数字电子技术基础课件(第7章 脉冲产生与整形电路)

第7章脉冲波形的产生与整形一、555定时器的电路结构由以下几部分组成：（1）三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器。（2）两个电压比较器C1和C2。8.1集成555定时器电压比较器的功能：v+v-，vO=1v+v-，vO=0（3）基本RS触发器、（4）放电三极管T及缓冲器G。CC&&&1RSTG5kΩ5kΩ5kΩ12VRvvvCCDICI1I2OOv,(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v阈值输入控制电压触发输入放电端12658437Ov,vI2I1vvICVCCvO555DR二．工作原理（1）4脚为复位输入端（RD），当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo为低电平。正常工作时，应将其接高电平。（2）5脚为电压控制端，当其悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3VCC和1/3VCC。（3）2脚为触发输入端，6脚为阈值输入端，两端的电位高低控制比较器C1和C2的输出，从而控制RS触发器，决定输出状态。7.2施密特触发器施密特触发器——具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。一.用555定时器构成的施密特触发器1.电路组成及工作原理1265VCCRDO5553Ov7vvI2I1vIC8412IvCCVVCC2RvCC&&&1RSTG5kΩ5kΩ5kΩ12VRvvvCCDICI1I2OOv,(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v阈值输入控制电压触发输入放电端2.电压滞回特性和主要参数（1）电压滞回特性（2）主要静态参数（a）上限阈值电压VT+——vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。VT+=2/3VCC。（b）下限阈值电压VT———vI下降过程中，vO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。VT—=1/3VCC。（3）回差电压ΔVTΔVT=VT+－VT—=1/3VCC二．集成施密特触发器1.CMOS集成施密特触发器CC401062.TTL集成施密特触发器74LS1412345678910111213141A1Y2A2Y3A3Y4A4Y5A5Y6A6YVVDDSS(a)CC4010612345671A1Y2A2Y3A3YGND8910111213144A4Y5A5Y6A6YVCC(b)74LS14三．施密特触发器的应用举例1.用作接口电路——将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形。2.用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。3.用于脉冲鉴幅——从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于VT+的输入脉冲。7.3多谐振荡器多谐振荡器——能产生矩形脉冲波的自激振荡器。一．用555定时器构成的多谐振荡器1.电路组成及工作原理26VCCRDO5553vI2I1v84v7RRVCC12C150.01μFC1vCPCC&&&1RSTG5kΩ5kΩ5kΩ12VRvvvCCDICI1I2OOv,(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v阈值输入控制电压触发输入放电端2.振荡频率的估算（1）电容充电时间T1：（用三要素法计算）（2）电容放电时间T2（3）电路振荡周期TT=T1+T2=0.7(R1+2R2)C（4）电路振荡频率f（5）输出波形占空比q)()()0()(ln111TvvvvTCCCCCRR)(7.021CCCCCCCCVVVV3231ln1CRT227.0CRRTf)2(43.1121212112RRRRTTq二．占空比可调的多谐振荡器电路利用半导体二极管的单向导电特性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。可计算得：T1=0.7R1CT2=0.7R2C占空比：26VCCRDO5553vI2I1v84v7VCCC150.01μFC1vCDD121R2R21121121117.07.07.0RRRCRCRCRTTTTTq三．石英晶体多谐振荡器1.石英晶体的选频特性有两个谐振频率。当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0；当f=fp时，为并联谐振，石英晶体的电抗无穷大。由晶体本身的特性决定：fs≈fp≈f0（晶体的标称频率）石英晶体的选频特性极好，f0十分稳定，其稳定度可达10-10～10-11。0ff0X电感性电容性石英晶体的符号fp2.石英晶体多谐振荡器（1）串联式振荡器R1、R2的作用——使两个反相器在静态时都工作在转折区，成为具有很强放大能力的放大电路。对于TTL门，常取R1=R2=0.7～2kΩ，若是CMOS门则常取R1=R2=10～100MΩ；C1=C2是耦合电容。石英晶体工作在串联谐振频率f0下，只有频率为f0的信号才能通过，满足振荡条件。因此，电路的振荡频率=f0，与外接元件R、C无关，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。（2）并联式振荡器RF是偏置电阻，保证在静态时使G1工作转折区，构成一个反相放大器。晶体工作在略大于fS与fP之间，等效一电感，与C1、C2共同构成电容三点式振荡电路。电路的振荡频率=f0。反相器G2起整形缓冲作用，同时G2还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。四．多谐振荡器应用实例1.简易温控报警器26VCCRD5553vI2I1v847RRVCC12C150.01C110μ/10VC220k100k0.013R2k（+6V）T3AX31μμ2.双音门铃。1vI1812R5550.0115CRRD427VI26vCC3k3k0.1μμR44.7k3C47μCDD122CP3R3.9kCCV（+6V）C247μ38ΩPAN3.秒脉冲发生器CMOS石英晶体多谐振荡器产生f=32768Hz的基准信号，经T/触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒信号。