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1、,第六章 脉冲波形的产生与整形,第六章 脉冲波形的产生与整形,数字电子技术,5.1 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。,数字电子技术,6.1 概述,6.1.1 描述矩形脉冲波的主要参数,数字电子技术,6.1 概述,脉冲幅值Vm 脉冲波形变化时电
2、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0.5 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 在脉冲波形的上升沿，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。,数字电子技术,6.1 概述,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。,数字电子技术,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,6.2.1 555时基电路的应用
3、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。还可用作振荡器、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。,数字电子技术,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,一、555时基电路的封装和命名,（1）命名规则：所有双极型产品型号最后的3位数码都是555；所有CMOS产品型号最后的4位数码都是7555；所有双极型双定时器产品最后的3位数码都是556；所有CMOS双定时器产品最后的4位数码都是7556；双极型和CMOS型555定时器的功能和外部引
4、脚的排 列完全相同。,数字电子技术,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,（2）常见封装形式,图6.2.1 555和556时基电路的封装示意图,数字电子技术,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,6.2.2 555时基电路的工作原理,一、双极型555时基电路的工作原理（1）美国无线电公司生产的CA555时基电路 图6.2.2是美国无线电公司生产的CA555时基电路的内部等效电路图。,数字电子技术,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,图6.2.2 CA555时基电路的内部等效电路图,双稳态触发器,Imax50mA,2/3VCC,1/3VCC,数字电子技术,推挽式功率输出IO=
5、200mA,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,555电路可简化为下图6.2.3所示的等效功能电路。显然555电路内含两个比较器A1和A2、一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管。,图6.2.3 CA555时基电路的等效功能电路图,置位复位触发器,数字电子技术,2/3VCC,1/3VCC,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,表6.2.1 CA555引出端真值表,由表6.2.1可看出，、R、的输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟和数字电路的特色。,数字电子技术,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,（2）国产双极型定时器CB555时基电路,图6.2
6、.4 CB555时基电路的等效功能电路图,复位触发,置位触发,强制复位,控制电压,放电端,输出端,置位复位触发器,数字电子技术,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,表6.2.2 CB555引出端真值表,数字电子技术,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,二、CMOS型555时基电路的工作原理 CMOS型555时基电路在大多数应用场合，都可以直接代换标准的双极型的555。它与所有CMOS型电路一样，具有输入阻抗高、功耗极小、电源适应范围宽等一系列优点，特别适用于低功耗、长延时等场合。但它的输出驱动能力较低（最大负载电流4mA），不能直接驱动要求较大的电流的电感性负载。图6.2.5是
7、5G7556（ICM7556）的内部等效电路图。,数字电子技术,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,200K,A1,A2,双稳态触发器,CMOS反相器输出,数字电子技术,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,图6.2.6 CMOS型555等效功能方框图,复位触发,置位复位触发器,数字电子技术,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,6.2.3 双极型555和CMOS型555的性能比较,双极型555和CMOS型555的共同点：二者的功能大体相同，外形和管脚排列一致，在大多数应用场合可直接替换。均使用单一电源，适应电压范围大，可与TTL、HTL、CMOS型数字逻辑电路等共用电源。
