第二十五二十六講脈沖電路的產(chǎn)生與整形

1第1頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

在前面各章的討論中，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），等等。事實上，現(xiàn)代電子系統(tǒng)都離不開脈沖信號。獲取脈沖信號的方法通常有兩種：①直接產(chǎn)生；②將其它非脈沖信號經(jīng)過整形變換電路變?yōu)槊}沖信號?！?.1概述矩形波尖頂波鋸齒波階梯波第2頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月脈沖波形 為了定量地描述矩形脈沖波的特性，我們來看看它的幾個指標(biāo)：trtf0.9Vm0.5Vm0.1Vm??????TtwVm第3頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月描述矩形脈沖特性的主要參數(shù)T—脈沖周期(f)。Vm—脈沖電壓最大變化幅度。tw—脈沖寬度。tr—上升時間。tf—下降時間。q—占空比，脈沖寬度與脈沖周期的比值即：q=tw/T第4頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月本章內(nèi)容脈沖的產(chǎn)生多諧振蕩器脈沖的整形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器施密特觸發(fā)器多用途定時電路555定時器

與產(chǎn)生模擬信號要用模擬振蕩器一樣，產(chǎn)生脈沖信號要用脈沖振蕩器。脈沖波形變換則包括脈沖寬度、幅度、相位及上升和下降時間等等的改變，通過變換，使這些特性符合要求。第5頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月TTL：555，556（含有兩個555）；CMOS：7555，7556（含有兩個7555），755８（含有三個7555）。流行產(chǎn)品:§7.2555定時器555定時器電路是一種用途廣泛的數(shù)-?；旌现幸?guī)模集成電路。只需外接幾個阻容元件,就可以方便地構(gòu)成各種不同用途的脈沖電路,如多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及施密特觸發(fā)器等。555定時電路有TTL集成定時電路和CMOS集成定時電路,它們的邏輯功能與外引線排列都完全相同。第6頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月一、555定時器的電路結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成：（1）三個阻值為5kΩ的電阻組成的分壓器。（2）兩個電壓比較器C1和C2。電壓比較器的功能：v+>v-，vO=1v+<v-，vO=0（3）基本RS觸發(fā)器、（4）放電三極管T及緩沖器G。第7頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）4腳為復(fù)位輸入端：RD=0時，輸出vo為低電平。正常工作時，應(yīng)將其接高電平。（2）5腳為電壓控制端：當(dāng)其懸空時，比較器C1和C2的比較電壓分別為2/3VCC和1/3VCC；（3）2腳為觸發(fā)輸入端，6腳為閾值輸入端，兩端的電位高低控制比較器C1和C2的輸出，從而控制RS觸發(fā)器，決定輸出狀態(tài)。（4）3腳為輸出端，7腳是放電端，8、4腳分別是電源和地。比較器C1和C2的比較電壓分別為VCO和1/2

VCO。當(dāng)不用時，應(yīng)在該端和地之間接一個0.01f的去耦電容，以消除干擾，保證其穩(wěn)定在2/3VCC

而當(dāng)其輸入電壓為VCO時:第9頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月二.555定時器的工作原理第10頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

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1CCCC><變變工作原理分析第11頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月555的功能表第12頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月555定時器功能表第13頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月1）定時的精度、工作速度和可靠性高；2）使用的電源電壓范圍寬，從2V~18V，能和數(shù)字電路直接連接；3）有一定的輸出功率，可驅(qū)動微電機、指示燈、揚聲器等；4）結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活，用途廣泛(有“萬能芯片”之稱)。555定時器的特點：555定時器的用途：

555定時器主要用于脈沖波形的產(chǎn)生、變換、控制與檢測?？山M成各種波形的脈沖振蕩器、定時延時電路、檢測電路、電源變換電路、頻率變換電路。下面介紹由５５５定時器構(gòu)成的多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。第14頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月§7.4多諧振蕩器多諧振蕩器——不需外加觸發(fā)脈沖就能夠產(chǎn)生一定頻率和幅度的矩形脈沖波的電路。由于矩形波中除基波外，還含有豐富的高次諧波成分而得此名。特點：（１）沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài);（２）在自身的作用下，電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換。用途：自動產(chǎn)生矩形波。第15頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)f=fs時，為串聯(lián)諧振，石英晶體的電抗X=0；當(dāng)f=fp時，為并聯(lián)諧振，石英晶體的電抗X無窮大。二．石英晶體多諧振蕩器1.石英晶體的選頻特性有兩個諧振頻率石英晶體具有很好的選頻特性，另外它具有一個極為穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率：f0

