脈沖波形的產生和整形專項知識講座

脈沖波形的產生和整形專項知識講座脈沖波形的產生和整形專項知識講座第1頁（6-2）第六章脈沖波形產生和整形6.1概述6.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.2施密特觸發(fā)器6.4多諧振蕩器6.5555定時器及其應用脈沖波形的產生和整形專項知識講座第2頁（6-3）6.1概述

數(shù)字電路區(qū)分于模擬電路主要特點之一是：它工作信號是離散脈沖信號。最常見脈沖信號是方波(矩形波)。怎樣產生方波以及對不理想方波怎樣整形，是本章討論重點。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第3頁（6-4）+VCCFS

按鈕按放一次，便產生一個單脈沖。

不過，因為按鈕S機械動作經(jīng)常伴有抖動現(xiàn)象，使得輸出方波很不理想，毛刺很大。這么方波用到數(shù)字系統(tǒng)中很輕易引發(fā)誤動作。所以，這個電路沒有實用價值。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第4頁（6-5）脈沖周期T…周期性重復脈沖序列中，兩個相鄰脈沖之間時間間隔。脈沖幅度Vm…脈沖電壓最大改變幅度。脈沖寬度tW…從脈沖前沿抵達0.5Vm起，到脈沖后沿抵達0.5Vm止一段時間。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第5頁（6-6）上升時間tr…脈沖上升沿從0.1Vm上升到

0.9Vm所需要時間。下降時間tf…脈沖下降沿從0.9Vm下降到

0.1Vm所需要時間。占空比q…脈沖寬度與脈沖周期比。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第6頁（6-7）6.2施密特觸發(fā)器特點：

第一，輸入信號從低電平上升過程中，電路狀態(tài)轉換時對應輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應輸入轉換電平不一樣。

第二，在電路狀態(tài)轉換時，經(jīng)過電路內部正反饋過程使輸出電壓波形邊緣變得很陡。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第7頁（6-8）6.2.1用門電路組成施密特觸發(fā)器用CMOS反相器組成施密特觸發(fā)器

（a）電路

（b）圖形符號脈沖波形的產生和整形專項知識講座第8頁（6-9）工作過程：當輸入從0逐步升高并到達正反饋過程：結果：電路狀態(tài)快速地轉換為脈沖波形的產生和整形專項知識講座第9頁（6-10）電路狀態(tài)發(fā)生轉換時對應輸入電平：當輸入從0逐步升高并到達正反饋過程：結果：電路狀態(tài)快速地轉換為稱為正向閾值電壓脈沖波形的產生和整形專項知識講座第10頁（6-11）電路狀態(tài)發(fā)生轉換時對應輸入電平：稱為負向閾值電壓脈沖波形的產生和整形專項知識講座第11頁（6-12）0.50.51.01.01.51.52.02.02.52.53.03.03.53.54.04.0ABCDE2.4V0.4VOL（max）VOH（min）VVoViOFFVONV(V)(V)A(0V,3.6V)B(0.6V,3.6V)C(1.3V,2.48V)D(1.4V,0.3V)E(3.6V,0.3V)電壓傳輸特征曲線1、AB段（截止區(qū)）2、BC段（線性區(qū)）3、CD段（過渡區(qū)）4、DE段（飽和區(qū)）輸出高電平輸出低電平脈沖波形的產生和整形專項知識講座第12頁（6-13）（a）同相輸出（b）反相輸出電壓傳輸特征經(jīng)過改變電阻比值能夠調整回差電壓大小。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第13頁（6-14）例如圖所表示，假如要求解脈沖波形的產生和整形專項知識講座第14頁（6-15）脈沖波形的產生和整形專項知識講座第15頁（6-16）用TTL門電路接成施密特觸發(fā)器脈沖波形的產生和整形專項知識講座第16頁（6-17）6.2.2集成施密特觸發(fā)器帶與非功效TTL集成施密特觸發(fā)器脈沖波形的產生和整形專項知識講座第17頁（6-18）集成施密特觸發(fā)器7413電壓傳輸特征脈沖波形的產生和整形專項知識講座第18頁（6-19）CMOS集成施密特觸發(fā)器CC40106脈沖波形的產生和整形專項知識講座第19頁（6-20）集成施密特觸發(fā)器CC40106特征（a）電壓傳輸特征（b）VDD對VT＋、VT－影響脈沖波形的產生和整形專項知識講座第20頁（6-21）用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)波形變換6.2.3施密特觸發(fā)器應用一、用于波形變換脈沖波形的產生和整形專項知識講座第21頁（6-22）用施密特觸發(fā)器對脈沖整形二、用于脈沖整形脈沖波形的產生和整形專項知識講座第22頁（6-23）用施密特觸發(fā)器判別脈沖幅度三、用于脈沖鑒幅脈沖波形的產生和整形專項知識講座第23頁（6-24）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器簡稱單穩(wěn)。

