東北大學(xué)數(shù)電第八章脈沖波形的產(chǎn)生與整形

第8章脈沖波形的產(chǎn)生與整形

脈沖是脈動和短促的意思，凡是具有不連續(xù)波形的信號均可稱為脈沖信號。廣義講，各種非正弦信號都是脈沖信號。

按脈沖波形的形式分成矩形波、梯形波、階梯波、鋸齒波等。

矩形脈沖波常作為時(shí)鐘信號。波形的好壞直接關(guān)系到電路能否正常工作。為了定量描述矩形脈沖波，通常采用如圖所示參數(shù)。trtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脈沖波形參數(shù)一些基本概念脈沖寬度Tw上升時(shí)間tr下降時(shí)間tf占空比q脈沖周期T脈沖頻率f脈沖幅度Vm8.1集成555定時(shí)器及應(yīng)用集成555定時(shí)器的用途很廣，有雙極型和CMOS型兩類電路。它們的功能、外引線排列完全相同。CMOS型7555：電源電壓范圍為3~18V，最大負(fù)載電流在4mA以下雙極型555電源電壓范圍：4.5V~16V最大負(fù)載電流:

200mA8.1.1電路組成圖8-1為雙極型5G555定時(shí)器的原理電路和引腳排列圖。

12348765+VCCDTHV-CGNDTLOUTR5G5553圖8-1集成5G555定時(shí)器原理圖C1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQRS12385kΩ5kΩ5kΩC1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQ12385kΩ5kΩ5kΩ電阻分壓器比較器基本RS觸發(fā)器三極管開關(guān)輸出緩沖器555定時(shí)器基本結(jié)構(gòu)5G555定時(shí)器的功能表THTLRVOT×＞2VCC/3＜2VCC/3＜2VCC/3××＞VCC/3＜VCC/3011100不變

1導(dǎo)通導(dǎo)通不變截止C1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQ12385kΩ5kΩ5kΩvo8.1.2

工作原理

8.1.3集成555定時(shí)器的應(yīng)用多諧振蕩器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器施密特觸發(fā)器(一)多諧振蕩器多諧振蕩器是一種產(chǎn)生矩形脈沖波的自激振蕩器。由于矩形波含有豐富的高次諧波，所以矩形波振蕩器又稱為多諧振蕩器。特點(diǎn)：多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，不需外加觸發(fā)信號。電路構(gòu)成：圖中的R1、R2和C是外接電阻和電容，是定時(shí)元件。工作原理：VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvC圖8-2多諧振蕩器CR1R2工作原理分析如下：電路接通電源前，vTH=vTL=vd=vC=0V。電路接通電源VCC開始時(shí)，TH、TL均處于低電位。VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvC圖8-2多諧振蕩器CR1R2VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvC圖8-2多諧振蕩器CR1R2VCC30tw1tw2VCCT圖8-3多諧振蕩器工作波形圖0THTLRVOT×＞2VCC/3＜2VCC/3＜2VCC/3××＞VCC/3＜VCC/3011100不變

1導(dǎo)通導(dǎo)通不變截止2VCC3VCCVCC0.01μF584376215G555DTHTLdvC圖8-2多諧振蕩器CR1R2VCC30tw1tw2VCCT圖8-3多諧振蕩器工作波形圖0根據(jù)三要素方程：充電：uC(0)=1/3VCC、uC(∞)=VCC、

=（R1+R2）C，

tw1≈(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)C2VCC3VCCVCC0.01μF584376215G555DTHTLdvC圖8-2多諧振蕩器CR1R2VCC30tw1tw2VCCT圖8-3多諧振蕩器工作波形圖0根據(jù)三要素方程：放電：uC(0)=2/3VCC、uC(∞)=0、

=R2C，

tw2≈R2Cln2≈0.7R2C2VCC3VCC振蕩周期T和振蕩頻率f的近似計(jì)算公式如下：tw1≈(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)C

tw2≈R2Cln2≈0.7R2CT=tw1+tw2≈0.7(R1+2R2)C輸出脈沖幅度為：Vm≈VCC脈沖寬度tw1≈0.7R1C脈沖間隔時(shí)間tw2≈0.7R2C振蕩周期T≈0.7(R1+R2)C

