數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)：第十章 脈沖波形的產(chǎn)生和整形

1、內(nèi)容提要內(nèi)容提要 本章主要介紹矩形波的產(chǎn)生和整形電路。在矩形本章主要介紹矩形波的產(chǎn)生和整形電路。在矩形波產(chǎn)生電路中介紹幾種常用的多諧振蕩器對稱式和波產(chǎn)生電路中介紹幾種常用的多諧振蕩器對稱式和非對稱多諧振蕩器、環(huán)形振蕩器以及用施密特觸發(fā)器非對稱多諧振蕩器、環(huán)形振蕩器以及用施密特觸發(fā)器和和555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器等。此外對幾種不同定時器構(gòu)成的多諧振蕩器等。此外對幾種不同類型的壓控振蕩器也做了介紹。在整形電路中，介紹類型的壓控振蕩器也做了介紹。在整形電路中，介紹了施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。本章也討論了最常了施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。本章也討論了最常用的用的555定時器及其所構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

2、、單穩(wěn)態(tài)定時器及其所構(gòu)成的施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器的電路及工作原理。觸發(fā)器及多諧振蕩器的電路及工作原理。10.1 概述概述10.2 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器10.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器10.4 多諧振蕩器多諧振蕩器10.5 555定時器及其應(yīng)用定時器及其應(yīng)用10.1 概述概述一、一、 產(chǎn)生矩形脈沖的途徑產(chǎn)生矩形脈沖的途徑1.利用各種形式的多諧振蕩器電路；利用各種形式的多諧振蕩器電路；2.通過各種整形電路把已有的周期性變化波形變換成通過各種整形電路把已有的周期性變化波形變換成符合要求的矩形脈沖。符合要求的矩形脈沖。二二 、矩形脈沖特性的描述、矩形脈沖特性的描述 通常的通常的矩

3、形脈沖波矩形脈沖波形如圖形如圖10.1.1所示。所示。圖圖10.1.1圖圖10.1.110.1 概述概述脈沖周期脈沖周期T ：周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個相鄰脈：周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖之間的時間間隔。有時也用頻率沖之間的時間間隔。有時也用頻率f1/ T表示單位時表示單位時間內(nèi)脈沖重復(fù)的次數(shù)間內(nèi)脈沖重復(fù)的次數(shù)脈沖幅度脈沖幅度Vm：脈沖電壓的最大變化幅度。：脈沖電壓的最大變化幅度。 上升時間上升時間tr ：脈沖上升沿從：脈沖上升沿從0.1Vm上升到上升到 0.9Vm所需所需要的時間要的時間圖圖10.1.1 脈沖寬度脈沖寬度tW：從脈沖前沿到達(dá)：從脈沖前沿到達(dá)0.5Vm起，到脈沖后沿起

4、，到脈沖后沿到達(dá)到達(dá)0.5Vm為止的一段時間。為止的一段時間。 下降時間下降時間tf ：脈沖下降沿從：脈沖下降沿從0.9Vm 下降到下降到 0.1Vm所需所需要的時間要的時間10.1 概述概述占空比占空比q ：脈沖寬度與脈沖周期的比值，即：脈沖寬度與脈沖周期的比值，即q tw /T圖圖10.1.110.1 概述概述注：在脈沖整型或產(chǎn)生電路用于數(shù)字系統(tǒng)時，有時注：在脈沖整型或產(chǎn)生電路用于數(shù)字系統(tǒng)時，有時對脈沖有些特殊要求，如脈沖周期和幅度的穩(wěn)定性對脈沖有些特殊要求，如脈沖周期和幅度的穩(wěn)定性等，這時需要另增加一些參數(shù)來描述脈沖。等，這時需要另增加一些參數(shù)來描述脈沖。10.2 施密特觸發(fā)器（施密特觸

5、發(fā)器（Schmitt Trigger）第一第一 輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程換時對應(yīng)的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同；中對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同；第二第二 在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部的正反饋過在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。 注：利用這兩個特點不僅能將邊沿變化緩慢地信號波注：利用這兩個特點不僅能將邊沿變化緩慢地信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以

