数电课件1第6章脉冲信号的产生与整形

1、第六章 脉冲信号的产生与整形 6.1 概述 6.2 施密特触发器 6.3 单稳态触发器 6.4 多谐振荡器 6.5 555定时器的结构和工作原理,内容提要 本章限于介绍矩形脉冲波形的产生和整形 电路。 在脉冲整形电路中，介绍了最常用的两类 整形电路-施密特触发器和单稳态触发器电路。 在脉冲振荡电路中，介绍了多谐振荡器电路的几 种常见形式-对称式和非对称式多谐振荡器、环 形振荡器、施密特触发器构成的多谐振荡器、石 英晶体震荡器以及压控振荡器。,6.1 概述 数字电路中的信号都是脉冲信号，这种信 号的产生、整形与变换电路的作用是产生各种不 同脉宽和幅值的脉冲波形，或者对不同脉宽和幅 值的脉冲波形进行整形和变换，或者完成连续模 拟信号与脉冲信号之间的相互变换等。 数字电路中使用脉冲信号大多是矩形脉冲 波，矩形脉冲波波形的好坏，将直接影响数字电 路的正常工作。矩形脉冲波的波形图如图6.1.1 所示。为了描述矩形波的波形好坏，对矩形波定 义了下列一些描述参数。,图6.1.1 描述矩形脉冲波的主要参数,脉冲幅值Vm：脉冲波形变化时电路幅值 变化的最大值。 脉冲宽度tw：从脉冲波形的上升沿上升 至0

2、.5 Vm开始，到下降沿下降至0.5 Vm为止的时 间间隔。 上升时间tr：在脉冲波的上升沿，从 0.1 Vm上升至0.9 Vm所需要的时间。 下降时间tf：在脉冲波形的下降沿，从 0.9 Vm到0.l Vm所需的时间。,脉冲周期T：在周期性重复的脉冲序列 中，相邻两脉冲的时间间隔。 脉冲频率f：在周期性重复的脉冲序列 中，单位时间内脉冲重复的次数，即 f=1/T。 占空比D：脉冲波形的脉冲宽度tw与脉冲 周期T之比，即D= tw /T。 此外，在将脉冲整形或产生电路用于具体 的数字系统时，有时还可能有一些特殊的要求， 例如脉冲周期和幅度的稳定性等等。这时还需要 增加一些相应的参数来说明 。,6.2 时基集成电路的结构和工作原理 6.2.1 555时基电路的特点和封装 555时基电路大量应用于电子控制、电子检 测、仪器仪表、家用电器、音响报警、电子玩具 等诸多方面。可用作振荡器、脉冲发生器、延时 发生器、定时器、方波发生器、单稳态触发振荡 器、双稳态多谐振荡器、自由多谐振荡器、锯齿 波发生器、脉宽调制器、脉位调制器等等。,555时基电路之所以得到这样广泛的应用， 在于它具有如下几个特点

3、： 555在电路结构上是由模拟电路和数字电 路组合而成，它将模拟功能与逻辑功能兼容为一 体，能够产生精确的时间延迟和振荡。它拓宽了 模拟集成的应用范围。 该电路采用单电源。双极型555的电压范 围为4.5V15V；而CMOS型的电源适应范围更 宽，为2V18V。这样，它就可以和模拟运算放 大器和TTL或CMOS数字电路共用一个电源。,555可独立构成一个定时电路，且定时精 度高。 555的最大输出电流大达200mA,+带负 载能力强。可直接驱动小电机、喇叭、继电器等 负载。,555电路可简化为下图6.2.4所示的等效功 能电路。显然555电路内含两个比较器C1和C2、 一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管TD。,从图6.2.4可见，三个5k电阻构成的分压 器，使内部的两个比较器构成一个电平触发器， 上触发电平为2/3Vcc，下触发电平为1/3Vcc。 在5端控制端外接一个参考电源 Vcc，可以改变 上、下触发电平值。 加到比较器C1同相端6端的触发信号，只 有当电位高于反相端5端的电位时，RS触发器才 翻转；而加到比较器C2反相端2端的触发信号， 只有当电位低于C2同相端的电位1/3

