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1、第六章_脉冲波形的产生和整形第一页，本课件共有57页6.1 概述概述一、矩形脉冲一、矩形脉冲脉冲信号：一种持续时间极短的电压或电流信号脉冲信号：一种持续时间极短的电压或电流信号(即突变信号即突变信号)。获得矩形脉冲的方法：获得矩形脉冲的方法：(1)自激振荡电路直接产生矩形脉冲。自激振荡电路直接产生矩形脉冲。由由多谐振荡器多谐振荡器来实现来实现(2)将已有周期性变化波形将已有周期性变化波形(正弦波、锯齿波正弦波、锯齿波等等)整形为矩形脉冲。整形为矩形脉冲。由由施密特触发器施密特触发器和和单稳态触发器单稳态触发器来实现来实现矩形波矩形波方波方波尖顶波尖顶波第二页，本课件共有57页二、矩形脉冲的特性
2、参数二、矩形脉冲的特性参数TT-脉冲周期：两个相邻脉冲之间的时间间隔。脉冲周期：两个相邻脉冲之间的时间间隔。VmVm-脉冲幅度：脉冲电压的最大变化幅度。脉冲幅度：脉冲电压的最大变化幅度。0.5VmtWtW-脉冲宽度：脉冲上升到脉冲宽度：脉冲上升到0.5Vm处至下降到处至下降到0.5Vm处的时间间隔。处的时间间隔。0.1Vm0.9Vmtrtr-上升时间：上升时间：脉冲上升沿从脉冲上升沿从0.1Vm上升到上升到0.9Vm所需所需时间。时间。tftf-下降时间：下降时间：脉冲下降沿从脉冲下降沿从0.9Vm下降到下降到0.1Vm所需所需时间。时间。q-占空比占空比 q=tW/Tf=1/T第三页，本课件
3、共有57页6.2 施密特触发器施密特触发器6.2.1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一、一、CMOS电路构成电路构成G1、G2为为CMOS反相器反相器阈值电压：阈值电压：VTH=1/2VDDR1RONvI2 VTH第十六页，本课件共有57页同时，电容同时，电容C迅速放电。迅速放电。放电时间极短放电时间极短 tre(3 5)RONC电路回复到稳定状态电路回复到稳定状态工作波形工作波形第十七页，本课件共有57页3.计算计算一阶线性电路暂态分析的三要素公式：一阶线性电路暂态分析的三要素公式：第十八页，本课件共有57页只与只与RC有关有关输出脉冲幅度：输出脉冲幅度：Vm=VOH-V
4、OL VDD分辨时间：分辨时间：td=tw+tre第十九页，本课件共有57页二、积分型单稳态触发器二、积分型单稳态触发器1.电路电路R不能取值太大不能取值太大(必须保证必须保证vO1为低电平时为低电平时vAVTH，vO=VOL=0 vO=VOH(电容电容C继续继续放电放电)vAVTH 当当vI返回低电平后，返回低电平后，vO1=VOH，电容电容C充充电电，经一段时间，经一段时间后后vI恢复为高电平，电路达到恢复为高电平，电路达到稳态稳态。第二十一页，本课件共有57页工作波形工作波形计算计算vACROR输出脉冲幅度：输出脉冲幅度：Vm=VOH-VOL分辨时间：分辨时间：td=TTR+tre优点：
5、积分型比微分型单稳态触发器抗干扰能力强。优点：积分型比微分型单稳态触发器抗干扰能力强。缺点：积分型单稳态触发器输出波形边沿较差。缺点：积分型单稳态触发器输出波形边沿较差。放电回路放电回路第二十二页，本课件共有57页6.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器一、不可重复触发型一、不可重复触发型(74121 74221 74LS221)二、可重复触发型二、可重复触发型(74122 71123 74LS122 74LS123)-只能在稳态接受输入信号。只能在稳态接受输入信号。-在暂稳态期间，能够接受新的触发信号。在暂稳态期间，能够接受新的触发信号。vI vO twtwvI vO twtwvO tw
6、tw触发脉冲为负脉冲触发脉冲为负脉冲暂稳态为高电平暂稳态为高电平第二十三页，本课件共有57页单稳态触发器应用单稳态触发器应用3.定时定时-产生固定时间宽度的脉冲信号。产生固定时间宽度的脉冲信号。1.整形整形-把不规则波形变为宽度、幅度都相等的脉冲。把不规则波形变为宽度、幅度都相等的脉冲。vIvO2.延时延时-产生滞后于触发脉冲的输出脉冲。产生滞后于触发脉冲的输出脉冲。vIvO第二十四页，本课件共有57页6.4 多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器。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，便能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
7、脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以又把矩形波振荡由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以又把矩形波振荡器称为多谐振荡器。器称为多谐振荡器。类型：类型：对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器环形振荡器环形振荡器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石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器-无稳态电路无稳态电路第二十五页，本课件共有57页6.4.2 非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器一、组成一、组成G1、G2工作在电压传输特性的转折区工作在电压传输特性的转折区目的：目的：获得较大的电压放大倍数获得较大的电压放大倍数第二十六页，本课件共有