6、將疊加在矩形波脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。波脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。 施密特觸發(fā)器時脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種施密特觸發(fā)器時脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，它具有下面兩個性能特點：電路，它具有下面兩個性能特點：10.2.1 用門電路組成的施密特觸發(fā)器用門電路組成的施密特觸發(fā)器 將兩極反相器串接起來，通過分壓電阻把輸出端將兩極反相器串接起來，通過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如圖路及其圖形符號如圖10.2.1所示。所示。圖圖10.2.1設(shè)反相器設(shè)反相器G1和和G2均為均為CMOS門，其

7、閾值電壓為門，其閾值電壓為VTH VDD/2，輸出高低電平分別為，輸出高低電平分別為VOH VDD， VOL0，且，且R1VTH時，電路狀態(tài)時，電路狀態(tài)維持在維持在voVOH VDD不不變變10.2.1 用門電路組成的施密特觸發(fā)器用門電路組成的施密特觸發(fā)器當(dāng)當(dāng)vI從高電平從高電平VDD逐漸逐漸下降到下降到vAVTH時，由時，由于也存在正反饋，即于也存在正反饋，即使電路迅速跳變使電路迅速跳變到到voVOL 0此時施密特觸發(fā)器在此時施密特觸發(fā)器在vI下降時對應(yīng)輸出電壓由高電平下降時對應(yīng)輸出電壓由高電平轉(zhuǎn)為低電平時的輸入電壓為轉(zhuǎn)為低電平時的輸入電壓為VT，稱為，稱為負(fù)向閾值電壓負(fù)向閾值電壓，此時此時

8、voVDD， G1門的輸入電壓為門的輸入電壓為DD211T2120211I212THVVVRRRRRRvRRRvRRRvATH21TV)1VRR（10.2.1 用門電路組成的施密特觸發(fā)器用門電路組成的施密特觸發(fā)器0211212vRRRvRRRvIA由于由于VTH VDD / 2，故，故只要只要vIR.，VOL06.4.4 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖電路如圖10.4.10所示。所示。其工作原理如下其工作原理如下電源接通若電容初始電壓為零)0Iv（為高電平ov充電給通過CR0vIvTVIv為低電平ov放電通過RCIvTVIv其輸出波形如圖其輸出波形如圖10

9、.4.11所示所示其振蕩周期的計算公式為其振蕩周期的計算公式為)VVVVVVRClnTTTTDDTDD（6.4.4 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖圖10.4.11為了可調(diào)節(jié)占空比，電路可為了可調(diào)節(jié)占空比，電路可修改為圖修改為圖10.4.12所示的電路。所示的電路。電容充電是通過電容充電是通過R2進(jìn)行，電進(jìn)行，電容放電是通過容放電是通過R1進(jìn)行，故只進(jìn)行，故只要改變要改變R1和和R2的比值即可改的比值即可改變占空比。變占空比。6.4.4 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖圖10.4.12TDDTDDTDDTDDVVVVCRVVVVCRT

10、TTlnln122110.4.5 石英晶體多諧振蕩器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前面介紹的多諧振蕩器的振蕩周期或頻率不僅與時間常數(shù)時間常數(shù)RC有關(guān)，而且還取決于門電路的閾值電壓有關(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)對頻率穩(wěn)定性要求較高的率的穩(wěn)定性很差，不能適應(yīng)對頻率穩(wěn)定性要求較高的場合。場合。年美國年美國 卡第提出用石英壓電效應(yīng)調(diào)制電磁振卡第提出用石英壓電效應(yīng)調(diào)制電磁振蕩的頻率。巴黎廣播電臺首先用嚴(yán)濟(jì)慈制作的石英振蕩的頻率。巴黎廣播電臺首先用嚴(yán)濟(jì)慈制作

11、的石英振蕩片實現(xiàn)了無線電播音中的穩(wěn)頻，隨后各國相繼采用，蕩片實現(xiàn)了無線電播音中的穩(wěn)頻，隨后各國相繼采用，使無線廣播振蕩電磁回路穩(wěn)頻成為壓電晶體的最重要使無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。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，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組成石英晶體多諧振蕩器圖圖10.4.12給出了石英給出了石英晶體的外形、符號和晶體的外形、符號和電抗頻率特性。電抗頻率特性。10.4.5 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器由電抗頻率

