脉冲信号的产生和整形

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1、 脉冲信号的基本参数脉冲信号的基本参数 单稳态触发器单稳态触发器 施密特触发器施密特触发器 555定时器及其应用定时器及其应用 多谐振荡器多谐振荡器 数数字字电电路路常常常常需需要要用用到到各各种种幅幅度度、宽宽度度以以及及具具有有陡陡峭边沿的峭边沿的脉冲信号脉冲信号，如触发器就需要，如触发器就需要时钟脉冲（时钟脉冲（CP）。脉冲信号产生要用脉冲信号产生要用多谐振荡器多谐振荡器。 本本章章将将介介绍绍常常用用的的施施密密特特触触发发器器、单单稳稳态态触触发发器器和和多多谐谐振振荡荡器器，同同时时介介绍绍一一种种多多用用途途的的定定时时电电路路555定时器定时器。 获获取取这这些些脉脉冲冲信信号

2、号的的方方法法通通常常有有两两种种：直直接接产产生生； 利用已有信号利用已有信号整形整形或或变换变换得到。得到。 脉冲信号整形则要用脉冲信号整形则要用单稳态触发器单稳态触发器和和施密特触发器施密特触发器本章基本内容本章基本内容 一、脉冲信号的定义一、脉冲信号的定义（不对称方波）（不对称方波） 三角波：三角波： 锯齿波：锯齿波： 脉冲信号的基本参数脉冲信号的基本参数 按非正弦规律变化的信号均可称脉冲信号。按非正弦规律变化的信号均可称脉冲信号。 方波：方波：（对称方波）（对称方波）二、二、脉冲信号的参数脉冲信号的参数 q=TW/T 占空比占空比TwTVmv0tT 脉冲周期脉冲周期 f=1/T 频率

3、频率Tw 脉冲宽度脉冲宽度Vm 幅值幅值脉冲信号的基本参数脉冲信号的基本参数施密特触发器施密特触发器 施密特触发器施密特触发器特点：特点：（1）输出有两种状态（输出为数字信号）；）输出有两种状态（输出为数字信号）； （2）输入采用电平触发）输入采用电平触发;（3）对对于于正正向向和和负负向向增增长长的的输输入入信信号号，电电路路有有不不同同的的阈阈值值电平（电平（VT+和和VT-）。）。 什么是什么是施密特触发器施密特触发器？ 施密特触发器施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门。是具有滞后特性的数字传输门。 施密特触发器施密特触发器 逻辑符号逻辑符号同相传输同相传输反相传输反相传输 施密特触发

4、器的电压传输特性施密特触发器的电压传输特性施密特触发器施密特触发器 将正弦信号加到同相施密特触发器的输入端将正弦信号加到同相施密特触发器的输入端,可得到可得到输入输出波形。输入输出波形。G1、G2为为CMOS门电路。电路中门电路。电路中R1R2 。由门电路构成的施密特触发器由门电路构成的施密特触发器 电路构成电路构成 工作原理分析工作原理分析（1） 当当vI=0V时，时，vO1 VDD ， vO 0V， vI 0V； 0 01 10 00 0 思考：思考：为什么要求为什么要求R1R2？由门电路构成的施密特触发器由门电路构成的施密特触发器 （2）当当vI升升高高时时，vI 也也升升高高。当当vI

5、 达达到到1/2VDD时时，G1、G2输出状态将发生翻转。此时对应的输出状态将发生翻转。此时对应的vI值称为值称为VT+。（3 3）当）当vI大大于于VT+时，电路转到另一稳态：时，电路转到另一稳态：vO1 0V ，vO VDD 。 VT+=VDD/200110 01 10 00 0（4 4）当）当vI由高变低时，由高变低时，vI 也由高变低。当也由高变低。当vI 1/2VDD时，电路又将发生转换。此时对应的时，电路又将发生转换。此时对应的vI称为称为VT- -。由门电路构成的施密特触发器由门电路构成的施密特触发器 （5 5）当）当vI小于小于VT- -时，电路转到另一稳态：时，电路转到另一稳

6、态：vO1 VDD ，vO 0V。 0 01 11100VT- -=1/2VDD 工作波形工作波形vIVT+VT-0t0tvO10tvO由门电路构成的施密特触发器由门电路构成的施密特触发器 施密特触发器施密特触发器 应用举例应用举例1.用于用于脉冲整形脉冲整形施密特触发器施密特触发器 应用举例应用举例2.用于用于脉冲鉴幅脉冲鉴幅施密特触发器施密特触发器 应用举例应用举例3.用于用于构成多谐振荡器构成多谐振荡器施密特触发器施密特触发器 4.用于用于冰箱温控系统冰箱温控系统实际温控波形实际温控波形方案一：采用电压比较器构成的温度控制系统方案一：采用电压比较器构成的温度控制系统施密特触发器施密特触发