它突出特點是:輸出端只有一個穩(wěn)定狀態(tài),另一個狀態(tài)則是暫穩(wěn)態(tài).加入觸發(fā)信號后,它能夠由穩(wěn)定狀態(tài)轉入暫穩(wěn)態(tài),不過,經(jīng)過一定時間以后,它又會自動返回原來穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)暫穩(wěn)態(tài)由外界觸發(fā)自動返回6.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖波形的產生和整形專項知識講座第24頁（6-25）特點：

第一、它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不一樣工作狀態(tài)；第二、在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，再自動返回穩(wěn)態(tài)；第三、暫穩(wěn)態(tài)維持時間長短取決于電路本身參數(shù)，與觸發(fā)脈沖寬度和幅度無關。學習重點:為何會自動返回?需多少時間?脈沖波形的產生和整形專項知識講座第25頁（6-26）6.3.1用門電路組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖波形的產生和整形專項知識講座第26頁（6-27）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)時：當觸發(fā)脈沖加到輸入端時：當vd上升到VTH后，引發(fā)一個正反饋過程脈沖波形的產生和整形專項知識講座第27頁（6-28）

電容C開始充電。當vI2＝VTH時，引發(fā)另一個正反饋過程電路進入暫穩(wěn)態(tài)：電路恢復到穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)：電容經(jīng)過電阻R放電。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第28頁（6-29）電壓波形圖脈沖波形的產生和整形專項知識講座第29頁（6-30）電容C充電等效電路脈沖波形的產生和整形專項知識講座第30頁（6-31）電容C放電等效電路脈沖波形的產生和整形專項知識講座第31頁（6-32）二、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器0tuiuo1uAuo20t0t0tt1當ui

發(fā)生正跳變后,uo1

跟著負跳變;但uA不能突變，uo2

馬上下跳。在ui正脈沖到來以前，uo1是高電平，uo2是高電平。uo1uo2RC1＆uiuA脈沖波形的產生和整形專項知識講座第32頁（6-33）0tuiuo1uAuo20t0t0tt1uo1下跳后，C放電，uA下降。VTHuA=VTH時，uo2上跳。之后uA繼續(xù)下降。uo1uo2RC12uiAui正脈沖過后，uo2隨即恢復高電平。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第33頁（6-34）0tuiuo1uAuo20t0t0tt1UTuo1uo2RC12uiAW

在ui合理配合下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖（uo2）寬度W，取決于電容放電速度。即R、C參數(shù)大小。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第34頁（6-35）6.3.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

集成化單穩(wěn)組件類型很多,以下以74LS121

為例,作為介紹對象。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第35頁（6-36）集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121工作波形圖脈沖波形的產生和整形專項知識講座第36頁（6-37）集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121外部連接方法（a）使用外接電阻Rext

（下降沿觸發(fā)）

（b）使用內部電阻Rint

（上升沿觸發(fā)）脈沖波形的產生和整形專項知識講座第37頁（6-38）

它管腳圖和功效表見下頁:74LS123包含兩個獨立單穩(wěn),各管腳以字頭1、2相區(qū)分。單穩(wěn)輸出脈沖寬度，主要由外接定時電阻(RT

)和定時電容(CT

)決定。單穩(wěn)翻轉時刻決定于A、B、CLR

三個輸入相與結果，詳細參見它功效表。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第38頁（6-39）91615141312111024365781CLRCLRQQQQ2B2A1B1A2Q1Q1Q2Q1CLR2CLR1CT2CTVCCGND2RT/CT1RT/CT74LS123管腳圖脈沖波形的產生和整形專項知識講座第39頁（6-40）CLRABQQ說明000000011111111穩(wěn)態(tài)觸發(fā)74LS123功效表脈沖波形的產生和整形專項知識講座第40頁（6-41）74LS123輸出脈沖寬度有三種控制方法:1.基礎脈沖寬度由外接電阻(RT

