數(shù)字電路課程課件：第10章 脈沖波形的產(chǎn)生和整形

1、第十章 脈沖波形的產(chǎn)生和整形10.1 概述一、獲取矩形脈沖的方法1. 脈沖波形發(fā)生電路2. 脈沖波形整形電路二、描述矩形脈沖特性的主要參數(shù)10.2 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路。它在性能上有兩個(gè)重要的特點(diǎn)：輸入信號從低電平上升的過程中電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對應(yīng)的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。利用這兩個(gè)特點(diǎn)不僅能將邊沿變化緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪聲有效地消除。10.2.1 用門電路組成的施密特觸發(fā)器用CMOS反相器構(gòu)成

2、的施密特觸發(fā)器VI=0時(shí)，門G1截止，VO1=VDD， 門G2導(dǎo)通，VO=0 只要VAVTH，就保證VO=VDD。VI繼續(xù)下降，使VAVTH時(shí)，又引發(fā)另一個(gè)正反饋。電路的狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為VO= 0此時(shí)的VI為施密特觸發(fā)器的負(fù)向閾值電壓VT-VDDVT-VTH同相輸出的電壓傳輸特性和邏輯符號反相輸出的電壓傳輸特性和邏輯符號10.2.2 集成施密特觸發(fā)器10.2.3 施密特觸發(fā)器的應(yīng)用一、用于波形變換利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋?zhàn)饔茫砂堰呇刈兓徛闹芷谛孕盘栕兂蛇呇睾芏傅木匦蚊}沖信號。二、用于脈沖整形在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變，可通過施密特觸發(fā)器整形獲得比較理想的矩

3、形脈沖波形。三、用于鑒幅施密特觸發(fā)器能將幅度大于VT+的脈沖選出，具有脈沖鑒幅能力。10.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(diǎn)：有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)不同的工作狀態(tài)。在觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間后，自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中的作用：定時(shí)（產(chǎn)生一定寬度的矩形波）。整形（把不規(guī)則的波形變?yōu)橐?guī)則的脈沖波形）。延時(shí)（將輸入信號延遲一定時(shí)間后輸出）。10.3.1 用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器G1和G2為CMOS門單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)通常都是靠RC電路的充、放電過程來維持的。根據(jù)

4、RC電路的不同接法（即接成微分電路形式或積分電路形式），又將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為微分型和積分型兩種。穩(wěn)態(tài)時(shí)VI=0，VI2=VDD，Vd=0 所以VO=0，VO1=VDD 電容C上沒有電壓。VI上跳，由0 1，Cd上的電壓不能突變 Vd也上跳，Cd、Rd快速充電 Vd快速降為0 然后VI由1 0，Vd隨VI下跳，由0 -VDD，隨后Cd放電 Vd返回0。當(dāng)Vd上升到VTH以后，將引發(fā)如下的正反饋過程VO1迅速跳變?yōu)榈碗娖剑捎贑上的電壓不能突變，VI2同時(shí)跳變至低電平 VO跳變?yōu)楦唠娖剑娐愤M(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。這時(shí)即使Vd回到低電平， VO 的高電平仍將維持。同時(shí)，電容C開始充電。 VI2逐漸升高，當(dāng)升至

5、VI2 = VTH時(shí)，又引發(fā)另外一個(gè)正反饋過程。如Vd已回到低電平，則VO迅速跳變?yōu)榈碗娖?，VO1跳變?yōu)楦唠娖?，VI2跟隨VO1上跳。VI2跟隨VO1上跳后，電容C通過電阻R和門G2的輸入保護(hù)電路向VDD放電，直至電容上的電壓為0，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。定量描述單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器性能的參數(shù)：脈沖寬度、輸出脈沖幅度、恢復(fù)時(shí)間、分辨時(shí)間。（1）脈沖寬度tw（2）輸出脈沖的幅度Vm（3）恢復(fù)時(shí)間treVO返回低電平后，要等到電容C放電完畢才恢復(fù)為起始的穩(wěn)態(tài)，一般認(rèn)為經(jīng)過35倍電路時(shí)間常數(shù)的時(shí)間以后，RC電路已基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)。（4）分辨時(shí)間td分辨時(shí)間td是指在保證電路能正常工作的前提下，允許兩個(gè)相鄰觸發(fā)脈沖之

