2022年医学专题—第六章--脉冲波形的.ppt

,6.4 单稳态触发器 6.4.1 用555定时器构成(guchng)的单稳态触发器 6.4.2 单稳态触发器的应用6.5 多谐振荡器 6.5.1 用555定时器构成的多谐振荡器 6.5.2 占空比可调的多谐振荡器 6.5.3 石英晶体多谐振荡器,第一页，共四十八页。,内容提要本章在介绍矩形波脉冲信号的基础上，着重讲述了应用较广的中规模集成555定时器的电路结构和功能，然后围绕(wiro)着矩形脉冲波的产生和整形，详细介绍了555定时器构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的工作原理及其应用。,第二页，共四十八页。,6.1 概述(i sh),数字系统中的工作信号一般都是矩形波脉冲信号。矩形波脉冲信号的获取方法通常(tngchng)有两种：一种是利用多谐振荡器直接产生；另一种是利用整形电路对已有的周期性信号整形，使之符合系统要求。图6.1.1所示为矩形波脉冲信号的实际波形图。,图6.1.1 实际(shj)的矩形脉冲波形,第三页，共四十八页。,主要参数是：脉冲幅度Vm脉冲电压的最大幅度。上升时间tr脉冲上升(shngshng)沿从0.1Vm上升至0.9Vm所经历的时间。下降时间tf脉冲下降沿从0.9Vm下降至0.1Vm所经历的时间。脉冲宽度tw脉冲前后沿在0.5Vm两点间的时间间隔。脉冲周期T在周期性脉冲序列中两个相邻脉冲之间的时间间隔。占空比q脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q=twT。对于理想矩形波，其上升时间tr和下降时间tf均为零。,第四页，共四十八页。,6.2 集成(j chn)555定时器,555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量(sholing)的阻容元 件就可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密 特触发器。因而在波形的产生与变换、测量与控 制等许多领域中都得到了广泛的应用。,第五页，共四十八页。,目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等多种。通 常，双极型产品型号最后(zuhu)的3位数码都是555，CMOS产品型号的最后4位数码都是7555，它们的 结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。一 般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS 定时电路具有低功耗、输入阻抗高等优点。,第六页，共四十八页。,6.2.1 555定时器的电路(dinl)结构,555定时器的内部电路结构如图6.2.1所示。它由3个阻值为5k的电阻(dinz)组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、集电极开路的放电三极管T以及缓冲器G组成。,第七页，共四十八页。,图6.2.1 555定时器的内部(nib)电路结构图,第八页，共四十八页。,6.2.2 555定时器的功能(gngnng),555定时器的主要功能(gngnng)取决于比较器，比较器的输 出控制RS触发器和放电三极管T的状态。图中 为复位输入端，当 为低电平时，不管其它输入 端的状态如何，输出vO为低电平。因此在正常工 作时，应将其接高电平。,第九页，共四十八页。,由图6.2.1可知(k zh)，当5脚悬空时，比较器C1和C2的基准电压分别为 和。（1）当，时，比较器 C1输出低电平(=0)，比较器C2输出高电平(=1)，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端vO为低电平。（2）当，时，比较器 C1输出高电平(=1)，比较器C2输出低电平(=0)，基本RS触发器被置1，放电三极管T截止，输出端vO为高电平。,第十页，共四十八页。,（3）当，时，比较器 C1输出高电平(=1)，比较器C2也输出高电平(=1)，触发器状态不变，电路亦保持(boch)原状态不变。综合上述分析，可得555定时器的功能表如表6.2.1所示。,标6.2.1 555定时器功能表,第十一页，共四十八页。