第五章脉冲信号的产生与整形.ppt

第五章第五章 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形§5.1 概述§5.2 单脉冲的产生§5.3 多谐振荡器§5.4 单稳态触发器§5.5 555定时器及其应用§5.1 概述概述数字电路区别于模拟电路的主要特点之数字电路区别于模拟电路的主要特点之 一是一是：：它的工作信号是离散时间的脉冲信号它的工作信号是离散时间的脉冲信号最常用的脉冲信号是方波最常用的脉冲信号是方波(矩形波矩形波)如何产生方波以及对不理想的方波如何整形，是本生方波以及对不理想的方波如何整形，是本章讨论的重点章讨论的重点§5.2 单脉冲的产生单脉冲的产生+VCCFS 按钮按放一次，便产生一个单脉冲按钮按放一次，便产生一个单脉冲 但是，由于按钮但是，由于按钮 S 机械动作经常伴有抖动现象，机械动作经常伴有抖动现象，使得输出的方波很不理想，毛刺很大这样的方波使得输出的方波很不理想，毛刺很大这样的方波用到数字系统中很容易引起误动作因此，这个电用到数字系统中很容易引起误动作因此，这个电路没有实用价值路没有实用价值不按按钮时，不按按钮时，Q＝＝0；； 按下按钮时，锁定器翻转，按下按钮时，锁定器翻转，Q＝＝1；；松开按钮后，回到松开按钮后，回到Q＝＝0。

可见：可见：按钮动作一次，按钮动作一次，Q端就端就输出输出一个正脉冲一个正脉冲工作原理：工作原理：&&S＋＋5V改进的单脉改进的单脉冲发生电路冲发生电路§5.3 多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器,它可以由分立元件构成，也它可以由分立元件构成，也可以由集成电路构成，本节只讨论由集成电路可以由集成电路构成，本节只讨论由集成电路构成多谐振荡器构成多谐振荡器5.3.1 环形振荡器环形振荡器利用逻辑门电路的传输延迟时间，将奇数利用逻辑门电路的传输延迟时间，将奇数个与非门首尾相接，就可以构成一个简单的环个与非门首尾相接，就可以构成一个简单的环形振荡器形振荡器:&&&321uo3uo2uo1设设 uo3 的初始的初始状态为状态为 0:010101用波形图来表示用波形图来表示uo3 ，，则为：则为：0tuo3优点优点: 电路结构简单，所用元件少电路结构简单，所用元件少缺点缺点: 频率太高，并且不可调整频率太高，并且不可调整321uo3uo2uo1工作原理：工作原理：01100改进方法：改进方法：在原电路的基础上添加在原电路的基础上添加 RC 延时电路延时电路，便，便可以克服上图的不足。

可以克服上图的不足321uo3uo2uo1A123RRS100 Cuo1uouo2工作原理工作原理A123RRS100 Cuo1uouo2t0tuo0tuo20tuo10UTU110110001uAA123RRS100 Cuo1uouo2T输出信号的周期输出信号的周期近似为近似为:T = 2.2 RCt0tuo0tuo20tuo10uAUT5.3.2 RC 耦合式振荡器耦合式振荡器0t0t0t0tuo1uR1uR2uo2UTUTR212R1C2C1uR2uR1uo2uo112R1R2C1C2uR2uR1uo2uo1 微分电路微分电路该电路有两个缺点该电路有两个缺点:1. 不容易起振不容易起振;2. 电路振荡频率的稳定电路振荡频率的稳定 性较性较差差,容易受温度、元件性能、容易受温度、元件性能、电源波动等因素的影响电源波动等因素的影响为便于起振，将两个电为便于起振，将两个电 阻阻改接成如图改接成如图( b)示 a )R212R1C2C1uR2uR1uo2uo112R1R2C2C1uo2uo1( b)只要适当选择它们的大小，只要适当选择它们的大小，使两个与非门的静态工作使两个与非门的静态工作点均处于转移特性的中点，点均处于转移特性的中点，起振便比较容易。

起振便比较容易( a )R212R1C2C1uR2uR1uo2uo112R1R2C2C1uo2uo1( b)为获得稳定的振荡频率为获得稳定的振荡频率, 可在振荡电路中串接石英可在振荡电路中串接石英晶体，组成石英晶体振荡晶体，组成石英晶体振荡器，如图器，如图( c )所示12R1R2C2C1uo石英晶体石英晶体( c)石英晶体的化学成分是石英晶体的化学成分是SiO2 ,晶格结构为各向异性，是晶格结构为各向异性，是一种具有一种具有压电效应压电效应的晶体由石英晶体的阻抗与频率特的晶体由石英晶体的阻抗与频率特性曲线可见石英晶体的性曲线可见石英晶体的 选频特性很好选频特性很好fXX>0感性感性X<0容性容性0石英晶体的阻抗与频率特性石英晶体的阻抗与频率特性石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路在晶体切片的两个对应面上加上交变电压时在晶体切片的两个对应面上加上交变电压时,晶体会出晶体会出现现机械变形振动并产生交变电场机械变形振动并产生交变电场,这种现象就是压电效应这种现象就是压电效应当外加电压的频率与晶体的固有频率相同时当外加电压的频率与晶体的固有频率相同时,其机械变其机械变形形的幅度和交变电场幅度就都达最大的幅度和交变电场幅度就都达最大,发生发生压电谐振。