≈

fs（晶體的標(biāo)稱頻率）。石英晶體的選頻特性極好，f0十分穩(wěn)定，其穩(wěn)定度可達10-10～10-11。一.門電路構(gòu)成的多諧振蕩器(略)第16頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月石英晶體的電抗頻率特性和符號第17頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月2.石英晶體多諧振蕩器（1）串聯(lián)式振蕩器R1、R2的作用——使兩個反相器在靜態(tài)時都工作在轉(zhuǎn)折區(qū)。對于TTL門，常取R1=R2=0.7～2kΩ，CMOS門則常取R1=R2=10～100MΩ；

C1=C2是耦合電容。石英晶體工作在串聯(lián)諧振頻率f0下，只有頻率為f0的信號才能通過，滿足振蕩條件。因此，電路的振蕩頻率=f0，與外接元件R、C無關(guān)，所以這種電路振蕩頻率的穩(wěn)定度很高。第18頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）并聯(lián)式振蕩器RF是偏置電阻，保證在靜態(tài)時使G1工作轉(zhuǎn)折區(qū)，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G2還可以隔離負載對振蕩電路工作的影響。第19頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月三.用555定時器接成的多諧振蕩器1.電路組成及工作原理第20頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC0tuouC0tVCC/32VCC/3輸出波形第21頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC設(shè)電容C原先未充電,故TH=TR<VCC/3,此時uo=1,555內(nèi)的晶體管TD截止,電源通過R1和R2對電容C充電。第22頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCCuC0tVCC/32VCC/30tuo在uC沒有充電到2VCC/3之前,uo保持

1不變。第23頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月uC0tVCC/32VCC/30tuo在uC沒有充電到2VCC/3之前,uo保持

1

不變。t1t2t348162357R1R2CuC555DTHTRuoVCCT1T2T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C第24頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月多諧振蕩器的電壓波形圖第25頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的電壓波形圖第26頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）電容放電時間T2（3）電路振蕩周期T

T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C（4）電路振蕩頻率f（5）輸出波形占空比q（1）電容充電時間T1：（用三要素法計算）2.振蕩頻率的估算第27頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月第28頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月四．占空比可調(diào)的多諧振蕩器電路利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦?，把電容C充電和放電回路隔離開來，再加上一個電位器，便可構(gòu)成占空比可調(diào)的多諧振蕩器。

可計算得：T1=0.7R1CT2=0.7R2C占空比：第29頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月五.用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器第30頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月施密特觸發(fā)器脈沖占空比可調(diào)的多諧振蕩器第31頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月六．多諧振蕩器應(yīng)用實例

1.簡易溫控報警器第32頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月2.雙音門鈴。第33頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月3.秒脈沖發(fā)生器CMOS石英晶體多諧振蕩器產(chǎn)生f=32768Hz的基準信號，經(jīng)T/觸發(fā)器構(gòu)成的15級異步計數(shù)器分頻后，便可得到穩(wěn)定度極高的秒信號。這種秒脈沖發(fā)生器可做為各種計時系統(tǒng)的基準信號源。第34頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月用74161組成的秒脈沖發(fā)生器(其分頻為頻率為1Hz)。第35頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月例多諧振蕩器的設(shè)計試用555構(gòu)成一個多諧振蕩器,要求輸出脈沖的振蕩頻率為20KHZ,占空比25%.第36頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月作業(yè)P216

7.67.9(7.10)第37頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月§7.2施密特觸發(fā)器特點：1）電路有兩個穩(wěn)態(tài)，所以是一種雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；2）電路狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)依賴于外加觸發(fā)信號的幅值，因此，施密特觸發(fā)器不具有記憶功能。3)具有滯回特性。用途:1)用于波形變換、整形；鑒別脈沖幅度2)構(gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器555電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器（重點介紹）門電路組成的施密特觸發(fā)器(略)集成施密特觸發(fā)器（簡介）內(nèi)容：第38頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月555定時器功能表一.用555定時器接成的施密特觸發(fā)器第39頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月1.電路組成及工作原理1265VCCRDO5553Ov7vvI2I1vIC8412IvCCVv第40頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月1.電路組成及工作原理電壓滯回特性第41頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電壓滯回特性和主要參數(shù)

