第10章脈沖波形的產(chǎn)生

1、 獲取矩形脈沖波形的途徑不外乎有兩種獲取矩形脈沖波形的途徑不外乎有兩種:用多諧振用多諧振蕩器產(chǎn)生蕩器產(chǎn)生;通過整形電路把已有的周期性變化的波通過整形電路把已有的周期性變化的波形變換為符合要求的矩形脈沖。形變換為符合要求的矩形脈沖。第十章脈沖波形的產(chǎn)生與整形第十章脈沖波形的產(chǎn)生與整形10.1 概述概述脈沖周期脈沖周期T周期性重復周期性重復的脈沖序列中，兩個相鄰的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖之間的時間間隔。脈沖之間的時間間隔。脈沖幅度脈沖幅度VM脈沖電壓脈沖電壓的最大變化幅度。的最大變化幅度。脈沖寬度脈沖寬度tw從脈沖前沿從脈沖前沿到達到達0.5VM起，到脈沖后沿起，到脈沖后沿到達到達0.5VM為止的

2、一段時間。為止的一段時間。占空比占空比q脈沖寬度與脈脈沖寬度與脈沖周期的比值，即沖周期的比值，即q=tw/T上升時間上升時間tr脈沖前沿從脈沖前沿從0.1VM上升到上升到0.9VM所需要所需要的時間。的時間。下降時間下降時間tf脈沖后沿從脈沖后沿從0.9VM下降到下降到0.1VM所需要所需要的時間。的時間。電壓傳輸特性電壓傳輸特性10.2施密特觸發(fā)器（施密特觸發(fā)器（Schmitt Trigger） 它是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路具有下述特點它是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路具有下述特點: (1) 屬于電平觸發(fā)屬于電平觸發(fā),當輸入信號達到某一定當輸入信號達到某一定電壓值時電壓值時,輸出電

3、壓會發(fā)生突變輸出電壓會發(fā)生突變;（2）輸入信號增加和減少時，電路有不同）輸入信號增加和減少時，電路有不同的閾值電壓。的閾值電壓。V0VIVT-VT+VOH0假定電路中假定電路中CMOS反相器的閾值電壓反相器的閾值電壓Vth=VDD/2,R1R2,輸入信輸入信號號VI為三角波為三角波,分析工作過程分析工作過程:根據(jù)疊加原根據(jù)疊加原理可寫出理可寫出:Vi1=R2R1+R2VI +R1R1+R2V0 利用這兩個特點不僅能將邊沿變化緩慢利用這兩個特點不僅能將邊沿變化緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在脈沖信號高低電平上的噪且可以將疊加在脈沖信號高低

4、電平上的噪聲有效地清除。聲有效地清除。10.2.1門電路組成的施密特觸發(fā)器門電路組成的施密特觸發(fā)器vi1當當Vi=0V時，時，G1門截止，門截止，G2門導通，輸出端門導通，輸出端V0=0V。此時。此時Vi1=0V。輸入從。輸入從0V電壓逐漸增加，只要電壓逐漸增加，只要Vi1Vth時時,電路狀態(tài)維持電路狀態(tài)維持VO=VDD不變。不變。Vit0VT+VT-tVO0VOH工作波形工作波形Vi繼續(xù)上升至最大值后開始下降繼續(xù)上升至最大值后開始下降,當當Vi1=Vth時時,電路產(chǎn)生如電路產(chǎn)生如下正反饋過程下正反饋過程:Vi1VO1VO結果結果VO迅速回迅速回0Vi1=Vth=R2R1+R2.VT-+R1R