4、Vcc时，RS 触发器才翻转。,通过上面对图的分析，可得出555各功能端的真值表，如下表所示。,1、用555定时器接成的施密特触发器,2、用555定时器接成的单稳态触发器,单稳态触发器的输入输出波形,3、用555定时器接成的多谐振荡器,多谐振荡器的波形,改进成占空必可调的多谐振荡器,6.3 施密特触发器 施密特触发器是一种特殊的双稳态时序电 路，与一般双稳态触发器比较，它具有两个明显 的特点： 1.施密特触发器，是一种优良的波形整形 电路，只要输入信号电平达到触发电平，输出信 号就会从一个稳态转变到另一个稳态。 2.对正向和负向增长的输入信号，电路有 不同的阀值电平。这是施密特触发器的滞后特性 或回差特性，提高了干扰能力。,施密特触发器的逻辑符号和电压传输特性 如图6.3.1(a)和(b)所示。实际上它是一个具有滞 后特性的反相器。图中，VT+称为正向阈值电平 或上限触发电平； VT-称为负向阈值电平或下限 触发电平。它们之间的差值称为回差电压(滞后 电压)，用VT表示。即有 VT= VT+- VT-,图6.3.1 施密特触发器方框图和电压传输特性图,6.4 单稳态触发器 单稳态触发器

5、的工作特性具有如下的显著 特点： 第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作 状态； 第二，在外界触发脉冲作用下，能从稳态 翻转到暂稳态，在哲稳态维持一段时间以后，再 自动返回稳态； 第三，暂稳态维持时间的长短取决于电路 本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。,6.4.1 用门电路组成的单稳态触发器 一、微分型单稳态触发器 图6.4.1是用CMOS门电路和RC微分电路构 成的微分型单稳态触发器。 对于CMOS电路，可以近似地认为 VOHVDD、VOL0，而且通常VTH1/2VDD。 在稳态下vI =0、v12 = VDD，故vo=0、vo1=VDD， 电容C上没有电压。,图6.4.1 微分型单稳态触发器,当触发脉冲vI 加到输入端时，在Rd和Cd组 成的微分电路输出端得到很窄的正、负脉冲vd。 当vd上升到VTH以后，将引发如下的正反馈过 程： vd vO1 v12 vo 使vO1迅速跳变为低电平。由于电容上的电压不 可能发生突跳，所以v12也同时跳变至低电平， 并使vo跳变为高电平，电路进入暂稳态。这时即 使vd回到低电平， vo的高电平仍将维持。,与此同时，电容C开始充电。随着充电过

6、程的进行v12逐渐升高，当升至v12 = VTH时，又 引发另外一个正反馈过程： v12 vo vo1 如果这时触发脉冲已消失(vd已回到低电平), 则vo1、 v12 迅速跳变为高电平，并使输出返回 vo=0的状态。同时，电容C通过电阻R和门G2的 输入保护电路向VDD放电，直至电容上的电压为 0，电路恢复到稳定状态。,根据以上的分析， 即可画出电路中 各点的电压波形， 如右图所示。,二、积分型单稳态触发器 图6.4.5是用TTL与非门和反相器以及RC积 分电路组成的积分型单稳态触发器。为了保证 vo1为低电平时vA在VTH以下，电阻R的阻值不能 取得很大。该电路用正脉冲触发。 稳态下由于vI=0,所以vo= VTH， vA=vo1= VOH。 当输入正脉冲以后， vo1跳变为低电平。但 由于电容C上的电压不能突变，所以在一段时间 里vA仍在VTH以上。因此，在这段时间里G2的两,个输入端电压同时高于VTH ，使vo = VOL ，电路 进入暂稳态。同时，电容C开始放电。 然而这种暂稳态不能长久地维持下去，随 着电容C的放电vA不断降低，至vA = VTH后， vo 回到高电平。待v

7、I返回低电平以后， vo1又重新 变成高电平VOH ，并向电容C充电。经过恢复时 间tre(从vI回到低电平的时刻算起)以后， vA恢复 为高电平，电路达到稳态。电路中各点电压的波 形如图6.4.6所示。,图6.4.5 积分型单稳态触发器,与微分型单稳态触发器相比，积分型单稳 态触发器具有抗干扰能力较强的优点。因为数字 电路中的噪声多为尖峰脉冲的形式（即幅度较大 而宽度极窄的脉冲），而积分型单稳态触发器在 这种噪声作用下不会输出足够宽度的脉冲。 积分型单稳态触发器的缺点是输出波形的 边沿比较差，这是由于电路的状态转换过程中没 有正反馈作用的缘故。此外，这种积分型单稳态 触发器必须在触发脉冲的宽度大于输出脉冲宽度 时方能正常工作。,6.5 多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电 源以后，不需要外加触发信号，使能自动地产生 矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分 量，所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡 器。,6.5.1 对称式多谐振荡器 下图6.5.1所示电路是对称式多谐振荡器的 典型电路，它是由两个反相器G1、G2经耦合电 容C1、C2连接起来的正反馈振荡回路。,为了产