VCC0.01μF584376215G555DTHTLD1vC圖8-4占空比可調(diào)多諧振蕩器D2CR1R2RwVCC0.01μF584376215G555DTHTLD1vC圖8-4占空比可調(diào)多諧振蕩器D2CR1R2Rw當(dāng)調(diào)節(jié)Rw時(shí)，就改變了R1、R2的阻值，也就改變了占空比，而振蕩周期保持不變。

占空比[例8-1]試用555定時(shí)器設(shè)計(jì)一個每隔6秒振蕩一秒的多諧振器。其振蕩頻率為500Hz。解：分析---只要在振蕩頻率為500Hz的多諧振蕩器的復(fù)位R端，加入1秒的高電平，接下來是6秒的低電平，便可達(dá)到題目的要求。因此有兩個設(shè)計(jì)要求①高電平1秒低電平6秒的振蕩器。②頻率為500Hz的振蕩。為此，需設(shè)計(jì)一個占空比q=1/7，周期T=7秒的多諧振蕩器。由于占空比小于1/2，則應(yīng)選擇占空比可調(diào)的電路。[例8-1]根據(jù)求得：R2=6R1；根據(jù)T=0.7(R1+R2)C=0.7(R1+6R1)C，取C=10μF，算得：R1=143kΩ。R2=857kΩ。對于500Hz多諧振蕩器的占空比，題目未提出要求，現(xiàn)選占空比等于2/3，根據(jù)算得：R3=R4根據(jù)T=0.7(R3+2R4)C，取C=1μF，算得：R3=R4=0.95kΩ，[例8-1]根據(jù)上述設(shè)計(jì)，畫出[例8-1]的電路如圖8-5所示。VCC0.01μF765843215G555DTHTLD2D1圖8-5[例8-1]電路圖C=10μFR1=143kR2=857kRW0.01μF765843215G555DTHTLdC1μFR19.5kR29.5k(二)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種用于整形、延時(shí)、定時(shí)的脈沖電路。整形：把不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換成寬度、幅度都相等的矩形脈沖。延時(shí)：將輸入信號延遲一定時(shí)間之后輸出。定時(shí)：產(chǎn)生一定寬度的方波。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路的功能：每觸發(fā)一次，電路輸出一個寬度一定、幅度一定的矩形波。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器特點(diǎn)：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有兩個工作狀態(tài)，一個為穩(wěn)態(tài)，而另一個為暫穩(wěn)態(tài)。加觸發(fā)信號前的狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)，加觸發(fā)信號后的狀態(tài)為暫穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在外加觸發(fā)脈沖的作用下，可以從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間后，自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時(shí)間就是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖寬度的大小。只取決于電路本身的參數(shù)，而與觸發(fā)脈沖無關(guān)。電路構(gòu)成：圖中R、C是定時(shí)元件；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入信號vI加在低觸發(fā)端TL端。工作原理：VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvO圖8-5單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CRvITHTLRVOT×＞2VCC/3＜2VCC/3＜2VCC/3××＞VCC/3＜VCC/3011100不變

1導(dǎo)通導(dǎo)通不變截止VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvO圖8-5單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CRvIVCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO圖8-6單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形一個工作周期：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在負(fù)脈沖觸發(fā)作用下，由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。由于電容器充電，暫穩(wěn)態(tài)自動返回穩(wěn)態(tài)。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO圖8-6單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形輸出脈沖寬度Tw為：Tw=RCln3=1.1RC

