脉冲信号产生与整形课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,,*,2024/11/4,1,第,7,章 脉冲波形的产生与变换,,脉冲信号：指突然变化的电压或电流脉冲电路的研究重点：波形分析数字电路的研究重点：逻辑功能获得脉冲波形的方法主要有两种：,,1,．利用脉冲振荡电路产生；,,2,．是通过整形电路对已有的波形进行整形、变换，使之符合系统的要求2023/8/21第7章 脉冲波形的产生与变换 脉冲信号：指,1,2024/11/4,2,几种常用脉冲波形的产生与变换电路：（功能、特点及其主要应用简介）,,1.,,RC,电路,：对矩形波进行微分、积分变换，或作脉冲分压器；,,2.,,施密特触发器,：主要用以将非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲；,,3.,,单稳态触发器,：主要用以将脉冲宽度不符合要求的脉冲变换成脉冲宽度符合要求的矩形脉冲；,,4.,,多谐振荡器,：产生矩形脉冲；,,5.,,555,定时器,2023/8/22　　几种常用脉冲波形的产生与变换电路：（功,2,常用脉冲波形及参数,1.,常见的脉冲波形,,脉冲波形是指突变的电流和电压的波形。

图,7-1,常见的脉冲波形图,常用脉冲波形及参数 1. 常见的脉冲波形 脉冲波形是指突,3,2024/11/4,4,2.,矩形波及其参数,图,7-2,非周期性和周期性矩形波,(a),非周期性,(b),周期性,数字电路中用得最多的是矩形波矩形波有周期性与非周期性两种2023/8/242. 矩形波及其参数 图7-2 非,4,2024/11/4,5,图,7-3,矩形波的主要参数,周期性矩形波的周期用,T,表示，有时也用频率,f,表示（,f,=1/,T,）矩形波的另外几个主要参数：,,,（,1,）脉冲幅度,U,m,,（,2,）脉冲宽度,t,w,,（,3,）上升时间,t,r,,,（,4,）下降时间,t,f,,,（,5,）占空比,q,=,t,w,/,T,,通常,q,用百分比表示，如果,q,=50%,，则称为对称方波2023/8/25图7-3 矩形波的主要参数 　　周期性矩,5,2024/11/4,6,为,数字,—,模拟混合,集成电路可产生精确的时间延迟和振荡，内部有,3,个,5KΩ,的电阻分压器，故称,555,在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了,应用,。

7.1,555,定时器及其应用,2023/8/26　　为数字—模拟混合集成电路7.1 5,6,2024/11/4,7,各公司生产的,555,定时器的,逻辑功能,与,外引线排列,都完全相同双极型产品,,,CMOS,产品,,,单,555,型号的最后几位数码,,,555,,,7555,,,双,555,型号的最后几位数码,,,556,,,7556,,,优点,,,驱动能力较大,,,低功耗、高输入阻抗,,,电源电压工作范围,,,5~16V,,,3~18V,,,负载电流,,,可达,200mA,,,可达,4mA,,,2023/8/27　　各公司生产的555定时器的逻辑功能与外,7,1.,电路组成,图,7-4 555,定时器,(a),原理图,(b),外引线排列图,电阻分压器,电压比较器,基本,RS,触发器,放电管,T,缓冲器,1. 电路组成图7-4 555定时器电阻分压器电压比较器,8,2024/11/4,9,（,1,）,,电阻分压器,由,3,个,5kΩ,的电阻,R,组成，为电压比较器,C,1,和,C,2,提供基准电压2023/8/29　　（1） 电阻分压器,9,2024/11/4,10,,（,2,）,,电压比较器,,C,1,和,C,2,。

