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 6.2 555定時器6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 6.4 施密特觸發(fā)器6.5 多諧振蕩器第一頁，共四十六頁。6.1 概述一、脈沖信號 脈沖是脈動和短促的意思，凡是具有不連續(xù)波形的信號均可稱為脈沖信號。廣義講，各種非正弦信號都是脈沖信號。(a)矩形波(b)方波(c)尖脈沖(d)鋸齒波第二頁，共四十六頁。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，如觸發(fā)器的時鐘脈沖（CP）。獲取這些脈沖信號的方法通常有兩種： 脈沖產(chǎn)生電路直接產(chǎn)生； 利用已有的周期信號整形、變換得到。脈沖整形、變換電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 施密特觸發(fā)器；脈沖產(chǎn)生

2、電路多諧振蕩器；多用途的定時電路555定時器。第三頁，共四十六頁。6.1 概述二、脈沖信號的參數(shù)trtftWT0.9 Um0.5 Um0.1 UmUm矩形脈沖信號的主要參數(shù) 脈沖幅度 脈沖周期脈沖寬度上升時間下降時間占空比D脈沖寬度與脈沖周期的比值，DtW/T 。第四頁，共四十六頁。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。 開關(guān)閉合的一瞬間，電容器上電壓不能突變，滿足開關(guān)定理UC(0+)=UC(0-)。 充電暫態(tài)過程結(jié)束后，流過電容器的電流iC()為0，即電容器相當(dāng)于開路。tMU(t)UTtU()0U(0+)CCCUC(t)SUCR第五頁，共四十

3、六頁。令uC(tW)=UT，則從暫態(tài)過程的起始值UC(0+)變到UT所經(jīng)歷的時間tW（脈沖寬度）可用下式計算： 電路的時間常數(shù)=RC，決定了暫態(tài)時間的長短。根據(jù)三要素公式，可以得到電壓隨時間變化的方程為 6.1 概述tWU(t)UTtU()0U(0+)CCC第六頁，共四十六頁。一、555定時器的電路結(jié)構(gòu)6.2 555定時器 555定時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)品型號最后數(shù)碼為555，CMOS型產(chǎn)品型號最后數(shù)碼為7555。其功能和外部引腳排列完全相同。TRC1UR15k5kC25kUR2&14G1RQQG2SG3G43V

4、T8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放電端uu12348765地2oRDUCC放電端6UCO555uuu第七頁，共四十六頁。6.2 555定時器TRC1UR15k5kC25kUR2&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放電端uu1.分壓器電壓控制端5腳懸空時， ， ；5腳外接控制電壓UCO時， 。注：當(dāng)5腳不加控制電壓時，通常經(jīng)過一個0.01F的電容接地，以抑制干擾。第八頁，共四十六頁。6.2 555定時器TRC1UR15k5kC25kUR2&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放電端uu

5、2.電壓比較器U+U-時，Ci1；U+U-時，Ci0。 閾值輸入端觸發(fā)輸入端3.基本RS觸發(fā)器R SQn+10 0不定0 101 011 1Qn異步清零端第九頁，共四十六頁。6.2 555定時器TRC1UR15k5kC25kUR2&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放電端uu4.放電三極管VT是一個集電極開路的放電三極管。當(dāng)uO0時，VT導(dǎo)通；當(dāng)uO1時，VT截止。 第十頁，共四十六頁。二、555定時器的功能6.2 555定時器TRC1UR15k5kC25kUR2&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2

6、放電端uu5腳不外接控制電壓。 定時器的主要功能取決于兩個比較器輸出對RS觸發(fā)器和放電管VT狀態(tài)的控制。第十一頁，共四十六頁。6.2 555定時器不變不變1導(dǎo)通01截止11導(dǎo)通00VTuOu2u6輸出輸入555定時器功能表5腳不接控制電壓，則 ， 。第十二頁，共四十六頁。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路，簡稱單穩(wěn)。由外界觸發(fā)自動返回穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)暫穩(wěn)態(tài)恢復(fù)期工作特性： 它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(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)維持一段時間以后，電路能自動返回穩(wěn)態(tài)； 暫穩(wěn)態(tài)不能長久保持，其維持時間的長短取決于電路自身參數(shù)，與外界觸發(fā)脈沖無

