第16章 脈沖波形的產(chǎn)生與變換

1、第十七章 脈沖波形的產(chǎn)生與變換 17.1 17.2 17.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 多諧振蕩器 概述 17.4 施密特觸發(fā)器 17.5555定時器及應(yīng)用 15.1 概述 p 脈沖數(shù)字電路脈沖數(shù)字電路 數(shù)字電路又稱為脈沖數(shù)字電路。 數(shù)字電路區(qū)別于模擬電路的主要特點之一是：它的工作 信號是離散的脈沖信號。 數(shù)字電路中的時鐘脈沖、控制信號等是由脈沖發(fā)生器產(chǎn) 生的。本章介紹幾種脈沖發(fā)生和脈沖變換電路。 17.1 概述 p 脈沖數(shù)字電路脈沖數(shù)字電路 17.1 概述 p 脈沖數(shù)字電路脈沖數(shù)字電路 脈沖幅度：脈沖的高低電平之差，反映脈沖信號的大小 脈寬tw：脈沖起始和終止時刻之間的時間間隔 重復(fù)周期T：相鄰兩個脈沖

2、對應(yīng)點之間的時間間隔 占空比：脈寬和重復(fù)周期的比值 上升時間：脈沖電壓從0.1Um上升到0.9Um所需時間 下降時間：脈沖電壓從0.9Um上升到0.1Um所需時間 重點關(guān)注矩形脈沖的產(chǎn)生 17.1 概述 p 脈沖電路分析脈沖電路分析 脈沖電路與數(shù)字電路的比較： 脈沖電路側(cè)重波形波形，數(shù)字電路側(cè)重邏輯關(guān)系邏輯關(guān)系。 數(shù)字電路的信號波形也是一種脈沖波形。 脈沖電路：能產(chǎn)生和變換脈沖波形的數(shù)字電路。 17.1 概述 p 脈沖電路分析脈沖電路分析 脈沖電路分類脈沖電路分類： 脈沖電路作用：脈沖電路作用： 脈沖波形的產(chǎn)生和整形。 脈沖電路構(gòu)成：脈沖電路構(gòu)成：開關(guān)電路 + RC電路 破壞電路的穩(wěn)態(tài)，破壞電

3、路的穩(wěn)態(tài)， 產(chǎn)生暫態(tài)。產(chǎn)生暫態(tài)。 控制暫穩(wěn)態(tài)時控制暫穩(wěn)態(tài)時 間的長短。間的長短。 單穩(wěn)態(tài)電路（單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器） 多諧振蕩（無穩(wěn)態(tài)）電路 施密特電路（施密特觸發(fā)器） RCRC電路暫態(tài)方程：電路暫態(tài)方程： 17.1 概述 p 脈沖電路分析脈沖電路分析 開關(guān)初始位置為2，電路穩(wěn)定后， 在t=0時，開關(guān)由位置2轉(zhuǎn)換到1， 畫出電容兩端電壓波形。 1 2 S R 10K C 100pF 10V 6V + - - uc 1.求初始值。t=0 以前： Uc (0+ +) = Uc (0- -) = - - 6V 2.求穩(wěn)態(tài)值。Uc () = (10-6)V= 4 4V 3.求時間常數(shù)。 = RC = 110-

4、6 = 1uS1uS Uc (t) = Uc ()+Uc (0+ +) - Uc () e -t/ = (4-10 e t ) V 17.1 概述 p 微分電路微分電路 uO = RC dui dt t ui 0 t uo 0 17.1 概述 p 積分電路積分電路 uO = ui dt RC 1 t ui 0 t uo 0 17.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 p 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點 電路有一個穩(wěn)態(tài)、一個暫穩(wěn)態(tài)； 在外來觸發(fā)脈沖作用下，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)；暫 穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，電路會自動返回穩(wěn)態(tài)。 暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸 發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。 17.2 單穩(wěn)

5、態(tài)觸發(fā)器 穩(wěn)定狀態(tài) 穩(wěn)定狀態(tài) 著重 理解 : 為什么電路可以自動返回穩(wěn)態(tài) ? 在“暫穩(wěn)態(tài)”上停留的時間有多長? 該時間由 什么決定? p 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點 由外界觸發(fā) 暫穩(wěn)態(tài)暫穩(wěn)態(tài) 自動返回 17.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 p 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的分類單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的分類 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)是通過RC電路的充放電過程來 維持的。 根據(jù)RC電路的不同接法單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為： 微分型微分型和積分型積分型兩大類。 17.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 p 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1 1 ui uo Cd ud Rd uo1 C R UDD ui2 UOH UDD , UOH 0, UTH UDD

