第八章脈沖波形的產(chǎn)生與變換

會(huì)計(jì)學(xué)1第八章脈沖波形的產(chǎn)生與變換8.1概述數(shù)字系統(tǒng)中的脈沖信號(hào)通常由以下幾種形式獲得：⑴由信號(hào)發(fā)生器直接產(chǎn)生；⑵由傳感器變換來(lái)的電信號(hào)經(jīng)過(guò)整形或變換而得。脈沖波形產(chǎn)生與變換電路的組成

產(chǎn)生脈沖信號(hào)的電路主要由三部分組成。開(kāi)關(guān)元件：正反饋電路：延遲電路：開(kāi)關(guān)元件保證電路能輸出高、低兩種電平。

作用是當(dāng)電路處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)由它維持著這一穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，又能促進(jìn)其狀態(tài)的改變。

作用是控制電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)所需的時(shí)間，通常延遲電路的輸出又是促使電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的外界因素。第1頁(yè)/共27頁(yè)RC延遲電路由電路理論可知，對(duì)于一階電路而言，用三要素法即可進(jìn)行電路的暫態(tài)分析,其公式為

f(t)=f(∞)+[f(0+)-f(∞)]e-t/τ(8.1.1)式中f(0+)為初始值，f(∞)為正常情況下應(yīng)達(dá)到的最終值，τ為時(shí)間常數(shù)。通常f(t)還未到達(dá)f(∞)時(shí)電路狀態(tài)就已經(jīng)發(fā)生改變，因此，常利用f(t)反過(guò)來(lái)求解狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需時(shí)間，其公式為(8.1.2)第2頁(yè)/共27頁(yè)二.555定時(shí)器

555定時(shí)器是目前在信號(hào)產(chǎn)生和變換電路中應(yīng)用得非常廣泛的一種中規(guī)模集成電路。

電路結(jié)構(gòu)原理它由分壓器三個(gè)5KΩ電阻、兩個(gè)比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器以及輸出緩沖級(jí)G2和開(kāi)關(guān)放電管T組成。UCC第3頁(yè)/共27頁(yè)⒈分壓器分壓器上的兩個(gè)分壓點(diǎn)a和b的電平由電源UCC和電壓控制端共同控制，為比較器提供基準(zhǔn)電平。當(dāng)⑤腳懸空時(shí)，Ua=2UCC/3，Ua=UCC/3

。如果改變⑤腳的輸入，則可改變a、b的基準(zhǔn)電平。⒉比較器及基本RS觸發(fā)器比較器C1的反相輸入端和C2的同相輸入端分別作為高觸發(fā)端TH和低觸發(fā)端TL與外電路相連，輸出與RS觸發(fā)器相連。設(shè)⑤腳懸空。當(dāng)TH的電平U6＞Ua，TL的電平U2＞Ub時(shí)，比較器C1端輸出為低電平，比較器C2輸出為高電平，基本RS觸發(fā)器輸出狀態(tài)為10；當(dāng)TH的電平U6＜Ua，TL的電平U2＜Ub時(shí)，比較器C1端輸出為高電平，比較器C2輸出為低電平，向基本RS觸發(fā)器輸出狀態(tài)為1；當(dāng)TH的電平U6＜Ua，TL的電平U2＞Ub時(shí)，比較器C1端和比較器C2輸出均為高電平，基本RS觸發(fā)器狀態(tài)不變。第4頁(yè)/共27頁(yè)⒊輸出緩沖級(jí)和放電管輸出狀態(tài)uo由RS觸發(fā)器的輸出端C點(diǎn)電平高低決定。而當(dāng)復(fù)位端為低電平時(shí)，不管C點(diǎn)狀態(tài)如何，輸出uo均為低電平UOL。正常工作時(shí)應(yīng)將復(fù)位端接高電平。由G2構(gòu)成的緩沖級(jí)主要使電路有較大的輸出電流。此外，緩沖級(jí)的存在還可以隔離負(fù)載對(duì)555定時(shí)器的影響。放電管T的狀態(tài)由G1的狀態(tài)控制，當(dāng)G1輸出高電平時(shí)T導(dǎo)通，當(dāng)G1輸出低電平時(shí)T截止，放電管的輸出端通常外接延遲元件，用以控制暫態(tài)的維持時(shí)間。輸入輸出高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端TL復(fù)位（RD）輸出（uo）放電管T××00導(dǎo)通＞2UCC/3＞UCC/310導(dǎo)通＜2UCC/3＜UCC/311截止＜2UCC/3＞UCC/31不變不變第5頁(yè)/共27頁(yè)8.2多諧振蕩器

