第十章    脉冲波形的产生和整型
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第十章 脉冲波形的产生和整型. 本章主要内容 在简单介绍 555 定时器的基础上,讨论两类电路:. 一是将已有的波形整型为矩形脉冲,其具体电路是以 555 定时器为基础的施密特触发器和单稳态触发器。. 二是利用自激振荡电路直接产生矩形脉冲,其具体电路是以 555 定时器为基础的多谐振荡器。. 10.1 概述. 一、矩形脉冲的主要参数:. 脉冲周期 T ;. 脉冲频率:. f = 1/T. 脉冲幅度 V M ;. 脉冲宽度 t W ;. 上升时间 t r ;. 下降时间 t f ;. 占空比 q :. q=t w /T.

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第十章 脉冲波形的产生和整型

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7099652

第十章 脉冲波形的产生和整型

本章主要内容

在简单介绍555定时器的基础上,讨论两类电路:

一是将已有的波形整型为矩形脉冲,其具体电路是以555定时器为基础的施密特触发器和单稳态触发器。

二是利用自激振荡电路直接产生矩形脉冲,其具体电路是以555定时器为基础的多谐振荡器。


7099652

10.1 概述

一、矩形脉冲的主要参数:

脉冲周期T;

脉冲频率:

f = 1/T

脉冲幅度VM;

脉冲宽度tW;

上升时间tr;

下降时间tf;

占空比q:

q=tw /T .


7099652

二、555定时器

4.5~16V

(一)电路组成

复位端

低电平有效

电压

控制端

高电平

触发端

低电平

触发端

放电端


7099652

①R=0时,Q=1,uo=0,T导通。

(二)工作原理

0

0

1


7099652

①R=0时,Q=1,uo=0,T饱和导通。

②R=1、UTH>2VCC/3、UTR>VCC/3时,C1=0、C2=1,Q=1、Q=0,uo=0,T饱和导通。

0

0

1

>2VCC/3

0

1

>VCC/3


7099652

①R=0时,Q=1,uo=0,T饱和导通。

②R=1、UTH>2VCC/3、UTR>VCC/3时,C1=0、C2=1,Q=1、Q=0,uo=0,T饱和导通。

③R=1、UTH<2VCC/3、UTR>VCC/3时,C1=1、C2=1,Q、Q不变,uo不变,T状态不变。

0

1

1

1

0

<2VCC/3

0

1

1

>VCC/3


7099652

①R=0时,Q=1,uo=0,T饱和导通。

②R=1、UTH>2VCC/3、UTR>VCC/3时,C1=0、C2=1,Q=1、Q=0,uo=0,T饱和导通。

③R=1、UTH<2VCC/3、UTR>VCC/3时,C1=1、C2=1,Q、Q不变,uo不变,T状态不变。

④R=1、UTH<2VCC/3、UTR<VCC/3时,C1=1、C2=0,Q=0、Q=1,uo=1,T截止。

1

1

0

<2VCC/3

1

0

<VCC/3


7099652

(三)基本功能

555定时器是一种多用途的数字-模拟混合单片集成电路,利用它可以极方便地构成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器,广泛用于信号的产生、变形、控制与检测。


7099652

uA

1

A

Y

uA

A

Y

10.2 施密特触发器 (Schmitt Trigger)

10.2.1 用 555 定时器构成的施密特触发器

一、普通反相器和施密特反相器的比较

UTH

普通反相器

?

TTL:

1.4 V

uY

CMOS:

施密特反相器

UT+

上限阈值电压

UT–

下限阈值电压

uY

回差电压:


7099652

二、电路组成及工作原理

+VCC

8

4

UCO

5

3

&

1

uI

6

uI

&

2

7

t

TD

O

uO

1

UOH

UOL

t

O

工作原理

uO1

uI 上升时与 2VCC/3 比

uI 下降时与 VCC/3 比

外加 UCO ,可改变阈值和回差电压


7099652

uO

UOH

UOL

uI

O

三、滞回特性及主要参数

(一)滞回特性

(二)主要静态参数

回差

电压

上限阈值电压

UT+

下限阈值电压

UT–

回差电压

特点:

