数电课件：10 脉冲产生与整形.ppt

1、Digital Electronics Technology2009.1.610.1 概述概述1、介绍数字电路中使用的脉冲整形电路：、介绍数字电路中使用的脉冲整形电路： 施密特触发器施密特触发器 单稳态触发器单稳态触发器 多谐振荡器多谐振荡器2、重点介绍、重点介绍555定时器及其应用：定时器及其应用： 555555定时器的电路结构与功能，用定时器的电路结构与功能，用555555定时定时器接成的施密特触发器，用器接成的施密特触发器，用555555定时器接成的单定时器接成的单稳态触发器，用稳态触发器，用555555定时器接成的多谐振荡器。定时器接成的多谐振荡器。时间常数时间常数计算。计算。Digi

2、tal Electronics Technology2009.1.61.获取矩形脉冲波形获取矩形脉冲波形利用利用多谐振荡器多谐振荡器直接产生直接产生利用利用整形电路整形电路把周期性变化波把周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲形变换为符合要求的矩形脉冲10.1 概述概述2. 描述矩形脉冲特性的指标描述矩形脉冲特性的指标 trtfTWT0.9 Um0.5 Um0.1 UmUmDigital Electronics Technology2009.1.610.1 概述概述RC 充放电充放电回路回路滞回滞回比较器比较器图图 8.3.2t1t22T2TtOuCZURRR211Z211URRR OuOZU

3、 ZU tt3复习：模电中学过的方波产生电路复习：模电中学过的方波产生电路 Digital Electronics Technology2009.1.6复习：电路理论：复习：电路理论：一阶电路的全响应一阶电路的全响应一、全响应的定义一、全响应的定义 换路后由储能元件和独立电源共同引起的响应，换路后由储能元件和独立电源共同引起的响应，称为全响应。称为全响应。 Digital Electronics Technology2009.1.6 换路后由储能元件和独立电源共同引起的响应，换路后由储能元件和独立电源共同引起的响应，称为全响应。以上图为例，开关接在称为全响应。以上图为例，开关接在1 1位已久，

4、位已久，u uC C（0 0 - -）= U= U0 0 ，电容为非零初始状态。，电容为非零初始状态。t = 0t = 0时开关打向时开关打向2 2位进行换路，换路后继续有电源位进行换路，换路后继续有电源USUS作为作为RCRC串联回路的串联回路的激励，因此激励，因此t0t0时电路发生的过渡过程是全响应。时电路发生的过渡过程是全响应。 利用求解微分方程的方法，可以求得电容电压利用求解微分方程的方法，可以求得电容电压u uC C全响应的变化通式为全响应的变化通式为1)(e)0()(CtCCuutu）te二、全响应的变化规律二、全响应的变化规律Digital Electronics Technol

5、ogy2009.1.6结论： 全响应是零输入响应与零状态响应的叠加，或稳全响应是零输入响应与零状态响应的叠加，或稳态响应与暂态响应的叠加。态响应与暂态响应的叠加。上式还可写为上式还可写为tCCCCuuutue)()0()()(Digital Electronics Technology2009.1.6一阶电路的全响应一阶电路的全响应规律总结： 通过前面对一阶动态电路过渡过程的分析可以通过前面对一阶动态电路过渡过程的分析可以看出，换路后，电路中的电压、电流都是从一个初看出，换路后，电路中的电压、电流都是从一个初始值始值f f（0+0+）开始，按照指数规律递变到新的稳态值）开始，按照指数规律递变到

6、新的稳态值f f（），递变的快慢取决于电路的时间常数），递变的快慢取决于电路的时间常数。 一、一阶动态电路的三要素一、一阶动态电路的三要素 初始值初始值f f（0+0+） 稳态值稳态值f f（） 时间常数时间常数 一阶动态电路一阶动态电路的三要素的三要素Digital Electronics Technology2009.1.6二、三要素法的通式二、三要素法的通式teffftf)()0()()(进一步推得：进一步推得：)()()()0(lnftffft 由此式可以确定电路中电由此式可以确定电路中电压或电流从换路后的初始值变压或电流从换路后的初始值变化到某一个数值所需要的时间化到某一个数值所需要

