脈沖產(chǎn)生與整形電路

1、第6章 脈沖波形的 產(chǎn)生與整形,6.1 概述,一、脈沖信號(hào),脈沖是脈動(dòng)和短促的意思，凡是具有不連續(xù)波形的信號(hào)均可稱為脈沖信號(hào)。廣義講，各種非正弦信號(hào)都是脈沖信號(hào),6.1 概述,在數(shù)字系統(tǒng)中常常需要用到各種幅度、寬度以及具有陡峭邊沿的矩形脈沖信號(hào)，如觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖（CP）。 獲取這些脈沖信號(hào)的方法通常有兩種： 脈沖產(chǎn)生電路直接產(chǎn)生； 利用已有的周期信號(hào)整形、變換得到,6.1 概述,二、脈沖信號(hào)的參數(shù),脈沖幅度,脈沖周期,脈沖寬度,上升時(shí)間,下降時(shí)間,占空比D脈沖寬度與脈沖周期的比值，DtW/T,6.1 概述,三、脈沖產(chǎn)生電路的暫態(tài)分析,脈沖波形產(chǎn)生與整形電路多是由RC充放電電路構(gòu)成的,開(kāi)關(guān)閉合

2、的一瞬間，電容器上電壓不能突變，滿足開(kāi)關(guān)定理UC(0+)=UC(0-)。 充電暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后，流過(guò)電容器的電流iC()為0，即電容器相當(dāng)于開(kāi)路,令uC(tW)=UT，則從暫態(tài)過(guò)程的起始值UC(0+)變到UT所經(jīng)歷的時(shí)間tW（脈沖寬度）可用下式計(jì)算,電路的時(shí)間常數(shù)=RC，決定了暫態(tài)時(shí)間的長(zhǎng)短。根據(jù)三要素公式，可以得到電壓隨時(shí)間變化的方程為,6.1 概述,一、555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu),6.2 555定時(shí)器,555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字模擬混合集成電路，可以方便地構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器和多諧振蕩器。 雙極型產(chǎn)品型號(hào)最后數(shù)碼為555，CMOS型產(chǎn)品型號(hào)最后數(shù)碼為7555。其功能和外部引腳排列完

3、全相同,6.2 555定時(shí)器,1.分壓器,電壓控制端,5腳懸空時(shí)， ，,5腳外接控制電壓UCO時(shí)，,注：當(dāng)5腳不加控制電壓時(shí)，通常經(jīng)過(guò)一個(gè)0.01F的電容接地，以抑制干擾,6.2 555定時(shí)器,2.電壓比較器,閾值輸入端,觸發(fā)輸入端,3.基本RS觸發(fā)器,異步清零端,6.2 555定時(shí)器,4.放電三極管,VT是一個(gè)集電極開(kāi)路的放電三極管,二、555定時(shí)器的功能,6.2 555定時(shí)器,5腳不外接控制電壓,定時(shí)器的主要功能取決于兩個(gè)比較器輸出對(duì)RS觸發(fā)器和放電管VT狀態(tài)的控制,6.2 555定時(shí)器,555定時(shí)器功能表,5腳不接控制電壓，則 ，,6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種常用的脈沖整形電

4、路，簡(jiǎn)稱單穩(wěn),由外界觸發(fā),自動(dòng)返回,工作特性,它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)不同的工作狀態(tài)； 在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間以后，電路能自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)； 暫穩(wěn)態(tài)不能長(zhǎng)久保持，其維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路自身參數(shù)，與外界觸發(fā)脈沖無(wú)關(guān),6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,一、門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,1,1,VDD,Cd,Rd,R,C,vd,vo1,vo,vi2,6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,二、555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,5腳經(jīng)過(guò)0.01F電容接地，則 ，,6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,1.工作原理,穩(wěn)態(tài)： 無(wú)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，uI為高電平。電容先充電后放電， 當(dāng)uC0時(shí)，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)：uO0,暫穩(wěn)態(tài)： u

