《脉冲波形的产生和变换.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《脉冲波形的产生和变换.ppt（59页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第20章 脉冲波形的产生和变换,20.1 单稳态及多谐振荡器20.2 施密特触发器20.3 555定时器及其应用习题20,20.1 单稳态及多谐振荡器,描述矩形脉冲波形的特性主要有以下几个主要参数（见图20.1）,图20.1 矩形脉冲的特性参数,20.1.1 单稳态触发器单稳态触发器的工作特性具有如下特点：(1)有稳态和暂态两个工作状态；(2)在外界触发脉冲的作用下，可从稳态转到暂态，在暂态维持一段时间后，再自动返回到稳态；(3)暂态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度无关。,1.门电路组成的单稳态触发器 用CMOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器如图20.2所示。
2、,图 20.2 微分型单稳态触发器,1.门电路组成的单稳态触发器 用CMOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器如图20.2所示。对于CMOS电路，可近似认为UOHVDD，UOL0，在稳态下UI=0，UI2=VDD，UO=0，UO1=VDD，电容上没有电压。当输入触发脉冲UI加到输入端时，由Rd、Cd组成的微分电路的输出端得到一个很窄的正、负脉冲电压Ud，当Ud上升到UTH以后，将引发如下的正反馈过程:Ud UO1 UI2 UO,使UO1迅速跳变为低电平。由于电容上的电压不能突变,因此UI2也同时跳变为低电平，并使UO跳变为高电平，电路进入暂态。此时即使Ud回到低电平，UO仍将维持高电
3、平。与此同时，电容C开始充电，且随着充电过程的进行，UI2逐渐升高，当升到UI2=UTH时，将引发另一个正反馈过程：UI2UOUO1 整个过程的波形变化如图20.3所示。,图20.3 微分型单稳态触发器波形图,各种参数的计算如下：脉冲宽度输出脉冲幅度 Um=UOH-UOLVDD 为了保证单稳态触发器脉冲的宽度准确无误，输入触发脉冲的时间间隔T（重复周期）应满足：TTW+Tre其中，电路恢复时间 Tre=(35)RC,2.集成单稳态触发器 集成单稳态触发器的特点是:在TTL和CMOS电路产品内部具有上升沿与下降沿触发的控制和置零功能，连线较少，采取了温度补偿措施等。常见的型号有74121（TTL
4、型）、74221（TTL型）、74123（TTL型)和CCL14528（CMOS型）等。3.单稳态触发器的应用(1)脉冲形态是指脉冲信号在经过长距离传输后，脉冲波形发生变化，经过单稳电路后，使波形变为符合要求的波形，如图20.4所示。脉冲的宽窄根据具体要求而定。,图20.4 整形示意图,（2）脉冲延时（展宽）如图20.5所示。,图20.5 脉冲延时示意图,20.1.2 多谐振荡器1.对称式多谐振荡器 图20.6所示为对称式多谐振荡器的典型电路。它由反相器G1、G2 和耦合电容C1、C2及电阻RF1、RF2组成。其中G1、G2与C1、C2构正反馈电路。RF1、RF2控制G1、G2，使之工作在电压
