脈沖產(chǎn)生和整形

脈沖產(chǎn)生和整形第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

數(shù)字電路常常需要用到各種幅度、寬度以及具有陡峭邊沿的脈沖信號，如觸發(fā)器就需要時鐘脈沖（CP）。脈沖信號產(chǎn)生要用多諧振蕩器。本章將介紹常用的施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，同時介紹一種多用途的定時電路——555定時器。獲取這些脈沖信號的方法通常有兩種：①直接產(chǎn)生；②利用已有信號整形或變換得到。脈沖信號整形則要用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器本章基本內(nèi)容

第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四概述(1)一、脈沖信號的定義及參數(shù)（不對稱方波）

三角波：

鋸齒波：

微分窄脈沖：

按非正弦規(guī)律變化的信號均可稱脈沖信號。方波：（對稱方波）第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四概述(2)脈沖信號的參數(shù)

q=TW/T

占空比TwTVmv0tT

脈沖周期f=1/T

頻率Tw脈沖寬度Vm幅值第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四概述(3)二、微分電路（高通濾波電路）

第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四概述(4)當微分電路輸入方波信號時，輸出波形應(yīng)如何？設(shè)RC＜＜TW

第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四{end}概述(5)三、積分電路第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四施密特觸發(fā)器（1）問題的提出——電冰箱溫控系統(tǒng)輸入輸出波形實際溫控波形第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四施密特觸發(fā)器（2）

施密特觸發(fā)器是具有滯后特性的數(shù)字傳輸門。什么是施密特觸發(fā)器？邏輯符號輸入輸出波形思考：施密特觸發(fā)器有什么特點？第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四施密特觸發(fā)器（3）施密特觸發(fā)器特點：（1）輸出有兩種狀態(tài)（輸出為數(shù)字信號）；

（2）輸入采用電平觸發(fā)（輸入為模擬信號）；（3）對于正向和負向增長的輸入信號，電路有不同的閾值電平（VT+和VT-）。采用施密特觸發(fā)器后的實際溫控波形第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四施密特觸發(fā)器（4）施密特觸發(fā)器有同相傳輸和反相傳輸兩種電路施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四由門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

（1）

G1、G2為CMOS門電路，其閾值電壓為1/2VDD。電路中要求R1＜R2。電路構(gòu)成工作原理分析（教材P310）（1）

當vI=0V時，vO1≈

VDD，

vO≈

0V，

vI＇≈

0V；0100第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四由門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

（2）（2）當vI升高時，vI’也升高。當vI’達到1/2VDD時，G1、G2輸出狀態(tài)將發(fā)生翻轉(zhuǎn)。此時對應(yīng)的vI值稱為VT+。（3）當vI大于VT+時，電路轉(zhuǎn)到另一穩(wěn)態(tài)：vO1≈0V，vO≈VDD

。

VT+=1/2VDD→0→1↑↑0100作用：改善vO1、

vO邊沿。

這里有一正反饋現(xiàn)象：vIvI’vO1vO第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四由門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

（3）（4）當vI由高變低時，vI’也由高變低。當vI’≤1/2VDD時，電路又將發(fā)生轉(zhuǎn)換。此時對應(yīng)的vI稱為VT－。（5）當vI小于VT－時，電路轉(zhuǎn)到另一穩(wěn)態(tài)：vO1≈VDD，vO≈

0V。

01↓↓→1→0VT－=1/2VDD作用：改善vO1、

vO邊沿。

這里也有一正反饋現(xiàn)象：vIvI’vO1vO第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四工作波形vIVT+VT-0t0tvO10tvO由門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

（4）第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四應(yīng)用---波形變換用作接口電路，將緩慢變化的正弦信號矩形脈沖施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例

（1）第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例

（2）應(yīng)用----脈沖整形不規(guī)則信號矩形脈沖第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四應(yīng)用----幅度鑒別從一系列幅度不同的脈沖信號中，選出那些幅度大于VT+的輸入脈沖。