uI 增大时与上限阈值比

UT = UT+ – UT–

uI 减小时与下限阈值比


7099652

14

13

12

11

10

9

8

14

13

12

11

10

9

8

VDD

VDD

1A

1

2

3

4

5

6

7

1

2

3

4

5

6

7

1B

6A

3A

1A

3A

2A

1Y

6Y

3B

3Y

1Y

2Y

5A

3Y

2Y

5Y

4Y

2A

4A

4A

2B

4Y

4B

VSS

VSS

10.2.2 集成施密特触发器

一、CMOS 集成施密特触发器

(一) 引出端功能图

CC40106

CC4093


7099652

(二) 主要静态参数

CC40106、CC4093 的主要静态参数


7099652

正弦波

振荡器

MOS或

CMOS

1

1

10. 2. 3 施密特触发器的应用举例

一、接口与整形

(一) 接口

把缓变输入信号转换为TTL系统要求的脉冲

(二) 整形

UT+

UT–

输入

输出


7099652

二、阈值探测

(一) 阈值探测

UT+

UT–

输入

输出


7099652

施密特触发器小结

  施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。而且由于具有滞回特性,所以抗干扰能力也很强。

  施密特触发器可以由分立元件构成,也可以由门电路及555定时器构成。

  施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。


7099652

10.3 单稳态触发器

特点:

1. 只有两种状态: 稳态和暂稳态;

2. 外来触发 (窄) 脉冲使: 稳态暂稳态稳态;

3. 暂稳态持续时间仅取决于电路参数,

与触发脉冲无关。

用途;

定时:产生一定宽度的方波。

延时:将输入信号延迟一定时间后输出。

整形:把不规则波形变为宽度、幅度都相等的脉冲。


7099652

+VCC

8

4

1

0

1

0

5

1

1

1

R

3

&

1

1

uO

0

0

0

6

1

1

&

0

0

0

2

Q

1

7

uC

C

截止

1

TD

饱和

自动

暂稳态  稳态

10.3.1 用 555 定时器构成的单稳态触发器

一、电路组成及工作原理

稳态:

TD 饱和, Q = 0

暂稳态:

TD 截止, Q =1

引起暂稳态的原因:

1. 通电的随机过程;

uI

2. uI 从 1  0

使u2 < VCC/3,

引起Q=1,TD 截止。

饱和

导通

uI 与VCC/3 比较

uC 与2VCC/3 比较


7099652

+VCC

R

4

8

7

3

6

555

uI

0.01 F

5

2

+

uC

1

+

C

uI

tw

二、工作波形

三、主要参数

暂态过程全响应(三要素表示)

1. 输出脉冲宽度tw

uO

uC()=VCC ,

uC(0+) = 0,

uC(tw)= 2VCC /3

VCC

2. 恢复时间 tre

很小

2VCC/ 3

2 = RCESC

uC

0

3. 最高工作频率fmax

uO


7099652

TR–A

1

>

1 &

TR–B

TR+

Rint

RI

Cext

CX

Rext/Cext

RX/CX

10.3.2 集成单稳态触发器

一、非重复触发单稳态触发器 74121

非重复触发 — 只能在稳态接受输入信号。

1. 图形符号

非重复触发

下降沿触发输入

上升沿触发输入

内接接定时电阻引出端

VCC

外接定时

电阻、电容

 表示不属于逻辑状态连接


7099652

TR–A

&

1

TR–B

TR+A

TR+B

RD

R

Rint

RI

Cext

CX

Rext/Cext

RX/CX

二、可重复触发单稳态触发器 74122

可重复触发— 在暂稳态期间, 能够接受新的触发信号。

1. 图形符号

可重复触发

直接复位


7099652

uO

uO

uI

1

&

uF

tW

10.3.3 单稳态触发器应用举例

一、延时与定时

二、整形

1. 延时

uI

uI

uO

uO

2. 定时选通

uF

uO


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单稳态触发器小结

  单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成的单稳态触发器和基本RS触发器在结构上也极为相似,只有用于反馈的耦合网络不同。

  单稳态触发器可以由门电路构成,也可以由555定时器构成。在单稳态触发器中,由一个暂稳态过渡到稳态,其“触发”信号也是由电路内部电容充(放)电提供的,暂稳态的持续时间即脉冲宽度也由电路的阻容元件决定。

  单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲,但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波,用途很广。


7099652

8

+VCC

4

+VCC

R1

R1

4

8

5

7

3

&

3

1

R2

555

uO

6

R2

6

5

+

2

1

uC

C1

C2

&

2

uC

C

7

t

uO

TD

1

UOH

UOL

t

10.4 多谐振荡器 Astable Multivibrator

10.4.1 555 定时器构成的多谐振荡器

一、电路组成和工作原理


7099652

二、振荡频率的估算和占空比可调电路

(一) 振荡频率的估算

暂态过程全响应(三要素表示)