7、的时间Digital Electronics Technology2009.1.6（常用的一类脉冲整形电路）（常用的一类脉冲整形电路）10.2.1 10.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器21210RRVVVVVDDTHOLDDOH，且，10.2 施密特触发器施密特触发器Digital Electronics Technology2009.1.6OOATHAIOIVVVVVVVV100大大区区，则则时时，进进入入传传输输特特性性的的放放至至当当。时时，当当,OHOVV 使使电电路路迅迅速速跳跳变变到到THTIITHAVRRVVVRRRVV)1 (2121210.2 施

8、密特触发器施密特触发器称为正向阈值电压。TVDigital Electronics Technology2009.1.6OOATHAIOIVVVVVVVV111大大区区，故故时时，进进入入传传输输特特性性的的放放至至当当。时时，当当,OLOVV 使电路迅速跳变到THTIIIDDTHAVRRVVVRRRVVVV)()(21211110.2 施密特触发器施密特触发器称为反向阈值电压。TVDigital Electronics Technology2009.1.6THTIVRRVV)(211THTIVRRVV)(21110.2 施密特触发器施密特触发器Digital Electronics Tech

9、nology2009.1.6电压传输特性曲线：电压传输特性曲线：同相输出的施密特触发器同相输出的施密特触发器反相输出的施密特触发器反相输出的施密特触发器以以V0 作输出端作输出端10.2 施密特触发器施密特触发器Digital Electronics Technology2009.1.6 回差电压回差电压 VT=VT+ VT-通过改变通过改变R1和和R2的比值，可以调节的比值，可以调节VT+、 VT-和回差和回差电压的大小，但电压的大小，但R1必须小于必须小于R2，否则电路将进入自，否则电路将进入自锁状态，不能正常工作。锁状态，不能正常工作。10.2 施密特触发器施密特触发器THTIVRRVV

10、)(211THTIVRRVV)(211THTVRRV212Digital Electronics Technology2009.1.6施密特触发器的主要特点：施密特触发器的主要特点： 输入信号在上升和下降过程中，电路状态转换的输输入信号在上升和下降过程中，电路状态转换的输入电平不同入电平不同电路状态转换时有正反馈过程，使输出波形边沿变陡电路状态转换时有正反馈过程，使输出波形边沿变陡10.2 施密特触发器施密特触发器Digital Electronics Technology2009.1.63. 施密特触发电路的应用施密特触发电路的应用（1）波形变换）波形变换: 将边沿变化缓慢的周期性信号变换为

11、边沿很陡的矩形脉将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。冲信号。10.2 施密特触发器施密特触发器Digital Electronics Technology2009.1.6（2）脉冲整形：）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。在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。10.2 施密特触发器施密特触发器Digital Electronics Technology2009.1.6（3）脉冲鉴幅：）脉冲鉴幅： 可在输入的一系列幅度各异的脉冲信号中选出幅度大于某一可在输入的一系列幅度各异的脉冲信号中选出幅度大于某一定值的脉冲输出。定值的脉冲输出。10.2

12、 施密特触发器施密特触发器Digital Electronics Technology2009.1.6特点：特点：有一个有一个稳态稳态和一个和一个暂稳态暂稳态。在外界触发信号作用下，能从在外界触发信号作用下，能从稳态稳态暂稳态暂稳态，维持一段，维持一段时间后时间后自动自动返回稳态。返回稳态。暂稳态维持的时间长短取决于电路内部参数。暂稳态维持的时间长短取决于电路内部参数。10.3 10.3 单稳态触发器单稳态触发器 单稳态触发器被广泛用于单稳态触发器被广泛用于脉冲整形脉冲整形、延时延时（产生滞后于（产生滞后于触发脉冲的输出脉冲）以及触发脉冲的输出脉冲）以及定时定时（产生固定时间宽度的脉（产生固定

13、时间宽度的脉冲信号）等。冲信号）等。 单稳态触发器的暂稳态通常是靠单稳态触发器的暂稳态通常是靠RC电路的充、放电过程电路的充、放电过程来维持的。来维持的。 RC电路可接成两种形式：微分和积分电路形式。电路可接成两种形式：微分和积分电路形式。Digital Electronics Technology2009.1.610.3.1 10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器用门电路组成的单稳态触发器一、积分型一、积分型G1G1和和G2G2为为TTLTTL门门1 1、原理分析、原理分析10.3 10.3 单稳态触发器单稳态触发器Digital Electronics Technology2009.1.