7、器 方案二：方案二：采用采用施密特触发器施密特触发器构成的温度控制系统构成的温度控制系统实际温控波形实际温控波形施密特触发器施密特触发器 应用举例应用举例思考题思考题 试举出施密特触发器在实际生活中的应用试举出施密特触发器在实际生活中的应用实例，并尽可能说明其原理。实例，并尽可能说明其原理。 有两种状态：有两种状态：0 0态和态和1 1态，但只有一种状态能长久保持，态，但只有一种状态能长久保持，故名单稳态触发器。故名单稳态触发器。 例子例子楼道灯控制系统楼道灯控制系统 单稳态触发器的特点：单稳态触发器的特点： （1 1）有稳态和暂稳态两种状态；）有稳态和暂稳态两种状态； （2 2）平时处于稳态

8、，在外部触发脉冲作用下，由稳态进入）平时处于稳态，在外部触发脉冲作用下，由稳态进入 暂稳态；暂稳态； （3 3）暂稳态维持一定时间后自动回到稳态。）暂稳态维持一定时间后自动回到稳态。 单稳态触发器单稳态触发器 什么是什么是单稳态触发器？单稳态触发器？单稳态触发器主要有两类：单稳态触发器主要有两类：（1 1）微分型微分型单稳态触发器单稳态触发器（2 2）积分型积分型单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器的分类单稳态触发器的分类门电路门电路+RC微分电路微分电路微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 G1、G2为为CMOS或非门，或非门，vO1、vO分别为分别为G1、G2的输出，的输出，vI2为为G2

9、输入。输入。 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 电路组成电路组成RC微微分电路分电路触发脉冲触发脉冲1.1.单稳态触发器的稳态单稳态触发器的稳态 触触发发器器的的稳稳态态为为 vO1 VDD，vO 0V。此此时时，电电容容两端的电压相等，无充放电。两端的电压相等，无充放电。 工作原理分析工作原理分析 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 稳稳态态时时，无无触触发发脉脉冲冲输输入入，vI 为为低低电电平平，C 没没有有充充放放电电，相当于断开。相当于断开。0 01 10 00 01 1作用：改善作用：改善vO1、 vO边沿。边沿。 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器1 11 10 00 0

10、1 1暂稳态：暂稳态：vO1 0V，vO VDD2.2.当当vI 加一正脉冲时，由稳态进入暂稳态。加一正脉冲时，由稳态进入暂稳态。这里有一正反馈现象：这里有一正反馈现象： 工作原理分析（续）工作原理分析（续） 0 01 10 00 01 1vIvO1vI2vO3. 暂稳态自动回到稳态暂稳态自动回到稳态 作用：改善作用：改善vO1、 vO边沿。边沿。 随随着着VDD通通过过电电阻阻向向电电容容C的的充充电电，vI2逐逐渐渐上上升升，当当vI2 上升到上升到VDD/2时，时，vO 0V ，vO1 VDD ，电路回到稳态。，电路回到稳态。 正反馈现象：正反馈现象： 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发

11、器0 01 10 0VT0 00 01 11 10 0 工作原理分析（续）工作原理分析（续） vO1vI2vO微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 工作波形分析工作波形分析 VT1.暂稳态维持时间暂稳态维持时间tw 电容电容C充电电压方程：充电电压方程： 参数计算参数计算 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器将将VC（0）0V，VC（）VDD，=RC 代入上式得代入上式得 ：当当vC（t）=VT=1/2VDD时，时，t=T w，代入上式可求得，代入上式可求得 ：VTTwTre2.2.恢复时间恢复时间TreTre（35）RC 3.3.最高工作效率最高工作效率fmaxTd=Tw+Trefmax=

12、微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 在在暂暂稳稳态态期期间间Tw和和恢恢复复时时间间Tre内内，电电路路不不得得响响应应触触发发信信号。因此，号。因此，2个触发信号之间的最小时间间隔为：个触发信号之间的最小时间间隔为： 参数计算（续）参数计算（续） 思考题思考题微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 1.若若触触发发脉脉冲冲宽宽度度大大于于Tw时时，电电路路能能否否正正常常工工作作？如如何解决？何解决？ 静态时静态时a、b、d、e各点的电位如何？各点的电位如何？ 控控制制电电路路用用于于产产生生窄窄脉脉冲冲。当当输输入入满满足足以以下下条条件件时时，控制电路产生窄脉冲：控制电路产生窄脉冲：（1

