數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)：第十章 脈沖波形的產(chǎn)生和整形

1、 第十章 脈沖波形的產(chǎn)生和整形內(nèi)容提要 本章主要介紹矩形波的產(chǎn)生和整形電路。在矩形波產(chǎn)生電路中介紹幾種常用的多諧振蕩器對(duì)稱式和非對(duì)稱多諧振蕩器、環(huán)形振蕩器以及用施密特觸發(fā)器和555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器等。此外對(duì)幾種不同類型的壓控振蕩器也做了介紹。在整形電路中，介紹了施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。本章也討論了最常用的555定時(shí)器及其所構(gòu)成的施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器的電路及工作原理。7/18/2022本章內(nèi)容10.1 概述10.2 施密特觸發(fā)器10.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器10.4 多諧振蕩器10.5 555定時(shí)器及其應(yīng)用概述問題的引出; 獲得脈沖波形的方法：整形：通過各種整形電路把已有的周

2、期性變化波形變換為符合要求的矩形脈沖，如施密特電路和單穩(wěn)態(tài)電路直接產(chǎn)生：各種形式的多諧振蕩器。重點(diǎn)：由門電路(CMOS)和555構(gòu)成的脈沖電路。脈沖參數(shù)：了解各參數(shù)定義(見下頁圖）本章重點(diǎn)：波形分析法，計(jì)算脈沖參數(shù)：脈寬數(shù)學(xué)工具：線性方程，一介常系數(shù)微分方程典型電路，參數(shù)計(jì)算，應(yīng)用10.1 概述一、 產(chǎn)生矩形脈沖的途徑1.利用各種形式的多諧振蕩器電路；2.通過各種整形電路把已有的周期性變化波形變換成符合要求的矩形脈沖。二 、矩形脈沖特性的描述 通常的矩形脈沖波形如圖10.1.1所示。圖10.1.17/18/2022圖10.1.1其中：10.1 概述脈沖周期T ：周期行重復(fù)的脈沖序列中，兩個(gè)相鄰

3、脈沖之間的時(shí)間間隔。有時(shí)也用頻率f1/ T表示單位時(shí)間內(nèi)脈沖重復(fù)的次數(shù)脈沖幅度Vm：脈沖電壓的最大變化幅度。上升時(shí)間tr ：脈沖上升沿從0.1Vm上升到 0.9Vm所需要的時(shí)間圖10.1.1脈沖寬度tW：從脈沖前沿到達(dá)0.5Vm起，到脈沖后沿到達(dá)0.5Vm為止的一段時(shí)間。下降時(shí)間tf ：脈沖下降沿從0.9Vm 下降到 0.1Vm所需要的時(shí)間10.1 概述7/18/2022占空比q ：脈沖寬度與脈沖周期的比值，即q tw /T圖10.1.110.1 概述注：在脈沖整型或產(chǎn)生電路用于數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，有時(shí)對(duì)脈沖有些特殊要求，如脈沖周期和幅度的穩(wěn)定性等，這時(shí)需要另增加一些參數(shù)來描述脈沖。10.2 施密特觸

4、發(fā)器（Schmitt Trigger）第一 輸入信號(hào)從低電平上升的過程中，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)從高電平下降過程中對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同；第二 在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。 注：利用這兩個(gè)特點(diǎn)不僅能將邊沿變化緩慢地信號(hào)波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形波脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。 施密特觸發(fā)器時(shí)脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，它具有下面兩個(gè)性能特點(diǎn)：7/18/2022主要用途：把變化緩慢的信號(hào)波形變換為邊沿陡峭的矩形波。 特點(diǎn)：電路有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。兩種穩(wěn)定狀態(tài)的維持和轉(zhuǎn)換完全取決于外加觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)方式：電平

5、觸發(fā)。電壓傳輸特性特殊，電路有兩個(gè)轉(zhuǎn)換電平（上限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT+和下限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT）。狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)有正反饋過程，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。 10.2 施密特觸發(fā)器（Schmitt Trigger）10.2.1 用門電路組成的施密特觸發(fā)器 將兩極反相器串接起來，通過分壓電阻把輸出端的電壓反饋到輸入端就夠成施密特觸發(fā)器電路，其電路及其圖形符號(hào)如圖10.2.1所示。圖10.2.1設(shè)反相器G1和G2均為CMOS門，其閾值電壓為VTH VDD/2，輸出高低電平分別為VOH VDD， VOL0，且R1VTH時(shí)，電路狀態(tài)維持在voVOH VDD不變10.2.1 用門電路組成的施密特觸發(fā)器當(dāng)vI從高電平