（1）電壓滯回特性（a）正向閾值電壓VT+

—vI上升過程中，輸出電壓vO由高電平VOH跳變到低電平VOL時，所對應(yīng)的輸入電壓值。（b）負向閾值電壓VT

—vI下降過程中，VO由低電平VOL跳變到高電平VOH時，所對應(yīng)的輸入電壓值?；夭铍妷海骸鱒T=VT+

–VT–

可見，VT+≠VT–，將此現(xiàn)象稱為“回差現(xiàn)象”。VT–VIVT+VO第42頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）回差電壓ΔVT

：

ΔVT=VT+－VT—=1/3VCC（2）555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器主要靜態(tài)參數(shù)（a）上限閾值電壓VT＋：VT+=2/3VCC。（b）下限閾值電壓VT—：VT—=1/3VCC。第43頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月2．輸入輸出波形及電壓傳輸特性輸入輸出波形電壓傳輸特性邏輯符號VT–VT+

△VT第44頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月電壓傳輸特性

（a）同相輸出（b）反相輸出第45頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月CMOS反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器二.集成施密特觸發(fā)器1.TTL集成施密特觸發(fā)器7414內(nèi)部電路圖第46頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月TTL集成施密特觸發(fā)器7414的電壓傳輸特性第47頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月2.CMOS集成施密特觸發(fā)器CC40106電路圖第48頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月集成施密特觸發(fā)器CC40106的電壓傳輸特性

（a）電壓傳輸特性

（b）VDD對VT＋、VT－的影響第49頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月集成施密特觸發(fā)器

1.CMOS集成施密特觸發(fā)器CC401062.TTL集成施密特觸發(fā)器74LS14

第50頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月四．施密特觸發(fā)器的應(yīng)用舉例1.用作接口電路——將緩慢變化的輸入信號，轉(zhuǎn)換成為符合TTL系統(tǒng)要求的脈沖波形。2.用作整形電路——把不規(guī)則的輸入信號整形成為矩形脈沖。第51頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月用施密特觸發(fā)器對脈沖整形第52頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.用于脈沖鑒幅——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。

第53頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月４．用于波形變換－－將其它波形變換為矩形波VIVT+VT–ttVO第54頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月５．用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器第55頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月６．用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第56頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月§7.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)；2.在觸發(fā)脈沖作用下，由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)；3.暫穩(wěn)狀態(tài)維持一段時間后，自動返回到穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器特點:單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用途:用作整形、延時和定時。第57頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

它的突出特點是:輸出端只有一個穩(wěn)定狀態(tài),另一個狀態(tài)則是暫穩(wěn)態(tài).一般情況下處于穩(wěn)態(tài)，加入觸發(fā)信號后,它可以由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)成暫穩(wěn)態(tài),在暫穩(wěn)態(tài)經(jīng)過一定時間以后,它又會自動返回原來的穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)維持的時間由電路參數(shù)決定，與觸發(fā)脈沖無關(guān)。穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)暫穩(wěn)態(tài)由外界觸發(fā)自動返回恢復(fù)期第58頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、用555定時器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.電路組成及工作原理一、門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（略）第59頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月用555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（1）無觸發(fā)信號輸入時電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)

當(dāng)vI=1時，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，即vO=0，vC=0。（2）vI下降沿觸發(fā)

當(dāng)vI下降沿到達時，vO由0跳變?yōu)?，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。波形圖第60頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）暫穩(wěn)態(tài)的維持時間在暫穩(wěn)態(tài)期間，三極管T截止，VCC經(jīng)R向C充電。時間常數(shù)τ1=RC，vC由0V開始增大，在vC上升到2/3VCC之前，電路保持暫穩(wěn)態(tài)不變。（4）自動返回（暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束）時間當(dāng)vC上升至2/3VCC時，vO由1跳變0，三極管T由截止轉(zhuǎn)為飽和導(dǎo)通，電容C經(jīng)T迅速放電，電壓vC迅速降至0V，電路由暫穩(wěn)態(tài)重新轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。第61頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）恢復(fù)過程當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，電容C通過飽和導(dǎo)通的放電三極管T放電，時間常數(shù)τ2=RCESC，經(jīng)過（3～5）τ2后，電容C放電完畢，恢復(fù)過程結(jié)束。第62頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月2.主要參數(shù)估算(1)輸出脈沖寬度Tw（用三要素法計算）上式說明，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tW僅決定于定時元件R、C的取值，與輸入觸發(fā)信號和電源電壓無關(guān)，調(diào)節(jié)R、C的取值，即可方便的調(diào)節(jié)tW。（2）恢復(fù)時間tre

tre=（3～5）τ2（3）最高工作頻率fmax

vI周期的最小值：Tmin=tW＋tre因此，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的最高工作頻率應(yīng)為:第63頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電壓波形圖第64頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用：

