第七章-脈沖波形的產(chǎn)生與整形課件

第七章

脈沖波形的產(chǎn)生與整形7.1概述7.2施密特觸發(fā)器7.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7.4多諧振蕩器7.5555定時(shí)器及其應(yīng)用1、什么是脈沖波形？2、為什么要產(chǎn)生脈沖？4、如何產(chǎn)生脈沖以及對(duì)其進(jìn)行整形？3、為什么要對(duì)脈沖波形進(jìn)行整形？7.1概述1、什么是脈沖？脈沖：電壓(V)或電流(A)的波形像心電圖上的脈搏跳動(dòng)的波形。

在短時(shí)間內(nèi)突變，隨后又迅速返回其初始值的物理量稱之為脈沖。

2、為什么要產(chǎn)生脈沖？

數(shù)字電路經(jīng)常用到各種寬度和幅值的邊沿陡峭的脈沖信號(hào)：時(shí)鐘信號(hào)、定時(shí)信號(hào)。最常用的脈沖信號(hào)是方波或矩形波。3、為什么要對(duì)脈沖波形進(jìn)行整形？vItvOtVT+VT-VT+VT-vItvOtvItvOtVT+VT-

脈沖有各式各樣的形狀，有矩形、三角形、鋸齒形、鐘形、階梯形和尖頂形的等等。1、脈沖幅度Vm 2、脈沖寬度tw3、上升時(shí)間tr 4、下降時(shí)間tf5、周期T

6、占空比q描述矩形脈沖特性的主要參數(shù)4、如何產(chǎn)生脈沖以及對(duì)其進(jìn)行整形？利用多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖。

利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器對(duì)脈沖進(jìn)行整形。脈沖電路分類：脈沖電路作用：脈沖波形的產(chǎn)生和整形。脈沖電路構(gòu)成：開(kāi)關(guān)電路

+RC電路破壞電路的穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生暫態(tài)?？刂茣悍€(wěn)態(tài)時(shí)間的長(zhǎng)短。脈沖電路與數(shù)字電路的比較：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)電路（單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器）無(wú)穩(wěn)態(tài)電路（多諧振蕩器）雙穩(wěn)態(tài)電路（施密特觸發(fā)器）★數(shù)字電路的信號(hào)波形也是一種脈沖波形。★脈沖電路側(cè)重波形，數(shù)字電路側(cè)重邏輯關(guān)系。7.2施密特觸發(fā)器（SchmittTrigger）第一輸入信號(hào)從低電平上升的過(guò)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(guò)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(guò)電路內(nèi)部的正反饋過(guò)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)：

將兩極反相器串接起來(lái)，通過(guò)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7.2.1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，VOL＝0，且R1<R27.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器1.其工作原理①當(dāng)vI＝0時(shí)，vo1＝VOH

，vo＝VOL≈0，此時(shí)G1門的輸入電壓為②當(dāng)vI從0逐漸升高到使得vA＝VTH時(shí)，反相器進(jìn)入電壓傳輸特性的放大區(qū)（轉(zhuǎn)折區(qū)），故vA的增加，會(huì)引起下面的正反饋，即使電路迅速跳變到vo＝VOH≈VDD由疊加原理得

設(shè)施密特觸發(fā)器在輸入信號(hào)vI正向增加時(shí)的門檻電壓（閾值電壓）為VT＋，稱為正向閾值電壓，此時(shí)vo＝0，G1門的輸入電壓為當(dāng)vA>VTH時(shí)，電路狀態(tài)維持在vo＝VOH＝VDD不變③當(dāng)vI從高電平VDD逐漸下降到vA＝VTH時(shí)，由于也存在正反饋，即使電路迅速跳變到vo＝VOL≈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)vo＝VDD，G1門的輸入電壓為由于VTH＝VDD/2，故只要vI<VT-，vo≈0將VT＋和VT－之間的差值定義為回差電壓，用△VT表示，即施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性為右圖所示施密特觸發(fā)器的兩個(gè)輸出電壓傳輸特性為下圖所示利用施密特觸發(fā)器可以將邊沿變化緩慢的周期性信號(hào)變換為邊沿很陡的矩形脈沖2.施密特觸發(fā)器的主要特點(diǎn)：

