脈沖波形的產(chǎn)生與整形課件

1、6 . 脈沖波形的變換與產(chǎn)生6.1 集成555定時器6.2 施密特觸發(fā)器6.3 多諧振蕩器6.4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.理解555定時器的工作原理，掌握由555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理和參數(shù)計算。2.掌握單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器的邏輯功能；3.掌握波形分析的方法，能夠熟練地計算對應波形的脈沖周期、占空比以及脈沖寬度等典型參數(shù)；教學要求在數(shù)字電路或系統(tǒng)中，常常需要各種脈沖波形，例如時鐘脈沖、控制過程的定時信號等。這些脈沖波形的獲取，通常采用兩種方法：一種是利用脈沖信號產(chǎn)生器直接產(chǎn)生；另一種則是通過對已有信號進行變換，使之滿足系統(tǒng)的要求。集成5

2、55定時器的用途很廣，該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。有雙極型（型號最后三位為555）和CMOS型（型號最后四位為7555）兩類電路。它們的功能、外引線排列完全相同。應用：在測量與控制、家用電器和電子玩具等許多領域得到了廣泛的應用。 6.1 集成555定時器6.1.1 555定時器的電路結(jié)構(gòu)圖6-1（a）所示是國產(chǎn)雙極型定時器CB555的電路結(jié)構(gòu)圖。圖6-1(a) 定時器原理圖CB555定時器由兩個電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、三個阻值為5k的電阻組成的分壓器、放電三極管T及緩沖器G組成。（1）電壓比較器集成運放構(gòu)成的電壓比

3、較器C1、C2，V+V-時，則VO=VOH (1)；V+V-時，則VO=VOL (0)。（2）電阻分壓器 電阻分壓器使 C1：V+=VR12VCC /3 C2：V-=VR2VCC/3V V+ VO +A（3） 基本RS觸發(fā)器由與非門G1、G2構(gòu)成，R為置零輸入端，低電平有效。工作時觸發(fā)器的狀態(tài)受比較器輸出VC1和VC2控制。（4）輸出緩沖G3 G3有較大的電流驅(qū)動能力，隔離負載對定時器影響（5 ）三極管開關(guān)T T起開關(guān)作用，當Q 1時，T導通；Q 0時，T截止。圖6-1（b）、（c）分別為555定時器的電路符號和引腳排列。 引腳功能:1: GND地2: TL低觸發(fā)輸入端(負脈沖有效)3: OU

4、T輸出4: R 異步清零，低電平有效5: V-C控制電壓輸入端6:TH高觸發(fā)輸入端7: D放電輸出8: Vcc電源端（b）電路符號 （c）引腳排列圖6-1 555定時器雙極型CB555定時器的工作原理： 01012VCC/30102VCC/3VCC/3不變不變112VCC/3VCC/310016.1.2 555定時器的工作原理圖6-1(a) 定時器原理圖通過前面的分析，可得555定時器的功能表如表6-1所示。表6-1 555定時器的功能表施密特觸發(fā)器（Schmitt Trigger）是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，是一種雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，輸出有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)。但與一般觸發(fā)器不同的是：施密特觸

5、發(fā)器屬于電平觸發(fā)，有以下兩個特點：（1）輸入信號從低電平上升的過程中電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應的輸入電平，與輸入信號從高電平下降的過程中對應的輸入轉(zhuǎn)換電平不同，即具有回差電壓特性。（2）在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部的正反饋使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。6.2 施密特觸發(fā)器6.2 施密特觸發(fā)器（a）同相輸出的邏輯符號 （b）同相輸出的回差特性圖6-2 施密特觸發(fā)器的邏輯符號和回差特性6.2 施密特觸發(fā)器（c）反相輸出的邏輯符號 （d）反相輸出的回差特性圖6-2 施密特觸發(fā)器的邏輯符號和回差特性6.2.1 用555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器1 電路組成及工作原理圖6-3(a) 555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)

6、器原理圖 （1） vI=0V 時，vO1輸出高電平。（2）當vI上升到2VCC/3時， vO1輸出低電平。當vI由2VCC/3繼續(xù)上升， vO1保持不變。（3）當vI下降到VCC/3時，輸出vO1由低電平跳變?yōu)楦唠娖?。而且在vI繼續(xù)下降到0V時，電路的這種狀態(tài)不變。施密特觸發(fā)器的波形vOt02VCC30vItVCC3VT+VT-圖6-3(b) 施密特觸發(fā)器工作波形施密特觸發(fā)器的電壓滯回特性如圖6-4所示。圖6-4 555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性2電壓滯回特性和主要參數(shù)主要靜態(tài)參數(shù)有：（1）上限閾值電壓 ： 上升過程中，輸出電壓 由高電平 跳變到低電平 時，所對應的輸入電壓值。（2