5、传输特性的转折点。从图20.6可见，该电路是利用RC的充放电分别控制G1、G2门的开通与关断来实现自激振荡。,图20.6 对称式多谐振荡器,假如由于某种原因（例如电源或外界的干扰）使UI1有一个微小变化（正跃变），则必然会得到下列的正反馈过程:UI1UO1UI2UO2使UO1迅速跳变为低电平，UO2跳变为高电平，电路进入第一个暂稳态。与此同时，UO2开始经RF2向C1充电，C2开始经RF1放电。,随着C1的充电，UI2逐渐上升到G2的阈值电压UTH时，UO2开始下降，并引起另一个正反馈过程：UI2UO2UI1UO1从而使UO迅速跳变至低电平，电路进入第二个暂态。同时C2开始充电，而C1开始放电
6、。随着C2充电，UI1逐渐升高到G1的UTH后，电路又迅速返回到第一个暂态。因此，电路是不停地在两个暂态之间往复转换，在输出端不断地发出矩形电压脉冲,如图20.7所示。,图 20.7 矩形电压脉冲形成示意图,从上面的分析可知，输出脉冲的周期等于两个暂态持续时间之和，每个暂态持续时间与C1、C2的充放电有关。若取RF1=RF2=RF，C1=C2=C，UTH=1.4 V，UOL=0 V，UOH=3.6 V，则振荡周期为T=2TW1.4RFC 由此可知，改变R和C可改变T。2.石英晶体多谐振荡器 石英晶体的符号、电抗频率特性及石英晶体多谐振荡器电路如图20.8所示。,图 20.8 石英晶体符号、电抗
7、频率特性及多振荡器电路(a)符号；(b)频率特性；(c)电路,20.2 施密特触发器,1.CMOS门电路构成的施密特触发器图20.9所示为CMOS门电路构成的施密特触发器。,图20.9 CMOS门电路构成的施密特触发器,如图20.9所示，当UI从0 逐渐升高并达到UTH时，G1进入电压传输特性的转折区，引起正反馈，过程如下：UI UO1UO这时电路的状态迅速转换为UO=UOHVDD由此可求出UI上升过程中电路状态发生转换所对应的输入电平为UT+（正向阈值电压）：,当UI从高电平逐渐下降并达到UTH时,又引发另一个正反馈过程：UIUO1UO电路状态迅速转换为UO=UOL0由此可求出UI下降过程中
8、电路状态发生转换时所对应的输入电平为UT-(反向阈值电压)：,若DD=2UTH,则将UT+与UT-之差定义为回差电压UT：UT=UT+-UT-由此,可画出施密特触发器的电压传输特性,称为施密特滞回曲线,如图20.10所示。,图 20.10 施密特滞回曲线(a)同相输出；(b)反相输出,常见的集成施密特触发器有：74132、CC40106、74LS132等,它们的逻辑符号如图20.11所示。,图20.11 施密特触发器的逻辑符号,2.施密特触发器的应用 1)用于波形变换施密特触发器可用于将三角波、正弦波等一些不规则波形转换为矩形波,如图20.12所示。,图 20.12 波形变换示意图,2)用于脉
9、冲整形当传输信号受到干扰时,施密特触发器的滞回特性将受到干扰的信号整形成较好的矩形脉冲,如图20.13所示。,图20.13 脉冲整形示意图,3)用于脉冲幅度鉴别当输入信号为一组幅度不等的脉冲,而要求将幅度大于UTH的脉冲信号选出时，可采用施密特触发器的输入信号进行鉴别,如图20.14所示。,图20.14 脉冲幅度鉴别,4）由施密特触发器组成多谐振荡器多谐振荡器最突出的特点是它的电压传输特性具有滞回特性。据此可以使其输入信号在UT+UT-之间不停地往复变化,在输出端就可得到矩形脉冲波形。其电路及波形如图20.15所示。,图20.15 多谐振荡器电路及波形,20.3 555定时器及其应用,图20.