当,U,＋,＞,U,－,时，,,U,C,输出高电平，反之则输出低电平2023/8/210　　（2） 电压比较器,10,2024/11/4,11,,CO,为控制电压输入端当,CO,悬空时，,U,R1,＝,2/3V,CC,，,U,R2,＝,1/3V,CC,当,CO,＝,U,CO,时，,U,R1,＝,U,CO,，,U,R2,＝,1/2,U,CO,,,,2023/8/211　　CO为控制电压输入端11,2024/11/4,12,,TH,称为高触发端，,TR,称为低触发端2023/8/212　　TH称为高触发端，TR 称为低触发,12,2024/11/4,13,（,3,）,,基本,RS,触发器,其置,0,和置,1,端为低电平有效触发R,是低电平有效的复位输入端正常工作时，必须使,R,处于高电平2023/8/213　 （3） 基本RS触发器,13,2024/11/4,14,（,4,）,,放电管,T,,T,是集电极开路的三极管相当于一个受控电子开关输出为,0,时，,T,导通，输出为,1,时，,T,截止2023/8/214　 （4） 放电管T,14,2024/11/4,15,（,5,）,缓冲器,缓冲器由,G,3,和,G,4,构成，用于提高电路的负载能力。

2023/8/215　 （5）缓冲器,15,2024/11/4,16,,2.,工作原理,,,TH,接至反相输入端，当,TH,＞,U,R1,时，,U,C1,输出低电平，使触发器置,0,，故称为,高触发端（有效时置,0,）,；,,,TR,接至同相输入端，当,TR,＜,U,R2,时，,U,C2,输出低电平，使触发器置,1,，故称为,低触发端（有效时置,1,）,表,7-1 555,定时器的功能表,2023/8/216　2.　工作原理 　　TH接至反相输入端,16,2024/11/4,17,7.2,施密特触发器,主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿陡峭的矩形波特点：,,⑴电路有,两种稳定状态,两种稳定状态的维持和转换完全取决于外加触发信号触发方式：电平触发⑵电压传输特性特殊，电路有,两个转换电平,（上限触发转换电平,U,T+,和下限触发转换电平,U,T,－,）⑶状态翻转时有正反馈过程，从而输出,边沿陡峭,的矩形脉冲2023/8/2177.2 施密特触发器　　主要用途：把变,17,2024/11/4,18,,（,4,）工作波形与电压传输特性,,,施密特触发器将三角波,u,I,变换成矩形波,u,O,。

图,7-5,施密特触发器的工作波形及电压传输特性,（,a,）工作波形 （,b,）电压传输特性,3.,重要参数,上限触发转换电平,U,T+,,下限触发转换电平,U,T,－,,回差,ΔU,T,= U,T+,－,U,T,－,（通常,U,T+,＞,U,T,－,）,改变,R,1,和,R,2,的大小可以改变回差,ΔU,T,,2023/8/218　 （4）工作波形与电压传输特性 　　施,18,2024/11/4,19,1.,,555,构成施密特触发器,,图,7-6 555,定时器构成的施密特触发器,（,a,）电路 （,b,）工作波形,如果在,U,IC,加上控制电压，,则可以改变电路的,U,T+,和,U,T,－,2023/8/2191.　555构成施密特触发器 图7-6,19,2024/11/4,20,集成施密特触发器的,U,T+,和,U,T,－,的具体数值可从集成电路手册中查到如,CT74132,的,U,T+,＝,1.7 V,、,U,T,－,＝,0.9 V,，所以，,ΔU,T,＝,U,T+,—U,T,－,＝,1.7 V—0.9 V,＝,0.8 V,2.,,集成施密特触发器,(1).,,施密特反相器,,TTL,的,74LS14,和,CMOS,的,CC40106,均为六施密特触发的反相器。

下面以,CC40106,为例说明其功能2023/8/220　　集成施密特触发器的UT+和UT－的具,20,2024/11/4,21,,图,7-7,施密特触发反相器,(a),原理框图,(b),电压传输特性,(c),逻辑符号,,为了提高电路的性能，电路在施密特触发器的基础上，增加了整形级和输出级整形级,可以使输出波形的边沿更加陡峭，,,输出级,可以提高电路的负载能力2023/8/221图7-7施密特触发反相器　　为了提高电路,21,2024/11/4,22,(2).,施密特触发与非门电路,,为了对输入波形进行整形，许多集成门电路采用了施密特触发形式比如,CMOS,的,CC4093,和,TTL,的,74LS13,就是施密特触发的与非门电路图,7-8,施密特触发与非门的逻辑符号,2023/8/222(2).　施密特触发与非门电路 　　为了,22,2024/11/4,23,(1).,波形变换,将,变化缓慢的波形,变换成矩形波（如将三角波或正弦波变换成同周期的矩形波）图,7-9,波形变换,,3.,,施密特触发器的应用,2023/8/223(1). 波形变换 　　将变化缓慢的波,23,2024/11/4,24,(2).,脉冲整形,在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生,波形畸变,，或者,边沿产生振荡,等。

