第七章 脈沖波形的整形與產生

1、第七章第七章 脈沖波形的產生與整形脈沖波形的產生與整形2本章教學內容 門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器工作原理及相關應用施密特觸發(fā)器工作原理及相關應用 555定時電路及其應用定時電路及其應用37.1 概述 7.1.1 脈沖信號的特點 矩形脈沖波的幾個參數(shù)：矩形脈沖波的幾個參數(shù)： 電壓幅度電壓幅度、 上升時間上升時間、下降時間下降時間、周期周期、脈寬脈寬、脈沖占空比脈沖占空比。4 7.1.2 脈沖產生與整形電路的基本分析方法脈沖產生與整形電路的基本分析方法 不管是脈沖產生電路還是整形電路，都會包含開關元件（或開關電路）不管是脈沖產生電路還是

2、整形電路，都會包含開關元件（或開關電路）和惰性電路單元，開關元件的通斷使電路實現(xiàn)不同狀態(tài)的轉換，而惰性電和惰性電路單元，開關元件的通斷使電路實現(xiàn)不同狀態(tài)的轉換，而惰性電路則用來控制暫態(tài)變化過程的快慢。路則用來控制暫態(tài)變化過程的快慢。設初始時刻開關設初始時刻開關K與端點與端點a相相連，電源通過電阻向電容充連，電源通過電阻向電容充電，電， 5 5 7.1.2 脈沖產生與整形電路的基本分析方法脈沖產生與整形電路的基本分析方法/ teXXXtX)()(0)()(三要素公式三要素公式：)(0CVTVmt從暫態(tài)過程的初始值從暫態(tài)過程的初始值變到變到所經歷的時間所經歷的時間為：為：TCCCm)()(0)(V

3、VVVlnRCt67.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有如下特點：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有如下特點： 第一，電路有第一，電路有一個穩(wěn)定態(tài)一個穩(wěn)定態(tài)和一個和一個暫穩(wěn)態(tài)暫穩(wěn)態(tài)。無信號觸發(fā)時電路。無信號觸發(fā)時電路長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。第二，在外來觸發(fā)脈沖信號作用下，電路由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉到第二，在外來觸發(fā)脈沖信號作用下，電路由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉到暫穩(wěn)狀態(tài)。經過一段時間后，電路會自動返回到穩(wěn)定狀態(tài)。暫穩(wěn)狀態(tài)。經過一段時間后，電路會自動返回到穩(wěn)定狀態(tài)。第三，暫穩(wěn)狀態(tài)持續(xù)時間的長短取決于電路的第三，暫穩(wěn)狀態(tài)持續(xù)時間的長短取決于電路的定時元件參數(shù)定時元件參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關。與觸發(fā)脈沖的寬度和

4、幅度無關。1、整形整形輸出矩形波。輸出矩形波。2、定時定時輸出一定寬度的矩形波。輸出一定寬度的矩形波。3、延時延時將輸入信號延長一定時間后輸出。將輸入信號延長一定時間后輸出。用途：用途：7 7.2.1 用門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器按按RC電路不同，可將門電路構成的單穩(wěn)態(tài)電路不同，可將門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為觸發(fā)器分為微分型微分型和和積分型積分型兩種兩種 一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 工作原理工作原理（此電路用負窄脈沖觸發(fā)）UI UO1UI2UO說 明接通電源不觸發(fā)0UOH1001穩(wěn)態(tài)：UO=1C中無電荷觸發(fā)觸發(fā)0110暫態(tài)：UO=0C充電UI2 =V

5、TH10101返回穩(wěn)態(tài)：UO=1C放電UI2 011001恢復為起始穩(wěn)態(tài) C中無電荷微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路8 8 7.2.1 用門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 ttttuIuO 1uI2uOVthtWtre7.2.2 微 分 型 單 穩(wěn)態(tài) 觸 發(fā) 器 工 作 波 形DDthOLDDOHVVuVu21, 0,RCVVVRCTDDW69. 0210lnDDDD由由CMOSCMOS電路可知電路可知由公式由公式（7.1.2）可求得該電路）可求得該電路暫態(tài)持續(xù)時間暫態(tài)持續(xù)時間TW。 暫態(tài)時間分析暫態(tài)時間分析：9 9 7.2.1 用門電路構成