5、2觸發(fā)脈沖下降沿到達(dá)時(shí)（ ），電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，uO1。當(dāng) 時(shí)，uO0，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束,6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,1.工作原理,恢復(fù)期： VT導(dǎo)通，電容C迅速放電，直到使uC0，電路又恢復(fù)到穩(wěn)態(tài),6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,1.工作原理,6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,波形圖,電路對(duì)輸入觸發(fā)脈沖的寬度有一定要求，它必須小于tW。若輸入觸發(fā)脈沖寬度大于tW時(shí)，應(yīng)在u2輸入端加入微分電路,因此可得,6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,2.輸出脈沖寬度tW,輸出脈沖寬度tW是暫穩(wěn)態(tài)的停留時(shí)間，即電容C的電壓從0充電到 所需的時(shí)間。根據(jù)電容C的充電過(guò)程可知,上式說(shuō)明：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tW僅決定于定時(shí)元件R、C的取值，且成正比關(guān)系，而

6、與輸入觸發(fā)信號(hào)和電源電壓無(wú)關(guān)，因此調(diào)節(jié)R、C的大小，即可方便地改變tW。 矩形脈沖的周期與輸入的觸發(fā)信號(hào)周期相同,6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,三、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用,1.脈沖整形,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠把輸入的不規(guī)則脈沖信號(hào)uI，整形為具有一定幅度和一定寬度的標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖uO。uO的幅度取決于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的高、低電平，寬度tW決定于定時(shí)元件R和C,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的整形波形,6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,2.脈沖延時(shí),脈沖延時(shí)電路一般要用兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器完成。延時(shí)時(shí)間為tW1，它決定于第一級(jí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí)元件R和C,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時(shí)波形,6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,3.定時(shí),由于單穩(wěn)觸發(fā)器可產(chǎn)生寬度為tW的矩形脈沖

7、，利用這個(gè)矩形脈沖去控制某電路使它在tW的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作或不動(dòng)作，這就是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí)作用。定時(shí)時(shí)間為tW，可通過(guò)調(diào)節(jié)定時(shí)元件R和C來(lái)調(diào)節(jié)定時(shí)時(shí)間,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí)波形,6.4 施密特觸發(fā)器,施密特觸發(fā)器是又一種常用的脈沖信號(hào)整形電路,工作特性,具有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)； 屬于電平觸發(fā)，緩慢變化的信號(hào)也可以作為輸入信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到某一特定值時(shí)，輸出電平就發(fā)生突變； 輸入信號(hào)從低電平上升時(shí)，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與輸入信號(hào)從高電平下降時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同,電壓傳輸特性,輸入信號(hào)上升時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換電平U+ ，稱為正向閾值電壓； 輸入信號(hào)下降時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換電平U ，稱為負(fù)向閾值電壓； 差值UU+U

8、-，稱為回差電壓,6.4 施密特觸發(fā)器,一、門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器,1,R1,vo,1,vi1,vi,R2,vo1,vi,vo1,vo,vOH,vOL,vOL,vOH,v,v,反向輸出施密特觸發(fā)器,6.4 施密特觸發(fā)器,二、555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器,1.電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào),2.工作原理,6.4 施密特觸發(fā)器,5腳經(jīng)過(guò)0.01F電容接地，則 ，,2.工作原理,6.4 施密特觸發(fā)器,1)上升過(guò)程： 時(shí)，uO1； 時(shí)，uO保持不變； 時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)uO0,2.工作原理,6.4 施密特觸發(fā)器,2)下降過(guò)程： 時(shí)，uO0； 時(shí)，uO保持不變； 時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)uO1,綜之： 當(dāng)5腳不接控制電壓時(shí)， 當(dāng)

9、5腳接控制電壓UCO時(shí)，比較電壓變?yōu)閁CO和（1/2）UCO,2.工作原理,6.4 施密特觸發(fā)器,6.4 施密特觸發(fā)器,三、施密特觸發(fā)器的應(yīng)用,1.波形變換,施密特觸發(fā)器可以將邊沿變化緩慢的周期性信號(hào)變換成邊沿陡峭的矩形脈沖信號(hào),6.4 施密特觸發(fā)器,2.波形整形,施密特觸發(fā)器可以將不規(guī)則的波形整形為矩形波。若適當(dāng)增大回差電壓，可提高電路的抗干擾能力。回差電壓是由5腳接入的控制電壓UCO來(lái)控制的,從一系列幅度不同的脈沖信號(hào)中選出幅度大于正向閾值電壓U+的輸入脈沖， 即對(duì)幅度進(jìn)行鑒別,6.4 施密特觸發(fā)器,3.幅度鑒別,同向輸出施密特觸發(fā)器,6.4 施密特觸發(fā)器,4.構(gòu)成多諧振蕩器,工作原理：