通过施密特触发器整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形图,7-10,脉冲整形,,波形畸变,边沿振荡,2023/8/224(2).　脉冲整形 　　在数字系统中，矩,24,2024/11/4,25,(3),．脉冲鉴幅,将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些,幅度大于,U,T+,的脉冲才会在输出端产生输出信号可见，施密特触发器具有脉冲鉴幅能力图,7-11,脉冲鉴幅,2023/8/225(3)．脉冲鉴幅 　　将一系列幅度各异的,25,2024/11/4,26,工作特点：,第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；,第二，在外加脉冲作用下，触发器能从稳态翻转到暂稳态；,第三，在暂稳态维持一段时间后，将,自动返回稳态,，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外加触发信号无关1. 555,构成单稳态触发器,7.3,单稳态触发器,2023/8/226　　工作特点：1. 555构成单稳态触,26,2024/11/4,27,（,1,）,得到负脉冲,,外触发：使高触发置,0,端,TH,有效→暂稳态,0,自动返回：通过电容,C,的充放电使低触发置,1,端,TR,有效→稳态,1,,思路：外触发→自动返回,,（,2,）,得到正脉冲,外触发：使低触发置,1,端,TR,有效→暂稳态,1,,自动返回：通过电容,C,的充放电使高触发置,0,端,TH,有效→稳态,0,2023/8/227　 （1）得到负脉冲　　思路：外触发→,27,2024/11/4,28,2023/8/228,28,2024/11/4,29,图,7-12 555,定时器构成的单稳态触发器,（,a,）电路 （,b,）工作波形,工作原理：,稳态为,0,低触发有效置,1,T,截止，,C,充电,自动高触发返,0,提高基准电压稳定性的滤波电容,输出脉冲的宽度,t,w,≈1.1RC,。

当触发脉冲,u,I,为高电平时，,V,CC,通过,R,对,C,充电，当,TH =,u,C,≥2/3V,CC,时，高触发端,TH,有效置,0,；此时，放电管导通，,C,放电，,TH =,u,C,=0,稳态为,0,状态此时放电管,T,截止，,V,CC,通过,R,对,C,充电当,TH =,u,C,≥2/3V,CC,时，使高触发端,TH,有效，置,0,状态，电路自动返回稳态，此时放电管,T,导通电路返回稳态后，,C,通过导通的放电管,T,放电，使电路迅速恢复到初始状态2023/8/229图7-12 555定时器构成的单稳态触,29,2024/11/4,30,工作原理：,当触发脉冲,u,I,下降沿到来时，低触发端,TR,有效置,1,状态，电路进入暂稳态当触发脉冲,u,I,为高电平时，,V,CC,通过,R,对,C,充电，当,TH =,u,C,≥2/3V,CC,时，高触发端,TH,有效置,0,；此时，放电管导通，,C,放电，,TH =,u,C,=0,稳态为,0,状态此时放电管,T,截止，,V,CC,通过,R,对,C,充电当,TH =,u,C,≥2/3V,CC,时，使高触发端,TH,有效，置,0,状态，电路自动返回稳态，此时放电管,T,导通。

电路返回稳态后，,C,通过导通的放电管,T,放电，使电路迅速恢复到初始状态2023/8/230　　工作原理：　　当触发脉冲uI下降沿到,30,2024/11/4,31,3.,,单稳态触发器的应用,1.,脉冲延时,单稳态触发器的主要应用是整形、定时和延时图,7-15,单稳电路的延时作用,,如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳态电路来实现t,w,≈,1.1RC,,u,O,的下降沿比,u,I,的下降沿延迟了,t,w,的时间2023/8/2313.　单稳态触发器的应用 1. 脉冲延时,31,2024/11/4,32,2.,脉冲定时,单稳态触发器能够产生一定宽度,t,w,的矩形脉冲，利用这个脉冲去控制某一电路，则可使它在,t,w,时间内动作,(,或者不动作,),图,7-16,脉冲定时,2023/8/2322.　脉冲定时 　　单稳态触发器能够产生,32,2024/11/4,33,图7.17 定时电路,,例1： 定时,单稳态触发器可以构成定时电路；与继电器或驱动放大,电路配合， 可实现自动控制、定时开关的功能，一个典型,定时电路如图7.17所示,,,2023/8/233图7.17 定时电路 例,33,2024/11/4,34,,当电路接通+6 V电源后，经过一段时间进入稳定状态，定时器输出OUT为低电平，继电器KA（当继电器无电流通过时，常开接点处于断路状态）无通过电流，故形不成导电回路，灯泡HL不亮。

