第5章脉冲信号的产生与整形.

2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉1第5章脉冲信号的产生与整形学习要点：•555定时器的工作原理及逻辑功能•由555定时器构成单稳、多谐、施密特触发器的方法2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉2第5章脉冲信号的产生与整形5.1多谐振荡器5.2单稳态触发器5.3施密特触发器退出2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉35.1多谐振荡器5.1.1由门电路构成的多谐振荡器5.1.2由555定时器构成的多谐振荡器5.1.3多谐振荡器的应用退出2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉45.1.1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0(a)电路图&&ui1ui2uo2ui3uoRRSCuo(ui1)uo2ui3tttt(b)波形图000G1G2&G3ui2(uo1)UTt1t2t32019/12/18华东交通大学电气学院付智辉50(a)电路图&&ui1ui2uo2ui3uoRRSCuo(ui1)uo2ui3tttt(b)波形图000G1G2&G3ui2(uo1)UTt1t2t3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UT，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2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉60(a)电路图&&ui1ui2uo2ui3uoRRSCuo(ui1)uo2ui3tttt(b)波形图000G1G2&G3ui2(uo1)UTt1t2t3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。造成振荡器自动翻转的原因是电容C的充放电。振荡周期为：T≈2.2RC2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉7ui1uo1ui2uo0(a)电路图&&RCuoui1ttt(b)波形图00G1G2ui2(uo1)UTt1t2t32、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2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉8ui1uo1ui2uo0(a)电路图&&RCuoui1ttt(b)波形图00G1G2ui2(uo1)UTt1t2t3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。若UT＝0.5VDD，振荡周期为：T≈1.4RC2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉9&&R1C2R2C1uof(a)石英晶体多谐振荡器(b)石英晶体阻抗频率特性0Xf0电容性电感性3、石英晶体多谐振荡器电阻R1、R2的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对TTL反相器，常取R1＝R2＝R＝0.7kΩ～2kΩ，而对于CMOS门，则常取R1＝R2＝R＝10kΩ～100kΩ；C1＝C2＝C是耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率f0时可以忽略不计；石英晶体构成选频环节。振荡频率等于石英晶体的谐振频率f0。2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉105.1.2由555定时器构成的多谐振荡器1、555定时器1&&&COTHTR+VCCuOD5kΩ5kΩ5kΩC1C2G1G2G3T++－－2658437RQQ低电平触发端高电平触发端电压控制端复位端低电平有效放电端4.5～16V2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉111&&&COTHTR+VCCuOD5kΩ5kΩ5kΩC1C2G1G2G3T++－－2658437RQQ001①R=0时，Q=1，uo=0，T导通。2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉121&&&COTHTR+VCCuOD5kΩ5kΩ5kΩC1C2G1G2G3T++－－2658437RQQ①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。＞2VCC/3＞VCC/3000112019/12/18华东交通大学电气学院付智辉131&&&COTHTR+VCCuOD5kΩ5kΩ5kΩC1C2G1G2G3T++－－2658437RQQ①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。＜2VCC/3＞VCC/310011③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。1102019/12/18华东交通大学电气学院付智辉141&&&COTHTR+VCCuOD5kΩ5kΩ5kΩC1C2G1G2G3T++－－2658437RQQ①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。＜2VCC/3＜VCC/311100③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。④R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＜VCC/3时，C1=1、C2=0，Q=0、Q=1，uo=1，T截止。2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉15CR1uc847365552510.01μFuoVCCR2ucuotttP1tP20VCC/32VCC/30(a)电路(b)工作波形2、由555定时器构成的多谐振荡器接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉16CR1uc847365552510.01μFuoVCCR2ucuotttP1tP20VCC/32VCC/30(a)电路(b)工作波形第一个暂稳态的脉冲宽度tp1，即uc从VCC/3充电上升到2VCC/3所需的时间：tp1≈0.7(R1+R2)C第二个暂稳态的脉冲宽度tp2，即uc从2VCC/3放电下降到VCC/3所需的时间：tp2≈0.7R2C振荡周期：T＝tp1＋tp2≈0.7(R1＋2R2)C2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉17&&R1C2R2C1&f0f1f2f14f32768Hz16384Hz8192Hz2Hz1HzC1C1C1C1FF1FF2FF14FF15Q1Q2Q14Q155.1.3多谐振荡器的应用秒信号发生器多谐振荡器分频电路2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉18C1R1uo184736555Ⅰ2510.01μFuo1VCCR2(a)电路(b)工作波形C2R3uo284736555Ⅱ2510.01μFuo2R4C模拟声响电路将振荡器Ⅰ的输出电压uo1，接到振荡器Ⅱ中555定时器的复位端（4脚），当uo1为高电平时振荡器Ⅱ振荡，为低电平时555定时器复位，振荡器Ⅱ停止震荡。2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉19本节小结：多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由555定时器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本RS触发器在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。RS触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以又称为无稳电路。在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。555定时器是一种应用广泛、使用灵活的集成器件，多用于脉冲产生、整形及定时等。2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉205.2单稳态触发器5.2.1由门电路构成的单稳态触发器5.2.2由555定时器构成的单稳态触发器5.2.3单稳态触发器的应用退出2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉21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。单稳态触发器具有下列特点：（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。（2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。（3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。5.2.1由门电路构成的单稳态触发器2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉22uiCuA≥1(a)电路(b)波形uo2RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVDD0000tP≥11、微分型单稳态触发器（1）没有触发信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：uo1＝1，uo2＝0。00112019/12/18华东交通大学电气学院付智辉23uiCuA≥1(a)电路(b)波形uo2RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVDD0000tP≥1110（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，uo1＝0，uo2＝1。2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉24uiCuA≥1(a)电路(b)波形uo2RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVDD0000tP≥10011（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uo1＝1，uo2＝0。脉冲宽度：tp=0.7RC2019/12/18华东交通大学电气学院付智辉25uiCuA≥1≥1uo2RG1G2uo1VDDC1R1