數(shù)字電路課件：第十章 脈沖波形的產(chǎn)生與整形

1、10.2 555定時器電路及其功能10.3 施密特觸發(fā)器10.1 概述10.4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器10.5 多諧振蕩器第十章 脈沖波形的產(chǎn)生與整形一、基本概念 從廣義上說，凡是不具有連續(xù)正弦形狀的信號都可稱為脈沖信號，如矩形波、三角波、鋸齒波等。 用來產(chǎn)生、變換、整形脈沖信號的電路。 數(shù)字系統(tǒng)中除了組合邏輯電路和時序邏輯電路外，還有一種脈沖電路。10.1 概 述1、脈沖：2、脈沖電路： 脈沖電路主要的作用是產(chǎn)生脈沖信號和進(jìn)行脈沖信號的變換，本章就是敘述這方面的內(nèi)容。3、脈沖單元電路的組成有三種形式：4、脈沖單元電路的主要形式為：(3) 由專用集成電路及R、L、C器件組成。(2) 由集成邏輯門及R、L

2、、C器件組成。（不講）(1) 由分立元件（三極管、R、L、C器件）組成。(不講）(3) 多諧振蕩器(2) 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(1) 施密特觸發(fā)器二、幾種常見的脈沖波形主要介紹：4、多諧振蕩器3、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及其應(yīng)用2、施密特觸發(fā)器及其應(yīng)用1、555定時器電路及其功能三、脈沖波形參數(shù)正弦信號可以用“三要素”完全描述：幅度、 脈沖信號無法被完全描述，只能用一些參數(shù)近似描述！周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖之間的時間間隔。用頻率f = 1/T表示單位時間內(nèi)脈沖重復(fù)的次數(shù)。脈沖電壓的最大變化幅度。脈沖周期T：脈沖幅度Vm：頻率、相位TVm注意：三個測量點(diǎn)：0.1Vm、0.5Vm、0.9Vm。從脈沖前沿到

3、達(dá)0.5 Vm起，到脈沖后沿到達(dá)0.5 Vm為止的一段時間。脈沖上升沿從0.1 Vm上升到0.9 Vm所需要 的時間。脈沖下降沿從0.9 Vm下降到0.1 Vm所需要 的時間。脈沖寬度與脈沖周期的比值，即q = tW / T。脈沖寬度tW：上升時間tr ：下降時間tf ：占空比q：TVmtW0.5Vmtr0.9Vm0.1Vmtf10.2 555定時器電路及其功能 555定時器是一種常用的定時器集成電路芯片。它可以制作出多種多樣的實(shí)用電路。本節(jié)介紹其電路原理、功能及應(yīng)用。一、電路的組成 555集成電路的輸出級為推拉式結(jié)構(gòu)， 此外芯片內(nèi)部還有一個集電極開路的放電晶體管TD。 它有兩個比較器C1和C

4、2，每個比較器的一個輸入端接到三個R電阻組成的分壓器上，輸出分別接SR鎖存器輸入端。 集成555電路的八個引腳的作用及名稱為：腳1接地端 GND腳2觸發(fā)器輸入端 TR腳3輸出端 OUT腳4復(fù)位端 RD腳5控制電壓輸入端 VCO腳6閾值輸入端 TH腳7放電端 DISC腳8電源端 Vcc雙極型：516V，ILmax=200mACMOS型：318V，ILmax=4mARD=0時，001二、功能vo=0，TD導(dǎo)通。0RD=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3時，2VCC/3VCC/3000111vo=0，TD飽和導(dǎo)通。10VCO沒接電壓源2VCC/3VCC/311RD=1、UTH2VCC/3、UT

5、RVCC/3時，不變1Q、Q不變，vo不變，TD狀態(tài)不變。不變不變RD=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3時，2VCC/3VCC/3111000Q=0、Q=1，vo=1，TD截止。11RD=1、UTH2VCC/3、UTR2VCC/3VCC/30110101Q=Q=1，vo=1，TD截止。1TR(VI2) TH(VI1) S(C2) R(C1) QvO DISC(TD)1/3Vcc1/3Vcc1/3Vcc2/3Vcc 1 0 0 0導(dǎo)通2/3Vcc 0 01(不定)1(不定)截止(不定)一、施密特觸發(fā)器特性 施密特觸發(fā)器是一種脈沖信號的整形電路， 1. 施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)，10.3

