2022年医学专题—脉冲波形的产生和整形.ppt

第6章 脉冲(michng)波形的产生和整形,6.1 概述(i sh)6.2 施密特触发器 6.3 单稳态触发器6.4 多谐振荡器6.5 555定时器及其应用,2006年,1,*,第一页，共七十五页。,脉冲信号：指突然变化的电压或电流。脉冲电路(dinl)的研究重点：波形分析。数字电路的研究重点：逻辑功能。,获得脉冲(michng)波形的方法主要有两种：1利用脉冲振荡电路产生；2是通过整形电路对已有的波形进行整形、变换，使之符合系统的要求。,返回,6.1 概述(i sh),2006年,2,*,第二页，共七十五页。,以下主要讨论几种常用脉冲波形的产生与变换电路：（功能、特点及其主要应用简介）1.施密特触发器：主要用以将非矩形脉冲变换成上升沿和下降(xijing)沿都很陡峭的矩形脉冲；2.单稳态触发器：主要用以将脉冲宽度不符合要求的脉冲变换成脉冲宽度符合要求的矩形脉冲；3.多谐振荡器：产生矩形脉冲；4.555定时器。,返回(fnhu),2006年,3,*,第三页，共七十五页。,常用(chn yn)脉冲波形及参数,脉冲波形是指突变(tbin)的电流和电压的波形。,图6-1 常见(chn jin)的脉冲波形图,返回,2006年,4,*,第四页，共七十五页。,图6-3 矩形(jxng)波的主要参数,周期(zhuq)性矩形波的周期(zhuq)用T表示，有时也用频率f表示（f=1/T）。矩形波的另外几个主要参数：,（1）脉冲幅度Vm（2）脉冲宽度tw（3）上升时间tr（4）下降时间tf（5）占空比q=t w/T。通常q用百分比表示(biosh)，如果q=50%，则称为对称方波。,返回,2006年,5,*,第五页，共七十五页。,主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿(binyn)陡峭的矩形波。,特点：电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持和转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平触发。电压传输(chun sh)特性特殊，电路有两个转换电平（上限触发转换电平VT+和下限触发转换电平VT_）。状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。,返回(fnhu),6.2 施密特触发器,2006年,6,*,第六页，共七十五页。,1.电路(dinl)组成,两个(lin)CMOS反相器，两个(lin)分压电阻（R1R2）。,图6-7 用集成门电路构成(guchng)的施密特触发器（a）电路（b）逻辑符号,返回,6.2.1 用门电路构成的施密特触发器,2006年,7,*,第七页，共七十五页。,2.工作(gngzu)原理,（1）工作过程 设CMOS反相器的阈值电压VTH=VDD/2，输入信号(xnho)uI为三角波。,返回(fnhu),2006年,8,*,第八页，共七十五页。,当uI=0V时，G1输出VOH、G2输出VOL，即uO=0V。只要满足(mnz)uI1VTH，电路就会处于这种状态（第一稳态）。当uI上升，使得uI1=VTH时，电路会产生如下正反馈过程：,返回(fnhu),2006年,9,*,第九页，共七十五页。,电路会迅速(xn s)转换为G1输出VOL、G2输出为VOH，即uO=VDD的状态（第二稳态）。此时的uI值称为施密特触发器的上限触发转换电平UT+。显然，uI继续上升，电路的状态不会改变。,返回(fnhu),2006年,10,*,第十页，共七十五页。,如果uI下降，uI1也会下降。当uI1下降到VTH时，电路又会产生(chnshng)以下的正反馈过程：,电路会迅速转换为G1输出VOH、G2输出为VOL的第一稳态。此时的uI值称为施密特触发器的下限触发转换电平VT。uI再下降，电路将保持(boch)状态不变。,返回(fnhu),2006年,11,*,第十一页，共七十五页。,（2）工作波形与电压传输(chun sh)特性,施密特触发器将三角波vI变换(binhun)成矩形波vO。