8、57页二、工作原理二、工作原理假设假设vI1有极小的正跳变有极小的正跳变正反馈正反馈vI1 vI2 vO2 vI1=VTHvO1=VOL vO2=VOH (迅速跳变迅速跳变)第一个暂稳态第一个暂稳态 同时电容同时电容C开始放电开始放电第二十七页，本课件共有57页vI1 vI2 vO2 vI1=VTHvO1=VOH vO2=VOL (迅速跳变迅速跳变)第二个暂稳态第二个暂稳态 同时电容同时电容C开始充电开始充电正反馈正反馈vI1 vI1 当当vI1 至至VTH时又重新回到第一个暂稳态时又重新回到第一个暂稳态第二十八页，本课件共有57页工作波形图工作波形图计算计算充电时间充电时间T1放电时间放电时
9、间T2RFRON(N)RFRON(P)振荡周期振荡周期 T=T1+T22RFCln3=2.2RFC第二十九页，本课件共有57页6.4.4 用施密特触发器构成多谐振荡器用施密特触发器构成多谐振荡器一、组成一、组成二、工作原理二、工作原理接通电源瞬间，接通电源瞬间，C中无电荷，所以：中无电荷，所以：1.vC=0 2.vO=1 C充电充电 vI 3.vO=0 C放电放电vI vI=VT+vO=0vI=VT-vO=1vI=0 vO=1CvOR1vI第三十页，本课件共有57页波形图波形图 三、电路改进三、电路改进 vIt vOt0T2T10VT+VT-&CvIvOR2R11CvIvOR2R1第三十一页，
10、本课件共有57页6.4.5 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器一、石英晶体一、石英晶体符号符号fXf0电电感感性性电电容容性性选频特性选频特性 当当 f =f0 时，电抗时，电抗 X=0。石英晶体的固有振荡频率石英晶体的固有振荡频率 f0由结晶方向、外形尺寸决由结晶方向、外形尺寸决定；频率稳定度定；频率稳定度(f0/f0)可达可达10-1010-11。第三十二页，本课件共有57页二、石英晶体振荡器二、石英晶体振荡器1.组成组成2.工作原理工作原理 当当vo的频率的频率f=f 0时时，反馈最强，反馈最强，信号最容易通过，而信号最容易通过，而其他频率的信号经过石英晶体时被衰减其他频率的信号经过石
11、英晶体时被衰减。因此，振荡器的工作频率为因此，振荡器的工作频率为f 0。11CRFCvoRFG1G211RFCvoG1G2RP第三十三页，本课件共有57页6.5 555定时器及其应用定时器及其应用 555定时器是一种将模拟电路和数字定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。用它可以电路集成于一体的电子器件。用它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。特触发器等多种电路。555定时器在工定时器在工业控制、定时、检测、报警等方面有广业控制、定时、检测、报警等方面有广泛应用。泛应用。555182 3 47 6 5分类分类双极型双极型(T
12、TL)单极型单极型(CMOS)555、556(双双555)7555、7556(双双7555)电源电源:5 16V 最大负载电流最大负载电流:200mA电源电源:3 18V 最大负载电流最大负载电流:4mA6278 4 153555第三十四页，本课件共有57页6.5.1 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能一、电路组成一、电路组成分压器分压器比较器比较器RS 触发器触发器输出缓冲输出缓冲放电三极管放电三极管CB555电路结构图电路结构图vI1(TH)+VCCTD5 k 5 k 5 k 8 83 31 16 65 57 72 24 4&1C1C2vC1vC2&VR1VR2VCOvI2
13、(TR)G1G2G3G4第三十五页，本课件共有57页二、基本功能二、基本功能VCO悬空时悬空时:VR1=2/3 VCC VR2=1/3 VCCVCO接固定电压时接固定电压时:VR1=VCO VR2=1/2VCO 0导通导通1111导通导通不变不变不变不变截止截止voTD状态状态RDvI1vI2VOL2/3 VCC 1/3 VCC0 1VOL1/3 VCC2/3 VCC 2/3 VCC 1/3 VCCVOH111000第三十六页，本课件共有57页6.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器一、电路一、电路6278 41535550.01uF+VCCvOvI第三十七页，本
14、课件共有57页二、工作原理二、工作原理1.vI从从0上升到上升到VCC的过程的过程(1)vI 1/3 VCC时时vC1=1 vC2=0Q=1vO=VOH(2)1/3 VCC vI 2/3 VCC时时vC1=0 vC2=1Q=0vO=VOL第三十八页，本课件共有57页2.vI从从VCC 下降到下降到0的过程的过程(1)vI 2/3 VCC时时vC1=0 vC2=1Q=0vO=VOL(2)1/3 VCC vI 2/3 VCC时时vC1=vC2=1vO=VOL 保持保持(3)vI 1/3 VCC时时vC1=1 vC2=0Q=1vO=VOH第三十九页，本课件共有57页电压传输特性电压传输特性 VT=V