,若控制电压输入端外接固定电压VIC，则比较器C1和C2的基准电压改变为VIC和，并进而影响电路的工作状态(zhungti)。这里不再赘述，读者可自行分析。6.3 施密特触发器施密特触发器能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。同时具有回差电压特性和较强的抗干扰能力。,第十二页，共四十八页。,6.3.1 用555定时器构成(guchng)的施密特触发器,1.电路组成将555定时器的阈值输入端(6脚)和触发输入端(2脚)连在一起，作为信号输入端，即可构成施密特触发器，如图6.3.1(a)所示。控制电压端(5脚)通过0.01F的滤波电容(dinrng)接地，以防干扰，提高比较器基准电压的稳定性。,图6.3.1 用555定时器构成(guchng)的施密特触发器,第十三页，共四十八页。,2.工作原理(yunl)现以如图6.3.1(b)所示的三角波输入信号，根据表6.2.1说明电路的工作原理。（1）当 时，vO1输出高电平。当vI上升至 时，vO1仍输出高电平，保持原来状态不变。（2）当 时，vO1输出低电平。当vI由 继续上升，然后下降尚未达到 时，vO1仍输出低电平，保持原来状态不变。（3）当vI继续下降小于 时，电路输出vO1跳变为高电平。,第十四页，共四十八页。,通过(tnggu)上述分析得知，施密特触发器可以将输入的三角波整形为矩形脉冲波。同理，也可将正弦波形整形为矩形脉冲波。如果在555定时器的放电三极管T输出端(7脚)外接一电阻，并与另一电源VCC1相连，则由vO2输出的信号可实现输出电平转换。,第十五页，共四十八页。,3.主要参数由图6.3.1(b)波形图可以看出，施密特触发器输出电平由高向低跳变和由低向高跳变时所对应的输入阈值电压不同(b tn)。把施密特触发器输入信号正向增加时，输出电平跳变所对应的输入阈值电压称为正向阈值电压，用VT+表示；把施密特触发器输入信号负向减少时，输出电平跳变所对应的输入阈值电压称为负向阈值电压，用VT表示。两者的差值称为回差电压V，即=VT+VT(6.3.1),第十六页，共四十八页。,图6.3.2(a)所示为施密特触发器的逻辑符号。图6.3.2(b)所示为施密特触发器的电压传输特性，从曲线中可看到电路的滞回特性。如果(rgu)在控制电压端(5脚)外接控制电压vIC，改变vIC的大小，可以调节回差电压的范围。,图6.3.2 施密特触发器的逻辑符号和电压传输(chun sh)特性(a)逻辑符号(b)电压传输特性,第十七页，共四十八页。,6.3.2 施密特触发器的应用(yngyng)1.波形变换由图6.3.1可见，施密特触发器可将三角波变换为矩形波。若输入的是正弦波，只要输入信号的幅度大于VT+，便可在施密特触发器的输出端得到相同频率的矩形波脉冲信号，其变换波形如图6.3.3所示。,图6.3.3 用施密特触发器实现波形(b xn)变换,第十八页，共四十八页。,2.脉冲整形数字系统(xtng)中的矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变。在图6.3.4中传输信号上出现附加噪声，只要施密特触发器的VT+和VT设置的合适，可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。,图6.3.4 用施密特触发器对脉冲(michng)整形,第十九页，共四十八页。,3.脉冲鉴幅利用施密特触发器输出状态取决于输入信号vI幅度(fd)的工作特点，可以用它来作为幅度(fd)鉴别电路。在图6.3.5中，将一系列幅度不同的脉冲信号加到施密特触发器的输入端时，只有那些幅度大于VT+的脉冲才会被选中，在输出端产生输出信号。可见，施密特触发器具有脉冲鉴幅的功能。,图6.3.5 用施密特触发器鉴别(jinbi)脉冲幅度,第二十页，共四十八页。,6.4 单稳态触发器单稳态触发器是广泛应用于脉冲整形、延时和定时的电路，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。在外界触发脉冲的作用下，能从稳定状态翻转到暂稳态，暂稳态维持一段时间后，电路又自动地翻转到稳态。暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外界触发脉冲无关。6.4.1 用555定时器构成的单稳态触发器1.电路组成(z chn)图6.4.1(a)所示是用555定时器构成的单稳态触发器。