,图6.2.2 施密特触发器的电压传输(chun sh)特性,例6.2.1 已知VT、VT+和VT,求R1,R2和VDD的值。,上限触发转换电平VT+,下限触发转换电平VT,回差VT=VT+VT（通常VT+VT）改变R1和R2的大小可以改变回差VT,返回,2006年,12,*,第十二页，共七十五页。,集成施密特触发器的VT+和VT的具体数值可从集成电路手册(shuc)中查到。对于每个具体的器件而言是固定的，不可调节。如CT74132的VT+1.7 v、VT0.9 v，所以，VTVT+VT1.7 v0.9 v0.8 v。,返回(fnhu),6.2.2 集成(j chn)施密特触发器,2006年,13,*,第十三页，共七十五页。,1.施密特触发(chf)与非门电路,为了对输入波形进行整形，许多(xdu)集成门电路采用了施密特触发形式。比如CMOS的CC4093和TTL的74LS13就是施密特触发的与非门电路。,图6.2.4 施密特触发与非门的逻辑(lu j)符号,返回,2006年,14,*,第十四页，共七十五页。,图6.2.4 带与非功能(gngnng)的TTL集成施密特触发器,返回(fnhu),2006年,15,*,第十五页，共七十五页。,图6.2.6 CMOS集成(j chn)施密特触发器CC40106,为了提高电路的性能，电路在施密特触发器的基础上，增加了整形级和输出缓冲级。整形级可以(ky)使输出波形的边沿更加陡峭，输出缓冲级可以提高电路的负载能力。,2.施密特反相器CC40106,TTL的74LS14和CMOS的CC40106均为六施密特触发(chf)的反相器。下面以CC40106为例说明其功能。,返回,2006年,16,*,第十六页，共七十五页。,1.波形(b xn)变换,将变化缓慢的波形变换成矩形(jxng)波（如将三角波或正弦波变换成同周期的矩形(jxng)波）。,图6.2.8 用施密特触发器实现(shxin)波形变换,6.2.3 施密特触发器的应用,返回,2006年,17,*,第十七页，共七十五页。,2.脉冲(michng)整形,在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，或者边沿产生振荡等。通过施密特触发器整形，可以(ky)获得比较理想的矩形脉冲波形。,图6.2.9 脉冲(michng)整形,波形畸变,边沿振荡,返回,2006年,18,*,第十八页，共七十五页。,3脉冲(michng)鉴幅,将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些幅度大于VT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。可见，施密特触发器具有(jyu)脉冲鉴幅能力。,图6.2.10 脉冲(michng)鉴幅,返回,2006年,19,*,第十九页，共七十五页。,6.3 单稳态触发器,工作特点：第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；第二，在外加(wiji)脉冲作用下，触发器能从稳态翻转到暂稳态；第三，在暂稳态维持一段时间后，将自动返回稳态，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外加触发信号无关。,返回(fnhu),2006年,20,*,第二十页，共七十五页。,1.电路(dinl)组成及工作原理,暂稳态是靠RC电路的充放电过程来维持的。由于图示电路的RC电路接成微分电路形式(xngsh)，故该电路又称为微分型单稳态触发器。,图6.3.1 微分(wi fn)型单稳态触发器,6.3.1 用门电路构成的单稳态触发器,返回,2006年,21,*,第二十一页，共七十五页。,（1）输入(shr)信号uI为0时，电路处于稳态。uI2=VDD，uO=VOL=0，uO1VOH=VDD。,（2）外加触发信号，电路翻转到暂稳态。当uI产生正跳变时，uO1产生负跳变，经过电容(dinrng)C耦合，使uI2产生负跳变，G2输出uO产生正跳变；uO的正跳变反馈到G1输入端，从而导致如下正反馈过程：,返回(fnhu),2006年,22,*,第二十二页，共七十五页。