脈沖的產(chǎn)生和整形電路

關(guān)于脈沖的產(chǎn)生和整形電路2024/3/312024/3/316.1概述在數(shù)字電路中，時鐘脈沖信號可以利用多諧震蕩器產(chǎn)生或通過整形電路變換得到。整形電路分為兩類，施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。矩形脈沖的性能指標(biāo)。Umtrtf0.9Um0.5Um0.1UmtwT第2頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31脈沖周期T——周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖間的時間間隔。有時也用頻率f=1/T表示，

f代表單位時間內(nèi)脈沖重復(fù)的次數(shù)。脈沖幅度Um——脈沖電壓最大變化的幅值。脈沖寬度Tw——從脈沖前沿0.5Um始，到脈沖后沿0.5Um止的一段時間。上升時間tr——脈沖從0.1Um上升到0.9Um所需的時間。下降時間tf——脈沖從0.9Um下降到0.1Um所需的時間。上述幾個指標(biāo)反映了一個矩形脈沖的基本特性。第3頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.2施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器能把變化緩慢的波形變換成矩形脈沖。輸入電壓上升的翻轉(zhuǎn)電平為上限閥值電平UT+；輸入電壓下降的翻轉(zhuǎn)電平為下限閥值電平UT-。兩者的值不同，且UT+>UT-。它們差稱為回差電壓。輸入和輸出為反向關(guān)系的施密特觸發(fā)器為反向施密特觸發(fā)器，輸入和輸出為同向關(guān)系的施密特觸發(fā)器為同向施密特觸發(fā)器。6.2.1門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器6.2.2集成施密特觸發(fā)器6.2.3施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例第4頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.2.1門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器下圖(a)是用兩個CMOS非門和電阻構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，設(shè)UT≈VDD/2，且R1<R2。11uIuouo’R1R2G1G2uI’(a)電路上限閥值電壓UT+=（1+R1/R2）UT下限閥值電壓UT-=（1-R1/R2）UT電路回差電壓ΔU=UT+-UT-=2UTR1/R2第5頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31UT+UT-

t

tuOuI(b)波形圖可見，電路輸出的狀態(tài)由輸入電壓的大小決定，改變R1和R2就可調(diào)節(jié)回差電壓

VT的大小。

第6頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.2.2集成施密特觸發(fā)器

TTL集成施密特觸發(fā)器有：74LS14，74132，7413等。性能如下表：型號Tpd（ns）Pw（mW）△UT（V）74141525.50.874LS132158.80.8741316.58.750.8表6.2.1TTL集成施密特觸發(fā)器CMOS集成施密特觸發(fā)器有：CD40106，CD4093和CD4584等。第7頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31

6.2.3施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例1.脈沖整形電路

在數(shù)字測量和控制系統(tǒng)中，由傳感器送來的信號波形邊沿較差，利用施密特電路可以對這些信號進(jìn)行整形。將邊沿較差或畸變脈沖uI作為施密特電路的輸入，其輸出uO為矩形波。

t脈沖整形波形圖tttuIuOuIuOUT+UT-UT+UT-第8頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/312.脈沖變換電路

施密特電路在狀態(tài)轉(zhuǎn)換速度極快輸出的矩形波的前后沿總是很陡峭。利用這一特點(diǎn)，施密特電路可以把變化比較緩慢的正弦波、三角波等變換成矩形脈沖信號。uIuOVDDUT+UT-VDDtt一種變換波形圖第9頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/313.鑒幅電路

在一串幅度不相等的脈沖信號中，如果要剔除幅度不夠大的脈沖，此時可利用施密特觸發(fā)器。右圖示出在施密特觸發(fā)器的輸入端送入一串幅度不等的脈沖時相應(yīng)的輸出波形。uIuO鑒幅電路UT+UT–第10頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31

