脈沖波形的產(chǎn)生與變換

脈沖波形的產(chǎn)生與變換第1頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.1概述含有惰性元件C或L的電路存在暫態(tài)過(guò)程，即有充放電現(xiàn)象。脈沖波形就是利用惰性電路的充放電而形成的。第2頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四用控制開(kāi)關(guān)位置及時(shí)間常數(shù)RC的方法，可得到不同的脈沖波形。如下圖（a）所示，當(dāng)時(shí)間常數(shù)RC遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間TS時(shí)，便組成微分電路，在電阻上可獲得窄脈沖輸出。圖(b)組成積分電路，當(dāng)RC<<TS時(shí)。在電容上可得矩形波；而當(dāng)RC>>TS時(shí)，在電容上又可得線性掃描的波形。（a）（b）第3頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四脈沖形成電路的組成應(yīng)有兩大部分：惰性電路和開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)是用來(lái)破壞穩(wěn)態(tài)，使惰性電路產(chǎn)生暫態(tài)的。開(kāi)關(guān)可用不同的電子器件來(lái)完成，如可用運(yùn)算放大器，分立器件晶體三極管或場(chǎng)效應(yīng)管，也可以用邏輯門(mén)。目前用得較多的是555定時(shí)電路。第4頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四惰性電路產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)程，對(duì)一階問(wèn)題而言，可用三要素法來(lái)描述，獲得電壓或電流隨時(shí)間變化的方程第5頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.2555定時(shí)電路6.2.1基本組成555集成電路主要由3個(gè)5kΩ電阻組成的分壓器、兩個(gè)高精度電壓比較器A和B、一個(gè)基本RS觸發(fā)器、一個(gè)作為放電通路的管子及輸出驅(qū)動(dòng)電路組成。

第6頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1．分壓器

分壓器由3個(gè)5kΩ電阻R組成，它為兩個(gè)電壓比較器提供基準(zhǔn)電平。2．比較器

比較器A、B是兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的高精度電壓比較器。3．基本RS觸發(fā)器

RS觸發(fā)器由兩個(gè)或非門(mén)組成，它的狀態(tài)由兩個(gè)比較器輸出控制，根據(jù)基本RS觸發(fā)器的工作原理，就可以決定觸發(fā)器輸出端的狀態(tài)。4．開(kāi)關(guān)放電管和輸出緩沖級(jí)放電管V是N溝道增強(qiáng)型的MOS管，其控制柵為0電平時(shí)截止，為1電平時(shí)導(dǎo)通。兩級(jí)反相器構(gòu)成輸出緩沖級(jí)，反相器的設(shè)計(jì)考慮了有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，一般可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)TTL門(mén)電路。同時(shí)，輸出級(jí)還起隔離負(fù)載對(duì)定時(shí)器影響的作用。第7頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.2.2工作原理及特點(diǎn)THROUTDXX低（L）低（L）接通>2/3UDD>1/3UDD高（H）低（L）接通<2/3UDD>1/3UDD高（H）低（L）原狀態(tài)X<1/3UDD高（H）高（H）關(guān)斷第8頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.3單穩(wěn)態(tài)電路6.3.1由CC7555構(gòu)成的電路

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在外界觸發(fā)脈沖的作用下，電路從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫態(tài)，然后在暫穩(wěn)態(tài)停留一段時(shí)間TW后又自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)，并在輸出端產(chǎn)生一個(gè)寬度為T(mén)W的矩形脈沖。TW只與電路本身的參數(shù)有關(guān)，而與觸發(fā)脈沖無(wú)關(guān)。我們通常把TW稱(chēng)為脈沖寬度。圖6-3CC7555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第9頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.3.2工作原理靜止期：觸發(fā)信號(hào)處于高電平，電路處于穩(wěn)態(tài)，根據(jù)555工作原理可知為低電平，放電管V導(dǎo)通，定時(shí)電容C兩端電壓為0。工作期：外界觸發(fā)信號(hào)加進(jìn)來(lái)，要求為負(fù)脈沖且低電平應(yīng)小于，比較器輸出UB為高電平，UA為低電平，使為高電平，且放電管截止，電源通過(guò)定時(shí)電阻R對(duì)定時(shí)電容充電，這是一個(gè)暫態(tài)問(wèn)題，只要寫(xiě)出三要素即可。三要素如下：

