楊志忠數(shù)電第3版7脈沖信號的產(chǎn)生與整形

1、第 7 章脈沖產(chǎn)生與整形電路,555 定時器的電路結(jié)構(gòu)及其邏輯功能,7.1 概 述,Um,tr,tf,T,tW,脈 沖 幅 度 Um： 脈沖上升時間 tr： 脈沖下降時間 tf： 脈 沖 寬 度 tW ： 脈 沖 周 期 T ： 脈 沖 頻 率 f ： 占 空 比 q,脈沖電壓變化的最大值,脈沖波形從 0.1Um 上升到 0.9Um 所需的時間,脈沖上升沿 0.5Um 到下降沿 0.5Um 所需的時間,脈沖波形從 0.9Um 下降到 0.1Um 所需的時間,周期脈沖中相鄰兩個波形重復出現(xiàn)所需的時間,1 秒內(nèi)脈沖出現(xiàn)的次數(shù) f = 1/T,脈沖寬度 tw 與脈沖周期 T 的比值 q = tw/T

2、,一、脈沖波形的主要參數(shù),主要用以將緩慢變化或快速變化的非矩形脈沖變換成陡峭的矩形脈沖,常用的有施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,獲取脈沖信號的方法,脈沖信號產(chǎn)生與整形電路的實現(xiàn),是一種多用途集成電路，只要外接少量阻容元件就可構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等，使用方便、靈活，應用廣泛,施密特觸發(fā)器,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,主要用以將寬度不符合要求的脈沖變換成符合要求的矩形脈沖,二、脈沖信號產(chǎn)生與整形的方法,主要要求,了解 555 定時器的電路結(jié)構(gòu)，掌握其符號和功能,7.2 555 定時器的電路結(jié)構(gòu)及其邏輯功能,了解 555 定時器的電路結(jié)構(gòu)，掌握其符號和功能,555 定時器簡介,555 定時器是一

3、種電路結(jié)構(gòu)簡單、使用方便靈活、用途廣泛的多功能電路。它的電源電壓范圍寬(TTL 555 定時器為 5 16 V，CMOS 555 定時器為 3 18 V)，可提供與 TTL 及 CMOS 數(shù)字電路兼容的接口電平，還可輸出一定功率，驅(qū)動微電機、指示燈、揚聲器等。 TTL 單定時器型號的最后 3 位數(shù)字為 555，雙定時器的為 556；CMOS 單定時器的最后 4 位數(shù)為 7555，雙定時器的為 7556。它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同,7.2.1 555 定時器的電路結(jié)構(gòu),555 定時器的電路結(jié)構(gòu)與符號,555 定時器的電路結(jié)構(gòu)與符號,定時器 CC7555 的工作原理,7.2.2 555

4、定時器的邏輯功能,定時器 CC7555 的功能表,7.2.2 555 定時器的邏輯功能,7.3 施密特觸發(fā)器,7.3.1 施密特觸發(fā)器的邏輯符號和電壓傳輸特性,Schmitt Trigger,一、施密特觸發(fā)器的邏輯符號,二、施密特觸發(fā)器的傳輸特性,UT,UT+ - UT,回差電壓,施密特觸發(fā)器工作特點,正向閾值電壓,負向閾值電壓,當 uI 從小增大時，經(jīng)過 UT+ 處才能使輸出發(fā)生躍變,7.3.2 用 555 定時器組成施密特觸發(fā)器,一、電路組成,二、工作原理,二、工作原理,二、工作原理,555 定時器的功能表,電壓傳輸特性為反相輸出的滯回特性,UT+ = (2/3)VDD UT- = (1/

5、3)VDD 回差電壓：UT = UT+ - UT- = (1/3)VDD,三、傳輸特性,7.3.3 集成施密特觸發(fā)器,一、TTL集成施密特觸發(fā)器,TTL 集成施密特觸發(fā)門電路一些重要參數(shù)的典型值,TTL 施密特觸發(fā)器的特點,1) 可將變化緩慢的信號變換成上升沿和下降沿都很陡直的脈沖信號。 (2) 具有閾值電壓和回差電壓溫度補償。 (3) 具有很強的抗干擾能力,7.3.3 集成施密特觸發(fā)器,二、CMOS 集成施密特觸發(fā)器,CMOS 施密特觸發(fā)門電路一些重要參數(shù),CMOS 集成施密特觸發(fā)器的特點,1) 可將變化緩慢的信號變換成上升沿和下降沿都很陡直的脈沖信號。 (2) 在電源電壓VDD一定時，觸發(fā)

