脉冲信号的产生和整形

脉冲信号的基本参数单稳态触发器施密特触发器555定时器及其应用脉冲信号的产生和整形多谐振荡器数字电路常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿的脉冲信号，如触发器就需要时钟脉冲（CP）。脉冲信号产生要用多谐振荡器。本章将介绍常用的施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，同时介绍一种多用途的定时电路——555定时器。获取这些脉冲信号的方法通常有两种：①直接产生；②利用已有信号整形或变换得到。脉冲信号整形则要用单稳态触发器和施密特触发器本章基本内容一、脉冲信号的定义（不对称方波）三角波：锯齿波：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。方波：（对称方波）二、脉冲信号的参数q=TW/T占空比TwTVmv0tT脉冲周期f=1/T频率Tw脉冲宽度Vm幅值脉冲信号的基本参数施密特触发器施密特触发器特点：（1）输出有两种状态（输出为数字信号）；（2）输入采用电平触发;（3）对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平（VT+和VT-）。什么是施密特触发器？施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门。施密特触发器1vIvO逻辑符号同相传输反相传输施密特触发器的电压传输特性0OvIvOHVOLVTVTV0OvIvOHVOLVTVTV1vIvO施密特触发器tt00OvIvTVTV将正弦信号加到同相施密特触发器的输入端,可得到输入输出波形。1R1GIv112ROv2G’IvO1vG1、G2为CMOS门电路。电路中R1＜R2。由门电路构成的施密特触发器电路构成工作原理分析（1）当vI=0V时，vO1≈VDD，vO≈0V，vI＇≈0V；0100思考：为什么要求R1R2？1R1GIv112ROv2G’IvO1v由门电路构成的施密特触发器（2）当vI升高时，vI’也升高。当vI’达到1/2VDD时，G1、G2输出状态将发生翻转。此时对应的vI值称为VT+。（3）当vI大于VT+时，电路转到另一稳态：vO1≈0V，vO≈VDD。DD221TI21VRRRVv’)(21DDT121RRVVVT+=VDD/2→0→1↑↑01001RDDV21/2RV0TV’Iv1R1GIv112ROv2G’IvO1v（4）当vI由高变低时，vI’也由高变低。当vI’≤1/2VDD时，电路又将发生转换。此时对应的vI称为VT-。由门电路构成的施密特触发器（5）当vI小于VT-时，电路转到另一稳态：vO1≈VDD，vO≈0V。DD-T211-TDDI21VVRRRVVv)(’)(21DD-T121RRVV01↓↓→1→0VT-=1/2VDD1RDDV21/2RDDVTV’Iv工作波形vIVT+VT-0t0tvO10tvO由门电路构成的施密特触发器施密特触发器应用举例1.用于脉冲整形tt00vOVT+VT-vI1vIvOtt00vOVT+VT-vI1vIvO施密特触发器应用举例2.用于脉冲鉴幅tt00vOVT+VT-vI1vIvO施密特触发器应用举例3.用于构成多谐振荡器vCCRvO1VT+VT-ttvCvO00施密特触发器tt00Ovtv4V4.用于冰箱温控系统实际温控波形温度传感器冰箱压缩机+-CvtvO4V(4oC)1V/oC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tt00Ovtv6V(6℃）2V(2℃）方案二：采用施密特触发器构成的温度控制系统温度传感器冰箱压缩机vtvO1V/oC1实际温控波形施密特触发器应用举例思考题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。有两种状态：0态和1态，但只有一种状态能长久保持，故名单稳态触发器。