第6章脈沖波形的產(chǎn)生和整形

1、第十章第十章 脈沖波形的產(chǎn)生和整形脈沖波形的產(chǎn)生和整形一、內(nèi)容提要一、內(nèi)容提要 本章重點介紹矩形脈沖波形的產(chǎn)生和整形電路。 在脈沖整形電路中，介紹了最常用的兩類整形電路施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。在脈沖振蕩電路中，介紹了多諧振蕩器的幾種常見形式。最后介紹了555定時器和電路結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用。二、本章內(nèi)容二、本章內(nèi)容10.1 概述概述10.2 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器10.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器10.4 多諧振蕩器多諧振蕩器10.5 555定時器及應(yīng)用定時器及應(yīng)用1、重點掌握的知識點、重點掌握的知識點2、一般掌握的知識點一般掌握的知識點三、知識點三、知識點（1）施密特觸發(fā)器的工作原理及

2、特點；（2）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理及特點；（3）多諧振蕩器的工作原理及特點；（4）555定時器的工作原理及應(yīng)用。（1）施密特觸發(fā)器的應(yīng)用；（2）集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用。 在時序邏輯電路中，為了控制各觸發(fā)器同步協(xié)調(diào)一致的工作，通常需要一個穩(wěn)定精確的時鐘脈沖信號。獲得獲得這種脈沖信號的方法有兩種脈沖信號的方法有兩種，一種是一種是通過多諧振蕩器直接產(chǎn)直接產(chǎn)生生脈沖信號；另一種是另一種是通過脈沖整形電路如單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器等，將已有的波形進行整形整形，獲得穩(wěn)定、精確、規(guī)則的矩形時鐘脈沖。 在脈沖信號產(chǎn)生、整形電路中，常采用555時基集成電路，只要在其外部配接少量阻容元件就可構(gòu)成多諧振蕩器、施密

3、特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。10.1 概述概述描述矩形脈沖特性的主要參數(shù)脈沖寬度脈沖寬度脈沖幅度脈沖幅度下降時間下降時間上升時間上升時間脈沖周期脈沖周期10.2 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器 施密特觸發(fā)器是一種常用的脈沖波形整形電路，能夠?qū)⑦呇刈兓徛拿}沖信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波。它具有如下兩個特點： 一是滯回特性，一是滯回特性，即對于正向和負向變化的輸入信號，分別有不同的臨界閾值電壓。 二是電平觸發(fā)，二是電平觸發(fā)，即當(dāng)輸入信號達到一定的電壓值時，輸出電壓會發(fā)生突變。這一特點對于緩慢變化的信號仍然適用。因此施密特觸發(fā)器是一種受輸是一種受輸入信號電平直接控制的雙穩(wěn)態(tài)電路入信號電平直接控制的雙穩(wěn)態(tài)

4、電路。在此，稱VT+為正向閾值電壓，VT為負向閾值電壓。顯然，施密特觸發(fā)器的正向和負向閾值電壓是不等的，定義二者之差VT為回差電壓，即VT= VT+VT。VT 1VTvo0ui傳輸特性邏輯符號一、一、用門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器用門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器 假定假定圖中圖中CMOS反相器的閾值電壓為反相器的閾值電壓為VTH 1/2VDD，設(shè)電阻，設(shè)電阻R1R2。當(dāng)輸入vI為0V時，G1截止、G2導(dǎo)通，輸出vO為0V， vA0 。當(dāng)輸入電壓vI逐漸上升到vA =VTH時，G1進入電壓特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，所以電路將發(fā)生如下正反饋： vA vO1vO 使電路迅速跳變到 vO=VOH VDD。由此可求出上升過程

5、中電路發(fā)生轉(zhuǎn)換時的輸入電平VT+ 。THTTITHAVRRVVRRRVRRRVv)1 (21212212OOTHIOIvvvVvvvv1AA11大區(qū)，故時，進入傳輸特性的放下降至當(dāng)。時，當(dāng)0OLOVv使電路迅速跳變到THTTTDDTHAVRRVVRRRVVVv)1 ()(21211THTIVRRVv)1 (21THTIVRRVv)1 (21二二、集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器應(yīng)用十分廣泛，目前市場上有專門的集成應(yīng)用十分廣泛，目前市場上有專門的集成電路產(chǎn)品出售。一些代表性的產(chǎn)品如電路產(chǎn)品出售。一些代表性的產(chǎn)品如CMOS集成施密特集成施密特觸發(fā)器觸發(fā)器CC40106（六

