2022年醫(yī)學專題-第9章-脈沖信號的產(chǎn)生與整形

第7章脈沖信號(xìnhào)的產(chǎn)生與整形施密特觸發(fā)器多諧振蕩器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器退出(tuìchū)概述(ɡàishù)定時器及其應用返回主目錄第一頁，共四十三頁。

第三節(jié)施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種靠輸入觸發(fā)信號維持的雙穩(wěn)態(tài)電路，其特點是：電路具有兩個穩(wěn)態(tài)。當輸入信號電平升高至上限觸發(fā)電平Vth時，電路翻轉(fānzhuǎn)到第二穩(wěn)態(tài);當輸入觸發(fā)信號降低至下限觸發(fā)電平Vtl時，電路由第二態(tài)返回第一穩(wěn)態(tài)。一、門電路構成的施密特觸發(fā)器

1．電路組成

第二頁，共四十三頁。（3）返回第一穩(wěn)態(tài)

vI從高電平開始下降，當?shù)陀赩TL時，G1關閉，輸出(shūchū)為高電平，G2開通，輸出(shūchū)低電平，電路由第二穩(wěn)態(tài)返回第一穩(wěn)態(tài)。（1)第一穩(wěn)態(tài)

vI=0時，G1關閉(guānbì)，輸出高電平;G2開通，電路處于第一穩(wěn)態(tài)（2）翻轉到第二穩(wěn)態(tài)

vI上升至VTH時，G1開通，輸出為低電平;G2關閉，輸出高電平，電路由第一穩(wěn)態(tài)翻轉到第二穩(wěn)態(tài)。vI繼續(xù)上升，電路仍然保持該穩(wěn)態(tài)。第三頁，共四十三頁。2．基本工作原理回差電平(diànpínɡ)：

上限觸發(fā)電平：

下限觸發(fā)電平：△VT=VTH-VTL第一(dìyī)穩(wěn)態(tài)

第二(dìèr)穩(wěn)態(tài)

vI上升至VTH

vO1=1，vO2=0vI下降至VTL

vO1=0，vO2=1輸出低電平為第一狀態(tài)；輸出高電平為第二狀態(tài)。第四頁，共四十三頁。用工程應施密特觸發(fā)器應用(yìngyòng)廣泛，常用于對脈沖信號進行波形變換、整形處理、幅度鑒別等。波形變換施密特觸發(fā)器可將緩慢變化的信號變換為矩形波。波形整形當脈沖信號在傳輸過程中受到干擾使波形變壞時，可應用施密特觸發(fā)器來整形。幅度鑒別施密特觸發(fā)器常用于對脈沖信號的幅度鑒別。

施密特觸發(fā)器的波形(bōxínɡ)變換施密特觸發(fā)器波形(bōxínɡ)整形施密特觸發(fā)器鑒幅波形(bōxínɡ)第五頁，共四十三頁。概述(ɡàishù)在數(shù)字系統(tǒng)中，獲得脈沖波形的方法主要有兩種：一種是利用多諧振蕩器直接產(chǎn)生；另一種是利用施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構成的整形電路對已有波形進行整形、變換得到。555定時器是一種多用途的集成電路(jíchéng-diànlù)。555定時器只要其外部配接少量阻容元件就可構成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。第六頁，共四十三頁。施密特觸發(fā)器由門電路構成(gòuchéng)的施密特觸發(fā)器集成(jíchénɡ)施密特觸發(fā)器退出(tuìchū)第七頁，共四十三頁。由門電路構成(gòuchéng)的施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種能夠把輸入波形(bōxínɡ)整形成為適合于數(shù)字電路需要的矩形脈沖的電路。0011第八頁，共四十三頁。0111第九頁，共四十三頁。1100第十頁，共四十三頁。0110第十一頁，共四十三頁。0011第十二頁，共四十三頁。下限(xiàxiàn)閾值電壓上限(shàngxiàn)閾值電壓回差電壓(diànyā)（滯后電壓(diànyā)）：ΔUT＝UT＋－UT－前面介紹的施密特觸發(fā)器的回差電壓為：ΔUT＝UT＋－UT－＝UT－(UT－UD)＝UD＝0.7V缺點是回差太小，且不能調(diào)整。第十三頁，共四十三頁。多諧振蕩器對稱(duìchèn)多諧振蕩器不對稱(duìchèn)多諧振蕩器用施密特觸發(fā)器組成(zǔchénɡ)多諧振蕩器退出石英晶體多諧振蕩器第十四頁，共四十三頁。能產(chǎn)生(chǎnshēng)矩形脈沖的自激振蕩電路叫做多諧振蕩器。對稱(duìchèn)多諧振蕩器(本小節(jié)為參考(cānkǎo)內(nèi)容)第十五頁，共四十三頁。不對稱(duìchèn)(CMOS)多諧振蕩器在t1時刻，uo由0變?yōu)?，由于電容電壓不能躍變，故ui1必定跟隨uo發(fā)生正跳變，于是ui2（uo1）由1變?yōu)?。這個低電平保持uo為1，以維持已進入(jìnrù)的這個暫穩(wěn)態(tài)。在這個暫穩(wěn)態(tài)期間，電容C通過電阻R放電，使ui1逐漸下降。在t2時刻，ui1上升到門電路的開啟電壓UT，使uo1（ui2）由0變?yōu)?，uo由1變?yōu)?。同樣由于電容電壓不能躍變，故ui1跟隨uo發(fā)生負跳變，于是ui2（uo1）由0變?yōu)?。這個高電平保持uo為0。至此，第一個暫穩(wěn)態(tài)結束，電路進入第二個暫穩(wěn)態(tài)。第一暫穩(wěn)態(tài)及其自動翻轉的工作(gōngzuò)過程第十六頁，共四十三頁。第二(dìèr)暫穩(wěn)態(tài)及其自動翻轉的工作過程在t2時刻，uo1變?yōu)楦唠娖?，這個高電平通過電阻R對電容C充電。隨著放電的進行，ui1逐漸上升。在t3時刻，ui1上升到UT，使uo（ui1）又由0變?yōu)?，第二個暫穩(wěn)態(tài)結束，電路返回到第一個暫穩(wěn)態(tài)，又開始重復(chóngfù)前面的過程。第十七頁，共四十三頁。