例子——楼道灯控制系统单稳态触发器的特点：（1）有稳态和暂稳态两种状态；（2）平时处于稳态，在外部触发脉冲作用下，由稳态进入暂稳态；（3）暂稳态维持一定时间后自动回到稳态。单稳态触发器什么是单稳态触发器？单稳态触发器主要有两类：（1）微分型单稳态触发器（2）积分型单稳态触发器单稳态触发器的分类门电路+RC微分电路→微分型单稳态触发器G1、G2为CMOS或非门，vO1、vO分别为G1、G2的输出，vI2为G2输入。微分型单稳态触发器电路组成RC微分电路触发脉冲DDVR≥11CIvOv1G2GO1vI2vDDVR≥11CIvOv1G2GO1vI2v1.单稳态触发器的稳态∴触发器的稳态为vO1≈VDD，vO≈0V。此时，电容两端的电压相等，无充放电。工作原理分析微分型单稳态触发器稳态时，无触发脉冲输入，vI为低电平，C没有充放电，相当于断开。01001DDVR≥11CIvOv1G2GO1vI2v作用：改善vO1、vO边沿。微分型单稳态触发器11001暂稳态：vO1≈0V，vO≈VDD2.当vI加一正脉冲时，由稳态进入暂稳态。这里有一正反馈现象：工作原理分析（续）01001vIvO1vI2vODDVR≥11CIvOv1G2GO1vI2v3.暂稳态自动回到稳态作用：改善vO1、vO边沿。随着VDD通过电阻向电容C的充电，vI2逐渐上升，当vI2上升到VDD/2时，vO≈0V，vO1≈VDD，电路回到稳态。正反馈现象：微分型单稳态触发器010VT00110工作原理分析（续）vO1vI2vO微分型单稳态触发器工作波形分析VTDDVR≥11CIvOv1G2GO1vI2vIvt0I2vt0Ovt0O1vt01.暂稳态维持时间tw电容C充电电压方程：参数计算微分型单稳态触发器teVVVtv)]0()([)()(CCCC将VC（0）≈0V，VC（∞）≈VDD，τ=RC代入上式得：)1()(DDCRCteVtv当vC（t）=VT=1/2VDD时，t=Tw，代入上式可求得：RCRCT0.7ln2wVTTwTre2.恢复时间TreTre≈（3～5）RC3.最高工作效率fmaxTd=Tw+Trefmax=dT1微分型单稳态触发器在暂稳态期间Tw和恢复时间Tre内，电路不得响应触发信号。因此，2个触发信号之间的最小时间间隔为：参数计算（续）思考题微分型单稳态触发器1.若触发脉冲宽度大于Tw时，电路能否正常工作？如何解决？DDVR≥11CdRdCIvOv1G2Gabde静态时a、b、d、e各点的电位如何？≥11控制电路11VDDRCG1G2A1A2BvOG3G4vO＇控制电路用于产生窄脉冲。当输入满足以下条件时，控制电路产生窄脉冲：（1）若A1、A2中至少有一个为0时，B由0↗1；74LS121的原理框图集成单稳态触发器微分型单稳态触发器输出缓冲（2）若B=1，A1、A2中至少有一个由1↗0。74LS121内部结构和逻辑符号集成单稳态触发器110965431114VCCCextRintA1BGND74LS121Rext/CextA2vO＇vO7≥11控制电路111345691011Rext/CextRextCextA1A2B2kΩG1G2G3G4vOvO＇74LS121的功能表集成单稳态触发器1A2ABQQ××01×10101↑×0↑0×11↓1↓11↓↓功能保持（处于稳态）用B正边沿触发用A负边沿触发两种不同接法正脉冲触发负脉冲触发集成单稳态触发器+5VRC+5V1109765431114VCCCextRintA1BGND74LS121Rext/CextA2vO＇vOC+5V1109765431114VCCCextRintA1BGND74LS121Rext/CextA2vO＇vO单稳态触发器应用用于整形tt00vOvI单稳态触发器应用用于定时—楼道灯延时开关+SR11MΩC10.68μF/400VC2220μFC30.1μFVDZBTA12R2100kΩ灯R856ΩC50.47μFR6300ΩR756ΩR5620ΩT19012+&&QG1G2R33MΩC4100μF22kΩR4VD1~VD4零火F10.1AF20.5AIN4007×410V/1WMOC30611265~220V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。