8、,数字电子技术,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,双极型555和CMOS型555的共同点：555的输出为全电源电平，可与TTL、HTL、CMOS型等电路直接接口。电源电压变化对振荡频率和定时精度的影响小。对定时精度的影响仅0.05/V，且温度稳定性好，温度漂移不高于50ppm/oC。,数字电子技术,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,双极型555与CMOS型555的差异：CMOS型555的功耗仅为双极型的几十分之一，静态电流仅为300A左右，为微功耗电路。CMOS型555的电源电压可低至2-3V；各输入功能端电流均为pA(微微安)量级。CMOS型555的输出脉冲的上升沿和下降
9、沿比双极型的要陡峭，转换时间短。,数字电子技术,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,CMOS型555在传输过渡时间里产生的尖峰电流小，仅为2-3mA；而双极型555的尖峰电流高达300-400mA。CMOS型555的输入阻抗比双极型的要高出几个数量级，高达1010。CMOS型555的驱动能力差，输出电流仅为1-3mA，而双极型的输出驱动电流可达200mA.,数字电子技术,6.2 555时基集成电路的结构和工作原理,一般说来，在要求定时长、功耗小、负载轻的场合宜选用CMOS型555；而在负载重、要求驱动电流大、电压高的场合，宜选用双极型的555。,小结,数字电子技术,6.3 施密特触发器
10、,6.3.1 施密特触发器方框图和电压传输特性图,一、概述,数字电子技术,由施密特触发器的逻辑符号和电压传输特性可知，实际上施密特触发器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-,6.3 施密特触发器,数字电子技术,二、施密特触发电路构成,图6.3.2 带与非门TTL集成施密特触发器,6.3 施密特触发器,（1）TTL集成施密特触发器7413,正反馈过程,R2!=R3,数字电子技术,6.3 施密特触发器,数字电子技术,6.3 施密特触发器,数字电子技
11、术,6.3 施密特触发器,小结：1、无论T2由导通变截止还是由截止变导通，均伴有正反馈过程，使输出端电压VO变得很陡峭；2、由于R2R3，所以使T1饱和导通时的VE必然低于T2饱和导通时的VE值，因此，T1由截止变为导通的输入电压VT+高于T1由导通变为截止时的输入电压VT-，这样就得到了施密特触发特性。3、经计算可得此电路：VT+1.7V VT-0.8V VT 0.9V,课后练习,数字电子技术,6.3 施密特触发器,（2）用门电路组成的施密特触发器,将两级反相器串接起来，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就构成了施密特触发器电路。,6.3.3 用CMOS反相器构成的施密特触发器,C
12、MOS门，阈值电压,数字电子技术,6.3 施密特触发器,6.3.4 图6.3.3电路的电压传输特性(a)同相输出(b)反相输出,思考：1、如何调节回差电压的大小？2、为什么R1必须小于R2？3、如何用TTL门电路组成施密特触发器？,数字电子技术,提高参考电压的稳定性,图6.3.5 用CB555定时器接成的施密特触发电路,6.3 施密特触发器,（3）用555定时器接成的施密特触发器,数字电子技术,图6.3.6 图6.3.5电路的电压传输特性,由图6.3.6 知这是一个典型的反相输出施密特触发器。,VT+=2/3VCCVT-=1/3VCC,如果参考电压由外接的电压VCO供给，则不难看出此时VT+=
13、VCO，VT-=1/2VCO，VT=1/2VCO，通过改变VCO值可以调节回差电压的大小。,6.3 施密特触发器,数字电子技术,三、施密特触发电路的特点,施密特触发器（电路）是一种特殊的双稳态时序电路，与一般双稳态电路比较，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，且通过电路内部的正反馈过程可使输出电压的波形变得很陡。2、对正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平，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，可有效滤除噪声。,6.3 施密特触发器,数字电子技术,四、施密特触发电路的应用,
14、（1）用于波形变换,图6.3.7 用施密特触发器实现波形变换,脉冲展宽,6.3 施密特触发器,数字电子技术,（2）用于脉冲整形,图6.3.8 用施密特触发器实现脉冲整形,传输线上电容较大,传输线较长，阻抗不匹配,其它脉冲叠加的噪声,6.3 施密特触发器,数字电子技术,（3）用于脉冲鉴幅,（4）构成多谐振荡器,6.3 施密特触发器,数字电子技术,6.4 单稳态触发器,6.4 单稳态触发电路,一、单稳态触发电路构成,（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