6、施密特觸發(fā)器 2. 對于正向和負(fù)向增長的輸入信號，電路有不同的閾值電平VT+和VT- ，也就是引起輸出電平突變的輸入電平不同，具有滯后電壓傳輸特性，此特性又稱回差（滯回）特性。如圖所示：它與一般觸發(fā)器一樣，有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)，但它與前面第幾章介紹的觸發(fā)器又有如下不同點(diǎn)：緩慢變化的信號也可作為觸發(fā)輸入信號，當(dāng)輸入信號達(dá)到某一特定的閾值時，輸出電平會發(fā)生突變，也就是說施密特觸發(fā)器會從一個穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到另外一個穩(wěn)態(tài)。施密特觸發(fā)器非門和與門的邏輯符號分別為:施密特觸發(fā)器非門特性施密特觸發(fā)器與門特性施密特觸發(fā)器的特點(diǎn)： 把VT+和VT-之差稱為回差電壓VT = VT+ - VT-對于正向和負(fù)向增長的輸入信

7、號，電路具有不同的閾值電壓。vIvOVT+VT-0vIvOVT+VT-0反相輸出同相輸出vIvOvIvO二、由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器 將555定時器的TH（6）和TR（2）兩個輸入端連在一起作為信號輸入端，即可得到施密特觸發(fā)器。8 41 5625553VCCvIvo0.01F 由于比較器C1和C2的參考電壓不同，而輸入電壓相同，因而SR鎖存器的置0信號（R0）和置1信號（S=0）必然發(fā)生在輸入信號vI的不同電平。因此，輸出電壓vO由高電平變?yōu)榈碗娖胶陀傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖剿鶎?yīng)的vI值也不相同，這樣就形成了施密特觸發(fā)特性。 為了提高比較器參考電壓VR1和VR2的穩(wěn)定性，通常在VCO端接有0

8、.01 F左右的濾波電容。 (1) 當(dāng)vI 2VCC/3以后，比較器C1輸出為0、C2輸出為1，觸器置0，即Q0、Q 1 ，uo=VOL。10100 此后，vI上升到VCC，然后再降低，但在未到達(dá)VCC/3以前，vo0的狀態(tài)不會改變。01011 （3）vIVCC/3時，比較器C1輸出為1、C2輸出為0，觸發(fā)器置1，即Q1、 Q 0 ，vo=VOH。 此后，vI繼續(xù)下降到0，但voVOH的狀態(tài)不會改變。 如果參考電壓由外接的電壓Vco供給，則VT+ = Vco，VT- = 1/2Vco，VT= 1/2Vco。通過改變Vco值，可以調(diào)節(jié)回差電壓的大小?；夭铍妷簽閂T = VT+ - VT- = 1

9、/3Vcc反相輸出 1、用于波形變換 2、用于脈沖整形 3.用于脈沖鑒幅三、施密特觸發(fā)器的應(yīng)用 可以將正弦波、三角波以及各種周期性的不規(guī)則的波形變換成規(guī)范的矩形波。常用作計數(shù)器的輸入整形電路，作為計數(shù)器的時鐘。 利用回差特性可以抑制疊加在輸入信號上的干擾，使輸出變成理想的矩形波。 為了選出有用信號，利用回差特性，使電路的上限觸發(fā)電平Vt+等于規(guī)定的鑒幅電壓。10.4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器特性 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器與一般的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器不同之處在于：它只有一個穩(wěn)態(tài)，另外有一個暫穩(wěn)態(tài)。 所謂暫穩(wěn)態(tài)，是一個不能長久保持的狀態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)期間，電路中一些電壓和電流會隨著電容的充電和放電發(fā)生變

