脈沖波形的產生與變換.ppt

第五章脈沖波形的產生與變換 5 1概述5 2集成555定時器5 3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器5 4多諧振蕩器5 5施密特觸發(fā)器 5 1概述 在數(shù)字系統(tǒng)中 經常需要用到有一定寬度和幅度的各種不同頻率的時鐘脈沖信號 且該時鐘脈沖信號的上升沿 下降沿越陡峭越好 即脈沖信號越理想越好 獲得矩形脈沖的方法通常有兩種 一種是由脈沖振蕩器直接產生 另一種是利用整形電路 將一個已有的不符合要求的波形通過整形變換成為矩形脈沖 脈沖振蕩器常用電路有多諧振蕩器等 脈沖整形電路主要有單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器 5 1 1常見的幾種脈沖信號波形 一切具有突變部分的周期性或非周期性的電流或電壓波形統(tǒng)稱為脈沖 脈沖是指在短暫的時間內作用于電路的電壓或電流 即電壓脈沖或電流脈沖 從廣義來說 我們把各種非正弦信號統(tǒng)稱為脈沖信號 常見的脈沖信號波形 如圖5 1所示 圖5 1常見的脈沖信號波形 a 矩形脈沖 b 鐘形波 c 方波 d 鋸齒波 e 尖脈沖 f 階梯波 5 1 2矩形脈沖波形參數(shù) 由于脈沖波形是各種各樣的 所以 用以描述各種不同脈沖波形特征的參數(shù)申不一樣 例如用描述矩形脈沖的參數(shù)就和鋸齒波的參數(shù)不一樣 所以 我們僅以矩形脈沖為例 介紹脈沖波形的參數(shù) 圖5 2所示 為實際的矩形脈沖波形 用以下幾個主要參數(shù)表示 圖5 2矩形脈沖的主要參數(shù) 1 脈沖幅度Vm 脈沖電壓的最大變化幅度 2 脈沖寬度twm 一脈沖波形前 后沿0 5Vm處的時間間隔3 上升時間tr 一脈沖前沿0 1Vm上升到0 9Vm所需要的時間 4 下降時間tf 脈沖后沿從0 9Vm下降到0 1Vm所需要的時間 5 脈沖周期T 在周期性連續(xù)脈沖中 兩個相鄰脈沖間的時間間隔 有時也用重復頻率f 1 T表示單位時間內脈沖重復的次數(shù) 5 1 3最簡單的脈沖波形變換電路 微分電路和積分電路1 微分電路 微分電路可以將輸入矩形脈沖的跳變部分選擇出來 形成一對正負尖脈沖 因此 微分電路是 個最簡單的波形變換電路 它可將矩形脈沖變換為一對正負尖脈沖 微分電路的形式就是一個RC串聯(lián)電路 輸出電壓為電阻R兩端的電壓 如圖5 3 a 所示 a 電路原理圖 b 工作波形圖圖5 3微分電路 組成微分電路的條件是 電路的時間常數(shù) 形脈沖寬度細小得多 即必須滿足RC tw 在實際電路中 一般取RC tw則 輸出電壓即電路的輸出電壓與輸入電壓近似成微分關系 所以稱之為微分電路 圖5 3 b 是微分電路的工作波形圖 值得提出的是 當RC tw時 輸出電壓v0與輸入電壓vI的波形近似相同 此時的RC電路是耦合電路 而不是微分電路 2 積分電路 積分電路可以將輸入的矩形脈沖變換為鋸齒波 所以 積分電路也是 個最簡單的波形變換電路 圖5 4 a 所示為積分電路 與微分電路相比較 只是R和C的位置對調了 輸出電壓為電容兩端的電壓 積分電路必須滿足RC tw 當電路滿足條件RC tw時有 a 電路原理圖 b 工作波形圖圖5 4積分電路 電路輸出電壓v0與輸入電壓vi近似成積分關系 因此 這種RC電路稱為積分電路 圖5 4 b 是積分電路的工作波形圖 5 2集成555定時器 555集成定時器產生于70年代初 它是一種中規(guī)模定時器 又稱時基 Timebase 電路 它廣泛應用于波形的產生與變換 測量與控制 家用電器及電子玩具等各領域 我國先后生產了雙極性定時器 CMOS定時器 兩者電路結構基本相同 功能一致 下面以5G555 雙極性定時器 為例簡要介紹其組成及功能 5G555時基電路簡化原理圖及外引線排列圖分別如圖5 5 a b 所示 5G555時基電路簡化原理圖表 b 5G555時基電路外引線排列圖圖5 55G555時基電路 