12、特性可知，由電抗頻率特性可知，當(dāng)外加電壓頻率為當(dāng)外加電壓頻率為fo 時，其阻抗最小，此時，其阻抗最小，此頻率的信號最易通過，頻率的信號最易通過，其他頻率被衰減，故其他頻率被衰減，故振蕩器的工作再頻率振蕩器的工作再頻率fo處。處。圖圖10.4.13為對稱式石英為對稱式石英晶體多諧振蕩器晶體多諧振蕩器 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關(guān)，其固有與外接電容、電阻和門電路的閾值電壓無關(guān)，其固有頻率頻率fo是由石英晶體本身特性決定，故石英晶體多諧振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，

13、到達(dá)蕩器的頻率穩(wěn)定性極高，到達(dá)10-1010-11。目前石英晶。目前石英晶體已被制成標(biāo)準(zhǔn)化和系列化出售。體已被制成標(biāo)準(zhǔn)化和系列化出售。10.4.5 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器圖圖10.4.1310.5.1 555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能10.5 555定時器定時器 555定時器是一種多用途的數(shù)字模擬混合的集成定時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)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。器和多諧振蕩器。 555定時器為雙極型產(chǎn)品，定時器為雙極型產(chǎn)品，7555為為CMOS型的產(chǎn)品，型的產(chǎn)品，為了實際需

14、求，又出現(xiàn)了雙極型為了實際需求，又出現(xiàn)了雙極型556和和CMOS型型7556.盡管廠家不同，但各種；類型的盡管廠家不同，但各種；類型的555定時器的功能及外定時器的功能及外部引腳排列都是相同的。部引腳排列都是相同的。一、電路結(jié)構(gòu)一、電路結(jié)構(gòu)其圖形符號和功能表如圖其圖形符號和功能表如圖10.5.2所示所示10.5.1 555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能1接地端接地端2低電平觸發(fā)端低電平觸發(fā)端3輸出端，輸輸出端，輸出電流可達(dá)出電流可達(dá)200mA，直接驅(qū)，直接驅(qū)動繼電器、發(fā)光動繼電器、發(fā)光二極管、揚聲器、二極管、揚聲器、指示燈等，輸出指示燈等，輸出電壓約低于電源電壓約低于電源電壓電壓

15、13V。10.5.1 555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能4復(fù)位端，若復(fù)位端，若此端輸入一負(fù)脈此端輸入一負(fù)脈沖，而使觸發(fā)器沖，而使觸發(fā)器直接復(fù)位。不用直接復(fù)位。不用時加以高電平。時加以高電平。5電壓控制端，電壓控制端，此端可外加一電此端可外加一電壓以改變比較器壓以改變比較器的參考電壓，不的參考電壓，不用是可懸空或通用是可懸空或通過過0.01F的電容的電容接地。接地。10.5.1 555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能8電源端，可電源端，可在在518V范圍范圍內(nèi)使用。內(nèi)使用。6高電平觸發(fā)高電平觸發(fā)端端7放電端，當(dāng)放電端，當(dāng)觸發(fā)器的觸發(fā)器的Q0時，時，TD導(dǎo)通，外導(dǎo)通，外

16、接電容接電容C通過此通過此管放電。管放電。10.5.1 555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能10.5.2 用用555定時器接成的施密特觸發(fā)器定時器接成的施密特觸發(fā)器電路如圖電路如圖10.5.3所示所示 其電壓傳輸特性如圖其電壓傳輸特性如圖10.5.4所示。由圖可知，這所示。由圖可知，這是個典型的反相輸出的施密特觸發(fā)器。是個典型的反相輸出的施密特觸發(fā)器。10.5.2 用用555定時器接成的施密特觸發(fā)器定時器接成的施密特觸發(fā)器工作原理：工作原理：10.5.2 用用555定時器接成的施密特觸發(fā)器定時器接成的施密特觸發(fā)器（1）當(dāng)）當(dāng)vI vI VCC/3，Q=1，Q =0，觸發(fā)器保持原態(tài)