第10頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四為了使電路能正常工作，要求外加觸發(fā)脈沖的寬度TIW<TW，且負(fù)脈沖的數(shù)值一定要低。為此，常在輸入信號(hào)和觸發(fā)電路之間加一微分電路，如圖6-4所示。第11頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四恢復(fù)期：TR由下式?jīng)Q定：

TR=(3～5)rd·C

其中rd為放電管導(dǎo)通時(shí)呈現(xiàn)的電阻。一般R>>rd，所以恢復(fù)期很短。圖6-4具有微分環(huán)節(jié)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第12頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.3.3由門(mén)電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路1.微分型單穩(wěn)電路(1)電路組成

門(mén)1、門(mén)2是CMOS或非門(mén)，R、C組成微分延時(shí)環(huán)節(jié)。第13頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

穩(wěn)態(tài)時(shí)，門(mén)1輸出高電平，門(mén)2輸出低電平，vi1=vi＝0，v01＝VDD、vi2＝VDD、vO2＝0。當(dāng)vi由0上升到VTH

(CMOS或非門(mén)的開(kāi)啟電壓)時(shí)，將引起下列正反饋過(guò)程使電路快速翻轉(zhuǎn)到門(mén)1輸出低電平時(shí)，門(mén)2輸出高電平的暫穩(wěn)狀態(tài)。隨之VDD通過(guò)R及門(mén)1的輸出電阻(驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通電阻)對(duì)電容C充電，vi2逐漸升高，當(dāng)vi2上升到VTH時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生下列反饋過(guò)程(假設(shè)此時(shí)vi已回到低電平)(2)工作原理第14頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四TW估算公式如下：

典型情況下第15頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.積分型單穩(wěn)態(tài)電路(1)電路組成門(mén)1、門(mén)2是COMS或非門(mén)，R、C構(gòu)成積分型延時(shí)環(huán)節(jié)。第16頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(2)工作原理穩(wěn)態(tài)時(shí)門(mén)1、門(mén)2輸出低電平。vi=1、vO1=0、vi2=0、vO=0。當(dāng)vi負(fù)跳變到0時(shí)，vO1隨之跳變到高電平，但由于電容上電壓不能突變，vi2仍為0，故門(mén)2也截止，vO正跳變到高電平VDD，進(jìn)入暫態(tài)；此時(shí)，電容通過(guò)R0(門(mén)1的輸出電阻)和R充電，vi2逐漸上升，當(dāng)上升到VT時(shí)，門(mén)2導(dǎo)通，vO變成低電平，回到穩(wěn)態(tài)；當(dāng)vi回到高電平后，門(mén)1導(dǎo)通，電容放電，電路保持穩(wěn)狀態(tài)不變。第17頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

脈沖寬度TW的估算公式和微分型電路相同，但這種電路要求輸入信號(hào)vi的脈沖寬度大于輸出脈沖vO

的寬度TW

，否則就成了反相器。第18頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.4多諧振蕩器多諧振蕩器是一種無(wú)穩(wěn)態(tài)電路，它在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號(hào)，電路狀態(tài)能夠自動(dòng)地不斷變換，產(chǎn)生矩形波的輸出。由于矩形波中的諧波分量很多，因此這種振蕩器冠以“多諧”二字。第19頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四脈沖周期T：周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個(gè)相鄰脈沖的時(shí)間間隔。有時(shí)也用頻率f=1/T表示，f表示單位時(shí)間里脈沖重復(fù)的次數(shù)。脈沖幅度Um：脈沖電壓的最大變化幅度。脈沖寬度Tw：從脈沖前沿上升到0．5Um起，到脈沖后沿下降到0．5Um止的一段時(shí)間。上升時(shí)間tr：脈沖前沿從0．1Um上升到0．9Um所需的時(shí)間。下降時(shí)間tf：脈沖后沿從0．9Um下降到0．1Um所需的時(shí)間。第20頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.4.1電路組成圖(a)是用CC7555構(gòu)成的多諧振蕩器。除將A的高電平觸發(fā)端TH和B的低電平觸發(fā)端短接外，在放電回路中還串接一個(gè)電阻R2。電路中R1、R2、C均是定時(shí)元件。圖(b)為工作波形。第21頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.4.2工作原理