555定時器含有兩個電壓比較器A和B 一個由 與非 門組成的基本RS觸發(fā)器 一個放電晶體管VT以及由三個R 5k 的電阻組成的分壓器 比較器A的參考電壓為Vcc 加在同相輸入端 B的參考電壓為Vcc 加在反相輸入端 兩者均由分壓器上取得 各外引線端的功能是 1腳為接地端 2腳為低電平觸發(fā)端 由此輸入觸發(fā)脈沖 當2腳的輸入電壓高于Vcc時 B的輸出為 1 當輸入電壓低于Vcc時 B的輸出為 0 使基本RS觸發(fā)器置 1 3腳為輸出端 輸出電流可達200mA 因此可直接驅動繼電器 發(fā)光二極管 揚聲器 指示燈等 輸出高電壓比電源電壓Vcc約低1 3V 4腳為復位端 由此輸入負脈沖而使觸發(fā)器直接置 0 復位 5腳為電壓控制端 在此端可外加一電壓以改變比較器的參考電壓 不用時 經0 01 F的電容接 地 以防止干擾的引入 6腳為高電平觸發(fā)端 由此輸入觸發(fā)脈沖 當輸入電壓低于Vcc時 A的輸出為 1 當輸入電壓高于Vcc時 A的輸出為 0 使基本RS觸發(fā)器置 0 7腳為放電端 當觸發(fā)器的端為 1 時 放電晶體管T導通 外接電容元件通過T放電 8腳為電源端 可在5 18V范圍內使用 5 3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 5 3 1TTL微分型單穩(wěn)態(tài)電路5 3 2TTL積分型單穩(wěn)態(tài)路5 3 3555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 一 電路組成 由兩個或非門和RC電路組成 如圖5 6 a 所示 a 電路原理圖 b 工作波形圖圖5 6TTL微分型單穩(wěn)態(tài)電路 二 工作原理 1 當vi 0時 由于此時vi2為高電平 等于Vcc 所以門2輸出vo2為低電平 等于0 門1的輸入全為低電平 門1輸出為高電平 即門1截止 門2導通 vo1 1 vo2 0 這是電路的穩(wěn)定狀態(tài) 2 當vi從0跳變?yōu)閂cc時 電路產生如下正反饋過程 這個過程使得電路迅速進入門1導通 門2截止 電源VCC的經門1 R C開始對電容C進行充電 電路進入暫穩(wěn)狀態(tài) 同時輸入電壓vi跳變?yōu)? 3 隨著C的充電 電容兩端的電壓上升 即vi2上升 當vi2上升到門電路的閾值電壓VTH時 電路將產生如下正反饋過程 隨著C的充電 這個過程使得電路迅速進入門1截止 門2導通的起始穩(wěn)定狀態(tài) 即vO1 1 vO2 0 此時 電容C經門2 R放電 4 隨著C的放電 電容C兩端的電壓下降為0 電路恢復到初始的穩(wěn)定狀態(tài) 等待下一次的觸發(fā) 圖5 6 b 為其工作波形圖 三 輸出脈沖寬度tW的估算 電路的輸出脈沖寬度可按下式估算 5 3 2TTL積分型單穩(wěn)態(tài)電路一 電路組成 如圖5 7 a 所示電路 是由兩個與非門和連接成積分電路形式的RC定時電路組成的 a 電路原理圖 二 工作原理 當輸入vi1為低電平時 門1截止 vol為高電平 門2截止 v0為高電平 這是電路的穩(wěn)態(tài) 穩(wěn)態(tài)時 電容C電壓vc V0H 因此vi2為高電平 當vi1由低電平變?yōu)楦唠娖綍r 一方面使門2的輸入A端為高電平 另一方面使門1導通 vol由高電平變?yōu)榈碗娖?但由于電容兩端電壓不能突變 所以門2的另一個輸入vi2仍保持高電平 因此 這時門2輸出v02 v0為低電平 電路進入了門1導通 門2也導通的暫穩(wěn)狀態(tài) 在vi1維持高電平期間 電容C經電阻 門1輸出電路放電 vi2以時間常數(shù) RC指數(shù)規(guī)律下降 當vi2下降到vTH 1 4V 時 門2由導通變?yōu)榻刂?v0就由低電平變?yōu)楦唠娖?