用施密特觸發(fā)器組成(zǔchénɡ)多諧振蕩器(本小節(jié)(xiǎojié)為參考內(nèi)容)第十八頁，共四十三頁。

石英(shíyīng)晶體多諧振蕩器電阻R1、R2的作用是保證兩個反相器在靜態(tài)(jìngtài)時都能工作在線性放大區(qū)。對TTL反相器，常取R1＝R2＝R＝0.7kΩ～2kΩ，而對于CMOS門，則常取R1＝R2＝R＝10kΩ～100kΩ；C1＝C2＝C是耦合電容，它們的容抗在石英晶體諧振頻率f0時可以忽略不計；石英晶體構成選頻環(huán)節(jié)。振蕩頻率等于(děngyú)石英晶體的諧振頻率f0。第十九頁，共四十三頁。本節(jié)小結(xiǎojié)：多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，不需要外加輸入信號，就可以(kěyǐ)自動地產(chǎn)生出矩形脈沖。多諧振蕩器可以由門電路構成，也可以由555定時器構成。由門電路構成的多諧振蕩器和基本RS觸發(fā)器在結構上極為相似，只是用于反饋的耦合網(wǎng)絡不同。RS觸發(fā)器具有兩個穩(wěn)態(tài)，多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，所以又稱為無穩(wěn)電路。在多諧振蕩器中，由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到另一個暫穩(wěn)態(tài)，其“觸發(fā)”信號是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，因此(yīncǐ)無需外加觸發(fā)脈沖。多諧振蕩器的振蕩周期與電路的阻容元件有關。

