第12章脈沖波形

1、第12章 脈沖波形的產(chǎn)生與整形本章介紹中規(guī)模集成電路555定時(shí)器以及用它構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器的方法和應(yīng)用。12.1555定時(shí)電路及其功能555定時(shí)電路是一種多用途的雙極型數(shù)字-模擬集成電路，只要在外部配上幾個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮桦娙菰涂梢苑奖愕亟映墒┟芴赜|發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及多諧振蕩器等脈沖的產(chǎn)生 與變換電路。該器件的電源電壓為 4.518V，驅(qū)動(dòng)電流也較大（Iol=100200mA），并能提供與 TTL、MOS電路相兼容的邏輯電平，常用型號(hào)為NE555或5G555。最后4位數(shù)字是7555的是 CMOS 型。12.1.1電路的組成圖12.1為555集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。 其

2、中由三個(gè)5KQ的電阻R1UR2和R3組成分壓器, 為兩個(gè)比較器 C1和C2提供參考電壓，當(dāng)控制端Vm懸空時(shí)（為避免干擾 Vm端與地之間接一 0.01 左右的電容），Va=2Vcc/3, Vb=Vcc/3，當(dāng)控制端加電壓時(shí) Va=V m, Vb=Vm/2。圖12.1555定時(shí)器結(jié)構(gòu)框圖放電管Td的輸出端Q'為集電極開路輸出， 其集電極最大電流可達(dá) 50mA ,因此具有較大 的帶灌電流負(fù)載的能力。555集成電路的輸出級(jí)為推拉式結(jié)構(gòu)。Rd是置零輸入端，若復(fù)位端 Rd加低電平或接地，不管其他輸入狀態(tài)如何，均可使它 的輸出Vo為“0”電平。正常工作時(shí)必須使Rd處于高電平。功能555定時(shí)器的功能主

3、要是由兩個(gè)比較器Ci和C2的工作狀況決定的。由圖12.1可知，當(dāng)V6>VA、V2>VB時(shí)，比較器Ci的輸出VC仁0、比較器C2的輸出VC2=1 , 基本RS觸發(fā)器被置0, Td導(dǎo)通，同時(shí)Vo為低電平。當(dāng)V6<Va、V2>Vb時(shí)，VC1 = 1、VC2=1，觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，因而Td和輸出的狀態(tài)也維持不變。當(dāng)V6<VA、V2<VB時(shí)，VC1 = 1、VC2=0，故觸發(fā)器被置 1，VO為高電平，同時(shí) Td截止。 這樣我們就得到了表 12-1555定時(shí)器的功能表。表12-1555定時(shí)器的功能表輸入輸岀閾值輸入V6觸發(fā)輸入V2復(fù)位Rd輸出Vo放電管狀態(tài)TDXX0

4、0導(dǎo)通<VA<VB11截止>VA>VB10導(dǎo)通<Va>Vb1不變不變12.2施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種脈沖信號(hào)的整形電路，它在性能上有一個(gè)重要的特點(diǎn)是：具有如圖12.2(a)所示的滯后電壓傳輸特性，此特性又稱回差特性。施密特觸發(fā)器的定性符號(hào)如圖12.2(b)所示。Voi IVOH *VOLoVt-VT+* VI(a)圖12.2施密特觸發(fā)器的符號(hào)(b)(a) 滯后電壓傳輸特性(b) 定性符號(hào)用555定時(shí)電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器1 電路組成將555定時(shí)器閾值輸入端 TH （6腳）和觸發(fā)輸入端TR （2腳）連接在一起作為信號(hào)輸入端Vi，可構(gòu)成施密特觸發(fā)器如圖12

5、.3所示。放電輸出端Q' （ 7腳）加上拉電阻R和電源Vdd相連接也可作為輸出端，用于配合不同負(fù)載的需要。Vo申V cc -V OL圖12.4工作波形2.工作原理設(shè)在輸入端 Vi輸入如圖12.4所示的三角波信 號(hào)，此電路的工作原理如下：VI由0V逐漸上升，只要VV/3VCC, C1比較器 的輸出VC1=1 , C2比較器的輸出VC2=0電平，因此 基本觸發(fā)器置“1”，輸出VO為高電平Vi繼續(xù)上升，當(dāng)1/3V cc <Vi<2/3V cc時(shí)，比較器 C2輸出和比較器C1的輸出都為“ 1”電平，因此基 本觸發(fā)器的狀態(tài)不變，輸出 Vo仍為高電平。Vi繼續(xù)上升，一旦 Vi>