6、VDD逐漸下降到vAVTH時(shí)，由于也存在正反饋，即使電路迅速跳變到voVOL 0此時(shí)施密特觸發(fā)器在vI下降時(shí)對(duì)應(yīng)輸出電壓由高電平轉(zhuǎn)為低電平時(shí)的輸入電壓為VT，稱為負(fù)向閾值電壓，此時(shí)voVDD， G1門的輸入電壓為7/18/202210.2.1 用門電路組成的施密特觸發(fā)器由于VTH VDD / 2，故只要vIR.，VOL0vo26.4.4 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖10.4.10所示。其工作原理如下圖10.4.10其輸出波形如圖10.4.11所示其振蕩周期的計(jì)算公式為6.4.4 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖10.4.11圖10.4.10為了可調(diào)節(jié)占空比，電路可修改為圖10.4.1

7、2所示的電路。電容充電是通過R2進(jìn)行，電容放電是通過R1進(jìn)行，故只要改變R1和R2的比值即可改變占空比。6.4.4 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖10.4.1210.4.5 石英晶體多諧振蕩器 前面介紹的多諧振蕩器的振蕩周期或頻率不僅與時(shí)間常數(shù)RC有關(guān)，而且還取決于門電路的閾值電壓VTH。VTH容易受溫度、電源電壓及干擾的影響，故頻率的穩(wěn)定性很差，不能適應(yīng)對(duì)頻率穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合。年美國 卡第提出用石英壓電效應(yīng)調(diào)制電磁振蕩的頻率。巴黎廣播電臺(tái)首先用嚴(yán)濟(jì)慈制作的石英振蕩片實(shí)現(xiàn)了無線電播音中的穩(wěn)頻，隨后各國相繼采用，使無線廣播振蕩電磁回路穩(wěn)頻成為壓電晶體的最重要應(yīng)用之一。 為了提高振蕩頻率的穩(wěn)

8、定性，目前普遍采用的一種穩(wěn)頻方法是在多諧振蕩器電路中，接入石英晶體，組成石英晶體多諧振蕩器圖10.4.12給出了石英晶體的外形、符號(hào)和電抗頻率特性。10.4.5 石英晶體多諧振蕩器圖10.4.12由電抗頻率特性可知，當(dāng)外加電壓頻率為fo 時(shí)，其阻抗最小，此頻率的信號(hào)最易通過，其他頻率被衰減，故振蕩器的工作再頻率fo處。圖10.4.13為對(duì)稱式石英晶體多諧振蕩器 由于振蕩器的頻率只取決于石英晶體的固有頻率fo，與外接電容、電阻和門電路的閾值電壓無關(guān)，其固有頻率fo是由石英晶體本身特性決定，故石英晶體多諧振蕩器的頻率穩(wěn)定性極高，到達(dá)10-1010-11。目前石英晶體已被制成標(biāo)準(zhǔn)化和系列化出售。10

9、.4.5 石英晶體多諧振蕩器圖10.4.1310.5.1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能10.5 555定時(shí)器 555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字模擬混合的集成電路。它可以很方便地構(gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。 555定時(shí)器為雙極型產(chǎn)品，7555為CMOS型的產(chǎn)品，為了實(shí)際需求，又出現(xiàn)了雙極型556和CMOS型7556.盡管廠家不同，但各種；類型的555定時(shí)器的功能及外部引腳排列都是相同的。一、電路結(jié)構(gòu) 圖10.5.1為國產(chǎn)雙極型定時(shí)器CB555的電路結(jié)構(gòu)圖 它由電壓比較器（C1，C2）觸發(fā)器輸出緩沖器（G3，G4）OC輸出的三極管（TD）組成圖10.5.1其圖形符號(hào)和功能表如圖10.5

10、.2所示10.5.1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能都大為0都小為1一小一大是保持。2.各管腳的名稱和功能1接地端2低電平觸發(fā)端3輸出端，輸出電流可達(dá)200mA，直接驅(qū)動(dòng)繼電器、發(fā)光二極管、揚(yáng)聲器、指示燈等，輸出電壓約低于電源電壓13V。10.5.1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能4復(fù)位端，若此端輸入一負(fù)脈沖，而使觸發(fā)器直接復(fù)位。不用時(shí)加以高電平。5電壓控制端，此端可外加一電壓以改變比較器的參考電壓，不用時(shí)可懸空或通過0.01F的電容接地。10.5.1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能8電源端，可在518V范圍內(nèi)使用。6高電平觸發(fā)端7放電端，當(dāng)觸發(fā)器的Q0時(shí)，TD導(dǎo)通，外接電容C通過此管放電。10.5

