常州大学吴志敏数电ch9脉冲波形的产生与变换.

第9章概述矩形脉冲的基本特性1.矩形脉冲的二值性矩形脉冲二进制数字信号高、低电平1、02.矩形脉冲的特性参数TT—脉冲周期UmUm—脉冲幅度0.5UmtWtW—脉冲宽度0.1Um0.9Umtrtr—上升时间tftf—下降时间3.获得脉冲的方法：1）自激振荡电路直接产生矩形脉冲。由多谐振荡器来实现555定时器是构成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器的既经济又简单实用的器件。2）将已有波形（正弦波、锯齿波等）整形为矩形脉冲。由施密特触发器和单稳态触发器来实现9.1集成555定时器555定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。它使用方便,带负载能力较强,目前得到了非常广泛的应用。单定时器双极型——最后3位数555单极型——最后4位数7555双定时器双极型——最后3位数556单极型——最后4位数7556型号：9.1.1555定时器的电路组成和基本功能555定时器的内部电路包括以下几部分:①两个电压比较器:C1、C2;②一个基本RS触发器;③一个晶体管T；④由三个相等电阻组成的分压器;⑤一个反相器等。电路结构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4.5～18V输出端地vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2T电源电压范围:4.5V~18V555定时器的管脚图12345678555VCCDTHCOGNDTRVoRD电源放电阈值电控压制地触发输出复位9.1.2555定时器的基本功能vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2TVcc32Vcc31三个电阻构成的分压器给两个比较器提供基准电压:分别为和。Vcc32Vcc31001导通,01时0T，Vo＝＝Q：＝R①vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2TbTHCOTRD+VccRDvo++--84562713＆＆1RRRRQQC1C2＞2/3VCC＞1/3VCC00011导通,01时0T，Vo＝＝Q：＝RD①。、＝、、＝、，②导通,001101时31,321TVo＝Q＝Q：＝RDC2CVVVVCCTRCCTHTHCOTRD+VccRDvo++--84562713＆＆1RRRRQQC1C2＜2VCC/3＞VCC/311010b状态不变。不变不变、、＝、，③TVoQQ：＝RD,;111时31,321C2CVVVVCCTRCCTHTHCOTRD+VccRDuo++--84562713＆＆1RRRRQQC1C2＜2VCC/3VCC/310110b状态不变。不变不变、、＝、，③TVoQQ：＝RD,;111时31,321C2CVVVVCCTRCCTH截止。、、＝、，④T0C2CVVVVCCTRCCTHVoQQ：＝RD,1;1011时31,321×基本功能0UOL饱和2VCC/3111UOLVCC/3饱和2VCC/3VCC/3不变不变2VCC/3VCC/3UOH截止UTHuoTD的状态URTR9.2施密特触发器一、普通反相器和施密特反相器的比较AY1普通反相器uAUTHuY?TTL：1.4VCMOS：DD21V施密特反相器AYuAUT+UT–上限阈值电压下限阈值电压uY回差电压：TTTUUU⑴电路：2，6端连在一起作为信号输入端+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2vIVcc1vo1VI1/3VCC时，C1输出高电平，C2输出低电平，VO=1VI2/3VCC时，C1输出低电平，C2输出高电平，VO=0构成集电极开路型输出端。9.2.555定时器做施密特触发器Rvi84675553251vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压调节回差vivott00UT+UT－2VCC/3VCC/3⑵工作原理：（a）当Vi＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q＝1、0=Q，。升高时，在未到达2Vcc/3以前，的状态不会改变。VO＝1ViVO＝1Rvi84675553251vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压调节回差vivott00UT+UT－2VCC/3VCC/3（b）vi升高到2VCC/3时，比较器C1输出为0、C2输出为1，触发器置0，即Q＝0、1Q，vo=0。此后，vi上升到VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3以前，vo＝0的状态不会改变。（a）当vi＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q＝1、0Q，vo＝1。vi升高时，在未到达2VCC/3以前，vo＝1的状态不会改变。Rvi84675553251vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压调节回差vivott00UT+UT－2VCC/3VCC/3（c）vi下降到VCC/3时，比较器C1输出为1、C2输出为0，触发器置1，即Q＝1、0Q，vo=1。此后，vi继续下降到0，但vo＝1的状态不会改变。（b）vi升高到2VCC/3时，比较器C1输出为0、C2输出为1，触发器置0，即Q＝0、1Q，vo=0。此后，vi上升到VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3以前，vo＝0的状态不会改变。（a）当vi＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q＝1、0Q，vo＝1。vi升高时，在未到达2VCC/3以前，vo＝1的状态不会改变。下限阈值电压vovi(b)逻辑符号(a)传输特性VT－VT+上限阈值电压回差电压（滞后电压）：VT+=2/3VCC;VT-=1/3VCCΔVT＝VT＋－VT－=1/3VCCvIvO②在7脚外接一电阻，并与VCC1相连，vO=1时，vO1=0;vO=0时，vO1=VCC1，可以实现电平移动。