555定時器是一種應用廣泛、使用靈活的集成器件，多用于脈沖產(chǎn)生、整形及定時等。第二十頁，共四十三頁。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器微分(wēifēn)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成(jíchénɡ)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器利用(lìyòng)施密特觸發(fā)器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器退出單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用第二十一頁，共四十三頁。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中一般用于定時（產(chǎn)生一定寬度(kuāndù)的矩形波）、整形（把不規(guī)則的波形轉換成寬度、幅度都相等的波形）以及延時（把輸入信號延遲一定時間后輸出）等。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有下列特點：（1）電路有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。（2）在外來觸發(fā)脈沖作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長久(chángjiǔ)保持的狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間與觸發(fā)脈沖無關，僅決定于電路本身的參數(shù)。微分(wēifēn)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第二十二頁，共四十三頁。（1）沒有觸發(fā)信號時電路工作在穩(wěn)態(tài)當沒有觸發(fā)信號時，ui為低電平。因為門G2的輸入端經(jīng)電阻R接至VDD，VA為高電平，因此uo2為低電平；門G1的兩個輸入均為0，其輸出uo1為高電平，電容(diànróng)C兩端的電壓接近為0。這是電路的穩(wěn)態(tài)，在觸發(fā)信號到來之前，電路一直處于這個狀態(tài)：uo1＝1，uo2＝0。0011第二十三頁，共四十三頁。110（2）外加觸發(fā)信號使電路由穩(wěn)態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)當正觸發(fā)脈沖ui到來時，門G1輸出uo1由1變?yōu)?。由于電容電壓不能躍變，uA也隨之跳變到低電平，使門G2的輸出uO2變?yōu)?。這個(zhège)高電平反饋到門G1的輸入端，此時即使ui的觸發(fā)信號撤除，仍能維持門G1的低電平輸出。但是電路的這種狀態(tài)是不能長久保持的，所以稱為暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時，uo1＝0，uo2＝1。第二十四頁，共四十三頁。0011（3）電容充電使電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返回(fǎnhuí)到穩(wěn)態(tài)在暫穩(wěn)態(tài)期間，VDD經(jīng)R和G1的導通工作管對C充電，隨著充電的進行，C上的電荷逐漸增多，使uA升高。當uA上升到閾值電壓UT時，G2的輸出uo2由1變?yōu)?。由于這時G1輸入觸發(fā)信號已經(jīng)過去，G1的輸出狀態(tài)只由uo2決定，所以G1又返回到穩(wěn)定的高電平輸出。uA隨之向正方向跳變，加速了G2的輸出向低電平變化。最后使電路退出暫穩(wěn)態(tài)而進入穩(wěn)態(tài)，此時uo1＝1，uo2＝0。脈沖(màichōng)寬度：tp=0.7RC第二十五頁，共四十三頁。電路(diànlù)的改進當ui的寬度很寬時，可在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端加一個RC微分電路(diànlù)，否則，在電路(diànlù)由暫穩(wěn)態(tài)返回到穩(wěn)態(tài)時，由于門G1被ui封住了，會使uo2的下降沿變緩。第二十六頁，共四十三頁。TR-A、TR-B是兩個下降沿有效的觸發(fā)信號輸入端，TR+是上升沿有效的觸發(fā)信號輸入端。Q和是兩個狀態(tài)互補的輸出端。Rext/Cext、Cext是外接定時電阻和電容的連接端，外接定時電阻R（R=1.4kΩ～40kΩ）接在VCC和Rext/Cext之間，外接定時電容C（C=10pF～10μF）接在Cext（正）和Rext/Cext之間。74121內(nèi)部已設置了一個2kΩ的定時電阻，Rin是其引出端，使用時只需將Rin與VCC連接起來即可，不用(bùyòng)時則應將Rin開路。74121的輸出脈沖(màichōng)寬度：tp≈0.7RC

集成(jíchénɡ)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第二十七頁，共四十三頁。*5.4.3利用(lìyòng)施密特觸發(fā)器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器本小節(jié)為參考(cānkǎo)內(nèi)容第二十八頁，共四十三頁。延遲(yánchí)與定時整形(zhěngxíng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用(yìngyòng)第二十九頁，共四十三頁。本節(jié)小結(xiǎojié)：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有一個穩(wěn)態(tài)。由門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和基本(jīběn)RS觸發(fā)器在結構上也極為相似，只有用于反饋的耦合網(wǎng)絡不同。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以由門電路構成，也可以由555定時器構成。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)，其“觸發(fā)”信號也是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供(tígōng)的，暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間即脈沖寬度也由電路的阻容元件決定。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不能自動地產(chǎn)生矩形脈沖，但卻可以把其它形狀的信號變換成為矩形波，用途很廣。第三十頁，共四十三頁。

9.4555定時器及其應用(yìngyòng)

555定時器結構(jiégòu)及功能低電平(diànpínɡ)觸發(fā)端高電平觸發(fā)端電壓控制端復位端低電平有效放電端4.5～16V第三十一頁，共四十三頁。001①R=0時，Q=1，uo=0，T導通。第三十二頁，共四十三頁。①R=0時，Q=1，uo=0，T飽和導通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3時，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T飽和導通。＞2VCC/3＞VCC/300011第三十三頁，共四十三頁。①R=0時，Q=1，uo=0，T飽和導通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3時，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T飽和導通。＜2VCC/3＞VCC/310011③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3時，C1=1、C2=1，Q、Q不變，uo不變，T狀態(tài)不變。110第三十四頁，共四十三頁。①R=0時，Q=1，uo=0，T飽和導通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3時，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T飽和導通。＜2VCC/3＜VCC/311100③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3時，C1=1、C2=1，Q、Q不變，uo不變，T狀態(tài)不變。④R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＜VCC/3時，C1=1、C2=0，Q=0、Q=1，uo=1，T截止。第三十五頁，共四十三頁。用555定時器組成(zǔchénɡ)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第三十六頁，共四十三頁。接通VCC后瞬間，VCC通過R對C充電，當uc上升到2VCC/3時，比較器C1輸出為0，將觸發(fā)器置0，uo＝0。這時Q=1，放電管T導通，C通過T放電，電路進入穩(wěn)態(tài)。

ui到來時，因為ui＜VCC/3，使C2＝0，觸發(fā)器置1，uo又由0變?yōu)?，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。由于此時Q=0，放電管T截止，VCC經(jīng)R對C充電。雖然此時觸發(fā)脈沖已消失，比較器C2的輸出變?yōu)?，但充電繼續(xù)進行，直到uc上升到2VCC/3時，比較器C1輸出為0，將觸發(fā)器置0，電路輸出uo＝0，T導通，C放電，電路恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。第三十七頁，共四十三頁。

用555定時器組成(