1. C 充电时间 tw1

uC(tw1)=2 VCC/3

uC(0+)= VCC/3,

uC()=VCC,

充电时间常数

1= (R1+R2)C

2. C 放电时间 tw2

可求得:

放电时间常数

2 = R2C


7099652

uC

t

uO

T

UOH

tw1

tw2

UOL

t

3.振荡频率 f

tw1= 0.7 (R1+R2) C

tw2 = 0.7R2C

振荡周期:

T = 0.7(R1+2R2)C

振荡频率:

占空比:


7099652

+VCC

R1

4

8

7

3

uO

D1

555

D2

R2

6

5

2

1

C2

+

C

(二) 占空比可调电路

tw1= 0.7R1C

tw2 = 0.7R2C


7099652

R

FF15

FF14

FF0

FF1

Q0

Q1

Q14

Q15

C1

C1

C1

C1

C1

C2

1

1

10.4.3 多谐振荡器应用举例

一、秒信号发生器

T触发器

32768Hz

1Hz

2Hz

16384Hz


7099652

4

8

7

+5V

3

R5

10k

10k

R3

IC

NE555

IC

R1

2

1

2

10k

8

4

6

100 F

5

1

7

uO2

+

3

100k

R4

150k

R2

uO1

NE555

B

2

C4

6

5

1

C3

+

C1

8

C2

10F

0.01 F

0.01 F

uo1

uo2

二、模拟声响电路


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多谐振荡器小结

  多谐振荡器是一种自激振荡电路,不需要外加输入信号,就可以自动地产生出矩形脉冲。

  多谐振荡器可以由门电路构成,也可以由555定时器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本RS触发器在结构上极为相似,只是用于反馈的耦合网络不同。RS触发器具有两个稳态,多谐振荡器没有稳态,所以又称为无稳电路。

  在多谐振荡器中,由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态,其“触发”信号是由电路内部电容充(放)电提供的,因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。


7099652

8

7

6

5

1

2

3

4

555

第十章小 结

一、555 定时器

是一种多用途的集成电路。只需外接少量阻容元件便可构成各种脉冲产生、整形电路,如施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等。

双极型 (TTL)

电源: 4.5  16 V

单极型 (CMOS)

电源: 3  18 V

带负载能力强


7099652

+VCC

+VDD

R

4

8

uI

uO1

7

6

uO2

555

3

UCO

2

5

1

二、施密特触发器

是一种脉冲整形电路,虽然不能自动产生矩形脉冲,却可将输入的周期性信号整形成所要求的同周期

的矩形脉冲输出,还可用来进行幅度鉴别、构成单稳态触发器和多谐振荡器等。

施密特触发器有两个稳定状态,有两个不同的触发电平,因此具有回差特性。它的两个稳定状态是靠两个不同的电平来维持的,输出脉冲的宽度由输入信号的波形决定。此外,调节回差电压的大小,也可改变输出脉冲的宽度。

外接电压调节回差

施密特触发器可由 555 定时器构成,也可用专门的集成电路实现。


7099652

+VCC

R

uO

4

8

7

3

6

555

uI

5

2

+

1

C1

C

0.01F

三、单稳态触发器

也属于脉冲整形电路,可将输入的触发脉冲变换为宽度和幅度都符合要求的矩形脉冲,还常用于脉冲

的定时、整形、展宽(延时)等。

单稳态触发器有一个稳定

状态和一个暂稳态。其输出脉

冲的宽度只取决于电路本身 R、

C 定时元件的数值,与输入信

号无关。输入信号只起到触发

电路进入暂稳态的作用。

改变 R、C 定时元件的数

值可调节输出脉冲的宽度。

单稳态触发器可由 555 定时器构成,也可用集成的单稳态触发器实现。


7099652

+VCC

R1

4

8

uO

7

3

555

R2

6

5

+

2

1

C

C1

四、多谐振荡器

是一种自激振荡电路,不需要外加输入信号,就可以自动地产生出矩形脉冲。

多谐振荡器没有稳定状态,

只有两个暂稳态。暂稳态间的相

互转换完全靠电路本身电容的充

电和放电自动完成。

改变 R、C定时元件数值的

大小,可调节振荡频率。

在振荡频率稳定度要求很高的情况下,可采用石英晶体振荡器。


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