數(shù)字電子技術(shù)（第五版） 課件 第6章 脈沖波形的產(chǎn)生與整形

第6章脈沖波形的產(chǎn)生與整形1、命名規(guī)則

所有雙極型產(chǎn)品型號(hào)最后的3位數(shù)碼都是555；所有CMOS產(chǎn)品型號(hào)最后的4位數(shù)碼都是7555；所有雙極型雙定時(shí)器產(chǎn)品最后的3位數(shù)碼都是556；所有CMOS雙定時(shí)器產(chǎn)品最后的4位數(shù)碼都是7556；雙極型和CMOS型555定時(shí)器的功能和外部引腳的排列完全相同。一、555時(shí)基電路的封裝和命名2、常見封裝形式圖1555和556時(shí)基電路的封裝示意圖1、美國無線電公司CA555時(shí)基電路圖2CA555時(shí)基電路的內(nèi)部等效電路圖二、555時(shí)基電路的電路結(jié)構(gòu)及工作原理1/3VCC2/3VCC推挽式功率輸出IO=200mA圖2中的555電路可簡化為下圖3所示的等效功能電路。顯然555電路內(nèi)含兩個(gè)比較器A1和A2、一個(gè)基本RS觸發(fā)器、一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)集電極開路的放電晶體管。圖3CA555時(shí)基電路的等效功能電路圖2/3VCC1/3VCC置位－復(fù)位觸發(fā)器2、國產(chǎn)雙極型定時(shí)器CB555時(shí)基電路圖4CB555時(shí)基電路的等效功能電路圖強(qiáng)制復(fù)位置位－復(fù)位觸發(fā)器表2CB555引出端真值表輸入輸出VI1VI2VOTD狀態(tài)0xx低導(dǎo)通1>2/3VCC>1/3VCC低導(dǎo)通1<2/3VCC>1/3VCC不變不變1<2/3VCC<1/3VCC高截止1>2/3VCC<1/3VCC高截止

1、反向型施密特觸發(fā)器符號(hào)及電壓傳輸特性圖1反向型施密特觸發(fā)器符號(hào)和下行滯回曲線由圖1可知，該電路實(shí)際上是一個(gè)具有滯后特性的反相器。圖中，VT+稱為正向閾值電平或上限觸發(fā)電平；VT-稱為負(fù)向閾值電平或下限觸發(fā)電平。它們之間的差值稱為回差電壓(滯后電壓)，用△VT表示。即有：

△VT=VT+-

VT-一、施密特觸發(fā)器特點(diǎn)2、同向型施密特觸發(fā)器符號(hào)及電壓傳輸特性圖2同向型施密特觸發(fā)器符號(hào)和上行滯回曲線◆輸入信號(hào)從低電平上升的過程中電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對應(yīng)的輸入電平，與其從高電平下降過程中對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。3、施密特觸發(fā)器性能上的兩個(gè)重要特點(diǎn)◆在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，輸出電壓波形的邊沿十分陡峭（Trigger，通過電路內(nèi)部的正反饋過程）。圖1用CB555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)電路提高參考電壓的穩(wěn)定性RARPRB二、施密特觸發(fā)器電路設(shè)計(jì)0.01μF圖2圖1電路的電壓傳輸特性由圖2知這是一個(gè)典型的反相輸出施密特觸發(fā)器。如果參考電壓由5腳外接的電壓VCO供給，則不難看出此時(shí)VT+=VCO，VT-=1/2VCO，ΔVT=1/2VCO，通過改變VCO值可以調(diào)節(jié)回差電壓的大小。三、施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性VT+=2/3VCCVT-=1/3VCC圖3【例1】電路【例1】圖3所示555時(shí)基電路構(gòu)成了施密特觸發(fā)器電路，試回答下述問題：（1）按圖3電路連接，則電路的正負(fù)觸發(fā)閾值電壓VT+、VT-和回差電壓ΔV各應(yīng)為多少伏？（2）畫出圖3電路的Vo=f(vI)曲線,若要將曲線改為上行曲線，電路應(yīng)作何改動(dòng)？（3）若將圖3中5腳改接VC=13.2V,則電路的VT+、VT-和回差電壓ΔV各為多少伏？四、施密特觸發(fā)器應(yīng)用示例【解】：（1）由圖3電路分析可知：當(dāng)vI=0時(shí)，輸出VO為高電平；當(dāng)vI上升，升至2/3VCC以上時(shí)，VO變?yōu)榈碗娖?當(dāng)vI下降，且降至1/3VCC以下時(shí)，VO又返回高電平。由以上分析可知：VT+=2/3VCC=10V;VT-=1/3VCC=5V;ΔV=VT+-VT-=5V（3）若將圖3中5腳改接VC=13.2V，則電路的VT+、VT-和回差電壓ΔV為：VT+=VC=13.2V;VT-=1/2VC=6.6V;ΔV=VT+-VT-=6.6V（2）圖3電路的Vo=f(vI)曲線如下圖(a)：若要將曲線改為上行曲線，其它參數(shù)都不變，最簡單的方法是在555時(shí)基電路的輸出端加一反相器電路，這樣電壓傳輸特性就變?yōu)樯闲袦厍€（如圖(b)所示）。（a）（b）施密特觸發(fā)器（電路）是一種特殊的雙穩(wěn)態(tài)時(shí)序電路，與一般雙穩(wěn)態(tài)電路比較，它具有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：