当按下按钮SB时，低电平触发端TR（外部信号输入端,U,i,）由接+6V电源变为接地，相当于输入一个负脉冲，使电路由稳定状态转入暂稳状态，输出OUT为高电平，继电器KA通过电流，使常开接点闭合，形成导电回路，灯泡HL发亮；暂稳定状态的出现时刻是由按钮SB何时按下决定的，它的持续时间,t,W,（也是灯亮时间）则是由电路参数决定，若改变电路中的电阻,R,W,或C，均可改变,t,W,2023/8/234 当电路接通,34,2024/11/4,35,,典型延时电路如图7.18所示，与定时电路相比，其电,路的主要区别是电阻和电容连接的位置不同电路中的继,电器KA为常断继电器，二极管D的作用是限幅保护当开,关SA闭合，直流电源接通，555定时器开始工作，若电容,初始电压为零， 因电容两端电压不能突变，而,U,DD,=,U,C,+,U,R,，所以,U,TH,= =,U,R,=,U,DD,-,U,C,=,U,DD,，,OUT,= “0”，继电器常开接点保持断开；同时电源开始向电容充电，电容两端电压不断上升，而电阻两端电压对应下降，当,U,C,≥ ，,2023/8/235 典型延时电路如图7.18,35,2024/11/4,36,图7.18 延时电路,,即,U,TH,= =,U,R,≤ 时，,OUT,= “1”，继电,器常开接点闭合；电容充电至,U,C,=,U,DD,时结束，此时电阻,两端电压为零，电路输出OUT保持为“1”，从开关,SA,按下到继电器,KA,闭合这段时间称为延时时间。

,,2023/8/236图7.18 延时电路,36,2024/11/4,37,,2) 分频,当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳状态，在此脉冲以后时间,t,W,内，如果再输入其他触发脉冲，则对触发器的状态不再起作用；只有当触发器处于稳定状态时，输入的触发脉冲才起作用，分频电路正是利用这个特性将高频率信号变换为低频率信号，电路如图8.19所示,2023/8/237 2) 分频,37,2024/11/4,38,图7.19 分频电路,2023/8/238图7.19 分频电路,38,2024/11/4,39,,1,．多谐振荡器,没有稳定状态,，只有两个暂稳态2,．通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生,自激振荡,，无需外触发3,．输出周期性的,矩形脉冲信号,，由于含有丰富的谐波分量，故称作多谐振荡器7.4,多谐振荡器,,2023/8/239　　 1．多谐振荡器没有稳定状态，只有两,39,2024/11/4,40,1. 555,构成多谐振荡器,,,设计思想：是无稳态电路，两个暂稳态不断地交替利用放电管,T,作为一个,受控电子开关,，使,电容充电、放电,而改变,TH=TR,，则交替置,0,、置,1,。

图,7-20 555,定时器构成的多谐振荡器,（,a,）电路 （,b,）工作波形,电容,C,充电,τ,充,=( R,1,+R,2,)C,电容,C,放电,τ,放,= R,2,C,振荡器输出脉冲,u,O,的工作周期为,：,,T≈0.7(R,1,+2R,2,)C,2023/8/2401. 555构成多谐振荡器 　　设计,40,2024/11/4,41,,2. 改进电路,图7.20（a）所示电路只能产生占空比大于0.5的矩形,波， 而图7.21所示电路可以产生占空比处于0和1之间的,矩形波这是因为它的充放电的路径不同，,,图,7.21,可调占空比的多谐振荡器,2023/8/241 2. 改进电路图7.21,41,2024/11/4,42,2.,,石英晶体振荡器,前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是,振荡频率不稳定,，容易受温度、电源电压波动和,RC,参数误差的影响而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作因此，控制信号频率不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用,频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器,。