14、6开始放电；开始放电；进入暂稳态，进入暂稳态，后，后，CVVVOOI,*001返回稳态；后，当放至,*1OTHAVVV恢复初始态；重新充电至后，,*OHIVCV ；稳稳态态下下：OHAOHOOIVVVVVV),( ,*11010.3 10.3 单稳态触发器单稳态触发器Digital Electronics Technology2009.1.62. 性能参数计算:输出脉宽：rewdOretttCRRt)(53的时间。放电至从时间）等于输出脉冲宽度（THOHAOVVVV0THOLOHOLOtOwVVVVCRRVVVVCRRt ln)(ln)()()()0()(Digital Electronics

15、 Technology2009.1.610.3 10.3 单稳态触发器单稳态触发器10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器用门电路组成的单稳态触发器一、积分型单稳态触发器的特点一、积分型单稳态触发器的特点特点：抗干扰能力强特点：抗干扰能力强缺点：输出波形的边缘比较差，缺点：输出波形的边缘比较差， 因为状态转换过程中没有正反馈。因为状态转换过程中没有正反馈。Digital Electronics Technology2009.1.6二、微分型二、微分型: G1: G1和和G2G2为为CMOSCMOS门门DDTHOLDDOHVVVVV210,上无电压；稳态下：CVVVVVVVDDOODDIdI),

16、( ,12000开始充电电路迅速进入暂稳态加触发信号CVVVVVVVOOOIOdI,011211. 1. 原理分析原理分析10.3 10.3 单稳态触发器单稳态触发器Digital Electronics Technology2009.1.6二、微分型二、微分型: G1: G1和和G2G2为为CMOSCMOS门门DDTHOLDDOHVV,V,VV210 稳态。放电至没有电压，恢复电路迅速返回稳态又引起正反馈时充电至CVVVVVVVVVDDOOOOIITHI,11222010.3 10.3 单稳态触发器单稳态触发器Digital Electronics Technology2009.1.62 2

17、、性能参数计算、性能参数计算输出脉宽：输出脉宽：Digital Electronics Technology2009.1.62 2、性能参数计算、性能参数计算输出脉宽：输出脉宽：200lnlnln)()()()(RCVVVRCVVVVRCtTHDDDDtwrewdONONDretttCRCRrRt)()/)(53531的的时时间间。充充电电至至从从的的时时间间）等等于于输输出出脉脉冲冲宽宽度度（THIOVVV012Digital Electronics Technology2009.1.6单稳态触发电路的应用：单稳态触发电路的应用： 1. 脉冲整形：将输入的不脉冲整形：将输入的不规则脉冲整型为

18、具有一定幅规则脉冲整型为具有一定幅度和一定宽度的脉冲。度和一定宽度的脉冲。 2. 脉冲延时：可改变单稳脉冲延时：可改变单稳态触发器的态触发器的Rb1、C来调节延来调节延迟时间。迟时间。 3.定时：调节单稳电路中定时：调节单稳电路中的定时元件的定时元件Rb1或或C，可改变，可改变控制时间的长短。控制时间的长短。tVi0tVo0单稳单稳微分微分限幅限幅vivovAvB Vi VA VB Vo 10.3 单稳态触发器单稳态触发器 Digital Electronics Technology2009.1.6 多谐振荡器多谐振荡器是一种是一种自激振荡器自激振荡器。 在接通电源以后不需要外加触发信号，便能

19、自动地产生在接通电源以后不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲。矩形脉冲。 由于矩形波中含有丰富的由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量高次谐波分量，所以又把矩形，所以又把矩形波振荡器称为多谐振荡器。波振荡器称为多谐振荡器。10.4 多谐振荡器多谐振荡器10.4.1 对称式多谐振荡器一、工作原理（TTL）它是由两个反相器G1、G2经耦合电容C1、C2连接起来的正反馈振荡回路。Digital Electronics Technology2009.1.610.4.1 对称式多谐振荡器一、工作原理（TTL）10.4 多谐振荡器多谐振荡器(1)静态时（未振荡）应是不稳定的11111111111,)(R

20、RRvvvRRRVVRRRvFooFBECCFFDigital Electronics Technology2009.1.610.4.1 对称式多谐振荡器一、工作原理（TTL）开始放电。开始充电，电路进入第一个暂稳态迅速跳变为高。迅速跳变为低，而使则有：，有微小由于“扰动”使212122111,)2(CCVVVVVVVOOOIOII10.4 多谐振荡器多谐振荡器开始放电。开始充电，电路进入第二个暂稳态迅速跳变为低。迅速跳变为高，而使将引起如下正反馈：时，充至当122111222,)3(CCVVVVVVVVOOOIOITHIDigital Electronics Technology2009.1

