dāng)然 TH < 2VCC / 3 , 故 uo =1 , 電機(jī)轉(zhuǎn)動 。,即使放開 S1 , TR > VCC / 3 , TH < 2VCC / 3 , uo 保持為 1 , 電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動 。,如果僅按下按鈕 S2 , TH > 2VCC / 3 , 未按 S1 , 當(dāng)然TR > VCC / 3 , 這時 uo = 0 , 電機(jī)停止運(yùn)行。,如果松開 S2 , 電

26、機(jī)仍不轉(zhuǎn)動 。,(2). 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器:,,,,TH > 2VCC /3 , TR > VCC /3,按鈕 S 處于打開狀態(tài)時：,uo = 0 , 555內(nèi)的管T導(dǎo)通 , 電容 CT 被短路, TH =0.3V 。,按一下 S , TR < VCC ,已有 TH < 2VCC /3 , 故 uo = 1 , 555 內(nèi)的管 T 截止 , CT 將被充電 , … …,只要 uCT 尚未充至 2VCC /3 ,

27、 uo 的狀態(tài)就不會變化 。,一旦 uCT > 2VCC /3 , 且已 有 TR > VCC /3 , uo = 0 ;,555內(nèi)的晶體管T也由截止變成導(dǎo)通 , 電容CT 迅速放電而變成 0V。,由以上過程可以看出 : 按鈕每按動一次 , uo 便輸出一個正脈沖,其寬度 TW 由 RT CT 決定 。,白燈亮的時間即為曝光時間 TW,TW = 1.1 RT CT,洗相曝光定時器：,（延時燈控制電路）,(3).

28、多諧振蕩器:,首先說明如何用555 定時器構(gòu)成多諧振蕩器:,輸出波形,設(shè)電容C 原先未充電, 故 TH = TR < VCC /3 , 此時 uo = 1 , 555內(nèi)的晶體管 T 截止 , 電源通過 R1 和 R2 對電容 C 充電。,,在 uC 沒有充電到 2VCC /3 之前, uo 保持 1 不變。,在 uC 沒有充電到 2VCC /3 之前, uo 保持 1 不變。,,t1,,t2,,t3,,,,T1,T2,輸出方波

29、的周期 T的計算:,T = T1 + T2 = 0.7 ( R1 + 2R2 ) C,如何改變方波的占空比？,改變充放電回路的時間常數(shù)！,簡易電子琴就是通過改變R2 的阻值來改變輸出方波的周期 , 使外接的喇叭發(fā)出不同的音調(diào) 。,簡易電子琴電路：,(4). 施密特觸發(fā)器（溫度控制電路）,,,,,,,,,全高出低,全低出高,不同保持,,回差電壓：? UT = UT+ - UT- = 2

30、VCC /3 -VCC /3 = VCC /3,,,,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,多諧振蕩器,施密特觸發(fā)器,,555定時器的應(yīng)用,本節(jié)小結(jié)：,施密特觸發(fā)器是一種能夠把輸入波形整形成為適合于數(shù)字電路需要的矩形脈沖的電路。而且由于具有滯回特性，所以抗干擾能力也很強(qiáng)?！　∈┟芴赜|發(fā)器可以由分立元件構(gòu)成，也可以由門電路及555定時器構(gòu)成。　　施密特觸發(fā)器在脈沖的產(chǎn)生和整形電路中應(yīng)用很廣。,本節(jié)小結(jié)：,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有一個穩(wěn)態(tài)。由門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

31、和基本RS觸發(fā)器在結(jié)構(gòu)上也極為相似，只有用于反饋的耦合網(wǎng)絡(luò)不同。,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以由門電路構(gòu)成，也可以由555定時器構(gòu)成。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)，其“觸發(fā)”信號也是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間即脈沖寬度也由電路的阻容元件決定。,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不能自動地產(chǎn)生矩形脈沖，但卻可以把其它形狀的信號變換成為矩形波，用途很廣。,本節(jié)小結(jié)：,多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，不需要外加輸入信號，就可以自動地產(chǎn)生出矩形脈

32、沖。,多諧振蕩器可以由門電路構(gòu)成，也可以由555定時器構(gòu)成。由門電路構(gòu)成的多諧振蕩器和基本RS觸發(fā)器在結(jié)構(gòu)上極為相似，只是用于反饋的耦合網(wǎng)絡(luò)不同。RS觸發(fā)器具有兩個穩(wěn)態(tài)，多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，所以又稱為無穩(wěn)電路?！　≡诙嘀C振蕩器中，由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到另一個暫穩(wěn)態(tài)，其“觸發(fā)”信號是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，因此無需外加觸發(fā)脈沖。多諧振蕩器的振蕩周期與電路的阻容元件有關(guān)。,555定時器是一種應(yīng)用廣泛、使用靈活的集成器件，多用于脈沖產(chǎn)生