脉冲波形的产生

《脉冲波形的产生》由会员分享，可在线阅读，更多相关《脉冲波形的产生（69页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第六章 脉冲波形的产生与整形,6.1概述 6.2 施密特触发器 6.3 单稳态触发器 6.4 多谐振荡器 6.5 555定时器及其应用,6.1 概述,时序电路中的时钟信号即为矩形脉冲波。时钟脉冲的特性直接关系着系统能否正常工作。获取矩形脉冲波的途径不外乎有两种：一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲，另一种则是通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。 实际的矩形脉冲波形如图6.1.1所示，其特性可用以下指标来描述： 脉冲周期T周期性重复的脉冲序列中， 两个相邻脉冲间的时间间隔。脉冲频率f=1/T, 表示单位时间内脉冲重复的次数。,脉冲幅度Um脉冲电压

2、的最大变化幅度。 脉冲宽度TW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。 上升时间tr脉冲前沿从0.1Um上升到0.6Um所需要的时间。 下降时间tf脉冲后沿从0.6Um下降到0.1Um所需要的时间。,图6.1.1 实际的矩形脉冲波形,6.2施密特触发器 施密特触发器在性能上有两个重要的特点： 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。,6.2.1 用门电路组成的施密特触发器 施密特触发器是一种应用很广的电路

3、，常用作波形的变换、 整形和鉴幅。它的电压传输特性和图形符号如图6.2.1所示。,图6.2.1 施密特触发器 （a） 电压传输特性; （b） 图形符号,由图6.2.1（a）可知，施密特触发器有两个稳定的工作状态，对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平UT+和UT-。要使施密特触发器的输出状态发生转换，输入电压ui必须大于UT+或小于UT-。当输入信号ui由低向高变化并大于正向阈值电压UT+时，电路翻转到一个稳态，输出uo为低电平; 当输入信号由高向低变化并小于负向阈值电压UT-时，电路翻转到另一个稳态，uo为高电平。这种滞后的电压传输特性，又叫回差特性。UT+与UT-之差值，称为回

4、差电压U，即,回差电压U越大，电路的抗干扰能力就越强，但“鉴幅”和“触发灵敏度”会变差。此外，施密特触发器靠输入信号的电压高低来触发， 也靠输入信号的幅值来维持翻转后的状态。,施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。,6.2.2集成施密特触发器 集成施密特触发器简介 74LS132是TTL型的集成施密特触发器产品，片内有4个2（与）输入施密特触发器。4000系列CMOS型的施密特触发器产品有4093和40106等。,集成施密特触发器,6.2.3集成施密特触发器的应用 1 、波形变换和整形 施密特触发器可以把缓慢变化的三角波或正弦波等信号转变为矩形波，如图6.

5、2.2（a）、（b）所示。施密特触发器也常用作TTL的接口电路， 如图6.2.2（c）所示。 施密特触发器可以使产生畸变的脉冲波形转换为矩形脉冲， 如图6.2.3所示。,图6.2.2施密特触发器用作波形变换和 TTL系统接口电路 （a） 三角波变矩形波; （b） 正弦波变矩形波; （c） 接口电路,图6.2.3施密特触发器使畸变波形整形,2、用于脉冲鉴幅 施密特触发器可用来鉴别输入信号的幅度是否超过规定值。 图6.2.4是一个阈值电压探测器输入/输出电压波形，幅度超过UT+的脉冲使施密特触发器动作，在输出端就能得到一个矩形脉冲，这样，就能鉴别输入信号的幅度是否超过规定值UT+。,图6.2.4

6、阈值电压探测器输入/输出波形图,3) 组成多谐振荡器 由施密特触发器组成的多谐振荡器的电路和工作波形如图6.2.5所示。当施密特触发器的输入端为低电平时，输出为高电平，电容C通过R充电，C上的电压uC随着C的充电而上升。当uC达到正向阈值电压UT+时，施密特触发器翻转输出低电平，电容C通过R放电，uC随着C的放电而逐渐降低。当uC下降到负向阈值电压UT-时，施密特触发器又翻转输出高电平，如此周而复始， 电路就输出了连续的矩形波。,图6.2.5由施密特触发器组成的多谐振荡器 （a） 电路; （b） 工作波形,4） 展宽脉冲宽度 由施密特触发器组成的展宽脉冲宽度电路如图6.2.6（a）所示，图6.

7、2.6（b）为其工作波形。,图6.2.6 施密特触发器组成的展宽脉冲宽度电路 （a） 电路; （b） 工作波形,6. 3 单稳态触发器 单稳态触发器的工作特性具有如下的特点： 第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态； 第二，在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一会儿，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。,6.3.1 由门电路构成的单稳态触发器 单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形波）、整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。,（1）没有触发信

8、号时电路工作在稳态。当没有触发信号时，ui为低电平。因为门G2的输入端经电阻R接至VDD，VA为高电平，因此uo2为低电平；门G1的两个输入均为0，其输出uo1为高电平，电容C两端的电压接近为0。这是电路的稳态，在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：uo11，uo20。,（2）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态 。 当正触发脉冲ui到来时，门G1输出uo1由1变为0。由于电容电压不能跃变，uA也随之跳变到低电平，使门G2的输出uO2变为1。这个高电平反馈到门G1的输入端，此时即使ui的触发信号撤除，仍能维持门G1的低电平输出。但是电路的这种状态是不能长久保持的，所以称为暂稳态。暂稳态时，

9、uo10，uo21。,（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态。 在暂稳态期间，VDD经R和G1的导通工作管对C充电，随着充电的进行，C上的电荷逐渐增多，使uA升高。当uA上升到阈值电压UT时，G2的输出uo2由1变为0。由于这时G1输入触发信号已经过去，G1的输出状态只由uo2决定，所以G1又返回到稳定的高电平输出。uA随之向正方向跳变，加速了G2的输出向低电平变化。最后使电路退出暂稳态而进入稳态，此时uo11，uo20。,脉冲宽度：tp=0.7RC,电路的改进,当ui的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个RC微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门G1被ui封住了，会使u