6、反相器）、（六反相器）、CC4093（四（四2輸入與非輸入與非門），門），TTL集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器74LS13、74LS14、54132等。等。TTL施密特觸發(fā)器對于閾值電壓和滯回電壓均有溫施密特觸發(fā)器對于閾值電壓和滯回電壓均有溫度補償，具有較強的帶負載能力和抗干擾能力。度補償，具有較強的帶負載能力和抗干擾能力。兩種兩種CMOS集成施密特觸發(fā)器的引腳排列圖集成施密特觸發(fā)器的引腳排列圖 TTL集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器74LS132的內(nèi)部邏輯圖和引腳排列圖。的內(nèi)部邏輯圖和引腳排列圖。其內(nèi)部包括其內(nèi)部包括4個互相獨立的個互相獨立的2輸入施密特觸發(fā)器輸入施密特觸發(fā)器，都是在基本施

7、密，都是在基本施密特觸發(fā)電路的基礎(chǔ)之上，在輸入端增加了與的功能，在輸出端增特觸發(fā)電路的基礎(chǔ)之上，在輸入端增加了與的功能，在輸出端增加了反相器。因此稱為施密特觸發(fā)與非門，邏輯符號如圖所示。加了反相器。因此稱為施密特觸發(fā)與非門，邏輯符號如圖所示。74LS132的輸入、輸出關(guān)系滿足的輸入、輸出關(guān)系滿足Y=AB兩個輸入變量必須同時低于兩個輸入變量必須同時低于施密特觸發(fā)器的負向閾值電壓，輸出施密特觸發(fā)器的負向閾值電壓，輸出Y才是高電平。才是高電平。7413三、施密特觸發(fā)器的應(yīng)用三、施密特觸發(fā)器的應(yīng)用 1、用于波形變換、用于波形變換 2、用于鑒幅、用于鑒幅3、用于脈沖整形、用于脈沖整形10.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)

8、器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是雙穩(wěn)態(tài)電路，有是雙穩(wěn)態(tài)電路，有0、1兩個穩(wěn)態(tài)，狀態(tài)改變受外兩個穩(wěn)態(tài)，狀態(tài)改變受外加信號控制。加信號控制。而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是單穩(wěn)態(tài)電路，有一個穩(wěn)態(tài)（而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是單穩(wěn)態(tài)電路，有一個穩(wěn)態(tài)（0態(tài)或態(tài)或1態(tài)）和一個暫穩(wěn)態(tài)，在外加輸入信號的作用下電路由穩(wěn)態(tài)）和一個暫穩(wěn)態(tài)，在外加輸入信號的作用下電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，保持一段時間后又自動返回原來的穩(wěn)態(tài)。態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，保持一段時間后又自動返回原來的穩(wěn)態(tài)。單單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出通常為寬度恒定的脈沖信號，而暫穩(wěn)態(tài)的時穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出通常為寬度恒定的脈沖信號，而暫穩(wěn)態(tài)的時間僅取決于電路自身的相關(guān)參數(shù)。間僅取決于電路自身的相

9、關(guān)參數(shù)。穩(wěn)態(tài)暫穩(wěn)態(tài)輸入觸發(fā)自動返回 一、由門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、由門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器DDTHOLDDOHVVVVV21, 0,穩(wěn)態(tài)。放電至沒有電壓，恢復(fù)電路迅速返回穩(wěn)態(tài)又引起正反饋時開始充電，充電至電容CVvvvvvvVvDDOOOOIITHI, 0,C112221、微分型、微分型入暫穩(wěn)態(tài)。跳變?yōu)楦唠娖?，電路進使迅速跳變?yōu)榈碗娖?。并使以后上升到。?dāng)很窄的正、負脈沖得到組成的微分電路輸出端和加到輸入端時，在當(dāng)觸發(fā)脈沖OOOIOdTHddddIvvvvvvVvvv121CR輸出脈寬：2ln0lnln)()()0()(RCVVVRCVVVVRCtTHDDDDtwCRCRrRtONONDr

10、e)53()/)(53(1的時間。充電至從時間）等于輸出脈沖寬度（THIOVvv012rewdttt分辨時間2、積分型、積分型G1和G2為TTL門電路；穩(wěn)態(tài)下：OHAOHOOIVvVvvv),( , 1, 01開始放電；進入暫穩(wěn)態(tài)，后，CvvvOOI, 0, 01返回穩(wěn)態(tài)；后，當(dāng)放至, 1OTHAvVv恢復(fù)初始態(tài)；重新充電至后，,OHIVCv 輸出脈寬：THOHtwVVRCVVVVRCtlnln)()()0()(reTRdOretttCRRt)(53(的時間。放電至從時間）等于輸出脈沖寬度（THOHAOVVvv0二、集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及其應(yīng)用二、集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及其應(yīng)用 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器根據(jù)電路