15、T+VT=1/3 VCC 0vIvO VT=1/2 VCO VCO外接固定电压时：外接固定电压时：第四十页，本课件共有57页6.5.3 用用 555 定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器一、电路组成一、电路组成62784153555RC+VCC0.01 FvI+vCvO第四十一页，本课件共有57页vI=VIH(vI不加脉冲时不加脉冲时)二、原理分析二、原理分析设设TD工作在饱和状态，则：工作在饱和状态，则：vC=vI1=0vC1=vC2=1保持保持一定是一定是Q=0，vO=VOL(若假设若假设TD截止，则不合理截止，则不合理)1.稳态稳态第四十二页，本课件共有57页2.触发触发vC
16、1=1vC2=0TD截止截止 vO=VOH(暂暂稳态稳态)vI2/3VCC时时vC1=0vC2=1vI=VIHTD导通导通 vO=VOLC经经TD迅速放电迅速放电 vC=0自动恢复到稳态自动恢复到稳态第四十四页，本课件共有57页三、工作波形及计算三、工作波形及计算vIVCC0vC02VCC/3VCCvOtw波形：波形：计算：计算：62784153555RC+VCC0.01 FvI+vCvO第四十五页，本课件共有57页6.5.4 用用555定时器接成的多谐振荡器定时器接成的多谐振荡器一、电路一、电路6278 4153555R1CR20.01uF+VCCvO第四十六页，本课件共有57页二、原理分析
17、二、原理分析电源刚合上时电源刚合上时C上无电荷上无电荷(vC=0)vC1=1 vC2=0TD截止截止 vO=VOH-暂稳态暂稳态I 电容经电容经R1+R2充电充电vCvC2/3VCCvC1=0 vC2=1TD导通导通 vO=VOL-暂稳态暂稳态 第四十七页，本课件共有57页电容经电容经R2、TD放电放电vC vC1/3VCCvC1=1 vC2=0TD截止截止 vO=VOH-暂稳态暂稳态I 电容重复充放电过程，电路在暂稳态电容重复充放电过程，电路在暂稳态I、暂稳态、暂稳态之间来之间来回翻转回翻转(即振荡即振荡)，输出矩形脉冲。，输出矩形脉冲。第四十八页，本课件共有57页波形图波形图 vCtVOH
18、 vOtVOL6278 4153555R1CR20.01uF+VCCvO三、工作波形及计算三、工作波形及计算T2T1计算：计算：第四十九页，本课件共有57页6278 4153555R1CR20.01uF+VCCvO vCtVOH vOtVOLT2T1T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2振荡周期：振荡周期：振荡频率：振荡频率：第五十页，本课件共有57页占空比：占空比：占空比可调电路占空比可调电路62784153555R1CR2C2+VCCD1D2vOT1=R1C ln2T2=R2C ln2T=(R1+R2)Cln2若若R1=R2 则则q=50%第五十一页，本课件共有57页例例6.5.1 试用
19、试用CB555定时器设计一个多谐振荡器，要求振荡周期定时器设计一个多谐振荡器，要求振荡周期为为1秒，输出脉冲幅度大于秒，输出脉冲幅度大于3V而小于而小于5V，输出脉冲的占空比，输出脉冲的占空比q=2/3。解：解：取电源电压取电源电压VCC=5VR1=R2T=(R1+2R2)Cln2=1若取若取C=10uF得得6278 4153555R1CR20.01uF+VCCvO第五十二页，本课件共有57页多谐振荡器应用多谐振荡器应用秒信号发生器秒信号发生器RC1C211C1C1C1C1FF0FF1FF14FF15Q0Q1Q14Q15T 触发器触发器32768 Hz16384 Hz1 Hz2 Hz第五十三页
20、，本课件共有57页模拟声响电路模拟声响电路10 F26784153NE555ICICR1C1B21+26784153NE55510k 100k 10k 150k 10k 8 R2R3R4R5C2C3C4+5V0.01 F0.01 F100 FvO1vO2vo1vo2f1=1HZf2=1KHZ第五十四页，本课件共有57页水位监控报警电路水位监控报警电路 水位正常情况下，电容水位正常情况下，电容C被短接，扬声器不发音；水被短接，扬声器不发音；水位下降到探测器以下时，多谐振荡器开始工作，扬声器发位下降到探测器以下时，多谐振荡器开始工作，扬声器发出报警。出报警。vC+VCC4876213CR1R25第
21、五十五页，本课件共有57页简易电子琴电路图简易电子琴电路图48162357R1CCB555vo+VCCR21R28S8S1第五十六页，本课件共有57页本章要求本章要求1.理解理解CMOS门电路构成的施密特触发器的原理及应用；门电路构成的施密特触发器的原理及应用；2.理解单稳态触发器的功能、原理；理解单稳态触发器的功能、原理；3.理解理解多谐振荡器的工作原理，掌握多谐振荡器的工作原理，掌握用施密特触发器构成的多用施密特触发器构成的多谐振荡器的原理及分析计算；谐振荡器的原理及分析计算；4.掌握掌握555定时器的工作原理和应用定时器的工作原理和应用(重点、难点重点、难点)。第五十七页，本课件共有57页