10、電容上初始電壓為零，即uI0，則uO1，并經(jīng)R向C充電，當(dāng)充至uIU+時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)uO0。電容C又經(jīng)R進(jìn)行放電，當(dāng)放電至uIU-時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)uO1,6.5 多諧振蕩器,多諧振蕩器是一種常用的脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路,工作特性,無(wú)穩(wěn)態(tài)，具有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)； 自激振蕩器在接通電源后，不需外加觸發(fā)信號(hào)，便能自動(dòng)產(chǎn)生矩形脈沖； 矩形波中除基波外，還含有豐富的高次諧波故稱為多諧振蕩器,自動(dòng)觸發(fā),自動(dòng)返回,6.5 多諧振蕩器,一、門電路構(gòu)成的多諧振蕩器,1,vo,1,R,C,vi,vo1,6.5 多諧振蕩器,二、555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器,1.電路結(jié)構(gòu),6.5 多諧振蕩器,2.工作原理,接通電源后，電容C來(lái)不及充電

11、，uc0，則uO1(第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài))，VT截止。這時(shí)Ucc經(jīng)R1和R2向C充電，當(dāng)充至uc2/3Ucc時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)uO0(第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài))，VT導(dǎo)通；這時(shí)電容C經(jīng)R2和VT放電，當(dāng)降至uc1/3Ucc時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)uO1,6.5 多諧振蕩器,3.參數(shù)的估算,電容充電時(shí)間T1,電容放電時(shí)間T2,電路振蕩周期T,電路振蕩頻率f,通過(guò)改變R、C的參數(shù)可改變振蕩周期和振蕩頻率,輸出波形占空比D,6.5 多諧振蕩器,若R2R1，則D1/2，即輸出為對(duì)稱方波,D50,6.5 多諧振蕩器,4.改進(jìn)電路占空比可調(diào)的多諧振蕩器,利用二極管的單向?qū)щ娦?，把電容C充電和放電回路隔離開(kāi)來(lái)，再加上一個(gè)可調(diào)電位器RW，便可構(gòu)成

12、占空比可調(diào)的多諧振蕩器,電容充電時(shí)間T1： T10.7R1C,電容放電時(shí)間T2： T20.7R2C,輸出波形占空比D,電路振蕩周期T： TT1+T20.7(R1+R2)C,若R1=R2，則D=50,6.5 多諧振蕩器,5.555定時(shí)器構(gòu)成的振蕩器應(yīng)用實(shí)例模擬聲響發(fā)生器,將振蕩器A的輸出電壓uo1，接到振蕩器B中555定時(shí)器的復(fù)位端（4腳）。當(dāng)uo1為高電平時(shí)振蕩器B振蕩，當(dāng)uo1為低電平時(shí)555定時(shí)器復(fù)位，振蕩器B停止振蕩。這樣，揚(yáng)聲器便發(fā)出“嗚嗚”的間歇聲響,當(dāng)頻率為諧振頻率f0時(shí)，石英晶體的等效阻抗最小，信號(hào)最容易通過(guò)，而其它頻率信號(hào)均被衰減掉。 晶體的選頻特性極好,為了提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，往往使用石英晶體多諧振蕩器,6.5 多諧振蕩器,三、石英晶體多諧振蕩器,555構(gòu)成的多諧振蕩器的特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：工作可靠，調(diào)節(jié)方便。 缺點(diǎn)：振蕩頻率不能太高，一般不超過(guò)幾百千赫； 受電源波動(dòng)、溫度變化等影響，頻率穩(wěn)定性較差,f0只與晶體的材料、幾何形狀和尺寸大小有關(guān)， 而與電路中的R、C數(shù)值無(wú)關(guān)。 輸出頻率穩(wěn)態(tài)性很高,石英晶體的固有頻率或諧振頻率,6.5 多諧振蕩器,石英晶體振蕩器,電阻R1、R2的作用：保證兩個(gè)反相器在靜態(tài)時(shí)都能工作在線性放大區(qū)。對(duì)TTL反相器，常取R0.7k2k，而對(duì)于CMOS門，則常取R10M； C1是耦合電容； C2