6、2/3VCC以后，比較器 C1 的輸出VC1為“ 0”，此時(shí)比較器C2的輸出VC2仍為 “1”電平，觸發(fā)器產(chǎn)生跳變，輸出VO由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，因此?VI由0V開始逐漸上升過程中 的轉(zhuǎn)換電平為： VT+ = 2/3V CC。V1再增加，基本觸發(fā)器保持“0”狀態(tài)不變。 輸出V O保持抵電平不變。Vi若由Vcc開始負(fù)增長(zhǎng)，只要未降到2/3Vcc以下，仍使 Vci=O, Vc2=1，基本觸發(fā)器保持仍保持低電平不變，即輸出Vo仍保持抵電平。Vi繼續(xù)下降，當(dāng)Vi下降到2/3V cc以下但仍大于1/3V cc，兩個(gè)比較器Ci和C2輸出都為“1” S R觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變，輸出V。也保持低電平不變。V

7、i繼續(xù)下降，當(dāng) VW/3Vcc時(shí)，比較器 ci輸出Vci=1，比較器 C2輸出Vc2=o,此時(shí)SR 觸發(fā)器產(chǎn)生由“ 0”到“1”的跳變，輸出 Vo也由低電平跳變至高電平，所以， Vi由Vcc開 始負(fù)增長(zhǎng)的過程中，轉(zhuǎn)換電平為：Vt- =1/3Vcc。如果Vi再繼續(xù)下降，SR觸發(fā)器保持“1”狀態(tài)，輸出Vo保持高電平不變。輸入 Vi三角 波所對(duì)應(yīng)的輸出 Vo波形如圖12.4所示。3 .滯后特性（回差特性）由上述分析可知，圖12.4具有滯后電壓傳輸特性。通常把上升時(shí)的閾值電壓Vt+稱為正向閾值電壓或稱為接通電平，而把下降時(shí)的閾值電壓Vt-稱為負(fù)向閾值電壓，或稱作斷開電平，它們之間的差值 = V t+

8、- Vt-，稱作滯后電壓，或稱作回差。由此可知圖12.3電路，如未外接Vm，上升、下降時(shí)的閾值電壓，Vt+ = 2/3V cc , Vt- = 1/3Vcc , 回差為：AV= Vt+ - Vt- = 1/3Vcc。若在控制端 Vm （5腳）外加電壓Vm，上升時(shí)的閾值電壓 Vt+ =Vm，下降時(shí)的閾值電壓 Vt- =1/2Vm，回差為：AY=1/2Vm,也就是說回差 AV隨控制端Vm的輸入電壓變化而變化。施密特觸發(fā)器的應(yīng)用1 .波形的變換與整形圖12.5波形變換圖12.6波形整形利用施密特觸發(fā)器可將正弦波或三角波變換成矩形波。如圖12.5為將變換緩慢的波形Vi轉(zhuǎn)換為矩形波形的過程。有些測(cè)量裝置

9、輸出信號(hào)經(jīng)放大后，可能是不規(guī)則的波形，如圖12.6VI所示，將它接在施密特電路的輸入端，如果電路的回差較小，為如圖中所示電路的回差為= Vt+ - Vit-時(shí)，輸出波形如圖12.6V1O所示。若輸入波形頂部的脈動(dòng)是由干擾造成的， 則會(huì)產(chǎn)生不良的后果，輸出信號(hào)就變成了三個(gè)脈沖。若適當(dāng)?shù)脑黾与娐返幕夭?，? VT+ -V2T-，輸出波形為圖12.6V2O所示，實(shí)現(xiàn)了整形作用，因此在這種情況下，適當(dāng)?shù)脑黾踊夭? 可以提高電路的抗干擾能力。2 幅度鑒別有一串幅度不相等的脈沖信號(hào)，如果需要剔除其中幅度不夠大的脈沖，可利用施密特觸圖12.7用施密特觸發(fā)器鑒別脈沖幅度Vi發(fā)器構(gòu)成脈沖鑒別器進(jìn)行處理。若將如圖