多諧振蕩器又稱無(wú)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。它沒(méi)有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，而只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電路接通電源后就進(jìn)入處于某一暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間電路可以自動(dòng)地觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換而輸出一系列方波。因此，多諧振蕩器又稱為方波發(fā)生器。構(gòu)成多諧振蕩器主要器件有與非門組成、555定時(shí)器或石英晶體第6頁(yè)/共27頁(yè)一.由與非門組成的多諧振蕩器

設(shè)與非門的開(kāi)門電平與關(guān)門電平相等，均記為Uth。⒈從第一暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到第二暫穩(wěn)態(tài)的過(guò)程設(shè)電路在t=0接入電源時(shí)uo為低電平UOL→G1輸出uo1為高電平UOH→uo2為低電平UOL。由于此時(shí)電容器C兩端的電壓為0，故ui3也為高電平UOH→輸出uo仍為UOL（R2值很?。娐愤M(jìn)入第一暫穩(wěn)態(tài)。CG1G2uO1R11G311uO2uOui3R2UOLUOHUOL+-iUOH以后，高電平uo1通過(guò)電阻R1對(duì)電容C正向充電→ui3↓，當(dāng)其下降到與非門的關(guān)門電平Uth時(shí)→G3關(guān)閉→uo=UOH→uo1=UOL→uo2=UOH，電路進(jìn)入第二穩(wěn)態(tài)。躍變前瞬間電容器C兩端的電壓uC=UOH-Uth>0。UthUOHUOLUOH第7頁(yè)/共27頁(yè)CG1G2uO1R11G311uO2uOui3R2UthUOHUOLUOH⒉從第二暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)的過(guò)程

由于電容器兩端的電壓不能突變，當(dāng)uo1（C的左端）從高電平UOH躍變到低電平UOL時(shí)，則ui3（C的右端）的電平從Uth躍變成Uth-(UOH-UOL)=Uth+UOL-UOH,此電平可保證輸出uO維持在高電平UOH上。進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)以后，高電平uo2通過(guò)電阻R1對(duì)電容C反向充電→ui3↑=開(kāi)門電平Uth→uo↓=UOL→uo1↑=UOH、uo2↓=UOL，電路返回第一暫穩(wěn)態(tài)。返回前瞬間電容器兩端的電壓uC=UOL-Uth<0

UOLUOHUOL+-iUth以后過(guò)程周而復(fù)始，電路將不停地改變輸出狀態(tài)，輸出一系列方波。第8頁(yè)/共27頁(yè)由與非門構(gòu)成的多諧振蕩器工作波形圖

兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的相互轉(zhuǎn)換通過(guò)R1C的正、反向充電來(lái)實(shí)現(xiàn)，而ui3的電平對(duì)輸出狀態(tài)的改變起著決定作用。第一暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間和第二暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短分別取決于ui3的電平由Uth+UOH-UOL下降至Uth和由Uth+UOL-UOH上升到Uth所需要的時(shí)間。UthUOLUOHuOui30ttUth+UOH-UOL0UOHUth+UOL-UOH第9頁(yè)/共27頁(yè)二.石英晶體時(shí)鐘脈沖發(fā)生器石英晶體片由于具有非常穩(wěn)定的頻率特性而廣泛地應(yīng)用在對(duì)頻率要求很高的場(chǎng)合中。

⒈石英晶體片的簡(jiǎn)介

石英晶體為各向異性的SiO2結(jié)晶體，存在壓電效應(yīng)現(xiàn)象。在石英晶體片的兩極加交流電壓時(shí)，晶片將產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)；同時(shí)這一機(jī)械振動(dòng)又產(chǎn)生交變電場(chǎng)。，當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶體固有機(jī)械諧振頻率f0相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅值就急劇增加，而機(jī)械振動(dòng)的幅值的急劇增加又反過(guò)來(lái)產(chǎn)生很大的交變電場(chǎng)，這樣就可在石英晶片兩端得到一個(gè)振幅較大的交變電壓并能維持在一定的幅度上，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。從電的角度上看，可用RLC串聯(lián)電路來(lái)模擬石英晶片，產(chǎn)生壓電諧振時(shí)，相當(dāng)于產(chǎn)生串聯(lián)諧振，此時(shí)石英晶片相當(dāng)一個(gè)純電阻R0，阻值較小。電路圖中的石英晶片就可用一個(gè)電阻元件代替。石英晶片的圖形符號(hào)為：