13、 1）若）若A1、A2中至少有一个为中至少有一个为0 0时，时，B由由0101； 74LS121的原理框图的原理框图集成单稳态触发器集成单稳态触发器微分型单稳微分型单稳态触发器态触发器输出缓冲输出缓冲（2 2）若）若B=1，A1、A2中至少有一个由中至少有一个由1010。 74LS121内部结构和逻辑符号内部结构和逻辑符号 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 74LS121的功能表的功能表集成单稳态触发器集成单稳态触发器 两种不同接法两种不同接法正脉冲触发负脉冲触发集成单稳态触发器集成单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器应用应用 用于整形用于整形单稳态触发器单稳态触发器应用应用 用于定时用于定时

14、楼道灯延时开关楼道灯延时开关 多谐振荡器就是方波发生器。由于方波中除基波外多谐振荡器就是方波发生器。由于方波中除基波外还包含了许多高次谐波，因此，又称为多谐振荡器。还包含了许多高次谐波，因此，又称为多谐振荡器。多谐振荡器多谐振荡器 什么是什么是多谐振荡器多谐振荡器？ 多谐振荡器不需要外加信号，只要一上电就会产生多谐振荡器不需要外加信号，只要一上电就会产生方波信号。方波信号。 电路组成及工作原理电路组成及工作原理由门电路构成多谐振荡器由门电路构成多谐振荡器 （1） 设电路的初态为设电路的初态为vO1=1, vO2=0，这种状态下不可能持，这种状态下不可能持久维持；久维持；1 10 00 01 1

15、（2）通过）通过vO1RCvO2向向C充电，使充电，使vI1不断上升；不断上升；（3）当）当vI1VT时，时，G1输出低电平，输出低电平，G2输出高电平，即输出高电平，即vO1=0， vO2=1。 工作原理工作原理由门电路构成多谐振荡器由门电路构成多谐振荡器 （4） vO1=0， vO2=1这个状态也不能持久；这个状态也不能持久； 1 10 00 01 1（5）通过）通过vO2CRvO1对电容对电容C反向充电，反向充电，vI1逐步减少；逐步减少；（6）当）当vI1VDD/2时，时，G1输出高电平，输出高电平， G2输出低电平，即又输出低电平，即又回到回到vO1=1，vO2=0的状态。的状态。

16、（7）周而复始产生方波。）周而复始产生方波。 工作波形工作波形由门电路构成多谐振荡器由门电路构成多谐振荡器 T1、T2的计算公式推导参考教材的计算公式推导参考教材P246其它形式的多谐振荡器其它形式的多谐振荡器 石英晶体石英晶体振荡器振荡器1. 石英晶体石英晶体的等效电路的等效电路其它形式的多谐振荡器其它形式的多谐振荡器 2. 石英晶体石英晶体振荡器原理图振荡器原理图 7555定时器的内部结构及逻辑符号定时器的内部结构及逻辑符号555定时器的工作原理定时器的工作原理 基本基本SR锁存器锁存器比较器比较器2VDD/3VDD/3R=5k 555定时器的功能表定时器的功能表555定时器的工作原理定时

17、器的工作原理 +C1R2VDD/3vI1 +C2SVDD/3vI2 截截 止止111VDD /32 VDD /3 1不不 变变不不 变变00VDD /32 VDD /3 1导导 通通010VDD /32 VDD /3 1截截 止止101VDD /32 VDD /3 1导导 通通0 0N1状态状态vORSvI2vI1 RD 输输 出出 输输 入入 用用555构成的施密特触发器构成的施密特触发器 电路结构电路结构+C1R2VDD/3vI +C2SVDD/3vI 2VDD/3VDD/3vI0tvO0t（1）当）当vIVDD/3时，时， R=0，S=1，Q=1，vO=1；（2）当）当VDD/3 vI2

18、VDD/3时，时， R=0，S=0，Q=1，vO=1；（3）当）当 vI2VDD/3时，时，R=1，S=0，Q=0，vO=0；（4）当）当VDD/3 vI2VDD/3时，时， R=0，S=0，Q=0，vO=0；（5）当）当vIVDD/3时，时， R=0，S=1，Q=1，vO=1； 原理分析原理分析用用555构成的施密特触发器构成的施密特触发器 主要参数主要参数用用555构成的施密特触发器构成的施密特触发器 1. 阀值电平阀值电平VT+=2VDD/3VT- -=VDD/32. 回差电压回差电压= VT+ VT- -=VDD/3思考：如何调节阈值电压？思考：如何调节阈值电压？用用555构成的多谐振