11、.1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能各公司生產(chǎn)的555定時(shí)器的邏輯功能與外引線排列都完全相同。雙極型產(chǎn)品CMOS產(chǎn)品單555型號(hào)的最后幾位數(shù)碼5557555雙555型號(hào)的最后幾位數(shù)碼5567556優(yōu)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)能力較大低功耗、高輸入阻抗電源電壓工作范圍516V318V負(fù)載電流可達(dá)200mA可達(dá)4mA雙極型產(chǎn)品CMOS產(chǎn)品單555型號(hào)的最后幾位數(shù)碼5557555雙555型號(hào)的最后幾位數(shù)碼5567556優(yōu)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)能力較大低功耗、高輸入阻抗電源電壓工作范圍516V318V負(fù)載電流可達(dá)200mA可達(dá)4mA10.5.2 用555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器電路如圖10.5.3所示圖10.5.3 其電壓傳輸特性如圖10

12、.5.4所示。由圖可知，這是個(gè)典型的反相輸出的施密特觸發(fā)器。圖10.5.310.5.2 用555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器工作原理：10.5.2 用555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器圖10.5.3（1）當(dāng)vI vI VCC/3，Q=1，Q =0，觸發(fā)器保持原態(tài)；當(dāng) vI2VCC/3時(shí)， Q=0 （voVOL），Q =1。圖10.5.310.5.2 用555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器（2）當(dāng) vI2VCC/3時(shí)， Q=0 ，Q =1；當(dāng)vI 減少時(shí)，2VCC/3 vI VCC/3，Q=0，Q =1，觸發(fā)器保持原態(tài)；當(dāng)vI 減少到vIVCC/3，Q=1（voVOH），Q =0； 故其正向閾值電壓為VT2V

13、CC/3，負(fù)向閾值電壓為 VTVCC/3，故電路的回差電壓為VT VCC/3。若改變回差電壓的大小，則可通過5腳外接電壓VCO來改變。圖10.5.310.5.2 用555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器10.5.2 用555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器10.4.3 用555定時(shí)器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器其電路如圖10.5.5所示圖10.5.5R波形如圖10.5.6所示其工作過程如下10.4.3 用555定時(shí)器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖10.5.6當(dāng)vI處于高電平時(shí)，電路的穩(wěn)定狀態(tài)為vo0圖10.5.5R當(dāng)vI脈沖下降沿到達(dá)時(shí)，Q1， Q 0，此時(shí)放電管TD截止，VCC通過R給C充電，vC增加。當(dāng)vC2VCC/3時(shí)，

14、Q0 （v00 ）， Q 1， C 通過TD放電。vI變成高電平，此時(shí)vC1和vC2輸出均為高電平，電路保持v00 10.4.3 用555定時(shí)器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖10.5.6圖10.5.5R其輸出脈寬為注：通常R的取值在幾百歐姆到幾兆歐之間，電容的取值范圍為幾百皮法到幾百微法，tW的范圍為幾微妙到幾分鐘。但tW越大，其精度和穩(wěn)定度也要下降。?圖10.5.610.4.3 用555定時(shí)器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器特點(diǎn)：負(fù)脈沖觸發(fā)；穩(wěn)態(tài)時(shí)VI 處于高電平，VI低電平持續(xù)時(shí)間不可大于脈沖寬度10.5.4 用555定時(shí)器接成的多諧振蕩器其構(gòu)成電路如圖10.5.7所示圖10.5.7其輸出波形如圖10.4.11所

15、示其振蕩周期的計(jì)算公式為6.4.4 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖10.4.11圖10.4.10圖10.5.7對(duì)應(yīng)的波形如圖10.5.8所示電路的振蕩周期為10.5.4 用555定時(shí)器接成的多諧振蕩器圖10.5.8振蕩頻率為2004-11-29上式標(biāo)明，改變R和C就可改變振蕩頻率。用CB555組成的多諧振蕩器最高頻率為500KHz，用CB7555組成的多諧振蕩器最高頻率可達(dá)1MHz。為了改變占空比，可采用圖10.5.9所示電路。10.5.4 用555定時(shí)器接成的多諧振蕩器例6.5.1 圖6.5.10為由555定時(shí)器構(gòu)成的簡易觸摸開關(guān)，試分析是什么電路？二極管能亮多長時(shí)間？解：此電路為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器二極管亮的時(shí)間為10.5.4 用555定時(shí)器接成的多諧振蕩器例10.5.2兩相時(shí)鐘發(fā)生器電路如圖10.5.11所示已知R1510，R210K，C=0.1F。(1)說明555定時(shí)器組成何種電路？(2)畫出vo、1和2的波形。(3) 計(jì)算1的周期T和