10、16所示为国产双极型定时器NE555的电路结构图,它由比较器C1、C2、基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。NE555定时器的功能如表20.1所示。,图 20.16 NE555双极型定时器,表20.1 NE555功能表,20.3.2 555定时器的应用1.接成施密特触发器 图20.17是将UI1和UI2连在一起作为信号输入端(UI),就可得到施密特触发器。,图 20.17 由555定时器构成的施密特触发器(a)外部接线图；(b)内部电路图,电路工作的原理如下：当UI VCC时,UC1=1,UC2=0,Q=1,UO=UOH;当 VCCUI VCC时,UC1=UC2=1,UO=U
11、OH;当UI VCC时,UC1=0,UC2=1,Q=0,UO=UOL。由此可见UT+=VCC,当VCCUI VCC时,UC1=UC2=1,UO=UOL;当UI UCC时，UC1=1,UC2=0,Q=1,UO=UOH=1。由此可见UT-=VCC 则U=UT+-UT-=VCC 施密特触发器的特性如图20.18所示。,图20.18 施密特触发器特性图,2.接成单稳态电路 如果将555定时器的UI2（TR）作触发器的信号输入端,同时把输出DISC（7脚）接回到UI1端,在UI1端与VCC之间接电阻R,在UR1和地之间接电容C,就可构成单稳态电路,如图20.19所示。,图 20.19 由555定时器构成
12、的单稳态触发器(a)外部接线图；(b)内部电路图,3.接成多谐振荡器 将放电管TD的集电极(DISC)经R1接到VCC上,同时经R2、UI1、UI2和电容C连接,其中TD和R1组成反相器,使输出端DISC（7脚）经R2、C组成积分电路,积分电容C接到UI1（TH）和UI2（TR）端,便组成了如图20.20所示的多谐振荡器,其中R1、R2、C为定时元件。由555定时器构成的多谐振荡器的输出波形如图20.21所示。,图 20.20 由555定时器构成多谐振荡器(a)外部接线图；(b)内部电路图,图 20.21 由555构成多谐振荡器的输出波形图,多谐振荡器的振荡周期为T=TW1+TW20.7(R1
13、+R2)C,习题20,1 电路和输入波形如题图20.1（a）、（b）所示。（1）该电路是何种电路？（2）已知TTL门的UOH=3.6 V,UOL=0.3 V,门的输出电阻R=25,在给定参数下,求输出脉冲幅度Um,宽度TW及最高工作频率fmax。（3）对应于输入信号UI画出UO的波形。,题图 20.1,2 现有一个5G1555,一个串电阻R=500 k、一个电容C=10 F,VCC=5 V。试解下列问题：（1）用上面给出的元器件组成一个单稳触发器,画出其电路图。（2）已知触发脉冲UI波形,画出相应的UO 的波形。（3）求输出脉冲UO的宽度TW。（4）若将电源电压VCC由5 V增至10 V,则T
14、W是增加,减小,还是不变?（5）若其它参数不变,减小电阻R的值,则TW是增加,减小,还是不变?（6）若输入负脉冲的宽度TWI TW时,单稳态触发器能否正常工作?为什么?若不能正常工作,应怎样解决?,3.RC环形振荡器电路如题图20.2所示,UOH=3 V,UOL=0 V,R=470,RZ=100,C=3800 pF。(1)开关S1、S2断开时,定性地给出UA、UB、UO的波形。(2)计算振荡频率。(3)S1断开,S2闭合时,UO的波形如何?(4)S1闭合,S2闭合时,UO的波形如何?(5)S1闭合,S2断开时,UO的波形如何?,题图 20.2,4.题图20.3所示的施密特触发器中,若电路参数R
15、1=R2,UTH=1.4 V,UD=0.7 V,试求上下限电平UT+、UT-及差电压UT。,题图 20.3,5.如题图20.4所示的单稳态电路,若其5脚不接0.01 F的电容,则必接直流正电源UR,当UR变大和变小时,单稳态电路的输出脉冲宽度如何变化?若5脚通过10 k的电阻接地,其输出脉冲宽度又有什么变化?,题图 20.4,6.试用555定时器组成一个施密特触发器,要求:(1)画出电路接线图;(2)画出该施密特触发器的电压传输特性；(3)若电源电压VCC为6 V,输入电压是以ui=6 sint V包络线的单相脉动波形,试画出相应的输出电压波形。7.试用555设计一个多谐振荡器,要求输出振荡频率f0=20 kHz,占空比为25%。8.试用555设计一个单稳态触发器,要求输出脉宽在110 s范围内连续可调。,