施密特觸發(fā)器有同相傳輸和反相傳輸兩種電路

施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性施密特觸發(fā)器

0OvIvOHVOLV?TV?TV第11頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器特點(diǎn)：（1）輸出有兩種狀態(tài)（輸出為數(shù)字信號）；

（2）輸入采用電平觸發(fā)（輸入為模擬信號）；（3）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-）。第12頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31施密特觸發(fā)器

應(yīng)用舉例

脈沖變換

脈沖整形第13頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31施密特觸發(fā)器

應(yīng)用舉例

脈沖鑒幅tt00OvtvV6T??VV2T??V

構(gòu)成多諧振蕩器第14頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.3.1門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.3.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.3.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用舉例第15頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31微分電路（高通濾波電路）輸出電壓與電流成微分關(guān)系

微、積分電路

第16頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31當(dāng)微分電路輸入方波信號時，輸出波形應(yīng)如何？設(shè)RC＜＜TW

補(bǔ)充微積分電路第17頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31積分電路概述

第18頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在觸發(fā)脈沖的作用下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過時間tw后又自動翻回穩(wěn)態(tài)，并在輸出端產(chǎn)生一個寬度為tw的矩形脈沖。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器通常由門電路和RC電路元件組成。暫穩(wěn)態(tài)的時間取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度無關(guān)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器常用于數(shù)字系統(tǒng)的整形、延時和定時電路中。第19頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.3.1用門構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.微分型單穩(wěn)態(tài)電路的組成

門1的輸出經(jīng)微分電路RC接到門2的輸入端，門2的輸出直接耦合到門1的輸入端。

應(yīng)選R<Roff(0.7KΩ)。

&&CuO1uO2uIR(a)電路圖圖6.3.1微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2.功能分析 穩(wěn)態(tài)？uO1=0，uO2=1 暫穩(wěn)態(tài)？uO1=1，uO2=0第20頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31RoCUOHuI2&UT1.4VuI2U'OHtwt圖6.3.2電容C的充電回路和uI2的波形圖&&CuO1uO2uIR(a)電路圖經(jīng)驗(yàn)公式估算：第21頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31T5R1RC+5VuO1≈0恢復(fù)階段C的放電回路暫穩(wěn)態(tài)時間結(jié)束后，C通過圖所示回路放電，使uI2以時間常數(shù)

2=(R1∥R)C按指數(shù)曲線上升，電路經(jīng)歷一個恢復(fù)階段回到穩(wěn)態(tài)時的初始狀態(tài)。

&&CuO1uO2uIR(a)電路圖恢復(fù)時間tre：第22頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31圖6.3.1微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器tw1uIttUOHUOLuO1ttwUOHUOLuO2t1.4vuI2

τ1

τ2

(b)工作波形圖3.波形分析&&CuO1uO2uIR(a)電路圖UT電路的分辨時間：第23頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31圖6.3.1適用于輸入觸發(fā)脈沖較窄的情況，若uI脈沖寬度twI>tw，為使單穩(wěn)電路能按要求自動返回，則應(yīng)通過微分電路RPCP再輸入到與非門1，如下圖6.3.2所示。門3改善了輸出波形，起反相和整形的作用。

&&1CPRPG1G2uO2uO1G3CRuI圖6.3.2輸入帶微分環(huán)節(jié)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第24頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.3.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用十分普遍，目前已有各種單片集成電路。TTL系列的有74121、74122、74123等；CMOS系列的有4098、4528、4538等。這些器件只要外接很少的電阻和電容，就可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。使用起來非常方便。第25頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31

74121是在普通微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的基礎(chǔ)上附加輸入控制電路和輸出緩沖級而形成的。1.TTL集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（74121）圖6.3.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的的邏輯圖&&&&≥11111BG1G2G3G4G5G6G7G8G9輸入控制電路微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出緩沖級&QCextRextVCC第26頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31輸出脈沖寬度

可由下式估算(推導(dǎo)略)