5、1+R2.VDD將將VDD=2Vth代入可得代入可得VT-=(1 -R1R2)VthVIt0VT+VT-tVO0VOH工作波形工作波形VOVI0VT+VT-傳輸特性傳輸特性回差電壓：回差電壓：VT=VT+-VT-*10.2.2 集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器由于施密特觸發(fā)器的應用非常廣泛，所以無論是在由于施密特觸發(fā)器的應用非常廣泛，所以無論是在TTL電路電路中還是在中還是在MOS電路中，都有單片集成的施密特觸發(fā)器產(chǎn)品。電路中，都有單片集成的施密特觸發(fā)器產(chǎn)品。 因為在電路的輸入部分附加了與的邏輯功能，同時因為在電路的輸入部分附加了與的邏輯功能，同時輸出端附加了反相器，所以它也叫施密特觸發(fā)的與非

6、輸出端附加了反相器，所以它也叫施密特觸發(fā)的與非門，集成電路手冊中將其歸入與非門類。門，集成電路手冊中將其歸入與非門類。10.2.3施密特觸發(fā)器的應用施密特觸發(fā)器的應用一、用于波形變換一、用于波形變換 利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉換過程中的正反饋作用利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉換過程中的正反饋作用,可可以把邊沿緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈以把邊沿緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。沖信號。V0VIVT-VT+VOH0二、用于脈沖波形的整形二、用于脈沖波形的整形三、用于脈沖鑒幅三、用于脈沖鑒幅10.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 (Monostable Multivibrator)具有下述特點

7、：具有下述特點：1、電路有一個穩(wěn)態(tài)、一個暫穩(wěn)態(tài)；、電路有一個穩(wěn)態(tài)、一個暫穩(wěn)態(tài)；2、在外來觸發(fā)信號作用下，電路由穩(wěn)態(tài)轉到暫、在外來觸發(fā)信號作用下，電路由穩(wěn)態(tài)轉到暫穩(wěn)態(tài)；經(jīng)過一段時間后，電路會自動返回穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)；經(jīng)過一段時間后，電路會自動返回穩(wěn)態(tài)。3、暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參、暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度無關。數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度無關。6.3.1門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖為用圖為用CMOS門電路和門電路和RC微分電微分電路構成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。路構成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CMOS門電

8、路可門電路可以近似認為；以近似認為；VOH=VDD、VOL=0，Vth=（1/2 ）VDD 。（1）在穩(wěn)態(tài)下）在穩(wěn)態(tài)下vi=0，vi2= VDD，故故vO=0， vO1= 1沒有觸發(fā)時，電路處于穩(wěn)態(tài)，電容沒有觸發(fā)時，電路處于穩(wěn)態(tài)，電容C上沒有電壓。上沒有電壓。當當Vi正跳變來時，在正跳變來時，在Rd、Cd組成的微分電路輸出端得到很窄的組成的微分電路輸出端得到很窄的正脈沖，使正脈沖，使 G1輸出輸出V01由高變?yōu)榈碗娖?，?jīng)電容由高變?yōu)榈碗娖剑?jīng)電容C耦合，使耦合，使Vi2為為D低電平，于是低電平，于是G2的輸出變?yōu)楦唠娖?。即，的輸出變?yōu)楦唠娖?。即，VO1=0，VO=1。由于由于G2的輸出與的輸出

9、與G1的輸入端相連，這時即使觸發(fā)信號再變?yōu)榈妮斎攵讼噙B，這時即使觸發(fā)信號再變?yōu)榈碗娖?，低電平，G1輸出暫時也不會變回高電平。即，維持暫態(tài)。輸出暫時也不會變回高電平。即，維持暫態(tài)。（3）電容）電容C充電，電路由暫態(tài)自動返回穩(wěn)態(tài)充電，電路由暫態(tài)自動返回穩(wěn)態(tài)在暫穩(wěn)期間，電源經(jīng)在暫穩(wěn)期間，電源經(jīng)G1的導通管及電阻的導通管及電阻R對電容充電。隨著電對電容充電。隨著電容兩端的電壓的增長，當容兩端的電壓的增長，當Vi2上升到上升到G2的閾值電壓的閾值電壓Vth時，電路時，電路發(fā)生下述正反饋過程：發(fā)生下述正反饋過程：結果使結果使G1迅速截止，迅速截止，G2很快導通，電路回到穩(wěn)態(tài)。很快導通，電路回到穩(wěn)態(tài)。C充電