)、電容(CT

)決定，當CT

>1000PF時，脈寬tW

應為：tW

=0.45RT

CT

2.在清零端(CLR

)加清0負脈沖,可提前終止輸出脈沖,以下列圖所表示:tWCLRQ單位：RT:k

、CT:Pf、tW:nS脈沖波形的產生和整形專項知識講座第41頁（6-42）3.經(jīng)過在A

端或B

端加再觸發(fā)脈沖,可使輸出脈沖寬度加寬:tWtWBQ

因為這種單穩(wěn)能夠經(jīng)過加再觸發(fā)脈沖增大輸出脈沖寬度,所以,它被稱為可再觸發(fā)式單穩(wěn)。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第42頁（6-43）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應用

單穩(wěn)應用各種多樣,如:整形、延時控制、定時次序控制等等。比如“延時控制”

利用單穩(wěn)能夠取得延時作用,延長時間能夠經(jīng)過R、C調整。請看下例:脈沖波形的產生和整形專項知識講座第43頁（6-44）

矩形波發(fā)生器又稱多諧振蕩器。它是一個自激振蕩器，在接通電源以后，不需要外加觸發(fā)信號，便能自動產生矩形脈沖。6.4.1對稱式多諧振蕩器

對稱式多諧振蕩器是由兩個反相器經(jīng)耦合電容連接起來正反饋振蕩回路。6.3多諧振蕩器脈沖波形的產生和整形專項知識講座第44頁（6-45）對稱式多諧振蕩器電路

電路沒有穩(wěn)定狀態(tài)。使得反相器工作在放大狀態(tài)，只要輸入有極微小擾動，就會被正反饋回路放大而引發(fā)振蕩。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第45頁（6-46）TTL反相器（7404）電壓傳輸特征脈沖波形的產生和整形專項知識講座第46頁（6-47）計算TTL反相器靜態(tài)工作點等效電路脈沖波形的產生和整形專項知識講座第47頁（6-48）多諧振蕩器工作原理外界干擾引發(fā)正反饋過程：進入第一個暫穩(wěn)態(tài)同時C1開始充電而C2開始放電脈沖波形的產生和整形專項知識講座第48頁（6-49）電路中電容充、放電等效電路

（a）C1充電等效電路（b）C2放電等效電路脈沖波形的產生和整形專項知識講座第49頁（6-50）進入第二個暫穩(wěn)態(tài)C1充電使vI2首先上升到G2閾值電壓VTH，并引發(fā)以下正反饋過程：同時C2開始充電而C1開始放電脈沖波形的產生和整形專項知識講座第50頁（6-51）電路中各點電壓波形脈沖波形的產生和整形專項知識講座第51頁（6-52）第一個暫穩(wěn)態(tài)連續(xù)時間T1多諧振蕩器周期T＝2T1脈沖波形的產生和整形專項知識講座第52頁（6-53）6.4.2非對稱式多諧振蕩器非對稱式多諧振蕩器電路脈沖波形的產生和整形專項知識講座第53頁（6-54）非對稱式多諧振蕩器工作原理CMOS反相器靜態(tài)工作點確實定脈沖波形的產生和整形專項知識講座第54頁（6-55）電容充、放電等效電路（a）放電等效電路（b）充電等效電路脈沖波形的產生和整形專項知識講座第55頁（6-56）工作波形圖脈沖波形的產生和整形專項知識講座第56頁（6-57）

利用邏輯門電路傳輸延遲時間，將奇數(shù)個與非門首尾相接，就能夠組成一個簡單環(huán)形振蕩器:&&&uo3uo2uo16.4.3環(huán)形振蕩器脈沖波形的產生和整形專項知識講座第57頁（6-58）&&&321uo3uo2uo1

設uo3

初始狀態(tài)為0:010101

用波形圖來表示,則為:0tuo3優(yōu)點:

電路結構簡單,所用元件少。缺點:頻率太高,而且不可調整。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第58頁（6-59）123RRS100CAuo1uouo2321uo3uo2uo1

在原電路基礎上添加RC延時電路,便能夠克服上圖不足:

下面將結合它工作波形說明其工作原理:脈沖波形的產生和整形專項知識講座第59頁（6-60）0tuo0tuo20tuo10tuAUT假設：開始時uo=0電容上電流，uA下降uA>UT時，uo不反轉。123RRS100CAuo1uouo2010脈沖波形的產生和整形專項知識講座第60頁（6-61）0tuo0tuo20tuo10tuAUT當uA=UT時，uo反轉，uo1、uo2也一起反轉。123RRS100CAuo1uouo2脈沖波形的產生和整形專項知識講座第61頁（6-62）0tuo0tuo20tuo10tuAUT

因為電容電壓不能突變,當uo1

發(fā)生下跳時,uA有一突變。U123RRS100CAuo1uouo2脈沖波形的產生和整形專項知識講座第62頁（6-63）0tuo0tuo20tuo10tuAUTUt1

后，uo2>uo1，電容反向充電,uA上升。只要uA<UT，uo就不反轉。t1123RRS100CAuo1uouo2脈沖波形的產生和整形專項知識講座第63頁（6-64）0tuo0tuo20tuo10tuAUTU當uA=UT

時(t2)，uo、uo1、uo2再次反轉。t2123RRS100CAuo1uouo2脈沖波形的產生和整形專項知識講座第64頁（6-65）0tuo0tuo20tuo10tuAUTU因為uo1上跳，電容電壓不能突變，所以uA上跳，然后uA開始下降

電流方向123RRS100CAuo1uouo2脈沖波形的產生和整形專項知識講座第65頁（6-66）T0tuo0tuo20tuo10tuAUTU

輸出信號周期近似為:T=2.2RC123RRS100CAuo1uouo2脈沖波形的產生和整形專項知識講座第66頁（6-67）6.4.4用施密特觸發(fā)器組成多諧振蕩器用施密特觸發(fā)器組成多諧振蕩器脈沖波形的產生和整形專項知識講座第67頁（6-68）電壓波形圖脈沖波形的產生和整形專項知識講座第68頁（6-69）脈沖占空比可調多諧振蕩器脈沖波形的產生和整形專項知識講座第69頁（6-70）6.4.5石英晶體多諧振蕩器石英晶體電抗頻率特征和符號脈沖波形的產生和整形專項知識講座第70頁（6-71）石英晶體多諧振蕩器脈沖波形的產生和整形專項知識講座第71頁（6-72）

555定時器是將模擬電路和數(shù)字電路集成于一體電子器件。它使用方便,帶負載能力較強,當前得到了非常廣泛應用。6.5.1555定時器電路結構與功效

555定時器內部電路包含以下幾個別:一個由三個相等電阻組成分壓器;兩個電壓比較器:C1、C2

;一個RS

觸發(fā)器和集電極開路放電三極管TD

組成。詳細結構見后圖。6.5555定時器及其應用脈沖波形的產生和整形專項知識講座第72頁（6-73）CB555電路結構圖脈沖波形的產生和整形專項知識講座第73頁（6-74）RSQQ++--C1C2VCCTHCOTRDuoRD87645321RRR12345678555VCCDTHCOGNDTRUoRD電源放電閾值電控壓制地觸發(fā)輸出復位電源電壓范圍:4.5V~18V管腳圖脈沖波形的產生和整形專項知識講座第74頁（6-75）CORSQQ++--C1C2VCCTHTRDTuoRD87645321RRR

三個電阻組成分壓器給兩個比較器提供基準電壓:C1

為2VCC

/3,C2

為VCC

/3。

首先討論上圖中彩色個別電路工作原理。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第75頁（6-76）101000閾值端觸發(fā)端THTRRS比較結果2VCC

/3小于2VCC

/3小于VCC

/3大于VCC

/3小于VCC

/3大于大于2VCC

/3SR++--C1C2VCCTHCOTR876521RRR閾值端觸發(fā)端脈沖波形的產生和整形專項知識講座第76頁（6-77）RSQQ++--C1C2VCCTHCOTRDTuoRD87645321RRR晶體管TRSQuo100100保持0110保持保持導通截止RSQ1001000101保持保持Q11禁止禁止RS

