第7章脉冲波形的产生与整形电路.

第七章脉冲波形的产生与整形电路7.1脉冲信号与脉冲电路7.2施密特触发器7.3单稳态触发器7.4多谐振荡器7.5555定时器及其应用7.6用Multisim10分析555定时器一、本章内容1.掌握施密特触发器的工作原理。2.掌握单稳态触发器的工作原理。3.掌握多谐振荡器的工作原理。4.掌握555定时器电路结构及其应用。5.掌握基本脉冲电路的设计。二、本章教学目的与要求三、本章知识结构脉冲波形的产生与整形基本概念555定时器施密特触发器脉冲信号脉冲电路单稳态触发器多谐振荡器电路结构电路应用电路结构电路应用门电路结构石英晶体结构工作原理应用与仿真7.1脉冲信号与脉冲电路在电子技术中，脉冲信号是一个按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出的脉冲信号。脉冲信号之间的时间间隔称为周期；而将在单位时间（如1秒）内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号（包括脉冲信号）在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称；频率的标准计量单位是Hz（赫兹）。脉冲的原意被延伸出来即隔一段相同的时间发出的波等机械形式，学术上把脉冲定义为在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量称之为脉冲。7.1.1脉冲信号脉冲信号现在一般指数字信号，它已经是一个周期内有一半时间（甚至更长时间）有信号。脉冲信号是一种离散信号，与普通模拟信号（如正弦波）相比，波形之间在时间轴不连续（波形与波形之间有明显的间隔）但具有一定的周期性是它的特点。脉冲信号可以用来表示信息，也可以用来作为载波，比如脉冲调制中的脉冲编码调制（PCM），脉冲宽度调制（PWM）等等，还可以作为各种数字电路、高性能芯片的时钟信号。（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）（a）方波（b）矩形波（c）梯形波（d）锯齿波（e）钟形波（f）三角波（g）尖峰波（h）阶梯波ttw0tftrVm0.9Vm0.5Vm0.1VmVT脉冲宽度脉冲幅度下降时间上升时间脉冲周期VmVtT理想的矩形波波形实际的矩形波波形7.1.2脉冲电路脉冲有各种各样的用途，有对电路起开关作用的控制脉冲，有起统帅全局作用的时钟脉冲，有做计数用的计数脉冲，有起触发启动作用的触发脉冲等等。这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种则是对已有信号进行整形，使之满足系统的要求。脉冲电路是专门用来产生电脉冲和对电脉冲进行放大、变换和整形的电路。家用电器中的定时器、报警器、电子开关、电子钟表、电子玩具以及电子医疗器具等，都要用到脉冲电路。脉冲电路的特点是脉冲电路中的晶体管是工作在开关状态的。大多数情况下，晶体管是工作在特性曲线的饱和区或截止区的，所以脉冲电路有时也叫开关电路。脉冲电路的另一个特点是一定有电容器（用电感较少）作关键元件，脉冲的产生、波形的变换都离不开电容器的充放电。脉冲波形的整形电路中，最常用的电路有施密特触发器和单稳态触发器；脉冲波形的产生电路中，最常用的电路是多谐振荡器。7.2施密特触发器施密特触发器是一种常用的脉冲波形整形电路，能够将边沿变化缓慢的脉冲信号波形整形为边沿陡峭的矩形波。它具有如下两个特点：一是滞回特性，即对于正向和负向变化的输入信号，分别有不同的临界阈值电压。二是电平触发，即当输入信号达到一定的电压值时，输出电压会发生突变。这一特点对于缓慢变化的信号仍然适用。因此施密特触发器是一种受输入信号电平直接控制的双稳态电路。在此，称VT+为正向阈值电压，VT－为负向阈值电压。显然，施密特触发器的正向和负向阈值电压是不等的，定义二者之差ΔVT为回差电压，即ΔVT=VT+－VT－。VT＋1VT－uo0ui传输特性逻辑符号1.电路结构假定图中CMOS反相器的阈值电压为VTH≈1/2VDD，设电阻R1＜R2。UIUOR1R2G1G2IUUO17.2.1门电路构成的施密特触发器当输入UI为0V时，G1截止、G2导通，输出UO为0V，≈0。