10、充電Vi2VOVi1VO1 VO1=1，VO=0 （2）當外加觸發(fā)信號時，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉到暫態(tài)）當外加觸發(fā)信號時，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉到暫態(tài)暫暫假設輸入波形已知，根據(jù)以上的分析可畫出圖假設輸入波形已知，根據(jù)以上的分析可畫出圖10.3.1電路電路中各點的電壓波形，如下：中各點的電壓波形，如下：為了定量描述單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為了定量描述單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的性能，經(jīng)常使用輸出脈沖的性能，經(jīng)常使用輸出脈沖寬度寬度tW 、輸出脈沖幅度輸出脈沖幅度VM、恢復時間恢復時間tre和分辨時間和分辨時間td等參等參數(shù)。數(shù)。 在在RONR的情況下，等效電路可簡化為簡單的的情況下，等效電路可簡化為簡單的RC串聯(lián)電路。該電路的過度過程可

11、用三要素法求串聯(lián)電路。該電路的過度過程可用三要素法求解。解。主要參數(shù)的計算主要參數(shù)的計算三要素：三要素：VC（0）=0，VC（ ）=VDD， =RC，VC（tw）=Vth=1/2（VDD）=VDD -VDDe-tw/RCtw=RCln2=0.7RCVC(t)=VC （ ）- VC（ ） -VC （0）e-t/ （1）輸出脈沖寬度）輸出脈沖寬度tw輸出脈沖寬度輸出脈沖寬度tw等于從電容等于從電容C開始開始充電到充電到vi2上升至上升至VTH的這段時間。的這段時間。(3).恢復時間恢復時間tre 暫穩(wěn)態(tài)結束后暫穩(wěn)態(tài)結束后,還需要一段恢復時間還需要一段恢復時間,以便電容以便電容C在暫穩(wěn)期間在暫穩(wěn)期間

12、所充的電荷釋放完所充的電荷釋放完,使電路恢復初始狀態(tài)。一般要經(jīng)過使電路恢復初始狀態(tài)。一般要經(jīng)過3 d（ d=RONC為放電時間常數(shù)）的時間。為放電時間常數(shù)）的時間。C 放電的等效電路如放電的等效電路如上。上。(4).分辨時間分辨時間td 是指在保證電路正常工作的前提下，允許兩個相鄰觸發(fā)脈是指在保證電路正常工作的前提下，允許兩個相鄰觸發(fā)脈沖之間的最小時間間隔，沖之間的最小時間間隔，td=tw+tre ，即最高工作頻率，即最高工作頻率fMAX=1/td1fMAX=td23VCC，VI213VCC時，比較器時，比較器C1輸出低電平，輸出低電平，比較器比較器C2輸出低電平，基本輸出低電平，基本RS觸發(fā)

13、器被置觸發(fā)器被置1，放電三極管，放電三極管T截止，輸出端截止，輸出端V0為高電平。為高電平。當當VI123VCC，VI213VCC時，比較器時，比較器C1輸出高電平，輸出高電平，比較器比較器C2輸出高電平，基本輸出高電平，基本RS觸發(fā)器被置觸發(fā)器被置0，放電三極管，放電三極管T導導通，輸出端通，輸出端V0為低電平。為低電平。當當VI113VCC時，比較器時，比較器C1輸出高電平，輸出高電平，比較器比較器C2輸出高電平，基本輸出高電平，基本RS觸發(fā)器狀態(tài)不變。觸發(fā)器狀態(tài)不變。 T 導通 截止 導通 不變 V0 0 1 0 不變 RD 0 1 1 1 VI1 VI2 X X 輸 出 輸 入23VC