幅度大于的信號保留幅度小于的信號濾除施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例

（3）第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（1）有兩種狀態(tài)：0態(tài)和1態(tài)，但只有一種狀態(tài)能長久保持，故名單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

例子——樓道燈控制系統(tǒng)

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點：

（1）有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩種狀態(tài)；

（2）平時處于穩(wěn)態(tài)，在外部觸發(fā)脈沖作用下，由穩(wěn)態(tài)進入暫穩(wěn)態(tài)；

（3）暫穩(wěn)態(tài)維持一定時間后自動回到穩(wěn)態(tài)。

什么是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器？第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（2）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器主要有以下三類：（1）微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（2）積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（3）集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四門電路+RC微分電路→微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

G1、G2為CMOS門電路，設(shè)VOH=VDD、VOL=0，VTH=2/1VDD；

vO1、vO分別為G1、G2的輸出，vI2為G2輸入。

電路結(jié)構(gòu)（教材P319）RC微分電路觸發(fā)脈沖微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（1）第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（1）1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)

∴觸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)為vO1≈

VDD，vO≈

0V。此時，電容兩端的電壓相等，無充放電。工作原理分析穩(wěn)態(tài)時，無觸發(fā)脈沖輸入，vI

為低電平，C沒有充放電，相當于斷開。01001第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四作用：改善vO1、

vO邊沿。

11001暫穩(wěn)態(tài)：vO1=≈0V，vO≈

VDD2.當vI加一正脈沖時，由穩(wěn)態(tài)進入暫穩(wěn)態(tài)。這里有一正反饋現(xiàn)象：工作原理分析（續(xù)）01001vIvO1vI2vO微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（2）第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四3.暫穩(wěn)態(tài)自動回到穩(wěn)態(tài)

作用：改善vO1、

vO邊沿。

隨著VDD通過電阻向電容C的充電，vI2逐漸上升，當vI2

上升到VT時，vO

≈0V

，vO1≈

VDD，電路回到穩(wěn)態(tài)。

正反饋現(xiàn)象：

010VT00110工作原理分析（續(xù)）vO1vI2vO微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（3）第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四工作波形分析VT微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（4）第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四1.暫穩(wěn)態(tài)維持時間Tw電容C充電電壓方程：參數(shù)計算將VC（0）≈0V，VC（∞）≈VDD，T=RC代入上式得：當vC（t）=VT=1/2VDD時，t=Tw，代入上式可求得：VTTwTre微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（5）第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.恢復(fù)時間TreTre≈（3～5）RONC

3.最高工作效率fmaxTd=Tw+Trefmax=在暫穩(wěn)態(tài)期間Tw和恢復(fù)時間Tre內(nèi)，電路不得響應(yīng)觸發(fā)信號。因此，2個觸發(fā)信號之間的最小時間間隔為： 參數(shù)計算（續(xù)）微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（6）第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四思考題若觸發(fā)脈沖寬度大于TW時，電路能否正常工作？如何解決？靜態(tài)時a、b、d、e各點的電位如何？微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（7）第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四控制電路用于產(chǎn)生窄脈沖。當輸入滿足以下條件時，控制電路產(chǎn)生窄脈沖：（1）若A1、A2中至少有一個為0時，B由0↗1(正脈沖觸發(fā)）；74LS121的原理框圖(324)微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出緩沖（2）若B=1，A1、A2中至少有一個由1↗0（負脈沖觸發(fā)）。

集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（1）第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

74LS121內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖：

集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（2）第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四74LS121的功能表（教材P325）集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（3）第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四兩種不同接法（教材P326）正脈沖觸發(fā)負脈沖觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（4）第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四用于定時單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用（1）vovo第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用（2）用于延時圖單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖延遲的應(yīng)用(a)電路圖；(b)波形圖在數(shù)字系統(tǒng)中，有時要求將某個脈沖寬度為T0的信號延遲一段時間T1后再輸出。第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用（3）波形圖T1=TW1≈0.7R1C1，T0=TW2≈0.7R2C2第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四用于整形單穩(wěn)vOvItt00vOvI單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用（4）第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