①在5脚上加控制电压VCO可以改变VT+,VT-，以调节回差电压的大小Rvi84675553251vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压调节回差说明：9.2.4施密特触发器的应用1.波形变换——三角波、正弦波变换成方波vItvOtVT+VT-VT+VT-vItvOt正弦波→方波三角波→方波调节VT+,VT-可以改变宽度2.波形整形——消除噪声干扰vItvOtVT+VT-vItvOtVT+VT-回差电压比较小回差电压比较大3.幅度鉴别vItvOtVT+VT-可以调节VT+作为鉴别门限4.构成脉冲源1vIvO9.3单稳态触发器单稳态触发器的特点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。稳定状态稳定状态暂稳态由外界触发自动返回学习的重点:为什么会自动返回?需多少时间?图示暂稳态：RC9.3.5由555定时器组成的单稳态触发器外接RC+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2vITb+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvIT截止时，对C充电T导通时，C放电（1）工作原理：可以在5脚外接控制电压，以改变放电阀值。VTHVCbTVC2/3VCC时，Vo＝0，T导通，C放电。V6=VTHV2=VTRVoT2/3VCC1/3VCC0导通2/3VCC1/3VCC保持保持2/3VCC1/3VCC1截止2/3VCCtvi00vCt0vot①稳态（VI＝1，Vo=0）vIvOVCCRCvC0.01uF12348765接通VCC后,C充电，当vc上升到2VCC/3时:→比较器C1=0，将触发器置0，→Vo＝0。→T导通，C放电,vc≈0→电路进入稳态。V6=VTHV2=VTRVoT2/3VCC1/3VCC0导通2/3VCC1/3VCC保持保持2/3VCC1/3VCC1截止2/3VCCvIvOVCCRCvC0.01uF12348765②外触发:ViVi＜1/3VCC，→比较器C2＝0，触发器置1，→Vo＝1→T截止，C充电→电路进入暂稳态。tvi00vCt0votV6=VTHV2=VTRVoT2/3VCC1/3VCC0导通2/3VCC1/3VCC保持保持2/3VCC1/3VCC1截止T截止，C充电，当vc上升到2/3VCC时:→比较器C1=0，触发器置0，→Vo＝0→T导通，C放电,vc≈0电路→电路返回稳态。vIvOVCCRCvC0.01uF12348765V6=VTHV2=VTRVoT2/3VCC1/3VCC0导通2/3VCC1/3VCC保持保持2/3VCC1/3VCC1截止2/3VCCtvi00vCt0vot③自动返回（VI＝1）:由以上过程可以看出:每来一次负脉冲,vo便输出一个正脉冲,其宽度tW由RC决定。vIvOVCCRCvC0.01uF123487652/3VCCtvi00vC0votttW（2）输出脉冲宽度twtw是Vc从0指数上升到2VCC/3时所需的时间注意:tw宽度的增加，将降低定时精度和稳度。tw的范围为几秒到几分钟。2/3VCCtvi00vC0votttW0)0(cvCCcVv)(CCcVtv32)(twCCCCCCCCCCVVVRCtVVVVRC320ln)()()0()(ln＝1.1RC2/3VccvCvI(S)vO在充电过程中vI0←→1变化,C1=1,C2=0/1,Q保持为1，电路状态不变（T截止，C保持充电状态）。多次触发时的情况：故该电路为不可重复触发型单稳态触发器：①电路图：（3）可重复触发的单稳态触发器+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvITbT1⑷可重复触发的单稳态触发器（续）+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvITbT1②工作过程b.触发时:a.稳态时:VI=1,T1截止,电路状态同普通单稳。VI=0，电路触发翻转，Vo＝1VI=0期间,T1导通,电容不能充电。VI=1后，T1截止,电容开始充电。⑷可重复触发的单稳态触发器（续）+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvITbT1②工作过程（续）c.重复触发时:当Vc2/3VCC(电路仍处暂态)时，若VI又进行触发(VI=0),则C通过T1放电,电路将维持在暂态,直到在tW时间内没有新的触发,电路回到稳态。a.稳态时:b.触发时:vI③可重复触发的单稳态触发器的波形图vCvOVTHVCCVcc32失落脉冲检测仪触发过程：c.VI=1→电容开始充电e.重复触发：电容充电过程中VI=0,电容放电，VI=1后，再次充电→→实现可重复触发。a.VI=1,稳态→VO=0tWtWb.VI=0,触发→VO=1→进入暂态d.VC2/3Vcc→Q=0,→VO=0,恢复稳态，→T导通,电容放电9.3.3单稳态触发器的应用一般用于定时（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）延时（把输入信号延迟一定时间后输出）uo&uiuAu'o(a)电路示意图(b)波形图单稳态触发器uou'ouiuAtpuiuotp1)定时、延时2)整形9.4多谐振荡器多谐振荡器的特点：（1）不需外触发的自激振荡器；（2）无稳定状态，均为暂稳态；（3）矩形波中含有丰富的高次谐波，习惯称多谐振荡器。9.4.1.由门电路构成多谐振荡器1.用TTL门构成对称式多谐振荡器2.环形振荡器9.4.2.石英晶体多谐振荡器石英晶体振荡器常用作数字系统的基准信号.为获得稳定的振荡频率,可在振荡电路中串接石英晶体,组成石英晶体振荡器f石英晶体阻抗频率特性0Xfs电容性电感性fp(1)石英晶体阻抗频率特性在固有频率fs上,阻抗X=0。内部电路(2)石英晶体振荡器石英晶体振荡频率等于石英晶体的谐振频率fs11R1R2C2C1voTTL门R1，R2：0.7～2KΩC:0.1μF1RC2C1vo1CMOS门R：10～100MΩC:30Pf常见的外接振荡电路9.4.3.用施密特触发器构成多谐振荡器外接R1,R2,C⑴电路：+Vc