6、的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器二、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器二、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 工作原理工作原理（此電路用寬正脈沖觸發(fā)）積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路UI UI2UO說 明接通電源不觸發(fā)10VCC1自然穩(wěn)態(tài)：UO=1觸發(fā)10VCC0暫穩(wěn)態(tài)：UO=01返回穩(wěn)態(tài)：UO=1C放電UAVTH恢復為自然穩(wěn)態(tài)10不觸發(fā)10VCC1UO=1UO110 7.2.1 用門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器二、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器二、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 tUItUO1tUI2tUOVTHTTRTreTwTd輸出脈寬輸出脈寬 TW 和幅度和幅度 UOmRCVVVRCtDDW69. 0210lnDDDDUo

7、m = UOH -UOL電路工作波形如圖所示：電路工作波形如圖所示：11 7.2.2 7.2.2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一一、74LS121： 是一種典型的不可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種典型的不可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 12 7.2.2 7.2.2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一一、74LS121： 是一種典型的不可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種典型的不可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1A2ABQ QQ Q表表7.2.1 74LS121的功能表的功能表輸入輸入輸出輸出說明說明B0101保持穩(wěn)保持穩(wěn)態(tài)態(tài)0101001110111下降沿下降沿觸發(fā)觸發(fā)1110上升沿上升沿觸發(fā)觸發(fā)013 7.2.2

8、7.2.2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一一、74LS121： 是一種典型的不可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種典型的不可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 圖圖7.2.5 定時元件定時元件連接方式連接方式圖（圖（b）采用了）采用了74LS121內置的內置的2K電阻電阻 圖（圖（a a）中外接電阻）中外接電阻取值在取值在1.430K1.430K之間之間外接電容取值在外接電容取值在10PF10F之間，得到的脈沖寬度之間，得到的脈沖寬度范圍為范圍為20ns200ms， 輸出的脈沖寬度由下式確定輸出的脈沖寬度由下式確定:2TTWlnCRt14 7.2.2 7.2.2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器二、二、74LS

9、122 是一種比較典型的可重復觸發(fā)是一種比較典型的可重復觸發(fā)TTLTTL單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 下降沿觸發(fā)下降沿觸發(fā)有效有效 上升沿觸發(fā)上升沿觸發(fā)有效有效 低電低電平有平有效的效的直接直接復位復位輸入輸入端端 15 7.2.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應用舉例單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應用舉例1.延時與定時延時與定時16 7.2.3 應用舉例應用舉例2整形整形17177.3 多諧振蕩器 7.3.1 用門電路構成多諧振蕩器用門電路構成多諧振蕩器 多諧振蕩器特點：多諧振蕩器特點：不需外加觸發(fā)信號，通電后，能自動輸出矩形脈沖波不需外加觸發(fā)信號，通電后，能自動輸出矩形脈沖波11uI1uOuO1RC圖 7.3.1 CMOS非

10、門 構 成 的多 諧 振 蕩 器12工作原理：工作原理：接下來：電路由UO1、R、UI1向C充電，假設，某一時刻，電路出現(xiàn)門1截止、門2導通的狀態(tài)，此為暫態(tài)：U UO1O1=1=1、U UO2O2=0=0，且thIVu11Iu上升，直到其上升到非門的閾值電壓thV電路出現(xiàn)門1導通、門2截止的狀態(tài)，則進入暫態(tài)暫態(tài) ： UO1=0、UO2=1 隨后C反向放電，直到UI2下降，再次到達閾值電壓，電路又回到暫態(tài)注意：在門注意：在門2截止的瞬間，由于截止的瞬間，由于UO2向上向上跳變，會引起跳變，會引起UI2也向上跳變相同的值也向上跳變相同的值18 7.3.1 用門電路構成多諧振蕩器用門電路構成多諧振蕩