6、/2 近似認為：近似認為： 穩(wěn)態(tài) ui = 0, ui2 = UDD uo = 0, uo1 = UDD , C上沒有電壓上沒有電壓 當觸發(fā)脈沖 ui 加到輸入端時： 當 ud uo1 ui2 uo 進入暫穩(wěn)態(tài) 17.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 p 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1 1 ui uo Cd ud Rd uo1 C R UDD ui2 UOH UDD , UOH 0, UTH UDD/2 近似認為：近似認為： 穩(wěn)態(tài) ui = 0, ui2 = UDD uo = 0, uo1 = UDD , C上沒有電壓上沒有電壓 當觸發(fā)脈沖 ui 加到輸入端時： 當 ui2 uo uo1 進入暫穩(wěn)態(tài)

7、 此時，電容C開始充電。當 ui2 = UTH ， ud UTH時：時： 17.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 p 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1 1 ui uo Cd ud Rd uo1 C R UDD ui2 如果觸發(fā)脈沖消失( ud =0), uo1, ui2 迅速跳變?yōu)楦唠?平，并使輸出返回 uo =0 的狀態(tài)。 同時，電容C進行放電 電路進入到穩(wěn)定狀態(tài) 17.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 p 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1 1 ui uo Cd ud Rd uo1 C R UDD ui2 t ui o t ud o t uo1 o 17.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 p 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器微分型單穩(wěn)態(tài)

8、觸發(fā)器 1 1 ui uo Cd ud Rd uo1 C R UDD ui2 t ui o t ui2 o t uo o 17.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 p 積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1 &R uo1 C uo ui 優(yōu)點：抗干擾能力強 穩(wěn)態(tài) ui = 0 uo1 , uo 輸出均為高電平輸出均為高電平 電容電容C充電結(jié)束，觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)充電結(jié)束，觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài) 當觸發(fā)脈沖 ui (高電平高電平)加到輸入端時： uo1 ， ，uo 輸出均為低電平 輸出均為低電平進入暫穩(wěn)態(tài) 由于C兩端為高電平，非門輸出端為低電平，電容C通過電 阻和非門進行放電。當uC 1 & Q Q TRA1 TR

9、A2 TR+ Rint Cext RI CX RX/CX Rext / Cext 表示不屬于邏輯狀態(tài)連接表示不屬于邏輯狀態(tài)連接 下降沿觸發(fā)輸入下降沿觸發(fā)輸入 上升沿觸發(fā)輸入上升沿觸發(fā)輸入 非重復(fù)觸發(fā)非重復(fù)觸發(fā) 外接定時外接定時 電阻、電容電阻、電容 VCC 內(nèi)接接定時電阻引出端內(nèi)接接定時電阻引出端 17.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 p 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用 定時應(yīng)用定時應(yīng)用 17.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 p 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用 脈沖展寬脈沖展寬 17.3 多諧振蕩器 p 概述概述 是一種是一種無穩(wěn)態(tài)無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，接通電源后，不需觸發(fā)器，接通電源后，不需 外加觸發(fā)信號，就能產(chǎn)生

10、矩形波輸出。外加觸發(fā)信號，就能產(chǎn)生矩形波輸出。 由于矩形波中含有豐富的諧波，故稱為多諧振蕩器。由于矩形波中含有豐富的諧波，故稱為多諧振蕩器。 觸發(fā)器和時序電路中的時鐘脈沖一般是由多諧振蕩器觸發(fā)器和時序電路中的時鐘脈沖一般是由多諧振蕩器 產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。 多諧振蕩器 VCC 17.3 多諧振蕩器 p 概述概述 開 關(guān) 電 路 延時環(huán)節(jié) 開關(guān)器件：產(chǎn)生高、低電平； 多諧振蕩器電路的構(gòu)成 反饋延遲環(huán)節(jié)：利用RC電路的 充放電特性實現(xiàn)延時，將輸出 電壓恰當?shù)胤答伣o開關(guān)器件使 之改變輸出狀態(tài)，以獲得所需 要的振蕩頻率。 17.3 多諧振蕩器 p 概述概述 電路組成 開關(guān)器件： 反饋延遲環(huán)節(jié)： 邏輯門電路

11、邏輯門電路 R R、C C 電路電路 11 R C ui uo2uo1 自激多諧振蕩器 17.3 多諧振蕩器 p 基本原理基本原理 11 R C ui uo2uo1 假設(shè)接通電源后的初始狀態(tài)為： uo1 = 1， uo2 = 0 第一暫穩(wěn)態(tài)第一暫穩(wěn)態(tài) ui uo1 uo2 當 ui 升高時升高時， 且且ui UTH 時：時： uo1 = 0， uo2 = 1 第二暫穩(wěn)態(tài)第二暫穩(wěn)態(tài) ui 經(jīng)經(jīng)RC放電放電， 當當ui UTH 時：時： ui uo1 uo2 石英晶體振蕩器常用作數(shù)字系統(tǒng)的基準信號。 為獲得穩(wěn)定的振蕩頻率， 可在振蕩電路中串接石英晶 體，組成石英晶體振蕩器。 石英晶體石英晶體 11