11、及工作狀態(tài)不同分為集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器根據(jù)電路及工作狀態(tài)不同分為可可重復(fù)觸發(fā)重復(fù)觸發(fā)和和不可重復(fù)觸發(fā)不可重復(fù)觸發(fā)兩種。兩種。不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在進入暫穩(wěn)態(tài)后，無論輸入端有無觸發(fā)脈沖的作觸發(fā)器在進入暫穩(wěn)態(tài)后，無論輸入端有無觸發(fā)脈沖的作用，電路工作過程不受影響。也就是說，一旦電路進入用，電路工作過程不受影響。也就是說，一旦電路進入暫穩(wěn)態(tài)，輸入信號便不再起作用。暫穩(wěn)態(tài)，輸入信號便不再起作用。 可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫穩(wěn)態(tài)期間，如有觸發(fā)可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫穩(wěn)態(tài)期間，如有觸發(fā)脈沖作用，則會被重復(fù)觸發(fā)，使得暫穩(wěn)態(tài)時間延長，直到脈沖作用，則會被重復(fù)觸發(fā)，使得暫穩(wěn)態(tài)時間延長

12、，直到最近的一個觸發(fā)脈沖消失后再過最近的一個觸發(fā)脈沖消失后再過tW時間，電路恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。時間，電路恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。因此，采用可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可方便的得到持續(xù)因此，采用可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可方便的得到持續(xù)時間更長的輸出脈沖寬度。時間更長的輸出脈沖寬度。1、不可、不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121tw 0.7RC電路結(jié)構(gòu)與工作原理微分型單穩(wěn)態(tài)控制附加電路集成單穩(wěn)74LS121功能表200lnlnln)()()()(RCVVVRCVVVVRCtTHCCCCtw2、可、可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74123 3、單穩(wěn)態(tài)、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用舉例觸發(fā)器應(yīng)用舉例（

13、1 1）延時）延時（2 2）定時）定時 數(shù)字電路中經(jīng)常需要將某一信號進行延時，以實現(xiàn)時序控制。利用單數(shù)字電路中經(jīng)常需要將某一信號進行延時，以實現(xiàn)時序控制。利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以很方便的形成這種脈沖延時。如圖所示，穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以很方便的形成這種脈沖延時。如圖所示，uo1的下降沿就比的下降沿就比ui的下降沿滯后了的下降沿滯后了tP。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠產(chǎn)生一定寬度的矩形產(chǎn)生一定寬度的矩形脈沖，在數(shù)字電路中脈沖，在數(shù)字電路中常用它來控制其它一常用它來控制其它一些電路在這個脈沖寬些電路在這個脈沖寬度時間度時間tP內(nèi)動作或不內(nèi)動作或不動作，達到定時的作動作，達到定時的作用。如圖中，當(dāng)用。如圖

14、中，當(dāng)uo1 = 1時，與門打開，時，與門打開，uo = ui1。與門受。與門受uo1控控制而打開的時間是不制而打開的時間是不變的，就是單穩(wěn)態(tài)觸變的，就是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖的寬度發(fā)器輸出脈沖的寬度tP。（3 3）硬件）硬件看門狗看門狗 所謂所謂“看門狗看門狗”只是形象的說法，其實就是計算機控制系統(tǒng)中一個相對只是形象的說法，其實就是計算機控制系統(tǒng)中一個相對獨立的失脈沖檢測電路，英文名為獨立的失脈沖檢測電路，英文名為Watchdog Timer，簡稱，簡稱WDT。它是可重復(fù)觸。它是可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的典型應(yīng)用。下圖是用看門狗檢測發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的典型應(yīng)用。下圖是用看門狗檢測CPU的運行示意圖。

15、的運行示意圖。 假設(shè)假設(shè)Reset端低電平有效。當(dāng)端低電平有效。當(dāng)CPU正常工作時，觸發(fā)信號自正常工作時，觸發(fā)信號自I/O接口規(guī)則發(fā)接口規(guī)則發(fā)出，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被不斷的重復(fù)觸發(fā)，始終處于暫穩(wěn)態(tài)，持續(xù)輸出高電平。一出，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被不斷的重復(fù)觸發(fā)，始終處于暫穩(wěn)態(tài)，持續(xù)輸出高電平。一旦出現(xiàn)故障，丟失了若干個觸發(fā)脈沖或者觸發(fā)頻率降低，使觸發(fā)信號的間隔大旦出現(xiàn)故障，丟失了若干個觸發(fā)脈沖或者觸發(fā)頻率降低，使觸發(fā)信號的間隔大于了暫態(tài)時間，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，輸出低電平使于了暫態(tài)時間，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，輸出低電平使CPU重啟，以起到重啟，以起到保護作用。保護作用。 目前，這種失脈沖檢測裝置應(yīng)用廣