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路要求輸入觸發(fā)脈沖寬度要小于Tw，而輸入vI的周期要大于Tw。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO圖8-6單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形如果輸入負(fù)觸發(fā)脈沖寬度大于輸出脈沖寬度Tw時(shí)，接一個RC微分電路。即vI通過RC微分電路接到低觸發(fā)端TL上。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO圖8-6單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形★可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：VCCCC123567555R485可作為失落脈沖檢出電路，對機(jī)器的轉(zhuǎn)速或人體的心律（呼吸）進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)機(jī)器的轉(zhuǎn)速降到一定限度或人體的心律不齊時(shí)就發(fā)出報(bào)警信號。該電路有何作用？PNP管★簡易曝光定時(shí)器思考：當(dāng)按一下開關(guān)AN以后，電路是如何工作的？電容放電555置位J吸合電燈HL亮電容充電到2/3VDD555復(fù)位J釋放電燈HL熄施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種具有回差特性的脈沖波形變換電路。它有如下特點(diǎn)：施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定輸出狀態(tài)，屬電位觸發(fā)。當(dāng)輸入觸發(fā)信號電平達(dá)到閾值電壓時(shí)（所加電位信號不得撤去），輸出電平會發(fā)生突變。上限閾值電壓，用VT+表示。下限閾值電壓，用VT-表示。VT+和VT-不等稱作回差?；夭铍妷骸鱒T=VT+-VT-使其抗干擾能力較強(qiáng)。vITHTLVCC84623155G555vO0.01μF圖8-7施密特觸發(fā)器電路構(gòu)成：將5G555定時(shí)器的高觸發(fā)端TH和低觸發(fā)端TL連接起來就構(gòu)成了施密特觸發(fā)器。如圖8-7所示。工作原理：vITHTLVCC84623155G555vO0.01μF圖8-7施密特觸發(fā)器vIvOtt002VCC3VCC3VT+VT-圖8-8施密特觸發(fā)器工作波形vITHTLVCC84623155G555vO0.01圖8-7施密特觸發(fā)器THTLRVOT×＞2VCC/3＜2VCC/3＜2VCC/3××＞VCC/3＜VCC/3011100不變

1導(dǎo)通導(dǎo)通不變截止vOVOHVOL0VCC32VCC3vI圖8-9施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性圖8-9所示為vO=f(vI)的關(guān)系曲線，是施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性。vOvI圖8-10施密特觸發(fā)器邏輯符號回差電壓△V越大，電路的動作電壓就越高，抗干擾能力越強(qiáng)。施密特觸發(fā)器常用于進(jìn)行波形變換及脈沖波形的整形?！锖喴谉艄饪刂齐娐肥裁丛?？光敏管：光弱時(shí)，C-E間電阻極大；光強(qiáng)時(shí)，電阻很小。思考：燈L什么時(shí)候亮？光強(qiáng)？光弱？4.施密特觸發(fā)器的應(yīng)用波形的變換與整形幅度鑒別脈沖展寬電路波形的變換與整形利用施密特觸發(fā)器可以將正弦波、三角波變換成矩形波。

vIvOVT+VT-圖8-23波形變換和整形幅度鑒別施密特觸發(fā)器的輸出狀態(tài)取決于輸入信號vI的幅度，因此它可以用來作為幅度鑒別電路。只有當(dāng)脈沖信號vI的幅度大于VT+的脈沖，電路才輸出一個脈沖，而幅度小于VT+的脈沖，電路無輸出脈沖。vIvOVT+VT-圖8-24幅度鑒別波形幅度鑒別脈沖展寬電路脈沖展寬電路原理圖、工作波形圖。VCCvIvOG1RCvC(a)原理圖vIvOvCVT+(b)波形圖圖8-25脈沖展開電路RC決定展寬大小。改變RC值的大小就可以改變施密特觸發(fā)器的輸出脈沖寬度。8.2門電路構(gòu)成的矩形波發(fā)生器及整形電路多諧振蕩器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器施密特觸發(fā)器8.2.1多諧振蕩器(一)最簡單的環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器是利用門電路固有的傳輸延遲時(shí)間，將奇數(shù)個反相器首尾相接而形成的。圖8-11(a)所示的電路是一個最簡單的環(huán)形振蕩器，它由三個反相器首尾相接組成。這個電路沒有穩(wěn)定狀態(tài)。vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3(a)電路原理圖t圖8-11簡單的環(huán)形振蕩器vO(vI1)vO1(vI2)vO2(vI3)tpd000(b)圖工作波形圖tt(一)最簡單的環(huán)形振蕩器結(jié)論奇數(shù)個反相器首尾相連地串接在一起均可構(gòu)成環(huán)形振蕩器，而且振蕩頻率為T=2ntpd