触发输入信号vI加在触发输入端(2脚)，并将阈值输入端(6脚)和放电三极管T输出端(7脚)连在一起，再与定时元件R、C相接。,第二十一页，共四十八页。,图6.4.1 用555定时器构成(guchng)的单稳态触发器(a)电路图(b)波形图,第二十二页，共四十八页。,2.工作原理现以图6.4.1(b)所示的负脉冲触发输入信号，并根据表6.2.1说明电路的工作原理。（1）无触发信号输入时，vI处于高电平，电路工作在稳定状态，vO为低电平。假定接通电源后，555定时器内RS触发器停在0的状态，则vO为低电平，放电三极管T导通，vC0，使=1，vO为低电平的状态将稳定地保持不变。若接通电源后RS触发器停在1的状态，则使T截止，电源VCC通过电阻R向电容C充电，当vC上升到 时，RS触发器被置，vO为低电平，同时T导通，电容C经T迅速放电至vC0，又使=1，vO为低电平的状态也将稳定地保持不变。因此(ync)，通电后电路便自动地停在vO为低电平的稳态。,第二十三页，共四十八页。,（2）触发翻转进入暂稳态。若触发输入端施加触发信号()，则触发翻转，使RS触发器置1，vO输出高电平，T截止，电路进入暂稳态。（3）暂稳态的维持时间。在暂稳态期间，由于T截止，VCC经R向C充电。其充电回路为VCCRC地，时间常数1=RC，电容电压vC由0V开始增大，在电容电压vC上升到阈值电压 之前，电路将保持暂稳态不变。（4）自动返回，暂稳态结束。当vC上升至阈值电压 时，如果此时触发脉冲已消失，即vI返回高电平，则触发器被置，输出电压vO由高电平跳变为低电平，T由截止转为饱和导通，管脚7“接地”，电容C经T对地迅速(xn s)放电，电压vC由 迅速降至0V(放电三极管的饱和压降)，电路由暂稳态重新转入稳态。,第二十四页，共四十八页。,（5）恢复过程(guchng)。当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的三极管 T放电，时间常数2=RCESC，式中RCES是T的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此2值亦非常小。经过(35)2后，电容C放电完毕，恢复过程结束。恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可以接收新的触发信号。,第二十五页，共四十八页。,3.主要参数(1)输出脉冲宽度tW输出脉冲宽度就是暂稳态维持时间，即定时电容(dinrng)的充电时间，可以根据vC的波形进行计算。为了计算方便，对于图6.4.1(b)中vC的波形，将触发脉冲作用的起始时刻作为时间起点，于是有，,第二十六页，共四十八页。,代入RC电路(dinl)瞬态过程计算公式可求得,(6.4.1),(6.4.2),第二十七页，共四十八页。,上式说明，单稳态触发器输出脉冲(michng)宽度tW仅决定 于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源 电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节 tW。通常R的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电 容的取值范围为几百皮法到几百微法，所以tW的 对应范围为几微秒到几分钟。,第二十八页，共四十八页。,（2）恢复时间tre暂稳态结束后，还需要一段恢复时间，以便使电容C在暂稳态期间所充的电荷释放完，使电路恢复到起始的稳态。一般取，即认为经过35倍于电路时间常数的时间以后，电容就放电完毕，使电路基本达到稳态。由于(yuy)2=RCESC，而放电三极管T的饱和导通电阻RCES阻值非常小，所以用555定时器构成单稳态触发器的tre很小，vC波形的下降沿很陡。,第二十九页，共四十八页。,（3）最高工作频率fmax若输入触发信号(xnho)vI是周期为T的连续脉冲时，为保证单稳态触发器能够正常工作，应满足下列条件T tWtre 即vI周期的最小值Tmin应为tWtre，即Tmin=tWtre 因此，单稳态触发器的最高工作频率应为(6.4.3),第三十页，共四十八页。,6.4.2 单稳态触发器的应用(yngyng),1.延时在图6.4.1(b)所示单稳态触发器的工作波形中可以看出，vO的下降沿比vI的下降