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1、第十章 脉冲波形的产生与整形,主要内容： 介绍用于脉冲信号产生、整形和定时的几种基本电路。1.施密特触发器。2.单稳态触发器。 3.多谐振荡器。4.555定时器 。*,10.1 概述,1.脉冲幅度Vm 2.脉冲宽度tW 0.5Vm0.5Vm 3.上升时间tr 0.1Vm0.9Vm 4.下降时间tf 0.9Vm0.1Vm 5.周期T 周期性脉冲信号，两脉冲间的时间间隔 6.频率f 周期的倒数7.占空比q 脉冲宽度与周期之比,描述矩形脉冲的几个参数,理想波形：,实际波形：,10.2 施密特触发器,功能特点： 1.输入信号从低电平上升时的转换电平和从高电平下降时的转换电平不同。 2.在电路状态转换时
2、，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。 如图示：,VT+,VT-,10.2.1 用门电路组成的施密特触发器,一、电路结构及工作原理,G1、G2为CMOS非门， 阈值电压为VTH=1/2VDD； R1tW，则vI2=VTH 时， vO , 但vO1由于vI 的作用还保持0，工作不正常。,3. 输入微分电路的作用,二、积分型单稳态触发器,1. 电路及工作原理,(1)稳态：,vI=0，vO1=1，C充满电荷，vA为高电平，vO=1,(2)暂稳态：,(3)恢复过程：,工作过程：,tW,放,充,2. 主要参数,(1)输出脉冲宽度tW,放电过程中，vA从初始值vA(0+)下 降至VTH时
3、所需时间,放电等效电路：,(2)输出幅度,(3)恢复时间,C充电时间，称为恢复时间。,充电回路：,(4)分辨时间,输入脉冲宽度+恢复时间,比较微分型和积分型的区别：,边沿好（正反馈）,抗干扰能力差,抗干扰能力强,边沿不好,(1)上升沿触发,(2)下降沿触发,10.3.2 集成单稳态触发器,一、TTL集成单稳态触发器,当A1A2=0时，B上升沿触发,当B=1，A1(或A2)=1时， A2(或A1)下降沿触发,(3)暂稳时间可调,b. 外接电容Cext，外接电阻Rext,a.外接电容Cext，内部电阻Rint,工作原理：,10,11,9,输出缓冲,由基本单稳态触发器、窄脉冲形成电路、输出缓冲构成,
4、可重复触发型：如果在暂稳态尚未结束时，又来一个触发脉冲，可在引发一个暂稳态。 74122、74123,不可重复触发型：在暂稳态尚未结束时，又来一个触发脉冲，此脉冲不会引发新的暂稳态。 74121、74221,74221 、74122、74123还设有直接清零端,10.4多谐振荡器,特点：,无稳态,输出信号自动地从1态翻到0态，再从0态翻到1态，形成矩形脉冲。,因矩形脉冲含有丰富的高次谐波分量，故矩形波发生器又称 多谐振荡器。,10.4.1对称式多谐振荡器,一. 结构特点：,起振原理,维持振荡原理,由于有电容存在，故存在电容的充放 电，使vI处于不断变化中，vO则在高 低电平之间来回振荡。,怎样
5、保证工作在线性区？,设置适当的偏置电压，使输入输出电压介于高低电平之间，这个功能由RF1、RF2完成,利用叠加原理求vI,VCC和VBE作用，产生vI,vO单独作用，产生vI,这是一条直线方程，,与横轴交点：,直线与电压传输曲线的交点，即工作点P,恰当地选取RF，可使工作点落在线性区,计算结果表明：对于74系列与非门而言，RF=0.51.9K,斜率：,二. 工作过程：,起振过程,加电时，设vI1有微小的正跳变， 则引起正反馈,vI1越来越大，使vO1迅速跳变为0； vI2越来越小，使vO2迅速跳变为1,起振后,C1充电，快；C2放电，慢,C1充电，vI2上升，快； C2放电，vI1下降，慢,当
6、上升至： vI2=VTH时， 引起正反馈,vI2越来越大，使vO2迅速跳变为0； vI1越来越小，使vO1迅速跳变为1,C2充电，vI1上升，快； C1放电，vI2下降，慢,当上升至： vI1=VTH时， 引起正反馈,波形：,C1充,C2放,C2充,C1放,参数计算：,T=T1+T2=2T1,T1为C1充电过程中，vI2从初始值 vI2(0)上升到VTH所需的时间,根据三要素法得出的公式,充电等效电路：,RE1=R1/RF,充电电路的等效电路：,74LS系列反相器的参数,近似公式：,10.4.2非对称式多谐振荡器,起振原理,维持振荡原理,由于有电容存在，故存在电容的充放电，使vI1处于不断变化