8、生自激振荡，电路不能有稳定状态. 由图6.5.2反相的电压传输特性上可以看出，如 果能设法使G1、G2工作在电压传输特性的转折 区或线性区，则它们将工作在放大状态，即电压 放大倍数 这时只要G1和G2的输入电压有极微小的扰动， 就会被正反馈回路放大而引起振荡，因此图 6.5.1电路的静态将是不稳定的。,为了使反相器静态时工作在放大状态，必 须给它们设置适当的偏置电压，它的数值介于 高、低电平之间。这个偏置电压可以通过在反相 器的输入端与输出端之间接人反馈电阻RF来得 到。 由图6.5.3可知，如果忽略门电路的输出电 阻，则利用叠加定理可求出输入电压为,图6.5.3 计算TTL反向器静态工作点的等效电路,这就是从外电路求得的vo与vI的关系。该式表 明， vo与vI之间是线性关系，其斜率为 而且vo =0时与横轴相交在 的地方。这条直线与电压传输特性的交点就是反,相器的静态工作点。只要恰当地选取RF1值，定 能使静态工作点Q位于电压传输特性的转折区， 如图6.5.2中所示。计算结果表明，对于74系列 的门电路而言，RF1的阻值应取在0.5k1.9k 之间。,6.5.2 非对称式多谐振荡器

9、 如果仔细研究一下图6.5.1对称式多谐振荡 器电路就不难发现，这个电路还能进一步简化。 因为静态时G1工作在电压传输特性的转折区， 所以只要把它的输出电压直接接到G2的输入端, G2即可得到一个介于高、低电平之间的静态偏 置电压，从而使G2的静态工作点也处于电压传 输特性的转折区上，因此，可以把G1和RF2去掉. 只要在反馈环路中保留电容C2，电路就仍然没 有稳定状态，而只能在两个暂稳态之间往复振荡.,这样就得到了下图6.5.6所示的非对称式多谐振 荡电路。,6.5.3 环形振荡器 利用闭合回路中的正反馈作用可以产生自 激振荡，利用闭合回路中的延迟负反馈作用同样 也能产生自激振荡，只要负反馈信号足够强。 环形振荡器就是利用延迟负反馈产生振荡 的。它是利用门电路的传输延迟时间将奇数个反 相器首尾相接而构成的。,下图6.5.7所示电路是一个最简单的环形振 荡器，它由三个反相器首尾相连而组成。不难看 出,这个电路是没有稳定状态的。因为在静态(假 定没有振荡时)下任何一个反相器的输入和输出 都不可能稳定在高电平或低电乎，而只能处于 高、低电平之间，所以处于放大状态。,假定由于某种原因vI1产生了微小的正跳变, 则经过G1的传输延迟时间tpd之后v12产生一个幅 度更大的负跳变，再经过G2的传输延迟时间tpd 使v13得到更大的正跳变。然后又经过G3的传输 延迟时间tpd在输出端vo产生一个更大的负跳变, 并反馈到G1的输入端。因此，经过3tpd的时间以 后， vI1又自动跳变为低电平。可以推想，再经 过3 tpd以后vI1又将跳变为高电平。如此周而复 始，就产生了自激振荡。,基于上述原理可知，将任何大于、等于3的 奇数个反相器首尾相连地接成环形电路，都能产 生自激振荡，而且振荡周期为T=2ntpd。(其中n 为串联反相器的个数)。前图的振荡周期为T=6tpd. 在图6.5.8电路的基础上附加RC延迟环节， 组成带RC延迟电路的环形振荡器，如图6.5.9(a) 所示。 接入RC电路以后不仅增加了门G2的传输延 迟时间tpd2，有助于获得较低的振荡频率，而且 通过改变R和C的数值可以很容易实现对振荡频,率的调节。 为了进一步加大G2和RC

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