12、 RF RF C C G1 G2 uo 17.3 多諧振蕩器 p 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器 17.3 多諧振蕩器 p 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器 17.4 施密特觸發(fā)器 p 概述概述 施密特觸發(fā)器是一種雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其特點是： 屬于電平觸發(fā),當輸入信號達到一定電壓值時,輸出電 壓會發(fā)生突變，輸入信號增加和減少時，電路有不同的 閾值電平； VT-VT+ VO VI VOL VOH 施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性 17.4 施密特觸發(fā)器 p 概述概述 施密特觸發(fā)器是一種雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其特點是： 屬于電平觸發(fā),當輸入信號達到一定電壓值時,輸出電 壓會發(fā)生突變，輸入信號增加和減少時，

13、電路有不同的 閾值電平； 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。 廣泛應(yīng)用于整形、延時電路。廣泛應(yīng)用于整形、延時電路。 17.4 施密特觸發(fā)器 p 門電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器門電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器 &A AB B 1 ui to ui 0.7 1.4 當 ui = 0 時時 S=1，R=0，觸發(fā)器置，觸發(fā)器置 0 第一穩(wěn)態(tài)第一穩(wěn)態(tài) 當 ui 升高且升高且ui 1.4 V 時時 S=0，R=1，觸發(fā)器置，觸發(fā)器置 1 17.4 施密特觸發(fā)器 p 門電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器門電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器 to ui 0.7 1.4 &A AB B 1 ui 返回第一穩(wěn)態(tài)返回第

14、一穩(wěn)態(tài) 此時 ui 下降下降，當當ui 0.7V 時時 維持維持R=1，觸發(fā)器狀態(tài)不變，觸發(fā)器狀態(tài)不變 R端口電壓大于端口電壓大于1.4V S=1，R=0，觸發(fā)器置，觸發(fā)器置 0 當 ui 0.7 V 時時 17.4 施密特觸發(fā)器 to ui 0.7 1.4 p 門電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器門電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器 工作波形圖工作波形圖 to uo VDD 17.4 施密特觸發(fā)器 p 集成思密特觸發(fā)器集成思密特觸發(fā)器 17.4 施密特觸發(fā)器 p 思密特觸發(fā)器的應(yīng)用思密特觸發(fā)器的應(yīng)用 接口電路 MOSMOS或或 CMOSCMOS 1 把緩變輸入信號轉(zhuǎn)換為把緩變輸入信號轉(zhuǎn)換為TTLTTL系統(tǒng)要求的脈沖系統(tǒng)

15、要求的脈沖 正弦波正弦波 振蕩器振蕩器 1 整形 輸入輸入 輸出輸出 UT+ UT 17.4 施密特觸發(fā)器 構(gòu)成多諧振蕩器 p 思密特觸發(fā)器的應(yīng)用思密特觸發(fā)器的應(yīng)用 C uO 1 R UOH UOL UOH 脈沖鑒幅 輸入輸入 UT UT+ 輸出輸出 p 概述概述 17.5 555定時器及應(yīng)用 555定時器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路， 利用它能極方便地構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和 施密特觸發(fā)器及其它實用電路。 由于使用靈活、方便，555定時器在波形的產(chǎn)生與變換、 信號的測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域 中都得到廣泛的應(yīng)用。 雙極型雙極型 （TTL） 電源電源: 4.5 16

16、V 單極型單極型 （CMOS） 電源電源: 3 18V 帶負載能力強。帶負載能力強。 1 2 3 4 8 7 6 5 OUT CO TH CC V p 電路構(gòu)成電路構(gòu)成 17.5 555定時器及應(yīng)用 放電端放電端 觸發(fā)輸入觸發(fā)輸入 閾值輸入閾值輸入 控制電壓控制電壓 接地端接地端 分分 壓壓 比比 較較 RSRS 觸發(fā)器觸發(fā)器 緩沖緩沖 輸出輸出 p 555555定時器實現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器定時器實現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 17.5 555定時器及應(yīng)用 p 555555定時器實現(xiàn)施密特觸發(fā)器定時器實現(xiàn)施密特觸發(fā)器 17.5 555定時器及應(yīng)用 p 555555定時器實現(xiàn)多諧振蕩器定時器實現(xiàn)多諧振蕩器 17.5 555定時器及應(yīng)用 p 555555定時器實現(xiàn)多諧振蕩器定時器實現(xiàn)多諧振蕩器 17.5 555定時器及應(yīng)用 17.5 555定時器及應(yīng)用 p 應(yīng)用應(yīng)用 p 應(yīng)用應(yīng)用