7、）下限閾值電壓 ： 下降過程中， 由低電平 跳變到高電平 時，所對應的輸入電壓值。（3）回差電壓 回差電壓又叫滯回電壓，定義為如果在電壓控制端（5腳）施加一個外加電壓 ，則有 ， ， 。而且當改變 時，它們的值也隨之改變。1.電路組成CMOS門組成的同相施密特觸發(fā)器如圖所示。6.2.2 CMOS門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器2.工作原理設VTH0.5VDD，R1 R2，vI 為三角波。vI1 確定電路狀態(tài)，vI =0， vO =0， vI1 =0。vI ，只要vI1 VTH ，vO =0當vI1 = VTH ，電路產(chǎn)生正反饋vI vI1 vO1 vO VOHVT+： I 值在增加過程中，使輸出電壓產(chǎn)

8、生跳變時所對應I 的值。由疊加原理012.工作原理設VTH0.5VDD，R1 VTH ，保持vO = VOH 當vI，vI1，vI1VTH，vO=VOH vI1 = VTH ，電路產(chǎn)生正反饋vI vI1vO1vO VOLVDD2VTH 代入10VTVT+vIvO傳輸特性輸入輸出波形2.工作原理tt6.2.3 集成施密特觸發(fā)器圖6-7（a）是CMOS集成施密特觸發(fā)器CC40106（六反相器）的引線功能圖，表6-2所示是其主要靜態(tài)參數(shù)。1CMOS集成施密特觸發(fā)器表6-2 集成施密特觸發(fā)器CC40106的主要靜態(tài)參數(shù)（單位為 ）電源電壓VDDVT+最小值VT+最大值VT最小值VT最大值VT最小值VT

9、最小值52.23.60.92.80.31.6104.67.12.55.21.23.4156.810.847.41.65（a）CC40106 （b）74LS14圖6-7 集成施密特觸發(fā)器的外引線功能圖2 TTL集成施密特觸發(fā)器TTL施密特觸發(fā)器具有以下特點：（1）輸入信號邊沿的變化即使非常緩慢，電路也能正常工作。（2）對于閾值電壓和滯回電壓均有溫度補償。（3）帶負載能力和抗干擾能力都很強。6.2.4 施密特觸發(fā)器的應用舉例1用作接口電路利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用，可以將邊沿緩慢變化的輸入信號，轉(zhuǎn)換成為符合TTL系統(tǒng)要求的邊沿很陡的矩形脈沖波形。如圖6-8所示。圖6-8 慢輸入波形

10、的TTL系統(tǒng)接口2用作整形電路在數(shù)字電路中，矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往會發(fā)生波形畸變，如圖6-9所示。只要施密特觸發(fā)器的 和 設置得合適，都可以把不規(guī)則的輸入信號整形成為矩形脈沖。圖6-9 脈沖整形電路的輸入輸出波形3用于脈沖鑒幅由圖6-10可以看出，若將一系列幅度不同的脈沖信號加到施密特觸發(fā)器的輸入端，只有那些幅值大于 的脈沖才會在輸出端產(chǎn)生輸出信號。因此，施密特觸發(fā)器具有脈沖鑒幅的功能。圖6-10 用施密特觸發(fā)器鑒別脈沖幅度6.3 多諧振蕩器多諧振蕩器（Astable Multivibrator）是一種自激振蕩器。在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號，便能自動地產(chǎn)生矩形脈沖波。一旦起振之后，電路沒有

11、穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，它們做交替變化，輸出連續(xù)的矩形脈沖信號，因此它又稱為無穩(wěn)態(tài)電路，常用來做脈沖信號源。由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以習慣上將矩形波振蕩器稱為多諧振蕩器。1電路組成及工作原理用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖6-11（a）所示。工作原理暫穩(wěn)態(tài)： vO =1 T截止。C充電。1 =( R1+R2 )C自動翻轉(zhuǎn)：當充電vC 2VCC /3 vO =0， T導通。暫穩(wěn)態(tài)： vO =0 T導通，C放電。2=R2C自動翻轉(zhuǎn) ：當放電vC VCC/3 ， vO =1，T截止。又進入暫穩(wěn)態(tài)。6.3.1 用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器波形圖2振蕩頻率的估算（1）電容充電時間T1 C