多谐振荡器什么是多谐振荡器？多谐振荡器不需要外加信号，只要一上电就会产生方波信号。11G1G2vO1vO2RCvI1R1电路组成及工作原理由门电路构成多谐振荡器（1）设电路的初态为vO1=1,vO2=0，这种状态下不可能持久维持；1001（2）通过vO1→R→C→vO2向C充电，使vI1不断上升；（3）当vI1＞VT时，G1输出低电平，G2输出高电平，即vO1=0，vO2=1。11G1G2vO1vO2RCvI1R1工作原理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；1001（5）通过vO2→C→R→vO1对电容C反向充电，vI1逐步减少；（6）当vI1＜VDD/2时，G1输出高电平，G2输出低电平，即又回到vO1=1，vO2=0的状态。（7）周而复始产生方波。工作波形由门电路构成多谐振荡器T1、T2的计算公式推导参考教材P246vO1vI1vO20tt00tT1T2DD21V11G1G2vO1vO2RCvI1R1其它形式的多谐振荡器石英晶体振荡器Xf0f0CLRCPfP1.石英晶体的等效电路其它形式的多谐振荡器2.石英晶体振荡器原理图晶体1Rf10MΩ2kΩ10pF10pF1MHzC1R1C2vOvI0vOvIDD21VDD21V+-+-Q1）（TRDR③④⑤①⑥②⑦⑧VDDRRRRVCOvI1VTLVTHC1C2GNDDISCvOSRvI2（TH）GN1RS7555定时器的内部结构及逻辑符号555定时器的工作原理基本SR锁存器比较器2VDD/3VDD/3R=5kΩGNDVCODISC1VDDvI123487657555vODRvI2555定时器的功能表555定时器的工作原理－+C1R2VDD/3vI1⑥－+C2SVDD/3vI2②截止111＜VDD/3＞2VDD/31不变不变00＞VDD/3＜2VDD/31导通010＞VDD/3＞2VDD/31截止101＜VDD/3＜2VDD/31导通0××××0N1状态vORSvI2vI1RD输出输入用555构成的施密特触发器电路结构1OvIvμF010.48762vIVDDvI2vI1VCO15vO3555DR－+C1R2VDD/3vI⑥－+C2SVDD/3vI②2VDD/3VDD/3vI0tvO0t（1）当vI＜VDD/3时，R=0，S=1，Q=1，vO=1；（2）当VDD/3＜vI＜2VDD/3时，R=0，S=0，Q=1，vO=1；（3）当vI＞2VDD/3时，R=1，S=0，Q=0，vO=0；（4）当VDD/3＜vI＜2VDD/3时，R=0，S=0，Q=0，vO=0；（5）当vI＜VDD/3时，R=0，S=1，Q=1，vO=1；原理分析用555构成的施密特触发器主要参数用555构成的施密特触发器1.阀值电平VT+=2VDD/3VT-=VDD/32.回差电压=VT+－VT-=VDD/3思考：如何调节阈值电压？用555构成的多谐振荡器电路结构μF01.0R148762CvCVDD15vO3555R2DRvI1vI2DISCvCCRvO1μF01.0R148762VDD15vO3555R2vI1vI2DISCCμF01.0R148762CvCVDD15vO3555R2DRvI1vI2DISC用555构成的多谐振荡器工作原理－+C1R2VDD/3vC⑥－+C2SVDD/3vC②1.上电时，vC=0，得R=0，S=1，Q=1，N1管截止,vO=1。3.当vC＞2VDD/3时，R=1，S=0，基本SR锁存器被置0，Q=0，N1管导通，vO=0。2.当VDD通过R1、R2向C充电，vC逐渐上升;μF01.0R148762CvCVDD15vO3555R2DRvI1vI2DISC用555构成的多谐振荡器工作原理（续）－+C1R2VDD/3vC⑥－+C2SVDD/3vC②5.当vC下降到vC＜VDD/3时，R=0，S=1，SR锁存器置成1态，Q=1，T1管截止