◆施密特觸發(fā)器是一種優(yōu)良的波形整形電路，因?yàn)橹灰斎胄盘?hào)電平達(dá)到觸發(fā)電平，輸出信號(hào)就會(huì)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)，且通過電路內(nèi)部的正反饋過程可使輸出電壓的波形變得很陡。

◆對正向和負(fù)向增長的輸入信號(hào)，電路有不同的閾值電平，這是施密特觸發(fā)器的滯后特性或回差特性，提高了干擾能力，可有效濾除噪聲。五、施密特觸發(fā)器的應(yīng)用1、用于波形變換圖1用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)波形變換脈沖展寬2、用于脈沖整形傳輸線上電容較大傳輸線較長阻抗不匹配其它脈沖疊加的噪聲3、用于脈沖鑒幅4、構(gòu)成多諧振蕩器(*)1、設(shè)計(jì)思路在555時(shí)基單元電路的外部加接幾個(gè)阻容元件，就可接成單穩(wěn)態(tài)電路。它所形成的單脈沖持續(xù)寬度，可以從幾微秒到幾個(gè)小時(shí)，精密度可達(dá)0.1％。由555組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器時(shí)僅需外接一個(gè)由電阻R和電容C組成的定時(shí)網(wǎng)絡(luò)。一、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的設(shè)計(jì)定時(shí)器tw=?2、設(shè)計(jì)電路圖1用CB555定時(shí)器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路RCvI圖2圖1電路的電壓傳輸特性二、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電壓傳輸特性及脈寬tw

tw圖3【例1】電路【例1】圖3所示555時(shí)基電路構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路，試回答下述問題：（1）導(dǎo)出圖3電路的輸出脈寬tW的計(jì)算公式，并計(jì)算R=10kΩ，C=0.01μF時(shí)，tW的數(shù)值？（2）圖3電路正常工作時(shí)，對輸入VI和輸出VO的脈寬有何要求？三、應(yīng)用示例【解】：（1）由圖3電路分析可得：（2）圖3電路如需正常工作，則輸入觸發(fā)脈沖VI的脈寬必須小于輸出VO的正脈寬，否則tW將不再由電路的參數(shù)決定，而僅由VI負(fù)脈寬的大小決定，且二者相等，此時(shí)電路的輸出和輸入邏輯反相，相當(dāng)于一個(gè)反相器電路。由電路三要素定理可得：

◆有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩種不同的工作狀態(tài)；◆在外接脈沖作用下，可以從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間后自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)；◆在暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)器脈沖的寬度和幅度無關(guān)。四、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(diǎn)

多諧振蕩器是一種自激性的振蕩電路。在接通電源以后，不需要外加觸發(fā)信號(hào)，就能自動(dòng)地產(chǎn)生單一頻率和固定幅值的矩形脈沖。二、占空比固定的多諧振蕩器滯回比較器RC充放電回路1、電路結(jié)構(gòu)及振蕩波型圖3施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖4多諧振蕩器電路的電壓波形圖VT-VT+VI2、參數(shù)分析依據(jù)電路三要素法則可得：通過調(diào)節(jié)R和C的大小，可以改變振蕩周期，但不能改變占空比。分析振蕩周期T、占空比D

1、電路結(jié)構(gòu)及電壓波形圖1555時(shí)基電路構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路及輸出波形三、占空比大于50%的多諧振蕩器2、參數(shù)計(jì)算◆電路的振蕩周期T

T=t1+t2=(τ1+τ2)ln2=[(R1+R2)+R2]C?ln2=(R1+2R2)Cln2◆振蕩頻率f=1/T，即f=1.443/(R1+2R2)C◆輸出振蕩波形的占空比D為