12、充電，1 =( R1+R2 )C，vC(0+)=1/3VCC ， vC() = VCC2振蕩頻率的估算（2）電容放電時間T2 C放電，1 =R2 C，vC(0+)=2/3VCC ， vC() = 02振蕩頻率的估算（3）電路振蕩周期 T（4）電路振蕩頻率f（5）輸出波形占空比q 脈沖寬度與脈沖周期之比稱為占空比，即 3占空比可調(diào)的多諧振蕩器電路RA=R1+R2上， RB=R3+R2下充電，VCCRA D1C， T1 = 0.7RA C放電，CD2RB T 地， T2 = 0.7RB CT = T1 + T2 0.7(RA+RB)C = 0.7(R1+R2+R3)C 調(diào)節(jié)R2 ， T保持不變調(diào)節(jié)

13、R2 ，改變占空比。若RA= RB ，占空比為1/2326.3.2 用門電路構(gòu)成的多諧振蕩器電路圖6-13所示是用TTL門電路構(gòu)成的對稱式多諧振蕩器電路。圖6-13 門電路構(gòu)成的多諧振蕩器vI1在擾動的作用下正向增大，會有vO1跳變到低電平，vO2增大到高電平，電路進入第一個暫態(tài)。此時，C1開始充電， C2開始放電。C1同時經(jīng)過R1和RF2充電，vI2增大到了G2的閾值VTH，使得vO2跳變成低電平，vI1減小，vO1跳變成高電平，電路進入第二個暫態(tài)。 6.3.2 用門電路構(gòu)成的多諧振蕩器電路（a）C1 充電的等效電路 （b）C2 放電的等效電路C2開始充電，C1開始放電。這個過程和第一個暫態(tài)

14、下電容的充放電過程對應。當vI1增加到了閾值VTH時，電路又將進入第一個暫態(tài)。這樣，電路在兩個暫態(tài)中往復振蕩輸出脈沖波形。 6.3.2 用門電路構(gòu)成的多諧振蕩器電路（a）C1 充電的等效電路 （b）C2 放電的等效電路圖6-15 門電路多諧振蕩器各點波形門電路多諧振蕩器各點的波形：6.3.3 石英晶體多諧振蕩器在上面介紹的多諧振蕩器中，由于其工作頻率取決于電容C充、放電過程中電壓到達轉(zhuǎn)換值的時間，因此穩(wěn)定度不夠高。這是因為：第一，轉(zhuǎn)換電平易受溫度變化和電源波動的影響；第二，電路的工作方式易受干擾，從而使電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換提前或滯后；第三，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，電容充、放電的過程已經(jīng)比較緩慢，轉(zhuǎn)換電平的微小

15、變化或者干擾，對振蕩周期影響都比較大。一般在對振蕩器頻率穩(wěn)定度要求很高的場合，都需要采取穩(wěn)頻措施，其中最常用的一種方法，就是利用石英諧振器（簡稱石英晶體或晶體）構(gòu)成石英晶體多諧振蕩器。1石英晶體的選頻特性如圖6-16所示為石英晶體的符號和電抗頻率特性。石英晶體有兩個諧振頻率，當 時，為串聯(lián)諧振，石英晶體的電抗X=0；當 時，為并聯(lián)諧振，石英晶體的電抗無窮大。由晶體本身的特性決定： （晶體的標稱頻率），石英晶體的選頻特性極好， 十分穩(wěn)定，其穩(wěn)定度可達10-1010-11。圖6-16 石英晶體的電抗頻率特性和符號2石英晶體多諧振蕩器如圖6-17所示是由石英晶體構(gòu)成的串聯(lián)振蕩器。圖6-17 串聯(lián)式石

16、英晶體多諧振蕩器RF1、RF2的作用是使兩個反相器在靜態(tài)時都工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，成為具有很強放大能力的放大電路。對于TTL門，常取RF1=RF2 =0.72k；若是CMOS門，則常取RF1=RF2=10100M；C1=C2是耦合電容。石英晶體工作在串聯(lián)諧振頻率f0下，只有頻率為f0的信號才能通過，滿足振蕩條件。因此，電路的振蕩頻率為f0 ，與外接元件R、C無關(guān)，所以這種電路振蕩頻率的穩(wěn)定度很高。（2）并聯(lián)式振蕩器RF1是偏置電阻，保證在靜態(tài)時使G1工作轉(zhuǎn)折區(qū)，構(gòu)成一個反相放大器。反相器G2起整形緩沖作用，同時G2還可以隔離負載對振蕩電路工作的影響。晶體工作在fs與fp之間，等效為一電感，與C1、C2