10、12.7所示一系列幅度各 異的串脈沖信號(hào) Vi加到施密特觸發(fā) 器輸入端時(shí)，只有那些幅度大于Vt+的脈沖會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)。這樣我們使 用施密特觸發(fā)器能將幅度大于Vt+的脈沖選出，因此施密特觸發(fā)器具有脈 沖鑒幅的能力。且由圖12.7可以看出 利用施密特觸發(fā)器可達(dá)到脈沖幅度鑒 別的目的。此外，用施密特觸發(fā)器還可以構(gòu) 成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。12.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是數(shù)字系統(tǒng)中又一種常用的脈沖整形電路。它的特點(diǎn)是：只有一個(gè)穩(wěn)態(tài)， 另外還有一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，沒有外加觸發(fā)信號(hào)作用時(shí)，電路始終處于穩(wěn)態(tài)；在外加觸發(fā)信號(hào)的 作用下，電路能從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換到暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間后，又能自動(dòng)回到穩(wěn)態(tài)

11、。電路處于暫穩(wěn) 態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)短通常取決于電路中電容的充電和放電時(shí)間，這個(gè)時(shí)間是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈 沖寬度tPO。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器種類很多，但特點(diǎn)均如上所述，下面介紹555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。用555定時(shí)電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1 電路的組成圖12.8為一個(gè)由555定時(shí)電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路中Ri和Ci為輸入回路的微分環(huán)節(jié)，確保V2的負(fù)脈沖寬度tP2< tPO , tPO為單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖寬度，一般要求 tpi >5RiCi。電路中R、C為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí)元件，其連接點(diǎn)的信號(hào)Vc加到閾值輸入TH （6 腳）和放電管Td的集電極Q' （ 7腳）。復(fù)位輸入端Rd （4腳）接高

12、電平，即不允許其復(fù)位；控制端 Vm通過電容0.01 接地,以保證555定時(shí)器上下比較器的參考電壓為2/3Vcc、1/3Vcc不變。輸出端可引出此單穩(wěn)的輸出信號(hào)V。2 .工作原理電源接通后，若未加負(fù)脈沖，Vi輸入保持高電平，在穩(wěn)定的狀態(tài)下Ri、Ci微分環(huán)節(jié)的充放電已完成，Ci相當(dāng)處于開路狀態(tài)，因此觸發(fā)端輸入電壓 V2也為高電平。若基本RS觸發(fā)器 的初態(tài)為“0”，Q'=1，放電管Td飽和導(dǎo)通，定時(shí)電容 C上即使原先有電荷，也會(huì)經(jīng)放電管 Td流失，因此Vc為0V ,此時(shí)比較器C2輸出VC2=1，比較器Ci輸出Vci=1 ,因此555定時(shí)器 內(nèi)部RS觸發(fā)器可維持“0”狀態(tài)不變；若電源剛接通時(shí)，

13、RS觸發(fā)器為“1”，Q'= 0,放電管Td處于截止?fàn)顟B(tài)，電源 Vcc經(jīng)電阻R向電容C充電，Vc電壓因充電而上升，當(dāng)V上升V1RQ'RiCq tp rCiIK84736555215VcctPOVO0.01 gF圖12.8555定時(shí)電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器到2/3VCC時(shí)，比較器 Ci輸出Vci=0,由于此時(shí) V2=Vcc。因此比較器 C2的輸出VC2=1 , 555 定時(shí)器內(nèi)部的觸發(fā)器就會(huì)產(chǎn)生由“1 ”到“ 0”的跳變，其輸出也由“ 1 ”變“ 0”，使放電管Td飽和導(dǎo)通，電容 C上的電荷會(huì)通過 Td釋放，Vc電壓逐漸降低最后變成0V，于是電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，輸出 Vo為低電平。由上

14、述分析可知，按圖12.8連接的555定時(shí)器只要一接通電源，不管電路原來處于什么狀態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間，在沒有外界觸發(fā)信號(hào)作用的情況下，它總能處于穩(wěn)態(tài)，使輸出Vo為低電平。下面對(duì)圖12.8 555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，作具體的分析：在V1輸入為高電平，未加觸發(fā)脈沖的情況下，V2為高電平，RS觸發(fā)器處于“0”狀態(tài)，電容器C上電荷已放完。Vc及Vo均輸出低電平。在V1輸入端加負(fù)脈沖，觸發(fā)輸入端TR就得到了輸入 V1負(fù)脈沖的微分信號(hào)如圖 12.9所示。在V1負(fù)脈沖的下跳沿，由于電容Ci兩端電壓不會(huì)突變； V2也產(chǎn)生同樣幅度的下跳，其值低于1/3Vcc，因此比較器 C2的輸出Vc2= 0,此時(shí)Vc仍為0