電路返回到門2截止狀態(tài) 當vi1由高電平變?yōu)榈碗娖綍r vol隨之由低電平跳變到高電平 并通過電阻R對電容C充電 此時暫穩(wěn)態(tài)結束 圖5 7 b 是TTL與非門組成的積分型單穩(wěn)態(tài)電路的工作波形圖 b 工作波形圖 三 輸出脈沖寬度的估算 電路的輸出脈沖寬度可按下式估算 5 3 3555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一 電路組成 由555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器其原理圖及波形圖如圖5 8 a b 所示 其中輸入觸發(fā)脈沖vI從2端 6 7兩端相連并與定時元件R C相接 a 電路原理圖 b 工作波形圖圖5 8555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 二 工作原理 1 電路的穩(wěn)態(tài)初始狀態(tài)下 尚未加入觸發(fā)脈沖 vi為高電平 即基本RS觸發(fā)器的端為1 同時電容未被充電 vc 0 基本RS觸發(fā)器的端也為1 所以 基本RS觸發(fā)器處于保持狀態(tài) 當接通電源時 如果原狀態(tài)為Q 0 則 V管導通 電容C被旁路而無法充電 因此電路就穩(wěn)定在Q 0 的狀態(tài) 如果開始觸發(fā)器處于Q 1 狀態(tài) 那么V管截止 因此接通電源后 電路有一個逐漸穩(wěn)定的過程 即電源 Vcc經電阻R對電容C充電 電容電壓Vc上升 當Vc上升到時 觸發(fā)器置0 即Q 0 從而使放電管V導通 隨即電容C通過放電管V放電 Vc迅速下降到0 一旦V管導通 電容C被旁路 無法再充電 這就是接通電源后電路所處的穩(wěn)定狀態(tài) 這時 Vc 0 V0為低電平 2 觸發(fā)翻轉為暫穩(wěn)態(tài)在觸發(fā)脈沖vI作用下 低觸發(fā)端 端 加入負脈沖 即 0使觸發(fā)器翻轉為1態(tài) 輸出v0為高電平 因Q 1 所以放電管V截止 電路進入了暫穩(wěn)態(tài) 定時開始 在暫穩(wěn)態(tài)階段 C充電 充電回路為 VCC R C 地 充電時間常數(shù)為 RC vC按指數(shù)規(guī)律上升 趨向 VCC值 3 自動返回過程當電容上的電壓上升到時 高觸發(fā)端由0變?yōu)? 因這時vI已回到高電平 低觸發(fā)端 1 故觸發(fā)器又被置0 輸出v0變?yōu)榈碗娖?由于Q 0 使放電管V導通 定時電容C充電結束 即暫穩(wěn)態(tài)結束 4 恢復過程放電管V飽和導通后 電容C經放電管V放電 vC迅速下降至0 這時 1 1 基本RS觸發(fā)器狀態(tài)保持 Q仍為0 v0 0 電路恢復到穩(wěn)態(tài)時的vC 0 v0為低電平的狀態(tài) 當?shù)诙€觸發(fā)脈沖到來時 又重復上述過程 工作波形圖見圖5 8 b 5 4多諧振蕩器 5 4 1TTL與非門組成的多諧振蕩器5 4 2555定時器構成的多諧振蕩器 5 4 1TTL與非門組成的多諧振蕩器一 電路組成 圖5 9所示是TTL與非門組成的對稱式多諧振蕩器電路 其中 vK是控制信號 當vK是高電平時 振蕩器振蕩 vK為低電平時 振蕩器停止振蕩 RF1 RF2是用來確定TTL與非門的靜態(tài)工作點 使與非門工作于傳輸特性的轉折區(qū) 圖5 9TTL與非門組成的對稱式多諧振蕩器電路 二 工作原理 當TTL與非門工作在傳輸特性的轉折區(qū)時 對輸入信號有很強的放大作用 因此 只要把靜態(tài)時工作在轉折區(qū)的兩個與非門用電容耦合起來 就可以形成一個多諧振蕩器 接通電源后并使vK為高電平時 由于門1 門2都工作在轉折區(qū) 只要電路不完全對稱或由于電源電壓變化和一點小的干擾 都會引起振蕩 例如 由于某種原因 使得vI1略有增大 就會產生下列正反饋的過程 從而使門1迅速飽和導通 門2迅速截止 這是電路的第一暫穩(wěn)狀態(tài) 是不穩(wěn)定的 