自由多諧振蕩器不具有穩(wěn)態(tài)，只具有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)短由電路的定時(shí)元件確定，電路工作就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。其具體工作過(guò)程如下：第一暫穩(wěn)態(tài)期第二暫穩(wěn)態(tài)期第22頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四該電路的振蕩周期計(jì)算如下：第23頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四在實(shí)際中常常需要調(diào)節(jié)T1和T2。于是引進(jìn)了占空比D的概念。圖6-11占空比可調(diào)振蕩器第24頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.4.3與非門(mén)對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器（1）電路組成當(dāng)與非門(mén)工作在轉(zhuǎn)折區(qū)時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)有很強(qiáng)的放大作用，因此，只要把靜態(tài)時(shí)工作在轉(zhuǎn)折區(qū)的兩個(gè)與非門(mén)用電容耦合起來(lái)，就可以組成多諧振蕩器。圖中vK是控制端，當(dāng)vK為高電平時(shí)，振蕩器振蕩；vK為低電平時(shí)，振蕩器停止振蕩。第25頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（2）工作原理假定接通電源后，門(mén)Ⅰ、門(mén)Ⅱ都工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，那么只要有一點(diǎn)小的干擾，就會(huì)引起振蕩。例如，由于某種原因使vI1增加了一點(diǎn)點(diǎn)，就會(huì)引起下列正反饋過(guò)程從而使門(mén)Ⅰ迅速飽和導(dǎo)通，門(mén)Ⅱ迅速截止，電路進(jìn)入一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。同時(shí)，電容C1開(kāi)始充電，C2開(kāi)始放電。由于C1同時(shí)通過(guò)R1和RF2兩個(gè)支路充電，充電速度很快，所以vI2首先升高到閾值電壓VT,從而引起下列正反饋過(guò)程-ˉ?ˉ?-?vvvv1OI12O2I第26頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四因而門(mén)Ⅰ迅速截止，門(mén)Ⅱ迅速導(dǎo)通，電路進(jìn)入另一個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)。這時(shí)電容C2，C1放電。根據(jù)同樣的理由，C2充電較快，所以vI1較快地升高到閾值電壓VT,并引起下次正反饋過(guò)程，使電路重新回到門(mén)Ⅰ導(dǎo)通、門(mén)Ⅱ截止的暫穩(wěn)態(tài)。因此，電路將不停地振蕩。據(jù)此，可畫(huà)出振蕩器各點(diǎn)電壓的近似波形，如右圖所示。第27頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四振蕩器周期的計(jì)算：假設(shè)C1=C2=C，RO<<RF1=RF2=RF<<Ri，可估算得振蕩周期如果取VOH=3.4V、VOL=0.2V，VT=1.1V代入上式，則可得第28頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.4.4石英晶體多諧振蕩器在對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器的C1支路串聯(lián)一個(gè)石英晶體就構(gòu)成石英晶體多諧振蕩器，其振蕩頻率為石英晶體的固有頻率，具有很高的頻率穩(wěn)定性。第29頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.5施密特電路施密特電路具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，其最主要的應(yīng)用是，將變化緩慢的輸入波形，整形成為適合于數(shù)字電路需要的矩形脈沖。由于該電路具有滯回特性，因此抗干擾能力較強(qiáng)。

6.5.1電路組成將555時(shí)基電路2、6端連接，即構(gòu)成施密特電路。電壓傳輸特性如圖（c）。第30頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.5.2工作原理回差電壓

回差電壓可通過(guò)改變5管腳電壓達(dá)到。一般來(lái)講，5管腳電壓越高，回差電壓△UT越大，抗干擾能力越強(qiáng)，但是降低了觸發(fā)靈敏度。6.5.3