当输入电压UI逐渐上升到=VTH时，G1进入电压特性的转折区，所以电路将发生如下正反馈：↑→UO1↓→UO↑使电路迅速跳变到UO=VOH≈VDD。由此可求出上升过程中电路发生转换时的输入电平VT+。UIUOR1R2G1G2IUUO12.工作原理IUIUIUT212I212THIVRRRURRRVUTH21TH221T)VRR(1VRRRV当UI从高电平下降时，也下降；当UI下降使趋于G1门的阈值电压VTH时，G1门和G2门又处在要翻转的边缘；当UI下降使=VTH时，UO1=UOH，UO=UOL≈0。由此可求出此电路在UI下降过程中的负向阈值电压VT－。IUIUIU212TDDDDTHIRRR)V(VVVUDD21TH221TVRRVRRRVTH21T)VRR(1VUIVT+UOVT-tt0UOHUOLΔVT＝VT+-VT－＝TH21VRR23.电压传输特性UOUOHUOLVT-VT+UI0UOUOHUOLVT-VT+UI0同相传输特性反相传输特性7.2.2集成施密特触发器1.CMOS集成施密特触发器12345678910111213141A1Y2A2Y3A3Y4A4Y5A5Y6A6YVSSVDD集成施密特触发器CC40106的逻辑功能图集成施密特触发器CC40106的主要静态参数电源电压VDDVT+最小值VT+最大值VT-最小值VT-最大值ΔVT最小值ΔVT最大值单位510152.24.66.83.67.110.80.92.542.85.27.40.31.21.61.63.45VVV2.TTL集成施密特触发器TTL施密特触发器具有以下特点：输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作；对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿；带负载能力和抗干扰能力都很强。TTL集成施密特触发器74LS13、74LS14、74LS132的主要参数典型值如表7-2所示。表7-2TTL集成施密特触发器的主要参数器件型号延迟时间（ns）每门功耗（mW）VT+（V）VT-（V）ΔVT（V）74LS1374LS1474LS13216.515158.758.68.81.61.61.60.80.80.80.80.80.87.2.3施密特触发器的应用1.用作接口电路MOSCMOS正弦波振荡器施密特触发器用作TTL接口电路2.用作整形电路3.用作脉冲鉴幅如果将一系列幅度不相同的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些信号幅度大于VT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。因此，施密特触发器能将幅度大于VT+的脉冲选出，如图所示。0ttUIUOVT+VT-0UIUO用施密特触发器鉴别脉冲幅度7.3单稳态触发器施密特触发器是双稳态电路，有0、1两个稳态，状态改变受外加信号控制。而单稳态触发器是单稳态电路，有一个稳态（0态或1态）和一个暂稳态，在外加输入信号的作用下电路由稳态翻转到暂稳态，保持一段时间后又自动返回原来的稳态。单稳态触发器的输出通常为宽度恒定的脉冲信号，而暂稳态的时间仅取决于电路自身的相关参数。7.3.1门电路构成的单稳态触发器用门电路组成单稳态触发器有微分型和积分型两大类。下面以微分型单稳态触发器为例进行讲述。1.电路结构UIVDDG1CG2UOUO1RUI2IU微分型单稳态触发器2.工作原理此电路用负脉冲触发无效，只有在正的窄脉冲触发时，电路才有响应。UIVDDG1CG2UOUO1RUI2IU接通电源VDD，不触发时，UI=0，而UI2=VDD=1，所以UO=0。故有自然稳态：UO=0。此时=0，UO1=1≈VDD。自然稳态时，电容C两端均为VDD，C中无电荷。C中无电荷，是稳态的标志。IU触发时，UI=1，UO1=0，由于电容C两端的电压在触发瞬间不能突变，所以UI2=0，使UO=1。故有暂态UO=1。接下来，电容C充电，充电回路为VDD→R→C→UO1，充电使UI2升高。当UI2升高到G2门的阈值电压VTH时，UO突跳为0，电路返回到自然稳态：UO=0。2.工作原理此电路用负脉冲触发无效，只有在正的窄脉冲触发时，电路才有响应。