在這一暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間里 電容C1充電 C2放電 由于充電時間常數(shù)小于放電時間常數(shù) 所以C1充電速度快 C2放電速度慢 因而使得vI2首先上升到閾值電壓VTH 這又引起了以下的正反饋過程 則門1迅速截止 門2迅速飽和導通 電路從第一暫穩(wěn)態(tài)進入了第二暫穩(wěn)態(tài) 與此同時 C2開始充電 C1放電 這時 同樣是充電快 放電慢 即由于C2充電快 使vI1首先上升到閾值電壓VTH 因而又一次引起正反饋連鎖反應 使電路重新回到門1飽和導通 門2截止的第一暫穩(wěn)態(tài) 由以上分析可知 圖5 9所示電路只有兩個暫穩(wěn)態(tài) 由于電容的充放電作用 使電路自動在兩個暫穩(wěn)態(tài)中交替轉換 在與非門的輸出端輸出矩形脈沖 由于矩形波中除基波外 還包含許多的高次諧波 因此 這種電路又稱為多諧振蕩器 當電路參數(shù)對稱時 即C1 C2 RF1 RF2 則輸出對稱的矩形脈沖 又稱為方波 圖5 10所示 為多諧振蕩器的工作波形圖 圖5 10多諧振蕩器工作波形 三 振蕩周期的估算 若取RF1 RF2 RF C1 C2 C的條件下 振蕩周期T可近似地按下式估算 其中VIK VOH可從門電路手冊中查得 考慮到門電路輸入端反向鉗位二極管的作用 若取VIK 1V VTH 1 4V VOH 3 6V 則 5 4 2555定時器構成的多諧振蕩器 圖5 11是由555定時器組成的多諧振蕩器 其原理圖及波形圖如圖5 11 a b 所示 a 電路原理圖 b 工作波形圖圖5 11555定時器組成的多諧振蕩器 一 電路組成 如圖5 11 a 所示 其中 把2端和6端連接 6 7端之間接入電阻R2 即構成了多諧振蕩器 二 工作原理接通電源時 vc 0 則 0 1 555內部RS觸發(fā)器置1 3端輸出v0為高電平 同時 因 0 使放電管V截止 所以 接通電源后 電容C開始充電 電路處于第一暫穩(wěn)態(tài) 隨著C充電 vc上升 當vc上升至時 1 0 觸發(fā)器翻轉為0態(tài) 輸出v0為低電平 此時 因 1 使放電管V導通 電容C充電結束 電路進入第二暫穩(wěn)態(tài) 由于放電管V導通 電容C開始放電 隨著C的放電 Vc下降 當Vc下降到時 觸發(fā)器置1 輸出Vc為高電平 電路又翻轉到第一暫穩(wěn)態(tài) 這時 放電管V又截止 電容C放電結束 又處于充電狀態(tài) 重復上述過程 工作波形圖如圖5 11 b 所示 三 電路振蕩周期T的估算 其中則 5 5施密特觸發(fā)器 施密特觸發(fā)器是數(shù)字系統(tǒng)中常用的電路之一 它可以把變化十分緩慢的不規(guī)則的脈沖波形變換成為數(shù)字電路所需要的矩形脈沖 施密特電路的特點在于它也有兩個穩(wěn)定狀態(tài) 但與一般觸發(fā)器不同的是不僅這兩個穩(wěn)定狀態(tài)的轉換需要外加觸發(fā)信號 而且穩(wěn)定狀態(tài)的維持也得依賴于外加觸發(fā)信號 因此它的觸發(fā)方式是電平觸發(fā) 5 5 1TTL與非門組成的施密特觸發(fā)器 如圖所示 由三個與非門和二極管D組成 其中門1 門2組成基本RS觸發(fā)器 D為電平轉移二極管 用以產生固定的回差電壓 a 電路原理圖 b 工作波形圖圖5 12TTL與非門組成的施密特觸發(fā)器 二 工作原理 為了便于分析 假設輸入信號為一個三角波 如圖5 12 a 所示 b 為施密特觸發(fā)器的工作波形圖 1 當t 0時 vi為高電平 門3導通 D截止 為懸空高阻狀態(tài) 因端具有1 4V鉗位電壓 故相當于 1 所以門1截止 v01為高電平 門2導通 v02為低電平 并通過反饋自鎖 電路處于第一穩(wěn)態(tài) 2 當t t1時 vi 1 4V 門3開始截止 v03為高電平 即 但基本RS觸發(fā)器狀態(tài)不變 二極管D仍然截止 仍為1 由