7、關(guān)。第十三頁，共四十六頁。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11VDDCdRdRCvdvo1vovi2第十四頁，共四十六頁。6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器二、555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器48762315uCCuouIRUCC0.01F5555腳經(jīng)過0.01F電容接地，則 ， 。第十五頁，共四十六頁。6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.工作原理 穩(wěn)態(tài)： 無觸發(fā)信號時，uI為高電平。電容先充電后放電， 當(dāng)uC0時，電路進入穩(wěn)態(tài)：uO0。第十六頁，共四十六頁。暫穩(wěn)態(tài)：u2觸發(fā)脈沖下降沿到達時（ ），電路進入暫穩(wěn)態(tài)，uO1。當(dāng) 時，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 第十七頁，共四十六頁。

8、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 第十八頁，共四十六頁。6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器TuI13UCC0uo0tWTWuC023UCCtttUCC48762315uCCuouIRUCC0.01F555波形圖 電路對輸入觸發(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，應(yīng)在u2輸入端加入微分電路。 第十九頁，共四十六頁。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)的停留時間，即電容C的電壓從0充電到 所需的時間。根據(jù)電容C的充電過程可知： 上式說明：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tW僅決定于

9、定時元件R、C的取值，且成正比關(guān)系，而與輸入觸發(fā)信號和電源電壓無關(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)信號周期相同。第二十頁，共四十六頁。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IutWOu 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠把輸入的不規(guī)則脈沖信號uI，整形為具有一定幅度和一定寬度的標準矩形脈沖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決定于定時元件R和C。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的整形波形第二十一頁，共四十六頁。6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2.脈沖延時 脈沖延時電路一般要用兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器完成。延時時間為tW1，它決定于第一級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時元件R和C。11uIu

10、0（tW1）（tW2）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時波形第二十二頁，共四十六頁。6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3.定時 由于單穩(wěn)觸發(fā)器可產(chǎn)生寬度為tW的矩形脈沖，利用這個矩形脈沖去控制某電路使它在tW的時間內(nèi)動作或不動作，這就是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時作用。定時時間為tW，可通過調(diào)節(jié)定時元件R和C來調(diào)節(jié)定時時間。1&uIOuuO單穩(wěn)與門uFtWuIuOuFOu單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時波形第二十三頁，共四十六頁。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整形電路。工作特性： 具有兩個穩(wěn)態(tài)； 屬于電平觸發(fā)，緩慢變化的信號也可以作為輸入信號，當(dāng)輸入信號達到某一特定值時，輸出電平就發(fā)生突變； 輸入信號從低電平上升時，電路狀

11、態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平，與輸入信號從高電平下降時對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。uo0UU+uI電壓傳輸特性輸入信號上升時對應(yīng)的轉(zhuǎn)換電平U+ ，稱為正向閾值電壓；輸入信號下降時對應(yīng)的轉(zhuǎn)換電平U ，稱為負向閾值電壓；差值UU+U-，稱為回差電壓。第二十四頁，共四十六頁。6.4 施密特觸發(fā)器一、門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器1R1vo1vi1viR2vo1vivo1vovOHvOLvOLvOHv+v-第二十五頁，共四十六頁。反向輸出施密特觸發(fā)器6.4 施密特觸發(fā)器二、555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器1.電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號846210.01F3UCCuIuo5555第二十六頁，共四十六頁。uot00uI13UCC2

12、3UCCtU-U+uOHuOL2.工作原理6.4 施密特觸發(fā)器5腳經(jīng)過0.01F電容接地，則 ， 。第二十七頁，共四十六頁。uot00uI13UCC23UCCtU-U+uOHuOL2.工作原理6.4 施密特觸發(fā)器(1)上升過程： 時，uO1； 時，uO保持不變； 時，輸出翻轉(zhuǎn)uO0。第二十八頁，共四十六頁。uot00uI13UCC23UCCtU-U+uOHuOL2.工作原理6.4 施密特觸發(fā)器(2)下降過程： 時，uO0； 時，uO保持不變； 時，輸出翻轉(zhuǎn)uO1。第二十九頁，共四十六頁。綜之： 當(dāng)5腳不接控制電壓時， 當(dāng)5腳接控制電壓UCO時，比較電壓變?yōu)閁CO和（1/2）UCO， uot00

13、uI13UCC23UCCtU-U+uOHuOL2.工作原理6.4 施密特觸發(fā)器第三十頁，共四十六頁。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變換成邊沿陡峭的矩形脈沖信號。第三十一頁，共四十六頁。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來控制的。uot0uot0uIt0U+UU(a)(b)(c)第三十二頁，共四十六頁。 從一系列幅度不同的脈沖信號中選出幅度大于正向閾值電壓U+的輸入脈沖， 即對幅度進行鑒別。 6.4 施密特