D=t1/T=(R1+R2)/(R1+2R2)當(dāng)R2?R1時(shí)，則D≈50%，即輸出振蕩為方波。3、應(yīng)用示例圖2【例1】電路【例1】圖2所示555時(shí)基電路構(gòu)成了多諧振蕩器電路，試回答下述問題：（1）說明圖2電路振蕩時(shí)充電和放電回路的途徑，若R1=20kΩ，R2=30kΩ，C=0.02μF，電路的振蕩頻率f為多大？（2）若將圖2電路的5腳VC端接參考電壓12V，其它參數(shù)不變，電路的振蕩頻率又為多大？【解】：（1）由圖2電路分析可得充、放電的時(shí)間T1、T2的邊界條件分別如下：由電路三要素定理可得：振蕩周期為：所以振蕩頻率f為：

（2）若將圖2電路的VC端解參考電壓12V，其它參數(shù)不變，則電路充、放電的時(shí)間T1、T2的邊界條件分別如下：由電路三要素定理可得：所以振蕩頻率f為：

通過調(diào)節(jié)電位器，可以在不改變振蕩周期的情況下，改變占空比。四、占空比可調(diào)的多諧振蕩器

五、壓控振蕩器

在許多應(yīng)用場合下都對多諧振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定性有嚴(yán)格的要求。例如在將多諧振蕩器作為數(shù)字鐘的脈沖源使用時(shí)，它的頻率穩(wěn)定性直接影響著計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。在這種情況下，前面所講的多諧振蕩電路難以滿足要求。

——為什么？六、石英晶體多諧振蕩器1、原因分析◆這些振蕩器中門電路的轉(zhuǎn)換電平VTH本身就不夠穩(wěn)定；◆這些電路的工作方式容易受干擾，造成電路轉(zhuǎn)換時(shí)間的提前或滯后；◆在電路狀態(tài)臨近轉(zhuǎn)換時(shí)電容的充、放電已經(jīng)比較緩慢，轉(zhuǎn)換電平的微小變化或輕微干擾都會(huì)嚴(yán)重影響振蕩周期。2、解決方案

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1石英晶體的電抗頻率特性和符號(hào)頻率穩(wěn)定度：

3、電路設(shè)計(jì)

圖2石英晶體多諧振蕩器該振蕩器的工作頻率必然是f0。VI1VO1VI2VO2C1C274系列：0.5-1.9Kf04、電路特點(diǎn)

◆石英晶體多諧振蕩器的振蕩頻率取決于石英晶體的固有諧振頻率f0

，而與外接電阻，電容無關(guān)?！羰⒕w的諧振頻率由石英晶體的結(jié)晶方向和外形尺寸所決定，具有極高的頻率穩(wěn)定性。利用閉合回路中的正反饋?zhàn)饔每梢援a(chǎn)生自激振蕩，利用閉合回路中的延遲負(fù)反饋?zhàn)饔猛瑯右材墚a(chǎn)生自激振蕩，只要負(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。七、環(huán)形振蕩器1、電路設(shè)計(jì)圖1所示電路是一個(gè)最簡單的環(huán)形振蕩器，它由三個(gè)反相器首尾相連而組成。不難看出,這個(gè)電路是沒有穩(wěn)定狀態(tài)的。因?yàn)樵陟o態(tài)(假定沒有振蕩時(shí))下任何一個(gè)反相器的輸入和輸出都不可能穩(wěn)定在高電平或低電乎，而只能處于高、低電平之間，所以處于放大狀態(tài)。圖1最簡單的環(huán)形振蕩器電路2、工作波形

圖2是圖1電路的工作波形圖。由圖可見，振蕩周期為T=6tpd.圖2環(huán)形振蕩器工作波形圖3、電路特點(diǎn)

基于上述原理可知，將任何大于、等于3的奇數(shù)個(gè)反相器首尾相連地接成環(huán)形電路，都能產(chǎn)生自激振蕩，而且振蕩周期為T=2ntpd。(其中n為串聯(lián)反相器的個(gè)數(shù))。

——有何缺陷？

振蕩頻率很高，且頻率不易調(diào)節(jié)。

——怎樣改進(jìn)？4、電路改進(jìn)

圖3帶RC延遲電路的環(huán)形振蕩器通常RC電路產(chǎn)生的延遲時(shí)間遠(yuǎn)大于門電路本身的傳輸延遲時(shí)間，所以振蕩周期主要取決于RC電路的作用。限流保護(hù)電阻◆