輸入信號(hào)在上升和下降過(guò)程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換的輸入電平不同電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)有正反饋過(guò)程，使輸出波形邊沿變陡3.施密特觸發(fā)器的應(yīng)用(1)用于波形變換

利用施密特觸發(fā)器將一系列幅度不同的脈沖信號(hào)，其中幅度大于正向閾值電壓的幅度鑒別出來(lái)。（2）用于鑒幅（3）用于脈沖整形

在數(shù)字系統(tǒng)中，經(jīng)常出現(xiàn)干擾信號(hào)，使得信號(hào)波形變差，這樣可通過(guò)施密特觸發(fā)器整型獲得比較理想的波形。例

由CMOS反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如圖所示，設(shè)VTH＝3V，VDD＝6V，輸入電壓為峰－峰值6V的三角波。試畫(huà)出輸出電壓vo的波形，注明VT＋和VT－的大小，并求回差電壓△VT。解：閾值電壓為回差電壓為△VT＝VT＋－VT－

＝4.5-1.5=3V其輸出波形如右圖所示2023/7/287.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器特點(diǎn)：第一它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)不同的工作狀態(tài)；第二在外界觸發(fā)脈沖的作用下，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(shí)間以后，再自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)；第三暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無(wú)關(guān)。應(yīng)用：脈沖整形、延時(shí)、定時(shí)等

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)通常是靠RC電路的充放電過(guò)程來(lái)維持的，根據(jù)RC的電路不同接法，把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分成微分型和積分型。一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器右圖是由CMOS門電路G1、G2和Rd、Cd微分電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。設(shè)VOH≈VDD，VOL≈0，且CMOS門的轉(zhuǎn)折電壓為VTH≈VDD/2，a.無(wú)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，電路處于穩(wěn)態(tài)，vo=0

在穩(wěn)態(tài)下vI=0，vI2=VDD，故vo=0，vo1=VDD，電容C兩端無(wú)電壓，vc=0b.外加觸發(fā)信號(hào)時(shí)，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)

當(dāng)輸入信號(hào)vI加觸發(fā)脈沖時(shí)，在Rd、Cd組成的微分電路輸出端得到很窄的正負(fù)脈沖vd，如圖10.3.2波形所示。當(dāng)vI上升，vd也隨之上升，當(dāng)上升到VTH后，此時(shí)存在下列正反饋：則vo1迅速跳變?yōu)榈碗娖?，由于電容電壓不能躍變，故vI2同時(shí)為低電平，使得輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，此時(shí)電路進(jìn)入暫態(tài)，電容隨后開(kāi)始充電暫態(tài)c.電容充電，電路由暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)返回至穩(wěn)態(tài)電源VDD通過(guò)R和G1門的輸出電路給電容C充電C充電電路隨著vI2的增加，當(dāng)增加到vI2＝VTH，產(chǎn)生另一正反饋，即此時(shí)vo1和vI2迅速跳變?yōu)楦唠娖?，電路馬上翻為穩(wěn)態(tài)，即vo＝0此時(shí)電容C通過(guò)R和G2門的輸入保護(hù)電路很快放電，知道電容電壓為0，電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。C放電電路C放電輸出的脈沖寬度為注：微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以用窄脈沖觸發(fā)，但輸出脈沖的下降沿較差。二、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

右圖為由TTL與非門、反相器及RC積分電路構(gòu)成的積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。用于正脈沖觸發(fā)。a.無(wú)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，電路處于穩(wěn)態(tài)當(dāng)vI＝0時(shí)，輸出電壓vo＝VOH為高電平,vo1＝VOH，vo1通過(guò)R很快給電容C充電到vA＝VOH（R值比較?。゜.當(dāng)有正脈沖輸入后，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)vI由低電平轉(zhuǎn)為高電平時(shí)，vo1＝VOL。由于電容不能突變，vA仍保持高電平，使得輸出vo＝VOL為低電平，電路進(jìn)入暫態(tài)過(guò)程，此時(shí)電容C放電C放電回路其輸出波形如圖所示穩(wěn)態(tài)暫態(tài)電容放電c.電容放電，電路回到穩(wěn)態(tài)

隨著電容C的放電，vA下降到G2門的開(kāi)啟電壓VTH時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，回到穩(wěn)定狀態(tài)（“1”）。當(dāng)vI回到低電平后，vo1重新為低電平，并向電容C充電。輸出的脈沖寬度為C放電回路