11、器 振蕩周期的計算：振蕩周期的計算：tttuIuO1uOVthtW1tW2圖7.3.2 CMOS非門構成的多諧振蕩器工作波形VDD+VD(ON)-VD(ON)該電路的放電時間該電路的放電時間 2ln210)(0lnDD)(DD1RCVVVRCtONDW電路的充電時間電路的充電時間 2ln21)(lnDD)(DD2RCVVVVRCtDDONDW電路的振蕩周期為電路的振蕩周期為 21WWttTDDthVV211919 7.3.2 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器 圖7.3.3 石英晶體電抗頻率特性和石英晶體符號X電容性0電容性電感性f0(a)電抗頻率特性(b)符號f 石英晶體諧振器是在石英晶體

12、柱上切下一片石英晶片，在石英晶體諧振器是在石英晶體柱上切下一片石英晶片，在其兩面涂上銀層作為電極，兩電極各自焊出的引線固定在管腳其兩面涂上銀層作為電極，兩電極各自焊出的引線固定在管腳上，這樣就構成了一個石英晶振上，這樣就構成了一個石英晶振制作工藝：制作工藝：工作原理：工作原理：壓電效應壓電效應電抗頻率特性：電抗頻率特性：0ff 0f當外加電壓的頻率當外加電壓的頻率時，石英晶體的電抗時，石英晶體的電抗X=0，其余，其余頻率時電抗都很大。石英晶體不頻率時電抗都很大。石英晶體不僅僅選頻特性選頻特性極好，而且諧振頻率極好，而且諧振頻率十分穩(wěn)定，其穩(wěn)定度可達十分穩(wěn)定，其穩(wěn)定度可達10-1010-11。

13、2020 7.3.2 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器 11uI1uOuO1RC圖7.3.4 石英晶體多諧振蕩器1213在前面的圖在前面的圖7.3.1中的電容支路中中的電容支路中串聯(lián)一個石英晶體，就構成了一串聯(lián)一個石英晶體，就構成了一個晶體振蕩器個晶體振蕩器 由于串聯(lián)在兩級放大電路中間的石英晶體具有極好的由于串聯(lián)在兩級放大電路中間的石英晶體具有極好的選頻特性，只有頻率為選頻特性，只有頻率為f0的信號能夠反饋到門的信號能夠反饋到門1的輸入端，的輸入端，滿足振蕩條件，所以接通電源后電路就會在石英晶體的諧滿足振蕩條件，所以接通電源后電路就會在石英晶體的諧振頻率振頻率f f0 0處形成自激振蕩。處

14、形成自激振蕩。 實際使用時常在輸出端再加一個反實際使用時常在輸出端再加一個反相器，如門相器，如門3，它既起整形作用，它既起整形作用使輸出波形更接近矩形波，又起使輸出波形更接近矩形波，又起緩沖隔離作用。緩沖隔離作用。2121 7.3.2 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器 門門2是整形緩沖用反相器，用于將是整形緩沖用反相器，用于將門門1輸出的正弦波變成矩形脈沖，輸出的正弦波變成矩形脈沖，同時也可以隔離負載對振蕩電路同時也可以隔離負載對振蕩電路工作的影響。工作的影響。門門1與與RF、晶體、晶體、C1、C2構成電容三構成電容三點式振蕩電路。點式振蕩電路。 11uORF10MOC1550pF圖7.3

15、.5 CMOS石英晶體多諧振蕩器12C220pF改變改變C1可以微調振蕩頻可以微調振蕩頻率、。率、。 C2是溫度補償是溫度補償用電容用電容C1、晶體、晶體、C2構構成型選頻正反饋成型選頻正反饋網(wǎng)絡，電路只能網(wǎng)絡，電路只能在在晶體的諧振頻晶體的諧振頻率率處自激振蕩處自激振蕩2222 7.3.3 應用舉例應用舉例 標稱頻率為標稱頻率為32768Hz的石英晶體構的石英晶體構成成CMOS石英晶體振蕩器，它可以石英晶體振蕩器，它可以產生頻率為產生頻率為32768Hz的基頻的基頻0f15片片T觸發(fā)器構成異步觸發(fā)器構成異步計數(shù)器，由它分頻后便計數(shù)器，由它分頻后便可得到穩(wěn)定度極高的秒可得到穩(wěn)定度極高的秒信號。