17、；，觸發(fā)器保持原態(tài)；當(dāng)當(dāng) vI2VCC/3時，時， Q=0 （voVOL），），Q =1。10.5.2 用用555定時器接成的施密特觸發(fā)器定時器接成的施密特觸發(fā)器（2）當(dāng)）當(dāng) vI2VCC/3時，時， Q=0 ，Q =1；當(dāng)；當(dāng)vI 減少時，減少時，2VCC/3 vI VCC/3，Q=0，Q =1，觸發(fā)器保持原態(tài)；，觸發(fā)器保持原態(tài)；當(dāng)當(dāng)vI 減少到減少到vIVCC/3，Q=1（voVOH），），Q =0； 故其正向閾值電壓為故其正向閾值電壓為VT2VCC/3，負(fù)向閾值電壓，負(fù)向閾值電壓為為 VTVCC/3，故電路的回差電壓為，故電路的回差電壓為VT VCC/3。若改變回差電壓的大小，則可通過若

18、改變回差電壓的大小，則可通過5腳外接電壓腳外接電壓VCO來來改變。改變。10.5.2 用用555定時器接成的施密特觸發(fā)器定時器接成的施密特觸發(fā)器10.4.3 用用555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器其電路如圖其電路如圖10.5.5所示所示R波形如圖波形如圖10.5.6所示其工作過程如下所示其工作過程如下10.4.3 用用555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器當(dāng)當(dāng)vI處于高電平時，電路的穩(wěn)定狀態(tài)為處于高電平時，電路的穩(wěn)定狀態(tài)為vo0當(dāng)當(dāng)vI脈沖下降沿到達(dá)時，脈沖下降沿到達(dá)時，Q1， Q 0，此時放電管，此時放電管TD截止，截止，VCC通過通過R給給C充電，充電，

19、vC增加。當(dāng)增加。當(dāng)vC2VCC/3時，時， Q0 （v00 ），）， Q 1， C 通過通過TD放電。放電。vI變成高電變成高電平，此時平，此時vC1和和vC2輸出均為高電平，電路保持輸出均為高電平，電路保持v00 10.4.3 用用555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器其輸出脈寬為其輸出脈寬為RC1 . 1RCln3 Wt注：通常注：通常R的取值在幾百歐的取值在幾百歐姆到幾兆歐之間，電容的取姆到幾兆歐之間，電容的取值范圍為幾百皮法到幾百微值范圍為幾百皮法到幾百微法，法，tW的范圍為幾微妙到幾的范圍為幾微妙到幾分鐘。但分鐘。但tW越大，其精度和越大，其精度和穩(wěn)定度也要下降。穩(wěn)

20、定度也要下降。10.4.3 用用555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器10.5.4 用用555定時器接成的多諧振蕩器定時器接成的多諧振蕩器其構(gòu)成電路如圖其構(gòu)成電路如圖10.5.7所示所示對應(yīng)的波形如圖對應(yīng)的波形如圖10.5.8所示所示電路的振蕩周期為電路的振蕩周期為10.5.4 用用555定時器接成的多諧振蕩器定時器接成的多諧振蕩器圖圖10.5.8)2(69. 02ln)2(2121RRRRT振蕩頻率為振蕩頻率為2004-11-29CRRTf)2(69. 01121上式標(biāo)明，改變上式標(biāo)明，改變R和和C就可就可改變振蕩頻率。用改變振蕩頻率。用CB555組組成的多諧振蕩器最高頻率為成的多諧振蕩器最高頻率為500KHz，用，用CB7555組成的組成的多諧振蕩器最高頻率可達(dá)多諧振蕩器最高頻率可達(dá)1MHz。為了改變占空比，。為了改變占空比，可采用圖可采用圖10.5.9所示電路。所示電路。10.5.4 用用555定時器接成的多諧振蕩器定時器接成的多諧振蕩器212RRRq例例6.5.1 圖圖6.5.10為由為由555定時器構(gòu)成的簡易觸摸開關(guān)，定時器構(gòu)成的簡易觸摸開關(guān)，試分