14、觸發(fā)器3.幅度鑒別uIU+U-t0uo0t同向輸出施密特觸發(fā)器第三十三頁，共四十六頁。6.4 施密特觸發(fā)器4.構(gòu)成多諧振蕩器工作原理： 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，輸出翻轉(zhuǎn)uO0。電容C又經(jīng)R進行放電，當(dāng)放電至uIU-時，輸出翻轉(zhuǎn)uO1。第三十四頁，共四十六頁。6.5 多諧振蕩器多諧振蕩器是一種常用的脈沖信號產(chǎn)生電路。工作特性： 無穩(wěn)態(tài)，具有兩個暫穩(wěn)態(tài)； 自激振蕩器在接通電源后，不需外加觸發(fā)信號，便能自動產(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。自動觸發(fā)自動返回暫穩(wěn)態(tài)0暫穩(wěn)態(tài)1暫穩(wěn)態(tài)0第三十五頁，共四十六頁。6.5 多

15、諧振蕩器一、門電路構(gòu)成的多諧振蕩器1vo1RCvivo1第三十六頁，共四十六頁。6.5 多諧振蕩器二、555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器1.電路結(jié)構(gòu)48762315CUCCR1R2555uo0.01FuC第三十七頁，共四十六頁。6.5 多諧振蕩器uC13UCCuo0T123UCCttUCCT202.工作原理 接通電源后，電容C來不及充電，uc0，則uO1(第一個暫穩(wěn)態(tài))，VT截止。這時Ucc經(jīng)R1和R2向C充電，當(dāng)充至uc2/3Ucc時，輸出翻轉(zhuǎn)uO0(第二個暫穩(wěn)態(tài))，VT導(dǎo)通；這時電容C經(jīng)R2和VT放電，當(dāng)降至uc1/3Ucc時，輸出翻轉(zhuǎn)uO1。第三十八頁，共四十六頁。6.5 多諧振蕩器3.參數(shù)的

16、估算電容充電時間T1：電容放電時間T2：電路振蕩周期T：uC13UCCuo0T123UCCttUCCT20T第三十九頁，共四十六頁。電路振蕩頻率f：通過改變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，即輸出為對稱方波。（D50）第四十頁，共四十六頁。6.5 多諧振蕩器4.改進電路占空比可調(diào)的多諧振蕩器 利用二極管的單向?qū)щ娦裕央娙軨充電和放電回路隔離開來，再加上一個可調(diào)電位器RW，便可構(gòu)成占空比可調(diào)的多諧振蕩器。電容充電時間T1： T10.7R1C電容放電時間T2： T20.7R2C輸出波形占空比D：電路振蕩周期T： TT1+T20.7(

17、R1+R2)C若R1=R2，則D=50%。847623UCCR1R2555RWuo0.01FCVD2VD151第四十一頁，共四十六頁。6.5 多諧振蕩器5.555定時器構(gòu)成的振蕩器應(yīng)用實例模擬聲響發(fā)生器 將振蕩器A的輸出電壓uo1，接到振蕩器B中555定時器的復(fù)位端（4腳）。當(dāng)uo1為高電平時振蕩器B振蕩，當(dāng)uo1為低電平時555定時器復(fù)位，振蕩器B停止振蕩。這樣，揚聲器便發(fā)出“嗚嗚”的間歇聲響。84762351555A0.01FCR1AR2A847623155550.01FCR1BR2BRduo18uo25FUCCuo1uo2(a)(b)B第四十二頁，共四十六頁。 當(dāng)頻率為諧振頻率f0時，石

18、英晶體的等效阻抗最小，信號最容易通過，而其它頻率信號均被衰減掉。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： 優(yōu)點：工作可靠，調(diào)節(jié)方便。 缺點：振蕩頻率不能太高，一般不超過幾百千赫； 受電源波動、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)值無關(guān)。輸出頻率穩(wěn)態(tài)性很高。X0f0f石英晶體的圖形符號和電抗頻率特性石英晶體的固有頻率或諧振頻率第四十三頁，共四十六頁。6.5 多諧振蕩器石英晶體振蕩器電阻R1、R2的作用：保證兩個反相器在靜態(tài)時都能工作在線性放大區(qū)。對TTL反相器，