在一個輸入觸發(fā)脈沖作用下，輸出端能輸出一個一定寬度的脈沖，其脈沖寬度tw取決于電路內(nèi)部的參數(shù)R、C，而它的周期由外加脈沖信號控制。3.參數(shù)計算：

1）輸出脈寬tw—暫穩(wěn)態(tài)維持時間tw=1.1RC

在定時電路中，為了調(diào)整tw，通常以改變電容C作為粗調(diào)，改變R作為細調(diào)。2）脈沖輸出周期TO

TO=TI（輸出脈沖=輸入脈沖）3）分辨時間td和最高觸發(fā)脈沖頻率fmaxtd—觸發(fā)脈沖最小觸發(fā)周期

td=tw+trefmax=1/td其中tre=(3~5)RdC觸發(fā)脈沖周期TI應(yīng)大于輸出脈寬周期tw第65頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月問：若出現(xiàn)TI<td，會出現(xiàn)什么情況？答：tw不定。當(dāng)電路進入恢復(fù)階段后，若恢復(fù)過程尚未完成又出現(xiàn)新的輸入信號，此時，電路雖仍會觸發(fā)而輸出脈沖，但由于觸發(fā)前電容上的電壓尚未達到穩(wěn)定值，因而會使輸出脈沖寬度發(fā)生改變，最終導(dǎo)致脈寬不穩(wěn)，這種現(xiàn)象稱為“脈寬抖動”，應(yīng)避免。第66頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月二、集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的邏輯圖１．74121的電路結(jié)構(gòu)輸入控制電路輸出緩沖電路微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第67頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月A1和A2是兩個下降沿有效的觸發(fā)信號輸入端，B是上升沿有效的觸發(fā)信號輸入端。２．74121的邏輯功能第68頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月３．74121的外部連接方法

（a）使用外接電阻Rext（下降沿觸發(fā)）

（b）使用內(nèi)部電阻Rint（上升沿觸發(fā)）第69頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的工作波形圖４．74121的工作波形圖第70頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月不可重復(fù)觸發(fā)型與可重復(fù)觸發(fā)型單

穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形（a）不可重復(fù)觸發(fā)型（74121、74221、74ＬＳ221）（b）可重復(fù)觸發(fā)型（74122、7412３、74ＬＳ12３等）第71頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

74121內(nèi)部電阻=2kΩ，外接電阻Rext可在1.4～40kΩ之間選擇，外接電容C可在10pF～10μF之間選擇(得到的tＷ范圍可達到２０ns~２００ms)，所以，當(dāng)R=2kΩ時，最大占空比qmax為67%；當(dāng)R=40kΩ時，最大占空比qmax可達90%。５．74121的主要參數(shù)(1)輸出脈沖寬度tW使用外接電阻：tW≈0.7RextC使用內(nèi)部電阻：tW≈0.7RintC（2）輸入觸發(fā)脈沖最小周期Tmin

Tmin=tW＋tretre是恢復(fù)時間。（3）周期性輸入觸發(fā)脈沖占空比q定義：q=tW/T最大占空比：qmax=tW/Tmin第72頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月四．單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用

圖中，v/O的下降沿比vI的下降沿滯后了時間tW。

當(dāng)v/O=1時，與門打開，vO=vF。當(dāng)v/O=0時，與門關(guān)閉，vO為低電平。顯然與門打開的時間是恒定不變的，就是單穩(wěn)輸出脈沖v/O的寬度tW。１．延時2．定時第73頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月例：試設(shè)計一個電路，以實現(xiàn)如下控制要求。燈1亮0.34S，燈2暗燈2亮0.25S，燈1暗燈1、燈2全滅0.41S1S0.34S0.25S0.41SVI1VO1VO2單穩(wěn)0.34S單穩(wěn)0.25SVO1VI2VI1?燈1VO2燈21第74頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月