其中n為串聯(lián)門的個數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：電路極為簡單。缺點(diǎn)：頻率不易調(diào)節(jié)。為了克服這些缺點(diǎn)，引入了一些改進(jìn)電路。(二)RC環(huán)形多諧振蕩器在簡單環(huán)形振蕩電路中引進(jìn)RC電路作為延時(shí)環(huán)節(jié)，形成RC環(huán)形多諧振蕩器。如圖8-12所示。圖中RC構(gòu)成延時(shí)環(huán)節(jié)，RS為限流電阻，對門3起限流保護(hù)作用。vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3圖8-12RC環(huán)形振蕩器CRSRRC產(chǎn)生的延遲時(shí)間遠(yuǎn)大于tpd。RS的阻值很小(100Ω)，故將vI3視為門G3的輸入電壓。vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3圖8-12RC環(huán)形振蕩器CRSR當(dāng)vI3＞VT(TTL與非門的閾值電壓為1.4V)時(shí)，vO為低電平；vI3＜VT時(shí)，vO為高電平。電容器上的電壓不能突跳，使vI3隨vO1跳變(vO1和vI3之間有電容器C耦合的結(jié)果)。vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3圖8-12RC環(huán)形振蕩器CRSR工作過程ttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3CRSRttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000圖8-13RC環(huán)形振蕩器理想工作波形振蕩器的暫態(tài)時(shí)間和周期的近似計(jì)算公式為：tw1≈0.98(R∥R1)Ctw2≈1.26RCT=tw1+tw2≈

0.98(R∥R1)C+1.26RCtw1tw2當(dāng)R1>>R時(shí)，振蕩周期為：T≈2.2RC使用時(shí)應(yīng)注意它的假定條件是否滿足。ttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000圖8-13RC環(huán)形振蕩器理想工作波形(三)石英晶體多諧振蕩器555構(gòu)成的多諧振蕩器的特點(diǎn)：①優(yōu)點(diǎn)：工作可靠，調(diào)節(jié)方便。②缺點(diǎn)：振蕩頻率不能太高，一般不超過幾百千赫；受電源波動、溫度變化等影響，頻率穩(wěn)定性較差。目前，普遍采用的穩(wěn)頻方法是在多諧振蕩器中接入石英晶體組成石英晶體多諧振蕩器。石英晶體頻率特性穩(wěn)定，有極好的選頻特性。符號圖8-14石英晶體的阻抗頻率特性與符號X感性0容性1uOG1G2圖8-15石英晶體多諧振蕩器C1RRC21R：保證反相器靜態(tài)時(shí)工作在線性放大區(qū)。對TTL反相器，常取R＝0.7kΩ～2kΩ，對于CMOS門，則常取R＝10MΩ；C1：耦合電容。C2：高頻濾波。石英晶體振蕩器的振蕩頻率取決于石英晶體的固有諧振頻率并聯(lián)式振蕩器RF是偏置電阻，與G1構(gòu)成一個反相放大器。晶體工作在略大于fS與fP之間，等效一電感，與C1、C2共同構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩電路。電路的振蕩頻率=f0。反相器G2起整形緩沖作用，同時(shí)G2還可以隔離負(fù)載對振蕩電路工作的影響。CR1C112G21GF10M|?ov①CMOS石英晶體多諧振蕩器產(chǎn)生f=32768Hz的基準(zhǔn)信號；②經(jīng)T′觸發(fā)器構(gòu)成的15級異步計(jì)數(shù)器分頻后，便可得到穩(wěn)定度極高的秒脈沖信號。③可做為各種計(jì)時(shí)系統(tǒng)的基準(zhǔn)信號源。秒信號發(fā)生器RC1C211C1C1C1C1FF0FF1FF14FF15Q0Q1Q14Q15(四)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)是靠RC電路的充放電過程來維持的，根據(jù)RC電路的不同接法，可分為微分型和積分型。以TTL與非門、RC微分電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為例說明其工作原理。1.TTL與非門微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在基本RS觸發(fā)器中插入一個RC微分電路環(huán)節(jié)就構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如圖8-16所示。圖8-16單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器0.47kΩvIvO1vOvI2C0.01μFRG1G2圖8-16單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器0.47kΩvIvO1vOvI2C0.01μFRG1G2tttt0000vOVTvI2vO1vI圖8-17單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形tttt0000vOVTvI2vO1vI圖8-17單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形輸出脈沖寬度Tw近似計(jì)算：Tw≈0.8(RO+R)C公式中的RO為與非門的輸出電阻，RO