第10頁(yè)/共27頁(yè)⒉石英晶體時(shí)鐘脈沖發(fā)生器⑴從第一暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到第二暫穩(wěn)態(tài)的過(guò)程

C1和C2同時(shí)充電，C2↑=Uth，uO=UOL

。

C1G1R11KΩ1uOG21AC20.001μFR21KΩC30.005μF8MHzC1R1uOAC2R2C310+-+-C1R1uOAC2R2C301++--+-⑵從第二暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)的過(guò)程C1R1uOAC2R2C310+-+-+-0110C1和C2放電，C3反充電，C2↓=Uth，uO=UOH

。

C1、C2充電，C3放電，C2↑=Uth，uO=UOL

。

脈沖頻率僅取決于石英晶體固有頻率與電路其它參數(shù)無(wú)關(guān)。第11頁(yè)/共27頁(yè)

三.

由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器當(dāng)uC＞2UCC/3時(shí)，C1輸出為UOL，RS觸發(fā)器置0；當(dāng)uC＜UCC/3時(shí)，C2輸出為UOL

，RS觸發(fā)器置1；當(dāng)2UCC/3

＞uC＞UCC/3時(shí)，C1和C2輸出均為UOH

，觸發(fā)器狀態(tài)不變。⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻＆＆＆5KΩ5KΩ5KΩabTRRSCG1G2uO+-C1C2+-1R1R2D1D2CuC+-+UCC+UCC第12頁(yè)/共27頁(yè)⒈工作原理合上電源后，UCC通過(guò)R1、D1對(duì)電容C充電，當(dāng)uC↑＞2UCC/3時(shí)，比較器C1輸出端變成UOL，觸發(fā)器置0，電路輸出UOL，進(jìn)入第一暫穩(wěn)態(tài)。同時(shí)，與非門G1輸出UOH，使得放電管T導(dǎo)通，電容C經(jīng)過(guò)D2、R2和T放電，uC↓→uC＜UCC/3時(shí)，比較器C2的輸出由UOH→UOL

，觸發(fā)器置1，輸出由UOL→UOH，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)。電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)后，G1門輸出UOL

，T管截止，電容器放電終止，電源UCC又通過(guò)R1、D1向C充電。以后過(guò)程周而復(fù)始，兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)交換，輸出一系列方波。第13頁(yè)/共27頁(yè)工作波形UOLUOHuOuctt0T1T231UCC32UCC（a）（b）第14頁(yè)/共27頁(yè)⒉振蕩周期的計(jì)算

多諧振蕩器輸出維持高電平的時(shí)間T1即為uc從UCC/3充電到2UCC/3所需的時(shí)間，此暫態(tài)過(guò)程中，時(shí)間常數(shù)τ=R1C，初始值uc(0+)=UCC/3

，最終值uc(∞)=UCC，uc(T1)=2UCC/3，由式（8.1.2）得T1=R1Cln2≈0.7R1C(8.2.1)多諧振蕩器輸出維持低電平時(shí)間T2的暫態(tài)過(guò)程為：時(shí)間常數(shù)τ=R2C，初始值uc(0+)=2UCC/3

，最終值uc(∞)=0。當(dāng)uc=UCC/3，維持低電平時(shí)間T2為T1=R1Cln2≈0.7R1C(8.2.1)第15頁(yè)/共27頁(yè)⒉振蕩周期的計(jì)算

輸出方波的周期T=T1+T2≈0.7(R1+R2)C(8.2.3)振蕩頻率為(8.2.4)輸出波形的占空比（即輸出高電平的時(shí)間在整個(gè)周期中占的比例）為(8.2.5)當(dāng)R1=R2=R時(shí)，T1=T2≈0.7RC，T=2T1≈1.4RC振蕩頻率為第16頁(yè)/共27頁(yè)⒊占空比可調(diào)的多諧振蕩器在原電路中的兩個(gè)電阻R1和R2之間加一個(gè)電位器，便構(gòu)成了占空比可調(diào)的多諧振蕩器。⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻＆＆＆5KΩ5KΩ5KΩabTRRSCG1G2+-C1C2+-1R1R3D1D2CuC+-+UCC+UCCR2RARB{{輸出波形的占空比為第17頁(yè)/共27頁(yè)8.3