,使电路迅速变为G1导通、G2截止的状态，此时，电路处于(chy)uO1=VOL、uO=uO2=VOH的状态。然而这一状态是不能长久保持的，故称为暂稳态。,返回(fnhu),2006年,23,*,第二十三页，共七十五页。,（3）电容C充电，电路由暂稳态自动(zdng)返回稳态。,在暂稳态期间，VDD经R对C充电(chng din)，使uI2上升。当uI2上升达到G2的VTH时，电路会发生如下正反馈过程：,返回(fnhu),2006年,24,*,第二十四页，共七十五页。,使电路迅速(xn s)由暂稳态返回稳态，uO1=VOH、uO=uO2=VOL。,从暂稳态自动返回稳态之后，电容C将通过电阻R放电(fng din)，使电容上的电压恢复到稳态时的初始值。,返回(fnhu),2006年,25,*,第二十五页，共七十五页。,图6.3.2 图6.3.1电路(dinl)的电压波形图,返回(fnhu),2006年,26,*,第二十六页，共七十五页。,2.主要参数,（1）输出脉冲宽度tw 输出脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间(shjin)。根据uI2的波形可以计算出：tw 0.7RC,（2）恢复时间tre 暂稳态结束后，电路(dinl)需要一段时间恢复到初始状态。一般，恢复时间tre为（35）放电时间常数（通常放电时间常数远小于RC）。,返回(fnhu),2006年,27,*,第二十七页，共七十五页。,设触发信号的时间间隔为T，为了使单稳态触发器能够正常工作，应当(yngdng)满足Ttw+tre的条件，即Tmin=tw+tre。因此，单稳态触发器的最高工作频率为 fmax=1/Tmin=1/（tw+tre）,在使用(shyng)微分型单稳态触发器时，输入触发脉冲uI的宽度tw1应小于输出脉冲的宽度tw，即tw1tw，否则电路不能正常工作。如出现tw1tw的情况时，可在触发信号源uI和G1输入端之间接入一个RC微分电路。,3.对输入触发脉冲(michng)宽度的要求,（3）最高工作频率fmax（或最小工作周期Tmin）,2006年,28,*,第二十八页，共七十五页。,4.积分(jfn)型单稳态触发器,图6.3.5 积分(jfn)型单稳态触发器,返回(fnhu),2006年,29,*,第二十九页，共七十五页。,图6.3.6 图6.3.5电路(dinl)的电压波形图,返回(fnhu),2006年,30,*,第三十页，共七十五页。,用集成门电路构成(guchng)的单稳态触发器虽然电路简单，但输出脉冲宽度的稳定性较差，调节范围小，而且触发方式单一。因此实际应用中常采用集成单稳态触发器。,1.输入脉冲触发(chf)方式,上升(shngshng)沿触发下降沿触发,6.3.2 集成单稳态触发器,返回,2006年,31,*,第三十一页，共七十五页。,2.不可重复(chngf)触发型与可重复(chngf)触发型,图（a）为不可重复型触发单稳态触发器该电路在触发进入暂稳态期间如再次(zi c)受到触发，对原暂稳态时间没有影响，输出脉冲宽度tw仍从第一次触发开始计算。,图（b）为可重复触发型单稳态触发器 该电路在触发进入暂稳态期间如再次被触发，则输出脉冲(michng)宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽tw。,因此，采用可重复触发单稳态触发器时能比较方便地得到持续时间更长的输出脉冲宽度。,2006年,32,*,第三十二页，共七十五页。,3.TTL集成单稳态触发器电路(dinl)74121的功能及其应用,74121是一种不可重复触发的单稳态触发器，它既可采用上升沿触发，又可采用下降沿触发，其内部还设有定时(dn sh)电阻Rint(约为2k)。,表6-1 74121电路(dinl)的功能表,图6-16 74121的电路符号,触发输入端,输出端,外接定时元件引脚,内部电阻引脚,2006年,33,*,第三十三页，共七十五页。,功能(gngnng)：,（1）触发(chf)方式：,2006年,34,*,第三十四页，共七十五页。,图6-17 74121应用(yngyng)电路,（2）定时(dn sh)元件接法：,输出脉冲uO的宽度：tw 0.7RCext外接