17、共同構(gòu)成電容三點式振蕩電路。電路的振蕩頻率為f0 。如圖6-18所示由石英晶體構(gòu)成的并聯(lián)振蕩器。圖6-18 并聯(lián)式石英晶體多諧振蕩器6.3.4 多諧振蕩器應用實例圖6-19是利用多諧振蕩器構(gòu)成的簡易溫控報警電路。圖6-19 多諧振蕩器用作簡易溫控報警電路1簡易溫控報警器2雙音門鈴圖6-20是用多諧振蕩器構(gòu)成的電子雙音門鈴電路。圖6-20 用多諧振蕩器構(gòu)成的雙音門鈴電路3秒脈沖發(fā)生器圖6-21所示是由CMOS石英晶體多諧振蕩器構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生器。石英晶體多諧振蕩器產(chǎn)生 32768Hz的基準信號，經(jīng)T觸發(fā)器構(gòu)成的15級異步計數(shù)器分頻后，便可得到穩(wěn)定度極高的秒信號。這種秒脈沖發(fā)生器可作為各種計時系統(tǒng)

18、的基準信號源。圖6-21 秒脈沖發(fā)生器6.4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有下列特點：第一，它有一個穩(wěn)定狀態(tài)和一個暫穩(wěn)狀態(tài)；第二，在外來觸發(fā)脈沖作用下，能夠由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)狀態(tài)；第三，暫穩(wěn)狀態(tài)維持一段時間后，將自動返回到穩(wěn)定狀態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時間的長短，與觸發(fā)脈沖無關(guān)，僅取決于電路本身的參數(shù)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字系統(tǒng)和裝置中，一般用于定時（產(chǎn)生一定寬度的脈沖）、整形（把不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換成等寬、等幅的脈沖）以及延時（將輸入信號延遲一定的時間之后輸出）等。6.4.1 用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理為：（1）無觸發(fā)信號輸入時電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)。當電路無觸發(fā)信號時，vI保持高電平，電路工作在穩(wěn)定狀

19、態(tài)，即輸出端vo保持低電平，555定時器內(nèi)放電三極管T飽和導通，電容電壓vc為0。1電路組成及工作原理圖6-22 (a)用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.4.1 用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理為：（2） 下降沿觸發(fā)當 下降沿到達時，555定時器觸發(fā)輸入端（2腳）由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，電路被觸發(fā)， 由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。1電路組成及工作原理圖6-22 (a)用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.4.1 用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理為：（3）暫穩(wěn)態(tài)的維持時間在暫穩(wěn)態(tài)期間，555定時器內(nèi)放電三極管T截止，VCC經(jīng)R向C充電。其充電回路為VCCRC地，時間常

20、數(shù) ，電容電壓vc由0V開始增大，在電容電壓vc上升到閾值電壓2/3Vcc之前，電路將保持暫穩(wěn)態(tài)不變。1電路組成及工作原理圖6-22 (a)用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.4.1 用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理為：（4）自動返回（暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束）時間當vc上升至閾值電壓2/3Vcc時，輸出電壓vo由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑?55定時器內(nèi)放電三極管T由截止轉(zhuǎn)為飽和導通，管腳7“接地”，電容C經(jīng)放電三極管對地迅速放電，電壓vc由2/3Vcc迅速降至0V（放電三極管的飽和壓降），電路由暫穩(wěn)態(tài)重新轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。1電路組成及工作原理圖6-22 (a)用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.4.1 用555

21、定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理為：（5）恢復過程當暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，電容C通過飽和導通的三極管T放電，時間常數(shù) ，式中RCES是T的飽和導通電阻，其阻值非常小，因此 亦非常小。經(jīng)過3 5 后，電容C放電完畢，恢復過程結(jié)束?；謴瓦^程結(jié)束后，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又可以接收新的觸發(fā)信號。1電路組成及工作原理圖6-22 (a)用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2.主要參數(shù)計算(1)輸出脈沖寬度tW觸發(fā)后，RC充電過程決定暫穩(wěn)態(tài)維持時間，設輸出脈沖寬度tw 。電容過渡過程全響應：將vC(0+) = 0，vC() =VCC ， =RC， 代入得：tw = RC ln3 =1.1RC(2)恢復時間

22、tre ， 約為35 。(3)最高工作頻率 fmax526.4.2 用門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)通常都是靠RC電路的充放電來維持的，根據(jù)RC的不同接法，門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有微分型和積分型兩種，如圖6-23（a）、（b）所示。（a）微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（b）積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分析微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：波形圖：6.4.3 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1TTL集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的邏輯功能和使用方法圖6-25（a）是TTL集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的邏輯符號，圖（b）是工作波形圖。該器件是在普通微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的基礎上附加輸入控制電路和輸出緩沖電路而形成的。波形圖：表6-4 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的功能表圖6-26表明了集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的外部元件連接方法，圖（a）是使用外部電阻Rext且電路為下降沿觸發(fā)連接方式，圖（b）是使用內(nèi)部電阻Rint且電路為上升沿觸發(fā)連接方式。a）使用外接電阻Rext（下降沿觸發(fā)） （b）使用內(nèi)部電阻Rint（上升沿觸發(fā)）2主要參數(shù)（1）輸出脈沖