压电谐振晶体的固有频率：晶体的固有频率：取决於晶体的几何尺寸取决於晶体的几何尺寸压电效应压电效应:石英晶体振荡器常用石英晶体振荡器常用 作数作数字系统的基准信号字系统的基准信号uo12R1R2C2C1石英晶体石英晶体其振荡频率主要取决于石英晶体的固有频率其振荡频率主要取决于石英晶体的固有频率§5.4 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器简称单稳态触发器简称“单稳单稳” 单稳的突出特点是：单稳的突出特点是： 输出端只有一个稳定状态，输出端只有一个稳定状态， 另一个状态则是暂稳态加入触发信号后另一个状态则是暂稳态加入触发信号后,它它可以由稳定状态转入暂稳态，但是，可以由稳定状态转入暂稳态，但是， 经过一定经过一定时间以后，它又会时间以后，它又会自动返回自动返回原来的原来的 稳定状态稳定状态稳定状态稳定状态稳定状态稳定状态暂稳态暂稳态自动返回自动返回外部触发外部触发学习的重点：学习的重点：为什么为什么会自动返回？需会自动返回？需多少时间多少时间？？5.4.1 积分型单稳态触发器的工作原理积分型单稳态触发器的工作原理0tuiuo1uAuo20t0t0tt1在在 ui 脉冲到来以前脉冲到来以前，，uo1是高是高电平，电平，uo2是高电平。

是高电平Auo1uo2RC12uiui 正正跳变跳变uo1 负跳变负跳变 uA 不不突变突变C放电放电uA下降直到下降直到UTuo2负负跳变跳变uo2上跳；上跳； uA继续下降继续下降UTAuo1uo2RC12ui 回答回答: 有有! …...讨论：讨论：对对 uA 的放电快慢有无约束的放电快慢有无约束?t30tuiuo1uAuo20t0t0tt1UTt2原因：原因：若若C 的放电太慢，在的放电太慢，在 t1 ~ t3 期间，期间， 变变 量量 uA>UT ,在图中所示的情况下，在图中所示的情况下， uo2 的上升边将由的上升边将由ui的下降边的下降边控制，故必须改进电路控制，故必须改进电路!( a )Auo1uo2RC12ui( b )uo1uo2RC12uiA&ui'34uo4 uo1uo2RC12uiA&ui'34uo4 01001110101101015.4.2 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用单稳的应用多种多样，如：整形、延时控制、单稳的应用多种多样，如：整形、延时控制、定时顺序控制等等例如定时顺序控制等等例如“ 延时控制延时控制 ”: QAQCQBQDCPCLRRS0S1ABCDEFGH74LS194 ( 1 )R2C2AQ2R1C1AQ1B+ 5V移位输入移位输入DW1DW2时钟时钟QAQCQBQDCPCLRRS0S174LS194 ( 1 )R1、、C1 、、 R2、、C2用于调节用于调节延长的时间。

延长的时间CPABCDEFGHQ1Q2t1t0t2t3用波形图表示如下用波形图表示如下:移位寄存移位寄存器清零器清零H灯上升灯上升沿触发沿触发Q1Q1的下降的下降沿触发沿触发Q2移位寄存移位寄存器串行输器串行输入为入为1循环重循环重新开始新开始§5.5 555定时器及其应用定时器及其应用555定时器的特点：定时器的特点：是将模拟电路和数字电路集成是将模拟电路和数字电路集成于于 一体的电子器件它使用方便，带负载能力较强一体的电子器件它使用方便，带负载能力较强，目前得到了非常广泛的应用目前得到了非常广泛的应用5.5.1 555定时器的工作原理定时器的工作原理首先介绍首先介绍555定时器的内部电路结构定时器的内部电路结构555定时器的内部电路包括以下几部分定时器的内部电路包括以下几部分 ：：（（1）） 一个由三个相等电阻组成的分压器一个由三个相等电阻组成的分压器;（（2）两个电压比较器）两个电压比较器: A1、、A2 ;（（3））一个一个 RS 触发器触发器;（（4）一个反相器和一个晶体管）一个反相器和一个晶体管TRS++--A1A2VCCTHCOTRDTuoRD87645321RRR555定时器的内部电路图定时器的内部电路图RS++--A1A2VCCTHCOTRDTuoRD87645321RRR555定时器的内部电路图定时器的内部电路图12345678555VCCD TH COGND TRUoRD电电源源放放电电阈阈值值电控电控压制压制地地触触发发输输出出复复位位电源电压范围电源电压范围:4.5V ~ 18V 三个电阻构三个电阻构成的分压器给成的分压器给 两两个比较器提供个比较器提供基基准电压准电压: A1 的为的为 2VCC / 3 , A2 的的为为 VCC / 3 。