15、V , Vc1=1，因此基本RS觸發(fā) 器由“ 0”翻轉(zhuǎn)為“1”，輸出Vo由低電平變高電平。同時(shí)放電管Td截止，電路時(shí)入暫穩(wěn)態(tài)，定時(shí)開始。 在這段時(shí)間內(nèi)RS觸發(fā)器為1狀態(tài)，輸出Vo為高電平。因Td管截止電容C開始 充電，電容充電的回路為Vcct Rt S 地，充電時(shí)間常數(shù)t= RC , Vc按指數(shù)規(guī)律上升，趨向Vcc值。當(dāng)電容C充電電壓 V上升到2/3VCC時(shí)，比較器C1輸出Vci=O,而此時(shí)Ri、Ci微分環(huán)節(jié) 輸出信號(hào)V2的窄負(fù)脈沖已消失，V為高電平，使比較器 C2輸出Vc2=l，所以555內(nèi)部RS觸發(fā)器就會(huì)置“ 0”，輸出Vo由高電平變?yōu)榈碗娖?，放電管Td飽和導(dǎo)通，定時(shí)階段結(jié)束，即暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束

16、。由上述分析可看出， 若輸入V1負(fù)脈沖寬度tPI小于暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間（即輸出正脈沖寬度tPO）， 那么不加微分環(huán)節(jié) Ri、Ci電路出可以正常工作。最后是恢復(fù)階段，在此階段開始時(shí)，電容C上電壓Vc約為2/3Vcc，由于放電管Td飽和導(dǎo)通定時(shí)電容C經(jīng)Td管放電，經(jīng)過352（ 2=RcesC）, Vc迅速減小接近0V，在這階段過程結(jié)束后電路返回穩(wěn)態(tài)。在此階段內(nèi)輸出Vo始終為低電平?；謴?fù)階段結(jié)束后，當(dāng)?shù)诙€(gè)觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)，又重復(fù)上述過程，電路中Vi、V2、Vo和Vc的波形詳見圖12.9。tttt圖12.9各點(diǎn)的波形需要注意：需要工意. 在這個(gè)階段內(nèi)，V2雖因Vi正跳變而微分產(chǎn)生正有尖脈沖，但因其電平值比Vc

17、c還高，下比較器 C2的輸出VC2狀態(tài)不會(huì)因其變化而變化，仍維持在“0”狀態(tài)，因此不會(huì)影響電路和恢復(fù)過程，也就是說V2的正尖脈沖不會(huì)觸發(fā)此單穩(wěn)電路。 由于Td放電管的飽和電阻 RCES很小，因此放電時(shí)間常數(shù)2很小。由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度tPO也就是電路的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間，它也是用RC瞬態(tài)過程的計(jì)算方法來計(jì)算的，但在實(shí)際應(yīng)用中常常用估算法公式先進(jìn)行估算，然 后構(gòu)成電路進(jìn)行調(diào)試和修正。經(jīng)驗(yàn)估算公式為：tpo =RCln3 1.1RC這種電路產(chǎn)生的脈沖寬度可從幾個(gè)微秒到數(shù)分鐘，精度可達(dá)0.1%。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是常用的基本單元電路，用途很廣。經(jīng)?？捎米髅}沖波形的整形、

18、定時(shí)和 延時(shí)?，F(xiàn)將其敘述如下：1 .整形由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的介紹可知，它一經(jīng)觸發(fā)，其輸出電平的高低就不再與輸入信號(hào)電平高 低有關(guān)，暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間tP0也是可以控制的。如圖12.10所示將輸入信號(hào) VI的波形加到一個(gè)下 降沿觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，就可得到相應(yīng)的定寬、定幅且邊沿陡峭的矩形波，達(dá)就起到了對(duì) 輸入信號(hào)整形的作用。2.定時(shí)由于單穩(wěn)態(tài)發(fā)器能產(chǎn)生一個(gè)tpo定寬的矩形輸出脈沖，因此利用它可起到起 定時(shí)控制作用。圖中利用單穩(wěn)態(tài)發(fā)器的 正脈沖去控制一個(gè)與門，在輸出脈沖寬 度為tPO這段時(shí)間內(nèi)能讓頻率很高的VA脈沖信號(hào)通過。否則， VA就會(huì)被單穩(wěn)輸 出的低電平所禁止，如圖12.11是單穩(wěn)態(tài) 觸發(fā)器用于定時(shí)的