2023/8/2422.　石英晶体振荡器 　　前面介绍的多谐,42,2024/11/4,43,石英晶体的阻抗频率特性图,,石英晶体具有很好的,选频特性,当振荡信号的频率和石英晶体的,固有谐振频率,f,o,相同时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易通过，而其它频率的信号则被衰减掉2023/8/243石英晶体的阻抗频率特性图 　　石英晶体具,43,2024/11/4,44,因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率,f,o,，而与,RC,无关图,7-27,石英晶体振荡器电路,在对称式多谐振荡器的基础上，,串接一块石英晶体,，就可以构成一个石英晶体振荡器电路该电路将产生稳定度极高的矩形脉冲，其,振荡频率由石英晶体的串联谐振频率,f,o,决定,2023/8/244　　因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回,44,2024/11/4,45,目前，家用电子钟几乎都采用具有石英晶体振荡器的矩形波发生器由于它的频率稳定度很高，所以走时很准通常选用,振荡频率为,32768 Hz,的石英晶体谐振器，因为,32768,＝,2,15,，将,32768H,Z,经过,15,次二分频,，即可得到,1H,Z,的时钟脉冲作为计时标准。

2023/8/245　　目前，家用电子钟几乎都采用具有石英晶,45,2024/11/4,46,7.5 555,定时器的应用,例,1,：,用双,CC7555,组成间歇振荡器,,方法：低频振荡器输出控制高频振荡器2023/8/2467.5 555定时器的应用例1：用双,46,2024/11/4,47,例,2,：温度、亮度报警器：,,原理,:,,在给定的温度,(,或亮度,),范围内,,,晶体管截止,,,输出低电平,(,射极跟随,),,利用,4,脚复位端,,,使,555,所组成的多谐振荡器停止工作当温度（或亮度）超过一定限度后，三极管导通，并输出高电平4,脚不再有效，振荡器起振，有扬声器发出报警音响2023/8/247例2：温度、亮度报警器： 原理:,47,2024/11/4,48,例,3,：人体感应报警器：,,当有人接近感应片时，人体感应的杂波就会通过感应片加到,BG1,的栅极上，,BG1,被瞬间夹断，使,BG1,漏、源之间的电阻增大，,2,脚电位变低（≤,1/3Ec,），,3,脚输出高电平，蜂鸣器发声报警，并延时,1.1RC,同时放电管截止，允许电容充电，当,6,脚随电位升高到≥,2/3Ec,时，,3,脚输出低电压，蜂鸣器不响，停止报警。

原理：平时无人接近感应片时，,BG1,漏、源之间电阻较小，与源极相近的,2,脚电位,,>,1/3Ec,，蜂鸣器不响2023/8/248例3：人体感应报警器： 当有人接近感应片,48,2024/11/4,49,本章介绍了各种,产生和变换矩形脉冲,的电路施密特触发器,有两种稳态，但状态的维持与翻转受输入信号电平的控制，所以,输出脉冲的宽度是由输入信号决定的（电平触发）,单稳态触发器,只有一个稳态，在外加触发脉冲作用下，能够从稳态翻转为暂稳态但,暂稳态的持续时间取决于电路内部的元件参数，与输入信号无关,因此，单稳态触发器可以用于产生脉宽固定的矩形脉冲波形本章小结,2023/8/249　　本章介绍了各种产生和变换矩形脉冲的电,49,2024/11/4,50,,多谐振荡器,没有稳态，只有两个暂稳态两个暂稳态之间的转换，是由电路内部电容的充、放电作用自动进行的，所以它,不需要外加触发信号,，只要接通电源就能自动产生矩形脉冲信号555,定时器,是一种用途很广的集成电路，除了能构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器以外，还可以接成各种应用电路读者可参阅有关书籍自行设计出所需的电路2023/8/250　　多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。

50,2024/11/4,51,课后练习,P185,7.3,7.4,7.5,2023/8/251课后练习P185,51,。