14、C13VCC23VCC13VCC23VCC13VCC6.5.2定時器應用舉例定時器應用舉例1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器R&1+-+-C1C25k 5k 5k STVCCRCVIV0t0twVC(0)=0, VC( )=VCC, =RCVC(tw)=23VCC=VCC+(0 VCC)e-tw/RCtw=RCln3=1.1RC23VCt0VCCtVI0這種電路產(chǎn)生的脈沖這種電路產(chǎn)生的脈沖寬度可從幾個微妙到寬度可從幾個微妙到數(shù)分鐘數(shù)分鐘,精度可達精度可達0.1%。由由555定時器構成定時器構成可重復觸發(fā)可重復觸發(fā)單穩(wěn)電路單穩(wěn)電路tw報警報警8 476352 10.01 FCTVIVCCV0R

15、放電放電該電路與前面的電路不同的地方就該電路與前面的電路不同的地方就是在電容兩端并接了一個三極管是在電容兩端并接了一個三極管T。這樣，當這樣，當VI在單穩(wěn)暫態(tài)期間連續(xù)觸發(fā)時，由于在單穩(wěn)暫態(tài)期間連續(xù)觸發(fā)時，由于T導通能將導通能將電容電容C上的電荷放掉，使上的電荷放掉，使6端電壓達不到端電壓達不到2/3VCC，從而實現(xiàn)，從而實現(xiàn)重復觸發(fā)。該電路，只有兩次觸發(fā)時間大于重復觸發(fā)。該電路，只有兩次觸發(fā)時間大于tw時，電路才時，電路才會回到穩(wěn)態(tài)。會回到穩(wěn)態(tài)。t0Vt0Vt0VVIVCV02.由由555定時器構成定時器構成多諧振蕩器多諧振蕩器0.01 FC8 4762351VcVccVoR1R2tVc Ot

16、Vo OTphTpl當電源接通時，電容當電源接通時，電容C上初始電壓為上初始電壓為0，電源，電源VCC通過通過R1和和R2對電容對電容C充電，充電，VC上升，在上升，在VC 時，由于時，由于2端、端、6端相連，定時器處于置端相連，定時器處于置1狀態(tài)，內部放電管狀態(tài)，內部放電管T截止。當截止。當VC上升到：上升到：13VCC3VCC123VCC3VCC123VCCVC時，電路狀態(tài)保持，仍為時，電路狀態(tài)保持，仍為1。當當VC上升到上升到23VCC時，定時器狀態(tài)翻轉為時，定時器狀態(tài)翻轉為0，內部放電管，內部放電管T導通，電容導通，電容C通過通過R2、T放電，放電，VC下降，至下降，至3VCC1VO回

17、到回到1。振蕩頻率的計算：振蕩頻率的計算：矩形波高電平時間矩形波高電平時間Tph，即充電時間，即充電時間Tph=（R1+R2）Cln2=0.7 （R1+R2）C矩形波低電平時間矩形波低電平時間Tpl，即放電時間，即放電時間Tpl=R2Cln2=0.7R2Cf=1Tph+Tpl1.43(R1+2R2)C占空比占空比: 脈沖高電平時間與周期的百分比。脈沖高電平時間與周期的百分比。q=Tph/(Tph+Tpl） 100%占空比可調的多諧振蕩器占空比可調的多諧振蕩器放電放電充電充電R1R2R3C 3.由由555定時器組成施密特觸發(fā)器定時器組成施密特觸發(fā)器5558 4762351VIVoVcctVI023VCC13VCC231VCCVCC3VIVo0電壓傳輸特性電壓傳輸特性tVo0輸入與輸出工作波形輸入與輸出工作波形施密特觸發(fā)器的應用：施密特觸發(fā)器的應用：（1）波形的整形及變換（如上圖）波形的整形及變換（如上圖）（2）幅度鑒別）幅度鑒別例如，輸入信號為幅度不等的一串例如，輸入信號為幅度不等的一串脈沖，需要消除幅度較小的脈沖，脈沖，需要消除幅度較小的脈沖，而保留幅度大于而保留幅度大于Vth的脈沖，只要的脈沖，只要將施密特觸發(fā)器的正向閾值電壓將施密特觸發(fā)器的正向閾值