多諧振蕩器就是方波發(fā)生器。由于方波中除基波外還包含了許多高次諧波，因此，又稱為多諧振蕩器。什么是多諧振蕩器？多諧振蕩器不需要外加信號，只要一上電就會產(chǎn)生方波信號。多諧振蕩器（1）（也就是電路有兩個暫穩(wěn)態(tài)）第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四電路組成及工作原理(P332)11G2G1RCvO1vO2vI1（1）設(shè)電路的初態(tài)為vO1=1,vO2=0，這種狀態(tài)下不可能持久維持；1001（2）通過vO1→R→C→vO2向C充電，使vI1不斷上升；（3）當vI1＞VT時，G1輸出低電平，G2輸出高電平，即vO1=0，

vO2=1。由門電路構(gòu)成多諧振蕩器（1）第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四工作原理11G2G1RCvO1vO2vI1（4）vO1=0，

vO2=1這個狀態(tài)也不能持久；1001（5）C通過vO2→C→R→vO1放電，vI1逐步減少；（6）當vI1＜VT時，G1輸出高電平，G2輸出低電平，即又回到vO1=1，vO2=0的狀態(tài)。（7）周而復(fù)始產(chǎn)生方波。由門電路構(gòu)成多諧振蕩器（2）第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四工作波形11G2G1RCvO1vO2vI1T1T2tvO10tvO20vI1t0T1、T2的計算公式請同學自己推導(dǎo)。由門電路構(gòu)成多諧振蕩器（3）第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四環(huán)形多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器其他形式多諧振蕩器（1）對稱式多諧振蕩器第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四由施密特觸發(fā)器構(gòu)成多諧振蕩器電容無初始儲能，即設(shè)施密特觸發(fā)器的上、下限閾值電壓為、“0”“1”電容充電“1”“0”電容放電矩形脈沖周期

T21TT+=其他形式多諧振蕩器（2）第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四555定時器

一種多用途的數(shù)字-模擬混合單片集成電路，外接少數(shù)R、C元件可構(gòu)成各種功能電路：施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器。

廣泛用于信號的產(chǎn)生、整形、控制與檢測，在工業(yè)控制、定時、電子樂器及防盜報警等方面應(yīng)用很廣。555定時器（1）第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四555定時器工作原理（1）

555定時器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及邏輯符號（教材P348）基本RS觸發(fā)器①③⑤④⑥⑦⑧②RDVCCDiscVCOvSGNDQvR555R=5kΩ&&1控制輸入閥值輸入VTH觸發(fā)輸入VTR放電端輸出電源端復(fù)位端12684357oV比較器COVRVSV2/3VCC1/3VCC第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

555定時器的功能表－+C1R2/3VCCvR⑥－+C2S1/3VCCvS②

輸入

輸出RSQ(VO)T1××0

導(dǎo)通

101

截止

010

導(dǎo)通

11不變不變

×

×＜2/3VCC＜1/3VCC＞2/3VCC＞1/3VCC＜2/3VCC＞1/3VCC＞2/3VCC＜1/3VCC

0

1

1

1

1

001

截止RDvRvS555定時器工作原理（2）第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四電路結(jié)構(gòu)符號CCVDRDISCRvSvCOVGNDQ5V+5551236748μF01.05OvIv用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器（1）第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四－+C1R2/3VCCvI⑥－+C2S1/3VCCvI