6、閾值電壓穩(wěn)定，但其值會隨VDD變化。 (3) 電源電壓VDD變化范圍寬，輸入阻抗高，功耗極小。 (4) 抗干擾能力很強,一、脈沖波形變換,將三角波、正弦波和其他 不規(guī)則信號變換成矩形脈沖,當 uI UT+ 后，uO = UOL ；當 uI下降到小于 UT- 時，uO 才躍變到 UOH,當 uI UT-后，uO = UOH ；當 uI 上升到大于 UT+時，uO 才躍變到UOL,7.3.4 施密特觸發(fā)器的應用,二、脈沖整形,將受到干擾的或不符合邊沿要求的信號整形成較好的矩形脈沖,三、脈沖幅度鑒別,鑒別并取出幅度大于 UT+ 的脈沖,7.4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。無外觸發(fā)脈沖 輸入

7、時，電路處于穩(wěn)態(tài)；在外觸發(fā)脈沖作用下，電路將從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)一段時間后，電路又自動返回到原來的穩(wěn)態(tài),工 作 特 點,暫穩(wěn)態(tài)時間長短取決于電路本 身的參數(shù)，與外加觸發(fā)脈沖無關(guān),Monostable flip-flop,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,7.4.1 用555 定時器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,一、電路組成,R、C 為定時元件,二、工作原理,1. 穩(wěn)定狀態(tài),接通電源前， uC 0V。接通電源后 VDD 經(jīng) R 向 C 充電，使 uC 上升,2. 觸發(fā)進入暫穩(wěn)態(tài),二、工作原理,3. 自動返回穩(wěn)定狀態(tài),二、工作原理,UOL,例 用上述單穩(wěn)態(tài)電路輸出定時時間為1 s 的正脈沖，R = 27 k，試確定定時元件 C

8、 的取值,三、輸出脈沖寬度的計算,輸出脈沖寬度 tW 即為暫穩(wěn)態(tài)維持時間，主要取決于充放電元件 R、C,該電路為不可重復觸發(fā)單穩(wěn)，且要求輸入負脈寬小于輸出脈寬 tW,解,因為 tW 1.1 RC,故 可取標稱值 33 F,估算公式 tW 1.1 RC,四、具有 RC 輸入微分電路的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,暫穩(wěn)態(tài)期間如再次被觸發(fā)，對原暫穩(wěn)態(tài)時間無影響，輸出脈沖寬度 tW 仍從第一次觸發(fā)開始計算,暫穩(wěn)態(tài)期間如再次被觸發(fā)，輸出脈沖寬度可在此前暫穩(wěn)態(tài)時間的基礎(chǔ)上再展寬 tW,7.4.2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,單 穩(wěn) 工 作 波 形 舉 例,暫穩(wěn)態(tài)期間不能再次觸發(fā),暫穩(wěn)態(tài)期間能再次觸發(fā)。其輸出脈寬將

9、在原暫穩(wěn)態(tài)時間基礎(chǔ)上再展寬 tW,一、非重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,1. 電路組成與邏輯符號,一、非重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,1. 電路組成與邏輯符號,有 3 個觸發(fā)信號輸入端，TR-A和 TR-B 用負脈沖觸發(fā)， TR+ 用正脈沖觸發(fā),有 2 個互補輸出端,RI CX RX/CX,不可重復觸發(fā)型單穩(wěn)的限定符號,外接定時元件端,號表示非邏輯連接，即沒有任何邏輯信息的連接，例如外接 R、C 和 VCC 等,欲負脈沖觸發(fā)，則將觸發(fā)脈沖從 TR-A 或 TR-B 加入，而 TR+ 接 1,欲正脈沖觸發(fā)，則將觸發(fā)脈沖從 TR+ 加入，而 TR-A 和 TR-B 至少有一接0,2. 邏輯功能,在暫穩(wěn)態(tài)期間再次進行