21、.6二、电压波形10.4 多谐振荡器多谐振荡器Digital Electronics Technology2009.1.6三、振荡周期计算的时间从充电开始到充至的时间从充电开始到充至THITHIVVVVT212112121/)(FEFFOHBECCOHERRRRRRVVVVV10.4 多谐振荡器多谐振荡器Digital Electronics Technology2009.1.62009.1.6三、振荡周期计算的时间从充电开始到充至的时间从充电开始到充至THITHIVVVVT21THEIKEEVVVVCRT11111ln210.4 多谐振荡器多谐振荡器当C1=C2=C, RF1=RF2=RF时

22、, T1=T2THEIKEEVVVVCRTTln221Digital Electronics Technology2009.1.610.4.2 10.4.2 非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器10.4 多谐振荡器多谐振荡器分析对称式多谐振荡器电路不难发现，这个电路可以进一步简化，因为静态时G1工作在电压传输特性的转折区，所以只要把它直接接到G2的输入端，G2即可得到一个介于高、低电平之间的静态偏置电压，从而G2的静态工作点也处于电压传输特性的转折区上。因此，可以把C1和RF2去掉。Digital Electronics Technology2009.1.610.4.2 10.4.2 非对称式

23、多谐振荡器非对称式多谐振荡器一、工作原理（一、工作原理（CMOSCMOS）12122111IOOOIIIVCVVVVVV,)(开始放电电路进入第一个暂稳态高。迅速低，而迅速使，则有：有微小由于“扰动”使12122112IOOOIITHIVCVVVVVVV,)(开始充电电路进入第二个暂稳态低。迅速高，而迅速使，则有：至又返回第一个暂稳态。至当,)(THIVV1310.4 多谐振荡器多谐振荡器11oIvv静态：Digital Electronics Technology2009.1.6THDDTHTHDDTHVVVCTVVVCTTTT充至充电，从放至放电，从脉冲周期计算：:1221CRCRTTTF

24、F2 . 23ln22110.4 多谐振荡器多谐振荡器Digital Electronics Technology2009.1.610.4.3 10.4.3 环形振荡器环形振荡器一、最简单的环形振荡器一、最简单的环形振荡器10.4 多谐振荡器多谐振荡器利用闭合回路中的正反馈作用可以产生自激振荡，同样，利用闭合回路中的延时负反馈作用也可以产生自激振荡。pdtT6振荡周期：Digital Electronics Technology2009.1.6二、实用的环形振荡器二、实用的环形振荡器(TTL)(TTL)。积积分分环环节节，加加大大第第一一步步：增增加加2pdtRC输输出出。的的接接地地端端改改

25、至至迟迟，将将第第二二步步：为为获获取取更更大大延延1GCVI2=1时，VI3=0,VC=-VH当VI2变低时，从VC=-VH开始充电，从而加长了充电时间Digital Electronics Technology2009.1.6环节因此周期主要计算常数远大于不能太大）（改、通过调整RCTRCRfCRpd,Digital Electronics Technology2009.1.610.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器用施密特触发器构成的多谐振荡器TTTDDTDDVVRCVVVVRCTTT00lnln21TTTDDTDDVVCRVVVVCRTTT00lnln1221Digital Ele

26、ctronics Technology2009.1.610.4.5 石英晶体多谐振荡器年美国 卡第提出用石英压电效应调制电磁振荡的频率。 巴黎广播电台首先用严济慈制作的石英振荡片实现了无线电播音中的稳频，随后各国相继采用，使无线广播振荡电磁回路稳频成为压电晶体的最重要应用之一。Digital Electronics Technology2009.1.61. 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能10.5 555 定时器及其应用定时器及其应用 555定时器是一种多用途的数字定时器是一种多用途的数字 模拟混合集成电模拟混合集成电路，可以方便的构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐路，可以

27、方便的构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器。双极型产品型号最后数码为振荡器。双极型产品型号最后数码为555，CMOS型产品型产品型号最后数码为型号最后数码为7555。 555能在宽电源电压范围内工作，可承受较大的负载能在宽电源电压范围内工作，可承受较大的负载电流。双极型电流。双极型555定时器的电源电压：定时器的电源电压：516v，最大负载，最大负载电流：电流：200mA；CMOS型型7555定时器的电源电压：定时器的电源电压：318v，最大负载电流：，最大负载电流：4mA。Digital Electronics Technology2009.1.610.5.1 555定时器定时器 （数