19、荡器构成的多谐振荡器 电路结构电路结构用用555构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器 工作原理工作原理+C1R2VDD/3vC +C2SVDD/3vC1.上上电电时时，vC=0=0，得得R=0，S=1，Q=1，N1管截止管截止, ,vO O=1=1。3.当当vC 2VDD/3时时，R=1，S=0，基基本本SR锁锁存存器器被被置置0，Q=0，N1管导通，管导通，vO=0。2. .当当VDD通过通过R1、R2向向C充充电电，vC 逐渐上升逐渐上升;用用555构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器 工作原理（续）工作原理（续）+C1R2VDD/3vC +C2SVDD/3vC5. .当当vC下下降降到到vC V

20、DD/3时时，R=0，S=1，SR 锁锁存存器器置置成成1态，态，Q=1，T1管截止，管截止， vO=1=1。对电容对电容C充电又重新开始。充电又重新开始。 4. .电电容容C将将通通过过R2和和N1管管放放电电，vC逐渐下降；逐渐下降； 工作波形工作波形 用用555构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器 主要参数计算主要参数计算从占空比从占空比q 的表达式可知，占空比始终大于的表达式可知，占空比始终大于50 。通过通过vC的暂态方程，求得：的暂态方程，求得： T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C T1=0.7(R1+R2)C T2R2C 占空比任意可调的占空比任意可调的多谐振荡器多谐振荡器用用

21、555构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器 T1R1C T2R2C 思考题思考题用用555构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器如图所示是一个由如图所示是一个由555定时器构成的防盗报警电路，定时器构成的防盗报警电路，a、b两端被一细铜丝接通，此铜丝置于盗窃者必经两端被一细铜丝接通，此铜丝置于盗窃者必经之路，当盗窃者闯入室内将铜丝碰断后，扬声器即之路，当盗窃者闯入室内将铜丝碰断后，扬声器即发出报警声。说明本报警电路的工作原理。发出报警声。说明本报警电路的工作原理。用用555构成的单稳态触发器构成的单稳态触发器 电路结构电路结构最后又回最后又回vO=0=0V 。 10导通导通 工作原理分析工作原理分析 接

22、通电源时接通电源时R=0,S=0； 假设假设SR锁存器初态为锁存器初态为1； 假设假设SR锁存器锁存器初态为初态为0； 结论：接通电源后，不管起始状态如何，最终触发器处结论：接通电源后，不管起始状态如何，最终触发器处于稳态于稳态 vO=0。 0100用用555构成的单稳态触发器构成的单稳态触发器 01截止截止2VDD/3101导通导通00001.1.什么是什么是稳态稳态？ vO=0V，此状，此状态能长久保持；态能长久保持； 工作原理分析（续）工作原理分析（续）截止截止1导通导通002. .当当vI加一个负脉冲；加一个负脉冲；3. .触发器自动回到稳态，触发器自动回到稳态，vO=0 =0 2VD

23、D/3001用用555构成的单稳态触发器构成的单稳态触发器 11010导通导通0100000电路进入暂稳态，电路进入暂稳态，vO=VDD ；vI0tvC0tvO0tTW2/3VDD 工作波形工作波形用用555构成的单稳态触发器构成的单稳态触发器 主要参数主要参数可重触发单稳态触发器可重触发单稳态触发器用用555构成的单稳态触发器构成的单稳态触发器 不可重触发工作波形不可重触发工作波形可重触发工作波形可重触发工作波形可重触发单稳态触发器原理图可重触发单稳态触发器原理图用用555构成的单稳态触发器构成的单稳态触发器 可重触发单稳态触发器应用可重触发单稳态触发器应用失落脉冲检测电路失落脉冲检测电路1

24、. 基基本本SR锁锁存存器器具具有有两两个个稳稳态态、单单稳稳态态触触发发器器具具有有一个稳态，而多谐振荡器没有稳态。一个稳态，而多谐振荡器没有稳态。 2. 无无论论电电路路的的具具体体结结构构如如何何，凡凡是是含含有有RC元元件件的的脉脉冲冲电电路路，分分析析的的关关键键就就是是电电容容的的充充放放电电，而而关关键键连接点就是与电容相连的门电路的输入端。连接点就是与电容相连的门电路的输入端。 3. 555定定时时器器是是一一种种应应用用广广泛泛的的集集成成电电路路，它它是是早早期模拟电路和数字电路结合的典范。期模拟电路和数字电路结合的典范。 小小 结结 作作 业业习题习题1，3，5，7，8，10