10、觸發(fā)時，對暫穩(wěn)態(tài)時間沒有影響,3. 輸出脈沖寬度的計算,二、可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,1. 邏輯符號,CT74HC123由兩個獨立的可重復觸發(fā)單穩(wěn)組成,2. 邏輯功能,2. 邏輯功能,3. 輸出脈沖寬度的估算,可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 CC74HC123 的輸出脈沖 寬度 tW 可用下式估算 tW RC,對于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 CT74LS123，在電容 C 1000pF 時，其輸出脈沖寬度 tW 可用下式估算 tW 0.45RC,二、脈沖定時,一、脈沖整形,由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可產(chǎn)生寬度和幅度都符合要求的矩形脈 沖，因此，可利用它來作定時電路,7.4.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用,脈沖信號經(jīng)過長距離傳輸后，其邊

11、沿會變差或疊加了某些 干擾，這時可利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進行整形。將這些受到干擾的 脈沖信號加到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端，輸出便可得到符合要求 的矩形脈沖,二、脈沖定時,某生產(chǎn)線上有3道加工工序，要求第 1 道工序加工10s，第 2 道工序加工 20s，第 3 道加工工序加工 30s。當要求對這 3 道工序的加工進行自動控制時，則可用 3片集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 CT74121 串接起來實現(xiàn),二、脈沖定時,某生產(chǎn)線上有3道加工工序，要求第 1 道工序加工10s，第 2 道工序加工 20s，第 3 道加工工序加工 30s。當要求對這 3 道工序的加工進行自動控制時，則可用 3片集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 CT74121

12、串接起來實現(xiàn),若已知 Rext = 10 k，Cext = 1 F 則可得 tW 0.7 RextCext = 7 ms,三、脈沖展寬,7.5 多諧振蕩器,即矩形脈沖產(chǎn)生電路，由于矩形脈沖含有豐富的諧波分量，故常稱多諧振蕩器,1)不需輸入信號。 (2)無穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài),通過電容的充電和放電，使兩個暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，輸出周期性的矩形脈沖信號,工作特點,Astable Multivibrator,多諧振蕩器,7.5.1 用 555 定時器組成多諧振蕩器,一、電路組成,二、工作原理,UOH,二、工作原理,UOL,二、工作原理,二、工作原理,電容 C 如此循環(huán)充電和放電，使電

13、路產(chǎn)生振蕩，輸出矩形脈沖,周期估算,tW1 0.7 (R1 + R2)C tW2 0.7 R2C T = tW1 + tW2 0.7 (R1 + 2R2)C,三、占空比可調(diào)的多諧振蕩器,充電回路為 VDD 經(jīng) R1、VD1 對 C 充電，時 間常數(shù)為 R1C。 放電回路為 C 經(jīng) VD2、 R2和放電管 V 放電，時間常數(shù)為R2C,占空比估算,tW1 0.7 R1C tW2 0.7 R2C,三、占空比可調(diào)的諧振蕩器,三、占空比可調(diào)的諧振蕩器,振蕩頻率穩(wěn)定,由石英晶體的阻抗頻率特性可知，只有外加信號的頻率 f 和石英晶體的固有諧振頻率 f0 相同時，石英晶體才呈現(xiàn)極低的阻抗，而在其他頻率時，則呈

14、現(xiàn)很高的阻抗。因此，石英晶體具有很好的選頻特性,7.5.2 石英晶體多諧振蕩器,一、石英晶體的選頻特性,電阻RF1、RF2用于確定反相器 G1 和 G2 的工作點，使其工作在放大區(qū)，有利于電路起振。對于TTL反相器，RF1 和 RF2 通常取0.7 2 k；對于CMOS 反相器，RF1和RF2 通常取10 100 M ，電容 C1 和 C2 為G1和G2間的耦合電容，在頻率為 f 0時，它們呈現(xiàn)的容抗極小，可忽略不計，使G1和G2之間形成正反饋環(huán)路,7.5.2 石英晶體多諧振蕩器,二、石英晶體多諧振蕩器,1. 對稱石英晶體多諧振蕩器,由于石英晶體接在 G1 和 G2 兩級反相器之間，且具有很好