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器⒈合上電源電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)ui一般情況下為UOL

，ui

＞2U/3，C2輸出UOH

。合上電源后，UCC通過(guò)R對(duì)C充電，uC＜2UCC/3時(shí)，C1輸出UOH，uC=2UCC/3時(shí)，C1輸出UOL，RS觸發(fā)器置0→G1輸出⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻＆＆＆5KΩ5KΩ5KΩabTRRSCG1G2uO+-C1C2+-1RCuC+-+UCC+UCCTHuiTLUOH→T飽和導(dǎo)通→C經(jīng)T管放電→uC↓＜2UCC/3時(shí)，C1輸出UOH，觸發(fā)器保持0態(tài)，uC↓至T管的飽和電壓，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于穩(wěn)定0狀態(tài)。第18頁(yè)/共27頁(yè)8.3

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器⒉輸入負(fù)脈沖電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)輸入負(fù)脈沖ui

＜2UCC/3時(shí)→C2輸出0，RS觸發(fā)器置1，電路輸出1，進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。負(fù)脈沖過(guò)后，C2輸出轉(zhuǎn)為1，電路保持一段時(shí)間的暫穩(wěn)態(tài)不變。⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻＆＆＆5KΩ5KΩ5KΩabTRRSCG1G2uO+-C1C2+-1RCuC+-+UCC+UCCTHuiTL⒊電路自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)電路輸出1→G1輸出0→T立即截止→UCC又對(duì)C充電，當(dāng)uC=2UCC/3→C1輸出0→RS觸發(fā)器置0→電路輸出0，返回穩(wěn)態(tài)，直到輸入下一個(gè)負(fù)脈沖。第19頁(yè)/共27頁(yè)=ln3·RC≈1.1RC(8.3.2)8.3

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器⒋電容器兩端電壓恢復(fù)過(guò)程當(dāng)u0=1→0，G1輸出1，T飽和導(dǎo)通→C經(jīng)T管放電。從C放電開(kāi)始到其兩端的電壓降到T管的飽和電壓所需的時(shí)間即為恢復(fù)時(shí)間TR，因τ很小，TR≈0。⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻＆＆＆5KΩ5KΩ5KΩabTRRSCG1G2uO+-C1C2+-1RCuC+-+UCC+UCCTHuiTL⒌暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間uC從0充電到2UCC/3所需的時(shí)間TP

。TP=RC第20頁(yè)/共27頁(yè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形

改變R和C的數(shù)值可達(dá)到調(diào)節(jié)TP的目的。為保證單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的每一個(gè)輸入負(fù)脈沖都能起到觸發(fā)作用，觸發(fā)時(shí)ui的電平應(yīng)小于UCC/3，且寬度小于暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間TP。重復(fù)周期T必須大于暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間TP和電容器C的電壓放電恢復(fù)時(shí)間TR之和。由于恢復(fù)時(shí)間很短，故重復(fù)周期T只要略大于暫態(tài)維持時(shí)間即可。ui0tuC0tUOLUOHuO0tTPTUCC23第21頁(yè)/共27頁(yè)⒍單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器除了對(duì)脈沖進(jìn)行整形，把不規(guī)則的脈沖變換成寬度、幅值為給定值的脈沖外，還可以起定時(shí)作用。即改變R、C參數(shù)，從而調(diào)節(jié)暫態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短。如利用單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖寬度TP可將輸入信號(hào)的下降沿延時(shí)TP。利用單穩(wěn)輸出控制與門輸入端，那么在TP時(shí)間與門工作，UB的信號(hào)可以通過(guò)，實(shí)現(xiàn)脈沖的定時(shí)選通。第22頁(yè)/共27頁(yè)8.4施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器是一種雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，屬于電平觸發(fā)，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到某一定電平值時(shí)，輸出電平會(huì)發(fā)生躍變。由555工作原理可知，當(dāng)⑥端的電平＞Ua=2UCC/3電平時(shí)，C1輸出0（負(fù)脈沖），基本RS觸發(fā)器置0，電路輸出為0，而當(dāng)②端的電平＜