10、化。而穩(wěn)態(tài)中，電路中電流及電壓是不變的。 在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，沒有外加觸發(fā)信號的作用，電路始終處于穩(wěn)態(tài)；在外加觸發(fā)信號的作用下，電路能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過一段時間后，又能自動返回穩(wěn)態(tài)。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于暫穩(wěn)態(tài)的時間通常取決于電容充電和放電的時間，與觸發(fā)脈沖無關(guān)，這個時間等于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖的寬度。二、由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 若以555定時器的vTR端作為觸發(fā)信號的輸入端，并將由TD和組成的反相器輸出電壓vc接至vTH端，同時在vTH對地接入電容，則構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。0.01F8 41 57625553VCCvIvoCvCR如果沒有觸發(fā)信號時，vI處于高電平,(1) 設(shè)Q =

11、 0的狀態(tài)1、電路的穩(wěn)態(tài)則TD導(dǎo)通vC 0，故vC1=vC2=1 ，Q = 0及vO= 0的狀態(tài)將穩(wěn)定地維持不變。這時TD一定截止，Vcc便經(jīng)R向C充電。當(dāng)充到vC = 2/3Vcc時，vC1變?yōu)?，于是將觸發(fā)器置0。同時，TD導(dǎo)通，電容C經(jīng)TD迅速放電，使vc 0。(2) 設(shè) =1 的狀態(tài)此后由于vC1=vC2=1 ，鎖存器保持0狀態(tài)不變，輸出也相應(yīng)地穩(wěn)定在vo = 0的狀態(tài)。 因此，通電后電路便自動地停在vo = 0的穩(wěn)態(tài)。一定處于vC1=vC2=1，Q=0，vO=0的狀態(tài)。則電路穩(wěn)態(tài)時，電路接通電源后 當(dāng)觸發(fā)脈沖的下降沿到達(dá)時，使vI跳變到1/3 Vcc以下，使vC2 = 0(此時vC1

12、 = 1)，觸發(fā)器被置1，vO跳變?yōu)楦唠娖?，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。2、電路的暫穩(wěn)態(tài) 與此同時TD截止，Vcc經(jīng)R開始向電容C充電。 當(dāng)充電至vC = 2/3Vcc時， vC1變成0。如果這時輸入端的觸發(fā)脈沖已消失，vI回到了高電平(vC2=1) ，則觸發(fā)器將被置0，于是輸出返回vO= 0的狀態(tài)。同時TD處于導(dǎo)通狀態(tài)，電容C經(jīng)TD迅速放電，直至vC 0，電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。在觸發(fā)信號作用下vC和vO相應(yīng)的波形 如果在電路的暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間內(nèi)，加入新的觸發(fā)脈沖，如圖中虛線所示則該脈沖不起作用，電路為不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)。 Tw等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，持續(xù)時間取決于外接電阻R和電容C的大小。Tw等于電容電壓在充電過程

13、中從0上升2/3Vcc所需要的時間： 通常的取值在幾百歐姆到幾兆歐姆之間，電容的取值范圍為幾百皮法到幾百微法，Tw的范圍為幾微秒到幾分鐘。但必須注意，隨著Tw的寬度增加它的精度和穩(wěn)定度也將下降。注：輸入觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)小于Tw3、輸出脈沖的寬度Tw三、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用延遲與定時整形10.5 多諧振蕩器一、多諧振蕩器特性 多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形脈沖波的自激振蕩器，由于矩形波中除基波外，包括了許多高次諧波，因此這類振蕩器被稱作多諧振蕩器。 多諧振蕩器一旦振蕩起來后，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，它們在作交替變化，輸出矩形波脈沖信號，因此它又被稱作無穩(wěn)電路。二、用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器使輸入電壓在VT+與VT-之間不停的往復(fù)變化，即可得到多諧振蕩器。將施密特觸發(fā)器的反相輸出端經(jīng)RC積分電路接回輸入端即可。三、由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器1、電路形式 接通VCC后，VCC經(jīng)R1和R2對C充電。當(dāng)vc上升到2VCC/3時，uo=0，T導(dǎo)通，C通過R2和T放電，uc下降。當(dāng)uc下降到VCC/3時，uo又由0變?yōu)?，T截止，VCC又經(jīng)R1和R2對C充電。如此重復(fù)上述過程，在輸出