微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形比較理想，前后沿比較陡，因?yàn)橛姓答伌嬖?，但抗干擾能力差；積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器抗干擾能力強(qiáng)，但輸出波形邊沿比較差，而且要求輸入觸發(fā)脈沖的寬度要大于輸出脈沖寬度。微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的比較：7.4多諧振蕩器

多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號(hào)，便能自動(dòng)產(chǎn)生矩形波形。由于矩形波中含有高次諧波故把矩形波振蕩器叫做多諧振蕩器。7.4.1對(duì)稱式多諧振蕩器圖為對(duì)稱式多諧振蕩器的典型電路。1.構(gòu)成：

它是由兩個(gè)反相器G1、G2經(jīng)耦合電容C1、C2連接起來(lái)的正反饋電路。2.產(chǎn)生自激振蕩的條件：

由圖所示TTL反相器電壓傳輸特性可知，若靜態(tài)時(shí)G1和G2工作在轉(zhuǎn)折區(qū)或線性區(qū)，它們即工作在放大狀態(tài)，其電壓放大倍數(shù)為

為了產(chǎn)生自激振蕩，電路不能有穩(wěn)定狀態(tài)，即靜態(tài)（未振蕩）時(shí)應(yīng)是不穩(wěn)定的此時(shí)只要輸入電壓有微小的波動(dòng)，就會(huì)被正反饋回路放大而引起振蕩故為了使反相器工作在放大狀態(tài)，則要給它們?cè)O(shè)置適當(dāng)?shù)钠秒妷?，其?shù)值在高、低電平之間。這個(gè)偏置電壓可以由RF

來(lái)設(shè)定。由反相器的輸入電路和疊加原理可得在反相器的電壓傳輸特性上做出此直線，交點(diǎn)P即為反相器的靜態(tài)工作點(diǎn)，如圖所示。計(jì)算標(biāo)明，對(duì)于74系列的門電路而言，RF1的阻值應(yīng)取0.5KΩ～1.9KΩ。此式是輸出與輸入的線性關(guān)系方程。3.工作情況分析

假使當(dāng)電路接通電源后，由于電沖擊，使得輸入有微小的正跳變，則由于下列正反饋：此正反饋使得vo1迅速跳變?yōu)榈碗娖?，vo2翻轉(zhuǎn)成高電平，電路進(jìn)入第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。同時(shí)C1充電，而C2放電C1充電回路C2放電回路由于充電的速度比放電速度快，故vI2首先達(dá)到閾值電壓VTH，并有下面的正反饋：C1充電回路C2放電回路vo2迅速跳變?yōu)榈碗娖?，而vo1跳變?yōu)楦唠娖?，電路進(jìn)入第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，同時(shí)C1放電C2充電。由于電路對(duì)稱，過(guò)程與前相似，C2充電的速度比C1充電快，很快vI1首先達(dá)到閾值電壓VTH，使得vo1

迅速跳變?yōu)榈碗娖剑鴙o2跳變?yōu)楦唠娖?，又回到第一暫穩(wěn)態(tài)電路中各處的電壓波形如圖所示。若取RF1=RF2＝RF，C1＝C2=C，則振蕩周期為7.4.2非對(duì)稱式多諧振蕩器

將對(duì)稱式多諧振蕩器的C1和RF2去掉，兩個(gè)反相器仍工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)上，輸出仍然沒(méi)有穩(wěn)定狀態(tài)。這就是非對(duì)稱式多諧振蕩器，其電路如圖所示，反相器為CMOS門。1.自激振蕩的條件：

若反相器為CMOS反相器，則為了使電路靜態(tài)不穩(wěn)定，工作點(diǎn)仍在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，且工作點(diǎn)恰好在轉(zhuǎn)折區(qū)的中點(diǎn)，對(duì)RF的選擇沒(méi)有嚴(yán)格限制。

vo22.工作情況分析

當(dāng)vI1由于某種原因產(chǎn)生正跳變時(shí)，存在下面的正反饋這樣使得vo1迅速跳變?yōu)榈碗娖?，vo2跳變?yōu)楦唠娖?，電路進(jìn)入第一暫穩(wěn)態(tài)，同時(shí)電容放電

vo2電容放電電路隨著C放電，vI1下降，當(dāng)vI1＝VTH時(shí)，產(chǎn)生下面正反饋

vo2這樣使得vo1迅速跳變?yōu)楦唠娖?，vo2跳變?yōu)榈碗娖?，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)，同時(shí)電容充電，vI1增加，當(dāng)升到閾值電壓VTH時(shí)，電路又迅速調(diào)到第一暫穩(wěn)態(tài)電容充電電路其各處波形如圖所示其振蕩周期為其振蕩頻率為7.4.3環(huán)形振蕩器