RS++--A1A2VCCTHCOTRDTuoRD87645321RRR阈值端阈值端触发端触发端RSQ1001000101保持保持 保持保持Q11禁止禁止禁止禁止RS 触发器功能表触发器功能表101000阈值端阈值端触发端触发端THTRRS比较的结果比较的结果<2VCC / 3<2VCC / 3>VCC / 3VCC / 3>2VCC / 3TQuo保持保持0110保持保持 保持保持导通导通截止截止RD阈值端阈值端触发端触发端THTR<2VCC / 3>VCC / 3>2VCC / 3<2VCC / 3VCC / 3保持保持保持保持RD晶体管晶体管Tuo0111001导通导通导通导通截止截止RS++--A1A2VCCTHCOTRDTuoRD87645321RRR555的的功功能能表表VCC / 32VCC / 3例例1：：多谐振荡器多谐振荡器 4816235CVCCuo5557THTRVCC / 32VCC / 35.5.2 555定时器的应用定时器的应用例例2：： 双稳态触发器双稳态触发器: 微电机起动停车控制电路微电机起动停车控制电路S1 : 起动按钮起动按钮S2 : 停车按钮停车按钮4816235S2S1RRCVCCTHTRuoM微电机微电机555按下启动按钮按下启动按钮 S1（（未按未按 S2）） 即使放开即使放开 S1 , UTR 、、UTH仍满足仍满足上述条件，电机继续转动上述条件，电机继续转动 。

这时如果松开这时如果松开 S2 , 电机仍电机仍不转动不转动 4816235S2S1RRCVCCTHTRuoM微电机微电机555启动过程：启动过程：停车过程：停车过程：故故 uo=1 , 电机转动电机转动 按下停车按钮按下停车按钮 S2（（未按未按 S1）） 故故 uo=0 , 电机停转电机停转例例2：： 双稳态触发器双稳态触发器: 微电机起动停车控制电路改进微电机起动停车控制电路改进S1 : 起动按钮起动按钮S2 : 停车按钮停车按钮4816235S2S1RRCVCCTHTRuoM微电机微电机555例例3：： 单稳态触发器单稳态触发器: 洗相曝光定时器洗相曝光定时器若若S打开打开 输出总为输出总为048162357uouiVCCRRTCTDTHTRS0t0tuCTuo若合闸时输出为若合闸时输出为 0，将保持，将保持0若合闸时输出为若合闸时输出为 1，，输出会自动回到零输出会自动回到零0t0tuCTuoui0t48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS由以上分析可以看出：由以上分析可以看出： 按钮每按动一次，按钮每按动一次，uo 便输出一个正脉冲便输出一个正脉冲,其其宽度宽度 TW 由由 RT CT 决定决定 。

按下按下S< << >> >自动返回自动返回< <> >JJ~红红白白D1D248162357uouiVCCRRTCTDTHTRS洗相曝光定时器洗相曝光定时器按一下按一下按钮按钮 S未按未按uo0J的线圈的线圈不通电不通电J 的接点的接点不动作不动作红灯红灯 白灯白灯亮亮灭灭1通电通电闭合闭合亮亮灭灭白灯亮的时间即为曝光时间白灯亮的时间即为曝光时间 TW TW = 1.1 RT CT按着按着S忘了松手忘了松手,会怎麽会怎麽样样?例例4：： 多谐振荡器多谐振荡器: 简易电子琴电路简易电子琴电路0tuouC0t前面例前面例1已说明了如何用已说明了如何用555 定时器构成定时器构成多谐振荡器多谐振荡器:48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC 设电容设电容C 原先未充电原先未充电, 故故 UTH =UTR < VCC /3 , 此时此时 uo = 1，，555内的晶体管内的晶体管 T 截止截止 , 电源通过电源通过 R1 和和 R2 对电容对电容 C 充充电在在 uC 没有充电到没有充电到 2VCC /3 之前，之前， uo 保持保持 1 不变。

不变48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC一旦一旦 uC 充至充至2VCC /3，，则则 UTH =UTR >2VCC /3 , 立即立即 uo = 0 , 同时同时555内的管内的管 T 导通，电容导通，电容 C 经经 R2  7#管脚管脚 T  1#管脚管脚放电一直至放电一直至VCC /3，，使得使得uo 回到回到 1 ，进入循环，进入循环 ... ...t0uouC0t48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC0tuouC0t输出方波的输出方波的周期周期 T 的计算的计算:T = T1 + T2 = 0.7 ( R1 + 2R2 ) C T1T248162357R1C555uoVCCR21R28S8S1简易电子琴电路图简易电子琴电路图简易电子琴就是通过改变简易电子琴就是通过改变R2 的阻值来改变输出方的阻值来改变输出方波的周期波的周期 , 使外接的喇叭发出不同的音调使外接的喇叭发出不同的音调 第五章第五章 结束结束数字电子技术数字电子技术。