7、中，vO 则在高低电平之间来回振荡。,工作过程：,起振后,起振过程,如此循环，输出端输出矩形波,波形：,C,参数计算：,T1为C充电过程中，vI1从初始值 vI1(0)上升到VTH所需的时间,充电等效电路：,充电,T2为C放电过程中，vI1从初始值 vI1(0)下降到VTH所需的时间,10.4.3 环形振荡器,环形振荡器是利用“延迟负反馈”原理产生振荡的。,最简单的环形振荡器：奇数个反相器首尾相接,振荡原理：,起振原理：,静态时反相器均工作在放大状态，加电时产生的微小扰动，经过 三级放大后，在vO端得到标准的高（或低）电平，并反馈至vI1端。,为什么说静态时反相器工作在放大状态？,因为静态时电
8、路中反相器的输入、输出不可能 是稳定的高低电平，而只能处于高低电平之间。 假设vI1为高电平，则vI2为低电平，vI3为高电平， vO为低电平，这是矛盾的，故静态时， vI1 、vI2、vI3 、vO都处于高低电平之间，如vI1 =vI2= vI3 =vO,加电时，假设在vI1处有微小的正跳变，则经G1放大后，经过传输延迟时间tpd，在vI2处产生一个幅度更大的负跳变；此负跳变G2放大后，tpd后，在vI3处产生更大的正跳变；正跳变G3放大后，tpd后，在vO处产生更大的负跳变。这样，最终使vO变为高电平或低电平。,维持振荡原理：,振荡周期：,推广：将n(奇数)个反相器首尾相接构成环形电路，即
9、能产生自激振荡，振荡周期为T=2ntpd。,实用电路：,环形振荡器结构简单，但不实用，不易获得低频振荡。,改进：增加RC延迟环节,增加了延迟时间tpd2，（例vI2的负跳变要经过tpd+RC充电时间才能传递到vI3），使振荡周期加长，频率降低，且调节RC可调节振荡频率。,返回,进一步的改进：将C的接地端改接到G1的输出端，使tpd2更长。,当vI2有负跳时，vI3也随之负跳变，然后再从这个负电平的基础上开始对C充电，因此加长了延迟时间。,通常延迟电路产生的延迟时间远远大于门电路的延迟时间，故在计算周期时忽略tpd。,另外为防止vI3发生负跳变时，流过G3输入端保护二极管的电流过大，还在G3的输
10、入端串接了限流电阻RS 。,波形：,参数计算自学,10.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器,工作原理：,接通电源时，vI=0，vO=1，,电容充电， vI，当vC=vT+时，输出跳变为0,电容放电， vI，当vC=vT-时，输出跳变为1,电容充电， vI，当vC=vT+时，输出跳变为0,如此循环,波形：,充,参数计算（设为CMOS器件）,占空比,充电回路：vO，R2，D2，C，时间常数R2C,放电回路： C，D1，R1，vO，时间常数R1C,占空比可调的电路,C,调R1可调q,10.4.5 石英晶体多谐振荡器,石英晶体多谐振荡器的特点是振荡频率稳定。,石英晶体的频率特性,f=f0时，电抗为
11、0（最小）,电抗,容性,容性,感性,10.5 555定时器的电路结构与功能,10. 5.1 555 定时器的电路结构与功能,555定时器是一种多功能中规模集成电路。利用它能极方便地构成施密特触发器，单稳态触发器，多谐振荡器。在脉冲波形的产生 ，整形，波形变换，定时等方面应用极广。,555定时器是由于其型号的最后三位是555而命名的。世界上各个厂家都有各自的555产品。尽管其型号各不相同，但其最后 几位都是555。,电路结构：,由C1、C2比较器, 基本 RS触发器， 集电极开路的放电 三极管TD三部分构成。,主要原理： 定时器的主要功能 取决于比较器和基 本RS触发器。,C1、C2参考电压由电
12、阻分压器和外接控制电压VCO决定。,由图可知：,vI1VR1，vI2VR2时， vC1=0，vC2=1，置0有效， Q=0，vO=0, TD导通,vI1VR2时， vC1 =1，vC2 =1，保持， Q保持，vO保持，TD保持,vI1VR1，vI2VR2时， vC1=1，vC2=0，置1有效， Q=1，vO=1，TD截止,所以，CB555的功能如下表（VCO悬空时）,(3)若使vC1 和vC2的低电平信号交替反复出现，就可得到多谐振荡器.,可以设想,(1)如果使vC1和vC2的低电 平信号发生在输入信号 的不同的电平，则可得 到施密特触发器。,(2)如果在vI2端加入一个 低电平触发信号(使vO置1)， 经过一定时间后能在vC1 端自动产生一个低电平信 号(使vO置0)，则可得到单稳触发器。,10.5.2 用555构成施密特触发器,方法：将vI1和vI2连在一起做输入端，构成反相施密特触发器。,(1)vI从0上升的情况,vI,(2)vI从高于 2/3VCC下降的情况,如果参考电压由外接的电压VCO提供，则,通过改变VCO的值可以调节回差电压的大小，比施密特触发器灵活。,