16、這種秒信號可做信號。這種秒信號可做為各種計時系統(tǒng)的基準為各種計時系統(tǒng)的基準信號源。信號源。237.4 施密特觸發(fā)器 施密特施密特觸發(fā)器觸發(fā)器特點：特點：第一，電路有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，表示為第一，電路有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，表示為和和。 第二，電路狀態(tài)由第二，電路狀態(tài)由變?yōu)樽優(yōu)榕c由與由變?yōu)樽優(yōu)樗璧妮斎胗|發(fā)電平所需的輸入觸發(fā)電平是不同的，施密特觸發(fā)器實際是一種具有是不同的，施密特觸發(fā)器實際是一種具有回滯特性回滯特性的門電路的門電路 第三，根據(jù)輸出與輸入電壓的相位關系，可分為第三，根據(jù)輸出與輸入電壓的相位關系，可分為同相同相施密特觸施密特觸發(fā)器和發(fā)器和反相反相施密特觸發(fā)器兩種施密特觸發(fā)器兩種上限閾上限閾值電壓

17、值電壓 下限閾下限閾值電壓值電壓 兩者之差稱為回兩者之差稱為回差電壓差電壓 TV24UO1UI1UIUO11R2R1G1G27.4.1 用門電路構成用門電路構成施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器一、構成一、構成UIUO1UO說 明UI =00010同相施密特觸發(fā)器* UI上升過程中VT+VT-VTH010110VT-VTH=VT-=VTHG1、G2門將要翻轉UO突變1UI1（用CMOS非門）= = = = 二、工作原理二、工作原理VT+VTH0110VT-= 電路中電流流向和電位情況見圖。7.4.1 用門電路構成用門電路構成施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器272、求、求VT-UOL1UI，G1R1R2UIG21

18、UO在UI從最大值開始下降時，UO=UOH。UOHVTH VT- 從求從求UI ,入手求入手求VT- ：UI , = UTH = UOH UR2 =VT- =R2R1+R2VTH R2R1UOHR2R1+R2 UOH （UOH VT ）又：故：UOH = VDD； VTH = VDD12 VT- =（1 ）VTHR1R2電路中電流流向和電位情況見圖。在UI VT+ ， UI , VTH ，G1、G2 門要翻轉前的瞬間，= = 7.4.1 用門電路構成用門電路構成施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器283、求回差電壓、求回差電壓VTVT =VT+ - VT- = 2 VTH R1R2=R1R2VDD當VDD

19、一定時，調R1、R2 ，可調UT ，即可調VT+ VT-，可調UO脈寬。五、施密特觸發(fā)器邏輯符號五、施密特觸發(fā)器邏輯符號11&17.4.1 用門電路構成用門電路構成施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器29 7.4.2 集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器1、CMOS集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器3030 7.4.2 集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器1、CMOS集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器表表7.4.1 CC401067.4.1 CC40106、CC4093CC4093主要靜態(tài)參數(shù)主要靜態(tài)參數(shù)電參數(shù)名稱電參數(shù)名稱符號符號測試條件測試條件參數(shù)參數(shù)單位單位VDD/V最小值最小值最大值最大值上限閾值電上

20、限閾值電壓壓VT+5 5101015152.22.24.64.66.86.83.63.67.17.110.810.8V V下限閾值電下限閾值電壓壓VT-5 5101015150.90.92.52.54 42.82.85.25.27.47.4V V滯回電壓滯回電壓VT5 5101015150.30.31.21.21.61.61.61.63.43.45 5V V3131 7.4.2 集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器2、TTL集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器3232 7.4.2 集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器2、TTL集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器表表7.4.2 TTL7.4.2 TTL施密特觸

21、發(fā)門電路幾個主要參數(shù)的典型值施密特觸發(fā)門電路幾個主要參數(shù)的典型值電路名電路名稱稱型號型號典型延典型延遲時間遲時間/ns/ns典型每典型每門功耗門功耗/ /mWmW典型典型VT+/V典型典型VT-/V典型典型VT /V六反相六反相緩沖器緩沖器7414741474LS1474LS141515151525.525.58.68.61.71.71.61.60.90.90.80.80.80.80.80.8四四2 2輸入輸入與非門與非門741327413274LS13274LS1321515151525.525.58.88.81.71.71.61.60.90.90.80.80.80.80.80.8雙雙4 4