通常值取在2KΩ~30KΩ。值取在10~10uF之間，得到的

范圍可達(dá)20ns~200ms。DM74121:30ns~28s

另外，74121內(nèi)部2KΩ電阻

可代替

。門G5、G6、G7和外接電阻電容組成的電路是一個用或非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它由G4給出的正脈沖觸發(fā)，而輸出脈沖寬度則由和決定。門G1~G4組成輸入控制電路，用于實(shí)現(xiàn)上升沿與下降沿觸發(fā)控制。輸出緩沖級由G8和G9組成，用于提高電路的負(fù)載能力。內(nèi)部電路不需要掌握第27頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（74121）功能表第28頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31

兩種不同接法正脈沖觸發(fā)負(fù)脈沖觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使用內(nèi)部電阻使用外部電阻第29頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/312.CMOS集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器45384538的符號圖如圖6.3.7(a)所示(a)符號圖(b)管腳圖圖6.3.7集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4538

189164538是CMOS精密單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。由于采用了線性CMOS技術(shù)，可得到高精度的輸出脈沖寬度。

ABCR第30頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.3.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用舉例1脈沖的整形圖6.3.9脈沖整形uIuOVCC

BQ

A1

A2uOcxCx/RXu1第31頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用

用于定時(或延時、脈沖拓寬)B第32頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31回答問題：

以下題目本身是否有問題？(9)TTL集成單穩(wěn)態(tài)電路的暫穩(wěn)態(tài)時間tW為_______。(10)CMOS精密單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)時間tW為______第33頁,共54頁，2024年2月25日，星期天6.3.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、非重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121非重復(fù)觸發(fā)—只能在穩(wěn)態(tài)接受輸入信號。1.圖形符號

1>1&TR–ATR–BTR+RintCextRICXRX/CXRext

/

Cext

下降沿觸發(fā)輸入上升沿觸發(fā)輸入非重復(fù)觸發(fā)外接定時電阻、電容VCC內(nèi)接接定時電阻引出端第34頁,共54頁，2024年2月25日，星期天二、可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74122可重復(fù)觸發(fā)—在暫穩(wěn)態(tài)期間,能夠接受新的觸發(fā)信號。1.圖形符號1TR–ATR–BTR+ARintCextRICXRX/CXRext

/

Cext

&RTR+BRD直接復(fù)位可重復(fù)觸發(fā)第35頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.4

多諧振蕩器

多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)電路，它在接通電源以后，不需外加觸發(fā)信號，就能自動地不斷來回翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生矩形脈沖。由于輸出的矩形波中含有很多諧波分量，故通常將它稱為多諧振蕩器，又稱方波發(fā)生器。6.4.1門電路構(gòu)成的多諧振蕩器6.4.2石英晶體多諧振蕩器第36頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.4.1集成門電路構(gòu)成的多諧振蕩器圖6.4.1表示用三個集成非門構(gòu)成的方波發(fā)生器。這些門組成一個環(huán)形，所以稱為環(huán)形振蕩器。它是利用門電路的時延tpd來產(chǎn)生方波振蕩的。1圖6.4.1環(huán)型振蕩器11uOuI圖6.4.2環(huán)行單穩(wěn)態(tài)的波形uIuOuFtpd2tpd第37頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31

電路組成及工作原理11G2G1RCvO1vO2vI1由門電路構(gòu)成多諧振蕩器

（1）設(shè)電路的初態(tài)為vO1=1,vO2=0，這種狀態(tài)下不可能持久維持；1001（2）通過vO1→R→C→vO2向C充電，使vI1不斷上升；（3）當(dāng)vI1＞VT時，G1輸出低電平，G2輸出高電平，即vO1=0，

vO2=1。第38頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31

工作原理11G2G1RCvO1vO2vI1由門電路構(gòu)成多諧振蕩器

（4）vO1=0，

vO2=1這個狀態(tài)也不能持久；1001（5）通過vO2→C→R→vO1對電容C反向充電，vI1逐步減少；（6）當(dāng)vI1＜VT時，G1輸出高電平，G2輸出低電平，即又回到vO1=1，vO2=0的狀態(tài)。（7）周而復(fù)始產(chǎn)生方波。第39頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31