UIVDDG1CG2UOUO1RUI2IU接下来，电容C开始放电，放电回路有两条，分别为UI2→R→VDD和UI2→G2→VDD，放电使UI2下降，当UI2下降到等于VDD时（此时，C两端均为VDD，C中无电荷），电路稳定，保证UO=0。当UO=0时，=0，UI=0（UI为窄脉冲，触发高电平此时已经消逝），所以UO1从“0”突跳为“1”（即上升了VDD）；由于电容C两端的电压瞬间不能突变，所以UI2也应该从VTH突跳为VTH+VDD，但实际上由于G2门输入端有钳位二极管，所以UI2实为VDD＋0.7V。IUVDDRRONG1CG2VDDRRONG1CG2D1充电等效电路放电等效电路UIVDDG1CG2UOUO1RUI2IU0ttttUIUO1UI2UOtwVDD+0.7VTH000电压波形3.输出电压脉宽tw的计算tw等于UI2从0上升到VTH所对应的时间电容C的充电时间常数τ=RC，初始值UI2（0+）=0，稳定值UI2（∞）=VDD，转换值UI2（tw）=VTH≈1/2VDD+I2I2wI2I2wDDDDTHU()-U(0)t=lnU()-U(t)V-0=RClnV-V0.69RC7.3.2集成单稳态触发器1.TTL集成单稳态触发器7412174121是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加以输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。7435691011141VCCQA1A2B74121CextRintRextCextGNDQ0tA2Btwtwtw000A1Qttt逻辑符号图工作波形图7435691011141VCCQA1A2B74121CextRintRextCextGNDQ1VCCCextRext7435691011141VCCQA1A2B74121CextRintRextCextGNDQVCCCext外接电阻（下降沿触发）内接电阻（上升沿触发）2.主要参数（1）输出脉冲宽度tw集成单稳态触发器74121的输出脉冲宽度。当使用外接电阻电阻时，tw≈0.7RextC；当使用内部电阻时tw≈0.7RintC。（2）输入触发脉冲最小周期Tmin输入触发脉冲最小周期Tmin为输出脉冲宽度和恢复时间之和，即Tmin=tw＋tre。（3）周期性输入触发脉冲占空比q周期性输入触发脉冲占空比q定义为q=tw/T，其中T是输入触发脉冲的重复周期，tw是单稳态触发器的输出脉冲宽度。3.集成单稳态触发器的重复触发问题集成单稳态触发器有不可重复触发型和可重复触发型两种。不可重复触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束以后，它才能接受下一个触发脉冲而转入下一个暂稳态，如图7.16（a）所示。而可重复触发的单稳态在电路被触发而进入暂稳态以后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个tw宽度，如图7.16（b）所示。图7.16单稳态触发器的不同工作波形（a）不可重复触发型（b）可重复触发型UIQttUI00tw00Qtttw7.3.3单稳态触发器的应用1.定时与延时UIUO1UFUOUIUOUO1UF下降沿触发单稳态触发器与门tw单稳态触发器用于延时与定时2.脉冲整形单稳态触发器还能够把不规则的输入信号，整形成幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲，如图所示。图中UI是输入的不规则信号，UO是输出信号，UO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，UO的宽度tw取决于暂稳态时间。UOUItW7.4多谐振荡器7.4.1门电路构成的多谐振荡器多谐振荡器也称自激振荡器，是产生矩形脉冲波的典型电路，常用来做脉冲信号源。多谐振荡器没有输入端，接通电源便自激振荡。多谐振荡器起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此又称它为无稳态电路。1.对称式多谐振荡器RF1RF2UI1G1G2C1C2UO1UI2UO2由于电路没有稳定状态，所以在静态时它的状态是不稳定的，必须使反相器G1、G2工作在