6、間的最小時(shí)間間隔。10.3.2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、TTL集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制附加電路微分型單穩(wěn)74121的電路結(jié)構(gòu)輸入輸出0101010100111011111100集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的功能表163475910111474121的邏輯符號輸入輸出010101010011101111110074121的工作波形圖集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的外部連接方法使用外接電阻Rext (下降沿觸發(fā)）使用內(nèi)部電阻Rint (上升沿觸發(fā)）目前使用的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有不可重復(fù)觸發(fā)型和可重復(fù)觸發(fā)型兩種。不可重復(fù)觸發(fā)型可重復(fù)觸發(fā)型Cext RextCextUo RintVccGNDBA2A1Uo345167

7、101191474121+VCCCRUItUItUO1、脈沖整形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用：UI+VCCUO2VCCUOBA1A2C1R1UO（1）VCCUOBA1A2C2R2UO（2）7412174121tUItUO1tUO2tUO1TW1TW22、輸出脈沖延時(shí)3、定時(shí)輸出UIUO2UABA1A2UO74121&tUItUAtUOTWUO2t只在觸發(fā)之后的TW 時(shí)間內(nèi)有UA 輸出。10.4 多諧振蕩器10.4.3 環(huán)形振蕩器多諧振蕩器是一種自激振蕩器，接通電源以后，不需要外加觸發(fā)信號，便能自動(dòng)產(chǎn)生矩形脈沖，由于矩形脈沖中含有豐富的高次諧波分量，所以習(xí)慣上把矩形波振蕩器叫做多諧振蕩器。一、最簡單的環(huán)形

8、振蕩器振蕩周期n為反相器的個(gè)數(shù)這種振蕩器不實(shí)用，因?yàn)椋侯l率不易調(diào)節(jié)，低頻信號不易產(chǎn)生。二、改進(jìn)的環(huán)形振蕩器增加RC延遲環(huán)節(jié)，增大tpd2為了進(jìn)一步加大RC電路的充、放電時(shí)間，將C的接地端改接到G1的輸出端上。10.4.4 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器調(diào)節(jié)R、C可改變振蕩頻率。占空比可調(diào)的多諧振蕩器充電經(jīng)過R2 ，放電經(jīng)過R110.4.5 石英晶體多諧振蕩器許多應(yīng)用場合。要求多諧振蕩器的振蕩頻率f十分穩(wěn)定，（如數(shù)字鐘的秒脈沖頻率）。上述電路的 f 都達(dá)不到要求。最簡便的穩(wěn)頻方法是在多諧振蕩器中接入石英晶體，構(gòu)成石英晶體多諧振蕩器。石英晶體的固有振蕩頻率 fo 由結(jié)晶方向、外形尺寸決定；頻率穩(wěn)定

9、度（fo / fo)可達(dá)10-1010-11 。當(dāng)外加電壓的頻率f = fo 時(shí)，其電抗 X=0 。將石英晶體接到多諧振蕩器的正反饋回路中。當(dāng)石英晶體的頻率f = fo 時(shí)，反饋?zhàn)顝?qiáng)，電路才起振。結(jié)果： f = fo 。fo一般都很高，應(yīng)利用分頻器將fo分頻為所需頻率。10.5 555定時(shí)器及其應(yīng)用555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。應(yīng)用領(lǐng)域：波形的產(chǎn)生和變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等。555定時(shí)器產(chǎn)品型號繁多，但所有雙極型產(chǎn)品型號最后的3位數(shù)碼都是555，所有CMOS產(chǎn)品型號最后的4位數(shù)碼都是7555。它們的功能和外部引腳的排列完全相同。10.5.1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能一、電路結(jié)構(gòu)由電壓比較器（C1,C2） 、觸發(fā)器、輸出緩沖器（G3,G4）、OC輸出的三極管（TD）組成放電端電壓控制端輸出端閾值端觸發(fā)端復(fù)位端輸 入輸 出0XX0導(dǎo)通10導(dǎo)通1不變不變11截止11截止10.5.2 用555定時(shí)器接成施密特觸發(fā)器1. 電路結(jié)構(gòu)將555定時(shí)器的兩個(gè)輸入端連在一起作為信號輸入端，即可得到施密特觸發(fā)器。信號輸入端濾波電容，為提高VR1和VR2的穩(wěn)定性2. 工作原理vOOtvIOtvo由高電平變?yōu)榈碗娖胶陀傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖?所對應(yīng)的vI值不同