22、輸入輸入與非門與非門7413741374LS1374LS1316.516.516.516.542.542.58.758.751.71.71.61.60.70.70.80.80.80.80.80.833 7.4.3 施密特觸發(fā)器主要應用施密特觸發(fā)器主要應用一、用于波形變換一、用于波形變換例：已知UI為半波，UI m= 9V，電路的VT+ =6V， VT-=3VUOH =VDD，試畫UO波形。963VT+VT-VDDVDD11UI（V）totUOotUOo34二、用于脈沖整形二、用于脈沖整形UItOUOtOUItOUOtOUItOUOtOVT+VT-VT+VT-VT+VT-11三、用于脈沖三、用于

23、脈沖鑒幅鑒幅 7.4.3 施密特觸發(fā)器主要應用施密特觸發(fā)器主要應用35 7.4.3 施密特觸發(fā)器主要應用施密特觸發(fā)器主要應用四、四、用作多諧振蕩器用作多諧振蕩器圖7.4.8 施密特觸發(fā)器構成多諧振蕩器（b）（a）IuOu1RCTVTVIutOu0t0電容電容C的充放電引起的充放電引起UI的變化，從而完成的變化，從而完成UO的振蕩的振蕩電容電容C充電充電電容電容C放電放電電電36367.5 555定時電路及其應用 7.5.1 555定時器內部電路結構與工作原理定時器內部電路結構與工作原理一、一、555定時器內部電路結構定時器內部電路結構三個三個阻值阻值為的為的串聯(lián)串聯(lián)電阻電阻構成構成分壓分壓裝置

24、裝置 C1和和C2為兩個電為兩個電壓比較器壓比較器 輸出緩沖器輸出緩沖器G3 由由G1和和G2兩個兩個與非門構成基本與非門構成基本觸發(fā)器觸發(fā)器 放電晶體管放電晶體管 TD復位端復位端377.5.1 555定時器內部電路定時器內部電路結構與工作原理結構與工作原理二、二、555定時器工作原理定時器工作原理輸輸 入入過 渡輸 出RDU6U2RdSdQTD狀態(tài)0XXX X 導通123VCC23VCC13VCC導通113VCC截止123VCC13VCC保持 表表 1 CB555功能表（功能表（CO端懸空時）端懸空時）011011001RdSd38當CO端接有UCO 時：12UCO ，VR2 =說明：說明

25、：VR1 =UCO、換為13VCC將上述分析中的 換為23VCC12UCO ，所有結論仍成立。電路符號電路符號555 定時器的電源電壓范圍較寬，CMOS類：VDD為318伏，（UOHVDD95% ，IOm4mA）TTL類： VCC為516伏，（UOHVCC90%）， IOm200mA）UOTHTDCOVCC12345678555TRRDGNDUCO ，7.5.1 555定時器內部電路結構與工作原理定時器內部電路結構與工作原理二、二、555定時器工作原理定時器工作原理397.5.2 555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器RP、CP構構成微成微分電分電路路 負窄脈沖觸負窄脈沖觸發(fā)發(fā)

26、40UO+VCC123456785550.01uFRCUI+-二、工作原理二、工作原理U2 = UI ，和 比較；13VCCU6 = UC，和 比較。23VCC要求觸發(fā)信號為負的窄脈沖CUCU6（UC）U2（UI）UO（Q）TD說 明充電=23VCC23VCC13VCC0導通 穩(wěn)態(tài)：UO =0放電= 023VCC13VCC保 持接通VCC 不觸發(fā)UI=1023VCC13VCC23VCC13VCC0導通 返回：UO =0放電= 023VCC13VCC保 持UI =1無電荷觸發(fā)7.5.2 555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器41總之：不觸發(fā)，UO=0；UO=1維持一段時間又返回UO=0充電回路：VCC+RC VCC- -（充電慢）放電回路：C+ TD C - -（放電快）三、電壓波形三、電壓波形tUITW23VCC tUOtUCTWRC ln VCC-02VCC -3VCC TWRC ln3 = 1.1RC觸發(fā), UO=1注意；第二次觸發(fā)必須在第一次觸發(fā)穩(wěn)定之后進行。7.5.2 555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器427.5.3 555定時器構成的定時器構成的施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器二、工作原理二、工作原理（設：UI為模擬三角波）UIU6 U2UO23VCC23