15、态下VI=0、VI2=VDD，故Vo=0、Vo1=VDD，电容C上没有电压。,数字电子技术,思考：vI脉宽该如何取？图6.4.1 微分型单稳态触发器,6.4 单稳态触发器,数字电子技术,数字电子技术,tw=?Vm=?,当RD1R,RD1RON时恢复时间：tre=(35)RONC分辨时间：td=tw+tre,电容,C,充电等效电路,电容,C,放电等效电路,6.4 单稳态触发器,数字电子技术,根据以上的分析，即可画出电路中各点的电压波形，如图6.4.2所示。,图6.4.2 微分型单稳态触发器电压波形图,正反馈,正反馈,tw=?,6.4 单稳态触发器,数字电子技术,（二）积分型单稳态触发器 图6.4
16、.3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。,思考：vI脉宽该如何取？图6.4.3 积分型单稳态触发器,6.4 单稳态触发器,数字电子技术,图6.4.4 图6.4.3电路的电压波形图,tTRtw无正反馈tw=?,6.4 单稳态触发器,数字电子技术,恢复(充电)时间：tre=(35)(R+RO)C分辨时间：td=tTR+tre,6.4 单稳态触发器,tw=?Vm=?,数字电子技术,积分型单稳态触发器:优点抗干扰能力较强；（为什么？）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
17、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。缺点（1）输出波形的边沿比较差（为什么？）因为电路的状态转换过程中没有正反馈作用。（2）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。,6.4 单稳态触发器,数字电子技术,6.4.2 集成单稳态触发器(*)集成单稳态触发器可分为非重复触发单稳触发器和可重复触发单稳态触发器。所谓非重复触发，就是单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态后，再加入触发信号不会影响单稳态触发器的工作过程，必须在暂稳态结束之后，才能再接受触发信号转入暂稳态。所谓可重复触发单稳态触发器，就是单稳态触发器被触发进入暂稳态后，如果再加入触发脉冲，单稳态触发器
18、将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个脉冲宽度。,6.4 单稳态触发器,数字电子技术,下图6.4.5是TTL集成单稳态触发器74121简化的原理性逻辑图。它是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。具有边沿触发的性质。,图6.4.5 集成单稳态触发器74121逻辑图,上、下边沿触发输入控制,6.4 单稳态触发器,数字电子技术,6.4.3 用555时基电路构成单稳态触发器 在555时基单元电路的外部加接几个阻容元件，就可接成单稳态电路。它所形成的单脉冲持续宽度，可以从几微秒到几个小时，精密度可达0.1。由555组成单稳态触发器时仅需外接一个由电阻R和电容C组成的定
19、时网络。,6.4 单稳态触发器,数字电子技术,图6.3.6 CB555接成单稳态触发器,tw=RCln3=1.1RC定时器,6.4 单稳态触发器,数字电子技术,二、单稳态触发电路的特点,单稳态触发器的工作特性具有如下的显著特点：（1）电路在无外加触发信号作用期间，处于稳态；（2）在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态；（3）暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数（阈值电压及外接R、C），与触发脉冲的宽度和幅度无关。,6.4 单稳态触发器,数字电子技术,二、单稳态触发电路的应用,（1）用作脉冲整形,图6.3.7 单稳态触发器用于脉冲整形,tw仅与R
20、、C、VTH有关;VmVOH-VOL,不可重复触发,可重复触发,6.4 单稳态触发器,数字电子技术,（2）构成定时电路,图6.3.8 单稳态触发器构成定时电路,数字频率计,6.4 单稳态触发器,数字电子技术,（3）构成延时电路(*),图6.3.9 单稳态触发器构成精密延时电路,tw0.69RextCext;Tp由RC决定。,6.4 单稳态触发器,数字电子技术,6.5 多谢振荡器,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，就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。,一、多谐振荡器定义：,数字电子技术,一、用施密特触
21、发器构成的多谐振荡器,图6.3.10 用施密特触发器构成的多谐振荡器,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,图6.3.11 多谐振荡器电路的电压波形图,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,通过调节R和C的大小，即可改变振荡周期。此外，在这个电路的基础上稍加修改就能实现对输出脉冲占空比的调节，电路的接法如图6.3.12所示。,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,图6.3.12 脉冲占空比可调的多谐振荡器,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。例如在将多谐振荡器作为数字钟的脉冲源使用时，它的频率稳定性直接影响着计时的准确性。在这种情况下，前面所讲的几