觸發(fā)器功效表附錄:脈沖波形的產生和整形專項知識講座第77頁（6-78）

綜合以上分析結果,便可得到555功效表:閾值端觸發(fā)端THTR2VCC

/3VCC

/3大于大于2VCC/32VCC/3VCC

/3VCC/3小于小于小于大于保持保持RD晶體管Tuo0111001導通導通截止RSQQ++--C1C2VCCTHCOTRDuoRD87645321RRR脈沖波形的產生和整形專項知識講座第78頁（6-79）用555定時器接成施密特觸發(fā)器6.5.2用555定時器接成施密特觸發(fā)器脈沖波形的產生和整形專項知識講座第79頁（6-80）1、分析輸入從0逐步升高過程：2、再看輸入從高電平下降過程：脈沖波形的產生和整形專項知識講座第80頁（6-81）電壓傳輸特征脈沖波形的產生和整形專項知識講座第81頁（6-82）用555定時器接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.5.3用555定時器接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖波形的產生和整形專項知識講座第82頁（6-83）電壓波形圖脈沖波形的產生和整形專項知識講座第83頁（6-84）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器:洗相曝光定時器48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS若S打開,則ui

=1;若S合上,則ui

=0。0t0t0tuiuCuo2VCC

/3TW脈沖波形的產生和整形專項知識講座第84頁（6-85）若S打開,則ui

=1;若S合上,則ui

=0。

接通電源后，設按鈕S處于打開狀態(tài),電容已充電至穩(wěn)態(tài)。則：依前分析可知：此時uo

=0,555內晶體管T導通,電容CT

被短路,TH<2VCC/3、TR>VCC/3。Uo保持0狀態(tài)。48162357uouiVCCRRTCTDTHTRSTR>VCC/3。脈沖波形的產生和整形專項知識講座第85頁（6-86）若S打開,則ui

=1;若S合上,則ui

=0。0tuiuo=0,555內管T導通,電容CT

被短路。0tuCT2VCC/30tuo48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS脈沖波形的產生和整形專項知識講座第86頁（6-87）0tuiS按下時,TR

<VCC

/3,已經(jīng)有TH

<2VCC

/3,故uo

=1。此時555內晶體管T截止,CT

將充電。只要uCT

未充至2VCC

/3,uo=1

狀態(tài)不會改變。0tuo0tuCT2VCC/348162357uouiVCCRRTCTDTHTRS脈沖波形的產生和整形專項知識講座第87頁（6-88）

一旦uCT>2VCC/3,且按鈕已松開，TR>VCC

/3,則uo=0;555內晶體管T也由截止變成導通,電容CT

快速放電而變成0V。0tui0tuCT2VCC

/30tuo48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS脈沖波形的產生和整形專項知識講座第88頁（6-89）0tui0tuCT2VCC/30tuo

由以上過程能夠看出:按鈕每按動一次,uo

便輸出一個正脈沖,其寬度TW

由

RTCT

決定。TW48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS脈沖波形的產生和整形專項知識講座第89頁（6-90）48162357uouiVCCRRTCTDTHTRSJJ~紅白D1D2按一次按鈕

S未按uo0J線圈不通電J結點不動作紅燈白燈亮滅1通電閉合亮滅紅燈亮時間即為曝光時間TWTW=1.1RT

CT脈沖波形的產生和整形專項知識講座第90頁（6-91）6.5.4用555定時器接成多諧振蕩器脈沖波形的產生和整形專項知識講座第91頁（6-92）電壓波形圖脈沖波形的產生和整形專項知識講座第92頁（6-93）用555定時器組成占空比可調多諧振蕩器脈沖波形的產生和整形專項知識講座第93頁（6-94）設計多諧振蕩器脈沖波形的產生和整形專項知識講座第94頁（6-95）(3)多諧振蕩器:簡易電子琴電路48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCCuC0tVCC

/32VCC

/3首先說明怎樣用555定時器組成多諧振蕩器:0tuo輸出波形脈沖波形的產生和整形專項知識講座第95頁（6-96）

設電容C原先未充電,故TH=TR<VCC/3,此時uo

=1,555內晶體管T截止,電源經(jīng)過R1

和R2

對電容C

充電。uC0tVCC

/32VCC

/30tuo

在uC

沒有充電到2VCC/3之前,uo

保持

1

不變。48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC脈沖波形的產生和整形專項知識講座第96頁（6-97）uC0tVCC

/32VCC

/30tuouC一旦充至2VCC/3，則TH=TR=2VCC

/3、uo由1翻轉為

0

。同時555內晶體管T導通,電容C經(jīng)R2

、T放電,一直至VCC

/3，使得uo

回到1,進入循環(huán)

...t1t2t3

在uC

沒有充電到2VCC/3之前,uo

保持

1

不變。48162357R1R2CuC555