28、（数/模混合模混合IC）一、电路结构一、电路结构由电压比较器（由电压比较器（C1,C2）触发器触发器输出缓冲器（输出缓冲器（G3,G4）OC输出的三极管（输出的三极管（TD）组成组成10.5 555定时器及其应用定时器及其应用Digital Electronics Technology2009.1.6入的关系）二、功能表（输出与输截止11截止11不变不变1导通01导通0XX0输 出输 入CCV32CCV31CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31DR1IV2IVOVDT10.5 555定时器及其应用定时器及其应用Digital Electronics Technology2

29、009.1.610.5.2 10.5.2 用用555555定时器接成施密特触发器定时器接成施密特触发器输 入输 出0XX0导通10导通1不变 不变11截止11截止CCV32CCV31CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31DR1IV2IVOVDTDigital Electronics Technology2009.1.6?,?,TITIVVVV值值使电路状态发生转变的使电路状态发生转变的值值使电路状态发生转变的使电路状态发生转变的COV10.5 555定时器及其应用定时器及其应用Digital Electronics Technology2009.1.610.5.3 用55

30、5定时器接成单稳态触发器输 入输 出0XX0导通10导通1不变 不变11截止11截止CCV32CCV31CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31DR1IV2IVOVDT10.5 555定时器及其应用定时器及其应用Digital Electronics Technology2009.1.6保持放电导通充电至截止若通电后保持导通若通电后即可，稳态时，无触发信号：01100321011001311211212QVVCTQVVVCTQQVVVTQVVVCCDCCCCDCCCDCCCI)(导通稳态：DOITVV,01输 入输 出0XX0导通10导通1不变 不变11截止11截止CCV3

31、2CCV31CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31DR1IV2IVOVDTDigital Electronics Technology2009.1.6）已经回到高于时（假定此时充至当CCICCCVVVV3132保持开始放电至导通则01100102121QVVCTQVVCCDCC,开始充电截止则降至只要触发时CTQVVVVVDCCCCII,1013121Digital Electronics Technology2009.1.6性能参数：暂稳态输出的宽度RCRCVVVRCtCCCCCCw1 . 13ln320ln的宽度有何要求？对IV的宽度过宽？若IVDigital Ele

32、ctronics Technology2009.1.610.5.4 用用555接成多谐触发器接成多谐触发器截止11截止11不变不变1导通 01导通 0 X X0 输 出输 入CCV32CCV31CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31DR1IV2IVOVDTDigital Electronics Technology2009.1.610.5.4 用用555接成多谐触发器接成多谐触发器2ln)2(00lnln)(2121221CRRVVCRVVVVCRRTTTTTTCCTCC截止11截止11不变不变1导通 01导通 0 X X0 输 出输 入CCV32CCV31CCV32CC

33、V32CCV32CCV31CCV31CCV31DR1IV2IVOVDT电路振荡周期Digital Electronics Technology2009.1.610.5.4 用用555接成多谐触发器接成多谐触发器%5022121RRRRq如希望q50%?电路振荡频率2ln)2(1121CRRTf输出脉冲占空比Digital Electronics Technology2009.1.6212RRRqDigital Electronics Technology2009.1.6 例例1: 试用试用555定时器设计一个多谐振荡器，要求振荡周定时器设计一个多谐振荡器，要求振荡周期为期为1秒，输出脉冲的占空

34、比秒，输出脉冲的占空比q=2/3。10.5 555 定时器及其应用定时器及其应用3222121RRRRq12ln)2(2121CRRTTTDigital Electronics Technology2009.1.6Digital Electronics Technology2009.1.6Digital Electronics Technology2009.1.6Digital Electronics Technology2009.1.6Digital Electronics Technology2009.1.6例例3 3、由施密特触发器构成的脉冲延迟电路如题图所示，、由施密特触发器构成的脉冲延迟电路如题图所示， 设输设输入电压入电压u ui i为矩形脉冲，试分别定性画出电容为矩形脉冲，试分别定性画出电容C上的电压上的电压uC和输出和输出电压电压uo的波形。的波形。 RCuouiuCDigital Electronics Technology2009.1.6P501-505P501-50510.410.4， 10.610.6， 10.16 10.20 10.2210.16 10.20 10.22作业：作业：