22、种多谐振荡电路难以满足要求。为什么？,二、石英晶体多谐振荡器,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,因为 一、这些振荡器中门电路的转换电平VTH本身就不够稳定；二、这些电路的工作方式容易受干扰，造成电路转换时间的提前或滞后；三、在电路状态临近转换时电容的充、放电已经比较缓慢，转换电平的微小变化或轻微干扰都会严重影响振荡周期。,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,目前普遍采用的一种稳频方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。,图6.6.13 石英晶体的电抗频率特性和符号,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,图6.3.14 石英晶体多谐振荡器,该振荡器的工作频率必然是f0。,6.5
23、多谢振荡器,VI1,VO1,VI2,VO2,C1,C2,74系列：0.5-1.9K,f0,数字电子技术,由此可见，石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率f0，而与外接电阻，电容无关。石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,图6.3.15 555时基电路构成无稳态多谐振荡器,三、用555时基电路构成多谐振荡器,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,图6.3.15 555时基电路构成无稳态多谐振荡器,三、用555时基电路构成多谐振荡器,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,电路的振荡周期T为 T=t1+t2=ln2
24、(1+2)=ln2(RA+2RB)C(RA+2RB)Cln2振荡频率f=1/T，即 f=1.443/(RA+2RB)C 输出振荡波形的占空比D为 D=t1/T=(RA+RB)/(RA+2RB)当RBRA时，则D50%，即输出振荡为方波。,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,由上面有关公式的推导，不难给出以下结论：振荡周期与电源电压VDD无关，而取决于充电和放电的总时间常数，即仅与RA、RB和C的值有关。振荡波的占空比与C的大小无关，而仅与RA、RB的大小比值有关。,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,四、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
25、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。,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,下图6.3.16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。,图6.3.16 最简单的环形振荡器电路,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,图6.3.17是图6.3.16电路的工作波形图。由图可见，振荡周期为T=6tpd.,图6.3.17 环形振
26、荡器工作波形图,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,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)。有何缺陷？怎样改进？,6.5 多谢振荡器,数字电子技术,经典例题,本章经典例题,【例1】下图(a)、(b)、(c)所示的555时基电路分别构成了什么电路？分别简述三种电路的工作原理，画出图(b)输出VO的波形，并计算其输出VO的周期T。,数字电子技术,经典例题,【例2】下图为两个555定时器组成的电子门铃电路，当按下按钮S时可使门铃以1.2kHz的频率鸣响10秒钟。1、说明555（1）和555（
27、2）分别接成什么电路，并分析整个电路的工作原理。2、若R1=1M，则C1=？改变电路中什么参数可改变铃响的持续时间？3、若R3=R4=5k，则C2=？改变电路中什么参数可改变铃响的音调高低？,数字电子技术,经典例题,数字电子技术,经典例题,【例3】分析下图所示的综合逻辑电路，要求：（1）分析左边虚框内所示电路的工作原理，计算时钟CP信号的周期T及占空比q；（2）画出74LS160的状态转换图；（3）画出8个CP周期下P0-P7端的输出波形。,数字电子技术,本章小结,本章小结（一）,一、555时基电路的特点,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
28、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。,数字电子技术,本章小结,555可独立构成一个定时电路，且定时精度高，所以常被称为555定时器。555的最大输出电流可达200mA（双极型）,带负载能力强。可直接驱动小电机、喇叭、继电器等负载。,数字电子技术,本章小结,本章小结（二）,数字电子技术,Preview:,预习,Chapter 11,习题练习,数字电子技术,本章习题（必做，不交）：6.7；6.8；6.9；6.10；6.14；6.16；6.17；6.18 R.P.Jain:p363-p365,selective,