10、o2的下降沿变缓。,稳态时，ui1，G1、G2均导通。uo10，uA0，uo20。ui负跳变到0时，G1截止，uo1随之跳变到1。由于电容电压不能跃变，uA仍为0，故门G2截止，uo2跳变到1。在G1、G2截止时，C通过R和G1的导通管放电，使uA逐渐上升。当uA上升到管子的开启电压UT时，如果ui仍为低电平，G2导通，uo2变为0。当ui回到高电平后，G1导通，C又通过R和G1的导通管充电，电路恢复到稳定状态。,6、3、2 集成单稳态触发器 TR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端，TR+是上升沿有效的触发信号输入端。Q和是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext是外接定

11、时电阻和电容的连接端，外接定时电阻R（R=1.4k40k）接在VCC和Rext/Cext之间，外接定时电容C（C=10pF10F）接在Cext（正）和Rext/Cext之间。74121内部已设置了一个2k的定时电阻，Rin是其引出端，使用时只需将Rin与VCC连接起来即可，不用时则应将Rin开路。,74121的输出脉冲宽度： tp0.7RC,单稳态触发器74121的引脚图,表6.3.1 74121的功能表,6.4多 谐 振 荡 器,多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号，便能产生矩形脉冲波。 产生矩形脉冲的电路很多，例如用TTL与非门构成的基本多谐振荡器和RC环形振荡器

12、; 用CMOS或非门组成的多谐振荡器。 本节主要介绍用集成定时器构成的多谐振荡器和频率稳定性高的石英晶体振荡器。 多谐振荡器的符号如图6.4.1所示。,图6.4.1 多谐振荡器符号,6.4.1 由门电路构成的多谐振荡器 能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器 1、RC环形多谐振荡器,在t1时刻，ui1（uo）由0变为1，于是uo1（ui2）由1变为0，uo2由0变为1。由于电容电压不能跃变，故ui3必定跟随ui2发生负跳变。这个低电平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，uo2（高电平）通过电阻R对电容C充电，使ui3逐渐上升。在t2时刻，ui3上升到门电路的阈值电压U

13、T，使uo（ui1）由1变为0，uo1（ui2）由0变为1，uo2由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故ui3跟随ui2发生正跳变。这个高电平保持uo为0。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。,第一暂稳态及其自动翻转的工作过程,第二暂稳态及其自动翻转的工作过程,在t2时刻，uo2变为低电平，电容C开始通过电阻R放电。随着放电的进行，ui3逐渐下降。在t3时刻，ui3下降到UT，使uo（ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。,2、CMOS多谐振荡器,在t1时刻， uo由0变为1，由于电容电压不能跃变，故ui1必定跟随uo发生正跳变，于是

14、ui2（uo1）由1变为0。这个低电平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，电容C通过电阻R放电，使ui1逐渐下降。在t2时刻，ui1上升到门电路的开启电压UT，使uo1（ui2）由0变为1，uo由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故ui1跟随uo发生负跳变，于是ui2（uo1）由0变为1。这个高电平保持uo为0。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。,第一暂稳态及其自动翻转的工作过程,第二暂稳态及其自动翻转的工作过程,在t2时刻，uo1变为高电平，这个高电平通过电阻R对电容C充电。随着放电的进行，ui1逐渐上升。在t3时刻，ui1上升到UT，使uo（ui1）又由

15、0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。,6.4.2 压控振荡器 在图6.4.2（a）所示的电路中，若控制端CO不接电容C1， 而是加一个可调电压um，该多谐振荡器就可以构成一个压控振荡器。此时，A的参考电压为um，B的参考电压为um/2。而um的大小会改变电容C的充、放电时间，也就改变了输出脉冲的周期。um越大，输出脉冲周期越长，输出频率越低; 反之， um越小，输出频率越高。,6.4.3石英晶体振荡器 石英晶体振荡器的符号和等效阻抗频率特性如图6.4.5（a）所示。由图可知，石英晶体的选频特性很好，只有频率为f0的信号才能通过晶体，其他频率信号都会被晶体衰

16、减。 所以， 为了得到稳定度很高的脉冲信号， 目前普遍采用石英晶体多谐振荡器电路， 图 6.4.5（b）所示为一种典型的石英晶体多谐振荡器电路。,图6.4.5 石英晶体多谐振荡器 (a)石英晶体的符号和阻抗频率特性; （b）石英晶体多谐振荡器电路,图中，门G1、G2及R1、R2、C1、C2构成基本多谐振荡器，它只有两个暂稳态：一个非门导通，另一个非门截止。假设G1导通，G2截止，则C1充电，C2放电。当C1充电到使G2输入端电平达到阈值电压UT时，G2转到导通，同时C2的放电也使G1转为截止， 电路进入另一暂稳态：G1截止，G2导通，C1放电，C2充电。当C2充电到使G1输入端电平达到阈值电压UT时，G1又转为导通，同时C1放电使G2又转为截止 如此周而复始，输出uo即为连续的矩形波。,由于电路中接入了石英晶体，这个振荡器只能谐振在频率f0上。对于TTL门，R1、R2通常取0.72k，而对于CMOS门取10100M。电容C1、C2作为非门间的耦合，其容抗对石英晶体的谐振频率f0应可忽略不计。 在振荡器输出端再加一级反相器， 可以提高带负载能力， 改善输出波形。 图6.4.6（a）是在输出端加一级分频后再输出的可以产生两相时钟信号的电路，图6.3.6（b）是其工作波形。,