15、的選頻特性，因此，在接通電源后，對頻率為 f 0 的信號非常容易通過石英晶體而產(chǎn)生頻率為f0 的自激振蕩。反相器 G3用于整形，使輸出 uO 的波形更接近于矩形脈沖， G3還具有緩沖隔離作用，也提高了負載能力,7.5.2 石英晶體多諧振蕩器,二、石英晶體多諧振蕩器,1. 對稱石英晶體多諧振蕩器,電阻R1、R2 用以使反相器工作在放大區(qū)。對于 TTL 反相器R1 和 R2 通常取0.7 2 k；對于CMOS 反相器，R1 和 R2 通常取10 100 M 。 C 1為反相器 G1 和 G2 之間的耦合電容，使 G1 和 G2 之間形成正反饋環(huán)路，對于頻率為 f0 的信號，其呈現(xiàn)的容抗極小，可忽略

16、不計,7.5.2 石英晶體多諧振蕩器,二、石英晶體多諧振蕩器,2. 串聯(lián)石英晶體振蕩器,在電路接通電源后， G2 輸出頻率為 f 0 的信號很容易通過石英晶體形成很強的正反饋而產(chǎn)生自激振蕩。 G3 用以整形，使輸出 uO 的波形更接近于矩形脈沖，并具有緩沖隔離和提高負載能力的作用,7.5.2 石英晶體多諧振蕩器,二、石英晶體多諧振蕩器,2. 串聯(lián)石英晶體振蕩器,RF為反饋電阻，使反相器 G1 工作在電壓傳輸特性的過渡區(qū)，RF常取10 100 M。 G1 、RF 和石英晶體、C1、C2 構(gòu)成電容三點式振蕩電路。C1、C2 和石英晶體組成形選頻網(wǎng)絡，對于頻率為 f0 的信號選頻能力最強，很易通過石

17、英晶體而產(chǎn)生自激振蕩。反饋系數(shù)取決于 C1 和 C2 的比值，C1 還可微調(diào)振蕩頻率。反相器 G2 用以整形，使輸出 uO 為矩形脈沖，并可隔離外接負載對振蕩電路的影響,7.5.2 石英晶體多諧振蕩器,二、石英晶體多諧振蕩器,3. 并聯(lián)石英晶體振蕩器,7.5.2 石英晶體多諧振蕩器,二、石英晶體多諧振蕩器,3. 并聯(lián)石英晶體振蕩器,G1 和 G2 為 CMOS 反相器，電阻 R1 通常取 1 30 M； G1 組成石英晶體多諧振蕩器，輸出頻率 f =32768Hz 的脈沖信號； G2 為整形電路，其輸出 32768Hz 的矩形脈沖經(jīng) 15 級由邊沿 D 觸發(fā)器組成的分頻電路后，F(xiàn)F15 的 Q

18、15 端輸出穩(wěn)定度很高的 1Hz 秒脈沖作為計時用的基準信號,本章小結(jié),555 定時器是一種用途很廣的多功能電路，只需外接少量的阻容元件就可很方便地組成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等，使用方便靈活，有較強的驅(qū)動負載的能力，獲得了廣泛的應用,施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，而每個穩(wěn)定狀態(tài)都是依靠輸入電平來維持的。當輸入電壓大于正向閾值電壓UT+時，輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個穩(wěn)定狀態(tài)；而當輸入電壓小于負向閾值電壓UT-時，輸出狀態(tài)又返回到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。利用這個特性可將輸入的任意電壓波形變換成邊沿陡峭的矩形脈沖輸出，特別是可將邊沿變化緩慢的信號變換成邊沿陡峭的矩形脈沖,在數(shù)字集成電路中有TTL和CMOS施密特觸發(fā)器。性能優(yōu)越，其正向閾值電壓和負向閾值電壓穩(wěn)定，有很強的抗干擾能力