工作波形11G2G1RCvO1vO2vI1由門電路構(gòu)成多諧振蕩器

T1T2tvO10tvO20vI1t0T1、T2的計(jì)算公式請同學(xué)自己推導(dǎo)。UT第40頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.4.2石英晶體多諧振蕩器1.石英晶體的基本特性

石英晶體的符號如圖6.4.4所示。頻率穩(wěn)定性能達(dá)到10-5~10-8，高質(zhì)量石英晶體振蕩器，頻率穩(wěn)定性可達(dá)10-11。QR圖6.4.4石英晶體的電路符號2.CMOS石英晶體多諧振蕩器圖6.4.5所示為方波發(fā)生器的簡化電路，其中虛線以上部分制作在集成電路內(nèi)，而石英諧振器QR及C1、C2為外接分立元件。在有些集成電路中，C2也做在芯片內(nèi)。G1RQRC1C21uO圖6.4.5石英晶體多諧振蕩器

第41頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.5555定時器及其應(yīng)用

555定時器是一種中規(guī)模集成電路，目前在儀器、儀表和自動化控制裝置中應(yīng)用很廣。它可組成定時、延時和脈沖調(diào)制等各種電路。本節(jié)先簡單介紹該定時器內(nèi)部電路原理和參數(shù)，然后著重介紹由它組成的施密特電路、單穩(wěn)態(tài)電路和多諧振蕩電路。6.5.1555定時器6.5.2555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器6.5.3555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.5.4555構(gòu)成的多諧振蕩器第42頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.5.1555定時器圖6.5.1NE555集成定時器1+–OUT5627VCCTHC-UDIS3＆＆＆1+–GNDOUT

C-U

TH

DIS

VCC第43頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31表6.5.1555功能表不變×THOUT×DISLL導(dǎo)通

HL導(dǎo)通

H不變×HH截止1+–OUT5627VCCTHC-UDIS3＆＆＆1+–當(dāng)2個觸發(fā)信號高于其域值電壓，基本RS觸發(fā)器清0，輸出為0；當(dāng)觸發(fā)端處于功能表第三行，RS觸發(fā)端均無效，輸出不變；當(dāng)同相端觸發(fā)信號低于其域值電壓，基本RS觸發(fā)器置1，輸出為1。第44頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.5.2用555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

VDDRDTHOUTTRC-UuOVDDuI圖6.5.2555構(gòu)成的施密特電路ttuIuOVDD圖6.5.3三角波變換矩形波電路uOuIUTLUTH圖6.5.4回差特性

UT+=UT=2VDD/3

UT–=UTL=VDD/3

UT=VDD/3第45頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.5.3用555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖6.5.5555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及工作波形(a)電路圖VDDRDTHTRDISC-UOUTVDDGNDuOuICR(b)工作波形VDD/32VDD/3tw充電放電uIuCuOt圖6.5.5555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及工作波形tttw=1.1RC第46頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31應(yīng)用：丟失脈沖檢測器ui為連續(xù)脈沖輸入端，信號周期比該單穩(wěn)電路的脈寬窄第47頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/316.5.4用555構(gòu)成的多諧振蕩器圖6.5.6555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器及工作波形（a）電路圖

VDDRDDISOUTTR555THC-UGND

R1R2CuCuOVDD（b）波形圖ttt1t2t3t4T1T2uCuO圖6.5.6555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器及工作波形第48頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2024/3/31充電時間T1為：

T1=(R1+R2)Cln2=0.693(R1+R2)C(6.5.3)放電時間T2為:

T2=R2Cln2=0.693R2C(6.5.4)頻率f為:

f=1/(T1+T2)