19、電路圖。tPO(a)OVBViVO1O t圖12.10波形的整形O VA打ruwomntO JVO*tPO3.延時(shí)(b)圖12.11單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用作定時(shí)(a)電路 (b)波形如圖12.11所示，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 的輸出脈沖寬度tpo可將輸入信號(hào)Vi的下 降沿延時(shí)了 tPO這段時(shí)間，這個(gè)延時(shí)作用 可用于信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間配合上。12.4多諧振蕩器多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形脈沖波的自激振蕩器，由于形波中除基波外，包括許多高次諧 波，因此這類振器被稱作多諧振蕩器。多諧振蕩器一旦振蕩起來后，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，它們?cè)谧鹘惶孀兓?，?出矩形波脈沖信號(hào)，因此它又被稱作無穩(wěn)電路。1241 用555定時(shí)電路

20、構(gòu)成的多諧振蕩器1.電路的組成用555定時(shí)器能很方便地構(gòu)成的多諧振蕩器，如圖12.12(a)所示。方法是將施密特觸發(fā)器的反相輸出端經(jīng) RC積分電路接回到它的輸入端，就構(gòu)成了多諧振蕩器。在此電路中，定 時(shí)元件除電容 C夕卜，還有兩個(gè)電阻 Ra和Rb，它們串接在一起，電容C和Rb的連接點(diǎn)接到兩個(gè)比較器C1和C2的輸入端TH和TR，Ra和Rb的連接點(diǎn)接到放電管 Td的輸出端Q'。2 .工作原理接通電源的瞬間，電容C來不及充電， V 為o電平，此時(shí) VC1 = 1 , VC2=0觸發(fā)器置1,輸出Vo為高電平。同時(shí)，由于放電管Td截止，電容C開始充電，進(jìn)入了暫穩(wěn)態(tài) I。電容C充電所需的時(shí)間為tp

21、h (ra R b )C 1 n2 0.7(Ra Rb)C(12-1)oVcc8RaQ'7Rb5550.01 gFVOT14T2>*O(a)圖12.12 由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器(a)電路形式 (b)工作波形電容C由回路 Vcct(Ra+Rb)t3 地充電，T=(Ra+Rb)C為充電時(shí)間常數(shù)，電容C上電位Vc隨時(shí)間t按指數(shù)規(guī)律上升，趨向Vcc值，在此階段內(nèi)輸出電壓Vo暫時(shí)穩(wěn)定在高電平。當(dāng)電容上電位 Vc上升到2/3V cc時(shí)，由于Vc1=0, Vc2=1 ,使觸發(fā)器置“ 0” Q由1 t “ 0” 輸出電壓Vo則由高電平跳轉(zhuǎn)為低電平，電容 C的充電過程結(jié)束。同時(shí)，因放電管

22、Td飽和導(dǎo) 通，電容C通過回路CtR bt放電管Tdt地放電，放電需要時(shí)間為tpiRbCI n2 0.7RbC(12-2)放電時(shí)間常數(shù) T= RbC(忽略了 Td管飽和和電阻 Rces1),電容上電位 Vc按指數(shù)規(guī)律下降， 趨向0V，同時(shí)使輸出 Vo暫穩(wěn)在低電平。當(dāng)電容上電位 Vc下降到1/3Vcc時(shí)，Vc1 = 1 , Vc2=0,使觸發(fā)器置“ 1” Q由“0” t“1”, 輸出電壓Vo由低電平跳轉(zhuǎn)為高電平，電容 C的放電過程結(jié)束。且放電管 Td截止，電容C又 開始充電，進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)I。以后，電路重復(fù)上述過程，來回振蕩，其工作波形如圖8.12(b)。由于555內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電源電壓 和溫度變化的影響很小。圖12.12(a)所示電路的占空比(指 q=tph/T)固定不變。若將上圖改為圖12.13利用二極管Di和D2將電容器C的充放電回路分 開，再加上電位器的調(diào)節(jié)就可構(gòu)成占空 比可調(diào)的方波發(fā)生器。電路中的充電回 路是：VcctRaD 1iCGND，充電 時(shí)間為：tph = 0.7RAC(12-3)電容器C通過D2tr btt 1放電，放電 時(shí)間為：RA LrR1Rb 匚R21R3G VCCnQ'