利用閉合回路中的正反饋?zhàn)饔每梢援a(chǎn)生自激振蕩，而利用閉合回路中的延遲負(fù)反饋?zhàn)饔靡部梢援a(chǎn)生自激振蕩，但需要負(fù)反饋信號(hào)足夠強(qiáng)。

環(huán)形振蕩器就是利用延遲負(fù)反饋產(chǎn)生振蕩的。它是利用門電路的傳輸延遲時(shí)間將奇數(shù)個(gè)反相器首尾相接而構(gòu)成的。1.最簡(jiǎn)單的環(huán)形振蕩器電路如圖所示。vI1由于某種原因產(chǎn)生一微小正跳變，則經(jīng)過(guò)G1門的傳輸時(shí)間tpd后，vI2產(chǎn)生幅度增大的負(fù)跳變，再經(jīng)過(guò)G2門的傳輸時(shí)間tpd后，vI3產(chǎn)生幅度增大的正跳變，再經(jīng)過(guò)G3門的傳輸時(shí)間tpd后，vo（vI1）產(chǎn)生幅度更大的負(fù)跳變，同理再經(jīng)過(guò)3tpd后vI1跳變?yōu)楦唠娖健Ｖ芏鴱?fù)始，產(chǎn)生振蕩。工作原理：輸出波形如圖所示振蕩周期為其中tpd為反相器的傳輸延遲時(shí)間同理若將任何大于、等于3的奇數(shù)個(gè)反相器首尾相聯(lián)成環(huán)形電路，都你能產(chǎn)生自激振蕩，且周期為其中n為串聯(lián)反相器的個(gè)數(shù)改進(jìn)電路如圖所示，其中增加了RC積分環(huán)節(jié)，加大了第二節(jié)的延遲時(shí)間圖所示的環(huán)形振蕩器電路雖然簡(jiǎn)單，但由于門電路的傳輸時(shí)間很小，故振蕩頻率很高，頻率很難調(diào)節(jié)。2.實(shí)用的環(huán)形振蕩器但RC電路的充、放電的持續(xù)時(shí)間很短，為了獲取更大的延遲，將C的接地端改到G1的輸出端，如圖所示其中Rs為保護(hù)電阻各處的波形如圖所示其振蕩周期可由下式估算注：上式成立的條件應(yīng)滿足R1+RS>>R.，VOL≈0vo27.4.4用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖所示。其工作原理如下其輸出波形如圖所示其振蕩周期的計(jì)算公式為為了可調(diào)節(jié)占空比，電路可修改為圖所示的電路。電容充電是通過(guò)R2進(jìn)行，電容放電是通過(guò)R1進(jìn)行，故只要改變R1和R2的比值即可改變占空比。7.4.5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。１９２２年美國(guó)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(wú)線電播音中的穩(wěn)頻，隨后各國(guó)相繼采用，使無(wú)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)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給出了石英晶體的外形、符號(hào)和電抗頻率特性。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(guò)，其他頻率被衰減，故振蕩器的工作再頻率fo處。圖為對(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(wú)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)10-10～10-11。目前石英晶體已被制成標(biāo)準(zhǔn)化和系列化出售。7.5.1555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能7.5555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)

圖為國(guó)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）組成其圖形符號(hào)和功能表如圖所示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1－3V。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，不用是可懸空或通過(guò)0.01μF的電容接地。8－電源端，可在5－18V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Q＝0時(shí)，TD導(dǎo)通，外接電容C通過(guò)此管放電。7.5.2用555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器電路如圖所示

其電壓傳輸特性如圖所示。由圖可知，這是個(gè)典型的反相輸出的施密特觸發(fā)器。工作原理：