这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源。7.4单稳态触发器单稳态触发器——有一个稳态和一个暂稳态；在触发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。一．用555定时器组成单稳态触发器1.电路组成及工作原理（1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态当vI=1时，电路工作在稳定状态，即vO=0，vC=0。（2）vI下降沿触发当vI下降沿到达时，vO由0跳变为1，电路由稳态转入暂稳态。26VCCRDO5553vI2I1v84v7RVCCC150.01μFC1vCvICC&&&1RSTG5kΩ5kΩ5kΩ12VRvvvCCDICI1I2OOv,(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v阈值输入控制电压触发输入放电端（3）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，三极管T截止，VCC经R向C充电。时间常数τ1=RC，vC由0V开始增大，在vC上升到2/3VCC之前，电路保持暂稳态不变。（4）自动返回（暂稳态结束）时间当vC上升至2/3VCC时，vO由1跳变0，三极管T由截止转为饱和导通，电容C经T迅速放电，电压vC迅速降至0V，电路由暂稳态重新转入稳态。26VCCRDO5553vI2I1v84v7RVCCC150.01μFC1vCvI2C3VCCvttOOttOvvOtIVCC01tW（5）恢复过程当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的放电三极管T放电，时间常数τ2=RCESC，经过（3～5）τ2后，电容C放电完毕，恢复过程结束。26VCCRDO5553vI2I1v84v7RVCCC150.01μFC1vCvI2C3VCCvttOOttOvvOtIVCC01tW2.主要参数估算(1)输出脉冲宽度Tw（用三要素法计算）reWttTf11minmax上式说明，单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节tW。（2）恢复时间tretre=（3～5）τ2（3）最高工作频率fmaxvI周期的最小值：Tmin=tW＋tre因此，单稳态触发器的最高工作频率应为:CRVVVtvvvvtCCCCCCWCCCCW1.1320ln)()()0()(ln11二．集成单稳态触发器74121A1和A2是两个下降沿有效的触发信号输入端，B是上升沿有效的触发信号输入端。AABvovoextCRintCextextRVCCGND10111491634512774121集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法:（a）使用外部电阻Rext且电路为下降沿触发的连接方式.（b）使用内部电阻Rint且电路为上升沿触发的连接方式。AABovovextCintRextextCRCCVGND10111491634512774121CCVextR1vICextAABovovextCintRextextCRCCVGND10111491634512774121vICextCCV74121的主要参数(1)输出脉冲宽度tW使用外接电阻：tW≈0.7RextC使用内部电阻：tW≈0.7RintC（2）输入触发脉冲最小周期TminTmin=tW＋tretre是恢复时间。（3）周期性输入触发脉冲占空比q定义：q=tW/T最大占空比：qmax=tW/Tmin74121内部电阻=2kΩ，外接电阻Rext可在1.4～40kΩ之间选择，外接电容C可在10pF～10μF之间选择，所以，当R=2kΩ时，最大占空比qmax为67%；当R=40kΩ时，最大占空比qmax可达90%。三．单稳态触发器的应用1.延时与定时（1）延时图中，v/O的下降沿比vI的下降沿滞后了时间tW。（2）定时当v/O=1时，与门打开，vO=vF。当v/O=0时，与门关闭，vO为低电平。显然与门打开的时间是恒定不变的，就是单稳输出脉冲v/O的宽度tW。1&vIOvvO单稳与门vFtWvIvOvFOv2.整形单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲vO。vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于暂稳态时间。IvtWOv3.触摸定时控制开关555定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片P，由于人体感应电压相当于在触发输入端（管脚2）加入一个负脉冲，555输出端输出高电平，灯泡（RL）发光，当暂稳态时间（tW）结束时，555输出端恢复低电平，灯泡熄灭。该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由RC参数调节。84762153555+VCCRLR100kC100μC10.01μ(+6V)P4.触摸、声控双功能延时灯555和T1、R3、R2、C4组成单稳定时电路，定时（即灯亮）时间约为1分钟。当击掌声传至压电陶瓷片时，HTD将声音信号转换成电信号，经T2、T1放大，触发555，使555输出高电平，触发导通晶闸管SCR，电灯亮；同样，若触摸金属片A时，人体感应电信号经R4、R5加至T1基极，也能使T1导通，触发555，达到上述效果。84762153C447μC0.01μ555NEA~220VR3R1M220kSCRMCR1004.7M4.7MR4R5R6R71M10k5C0.022μTT1290149013HTDC3220μD1N4004C10.56μ/400V1R3300.01μC2VDD（+6V）DW2CW13举例：8.4.3图题8.4.3为一心律失常报警电路，图中vI是经过放大后的心电信号，其幅值vIm=4V。（1）对应vI分别画出图中vo1、vo2、vo三点的电压波形；（2）说明电路的组成及工作原理。126555Iv57VCC(+5V)843vO1vI83(+5V)4CCV7O25551256vOv1RCTDD12VIT+VT-VVo1CV23CCVVo2oV举例：间歇振荡器EWB举例100R760.01μFRμFD10CμF5CC42R4v6VD5RI273v2(+12V)I1555Cv45VO11I28VvI1v100kΩ2CCv8CC10kΩμFv1CC35550.01150kΩ110kΩRR2310kΩR举例：报警器EWB举例本章小结1．多谐振荡