②2/3VCC1/3VCCvI0tvO0t（1）當vI＜1/3VCC時，R=1，S=0，Q=1，vO=1；（2）當1/3VCC＜vI＜2/3VCC時，R=1，S=1，Q=1，vO=1；（3）當vI＞2/3VCC時，R=0，S=1，Q=0，vO=0；（4）當1/3VCC＜vI＜2/3VCC時，R=1，S=1，Q=0，vO=0；（5）當vI＜1/3VCC時，R=1，S=0，Q=1，vO=1；原理分析用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器（2）CCVDRDISCRvSvCOVGNDQ5V+5551236748μF01.05OvIv第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四主要參數(shù)1.閥值電平VT+=2/3VCCVT-=1/3VCC2.回差電壓=VT+－VT-=1/3VCC用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器（3）第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四電路結(jié)構(gòu)（教材P353）CCVDRDISCRvSvCOVGNDQCCVC1R2R5551236748μF01.05OvCv用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器（1）&&112684357vRvS第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四工作原理+-C1R2/3VCCvC⑥+-C2S1/3VCCvC②1.上電時，vC=0，得R=1，S=0，Q=1，T1管截止,vO=1。3.當vC

＞2/3VCC時，R=0，S=1，基本RS觸發(fā)器被置0，Q=0，三極管T1管導(dǎo)通，vO=0。2.當VCC通過R1、R2向C充電，vC

逐漸上升;CCVDRDISCRvSvCOVGNDQCCVC1R2R5551236748μF01.05OvCv用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器（2）第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四工作原理（續(xù)）+-C1R2/3VCCvC⑥+-C2S1/3VCCvC②4.電容C將通過R2和T1管放電，vC逐漸下降；用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器（3）5.當vC<1/3VCC時，R=1，S=0，基本RS觸發(fā)器被置1，Q=1，三極管T1管截止，vO=1。第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四T1T2工作波形

主要參數(shù)計算從占空比q的表達式可知，占空比始終大于50﹪

。通過vC的暫態(tài)方程，求得：T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C

T1=0.7(R1+R2)C

T2=0.7R2C

用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器（4）第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四占空比任意可調(diào)的多諧振蕩器

T1=0.7R1C

T2=0.7R2C

用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器（5）第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四輸出脈沖的周期，占空比各為多少？用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器（6）第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四思考題如圖所示是一個由555定時器構(gòu)成的防盜報警電路，a、b兩端被一細銅絲接通，此銅絲置于盜竊者必經(jīng)之路，當盜竊者闖入室內(nèi)將銅絲碰斷后，揚聲器即發(fā)出報警聲。說明本報警電路的工作原理。用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器（7）第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四48162357R1C555uoVCCR21R28S8S1簡易電子琴電路圖簡易電子琴就是通過改變R2的阻值來改變輸出方波的周期,使外接的喇叭發(fā)出不同的音調(diào)。思考題：簡易電子琴電路用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器（8）第56頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四電路結(jié)構(gòu)12684357RVSV-++∞1C-++∞2CR1S1RQ1OvRRRIv③④①⑥②⑧RC⑦VCC用555定時器構(gòu)成單穩(wěn)觸發(fā)器（1）第57頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四最后又回vO=0V。

10導(dǎo)通工作原理分析接通電源，且vI（=1）沒有觸發(fā)電壓時，R=1,S=1；假設(shè)RS觸發(fā)器初態(tài)為1；假設(shè)RS觸發(fā)器初態(tài)為0；結(jié)論：接通電源后，不管起始狀態(tài)如何，最終觸發(fā)器處于穩(wěn)態(tài)

vO=0。

011101截止→1→0→0→導(dǎo)通→1→0→1→11.什么是穩(wěn)態(tài)？

vO=0V，此狀態(tài)能長久保持；用555定時器構(gòu)成單穩(wěn)觸發(fā)器（2）≥2/3VCC第58頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四工作原理分析（續(xù)）→截止→1→導(dǎo)通→0→12.當vI加一個負脈沖；3.觸發(fā)器自動回到穩(wěn)態(tài)，vO=0≥2/3VCC→0→