16、泛，如在醫(yī)療儀器中監(jiān)視病人心跳，目前，這種失脈沖檢測裝置應(yīng)用廣泛，如在醫(yī)療儀器中監(jiān)視病人心跳，在電力系統(tǒng)中監(jiān)控發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速等等。在電力系統(tǒng)中監(jiān)控發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速等等。一、對稱式多諧振蕩器一、對稱式多諧振蕩器1、工作原理（、工作原理（TTL）1(1) Iv由于“擾動”使有微小 ，則有：10.4 多諧振蕩器多諧振蕩器12121212,OOIIvvCCCCvv使迅速跳變?yōu)榈?，而迅速跳變?yōu)楦摺ｋ娐愤M入第一個暫穩(wěn)態(tài)開始充電，開始放電。(充電速度快于放電速度)在第一個暫穩(wěn)態(tài)期間，按指數(shù)規(guī)律下降，按指數(shù)規(guī)律上升。1122IOIOvvvv+2221112212121(2) ITHIOIOOOIIvVvvvvv

17、vCCCCvv當(dāng)上升至?xí)r，將起引起如下正反饋：使迅速跳變?yōu)楦?，而迅速跳變?yōu)榈?。電路進入第二個暫穩(wěn)態(tài)，開始充電，開始放電。(充電速度快于放電速度)在第二暫穩(wěn)態(tài)期間，按指數(shù)規(guī)律下降，按指數(shù)規(guī)律上升。+2、電壓波形、電壓波形3、振蕩頻率計算、振蕩頻率計算的時間充電開始到充至從的時間充電開始到充至從THITHIVCvVCvT122121212/)(FEFFOHBECCOHERRRRRRVVVVVTHEIKEEVVVVCRTln2二、二、 非對稱式多諧振蕩器非對稱式多諧振蕩器1、工作原理（、工作原理（CMOS）1212211,) 1 (IOOOIIIvCvvvvvv開始放電電路進入第一個暫穩(wěn)態(tài)迅速升高。

18、迅速降低，而使，則有：有微小由于“擾動”使1212211,)2(IOOOIITHIvCvvvvvVv開始充電電路進入第二個暫穩(wěn)態(tài)迅速降低。迅速升高，而使，則有：至又返回第一個暫穩(wěn)態(tài)。至當(dāng),) 3(1THIVv2、電壓波形、電壓波形THDDTHTHDDTHWVVVCTVVVCTTTT放至放電，從充至充電，從脈沖寬度計算：:2121)()()0()(lntwVVVVRCt三、環(huán)形振蕩器三、環(huán)形振蕩器1、最簡單的環(huán)形振蕩器2、實用的環(huán)形振蕩器。積分環(huán)節(jié)，加大第一步：增加2pdtRC輸出。的接地端改至遲，將第二步：為獲取更大延1GC環(huán)節(jié)因此周期主要計算常數(shù)遠大于不能太大）（改、通過調(diào)整RCTRCRfC

19、Rpd,四、四、 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器TTTDDTDDVVRCVVVVRCTTT00lnln21TTTDDTDDVVCRVVVVCRTTT00lnln1221 若在石英晶片的兩極加上一個電場，晶片將會產(chǎn)生機械變形。相反，若在晶片上施加機械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上會產(chǎn)生一定的電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。因此，當(dāng)在晶片的兩極加上交變電壓時，晶片將會產(chǎn)生機械變形振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片的機械振動的振幅和交變電場的振幅都非常微小，只有在外加交變電壓的頻率為某一特定頻率時，振幅才會突然增加，比一般情況下的振幅要大得多，這種

20、現(xiàn)象稱為壓電諧振。這和LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似，因此，石英晶體又稱為石英諧振器。上述特定頻率稱為晶體的固有頻率或諧振頻率。五、石英晶體多諧振蕩器五、石英晶體多諧振蕩器石英晶體電抗頻率特性和符號石英晶體電抗頻率特性和符號 LCfs21osoopCCfCCCCLf121 從石英晶體諧振器的等效電路可知,它有兩個諧振頻率, 即當(dāng)L、C、R支路發(fā)生諧振時, 它的等效阻抗最小(等于R)。 串聯(lián)諧振頻率為 當(dāng)頻率高于fs時, L、C、R支路呈感性, 可與電容Co發(fā)生并聯(lián)諧振, 并聯(lián)諧振頻率為 由于CCo, 因此fs和fp非常接近。 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器 一、一、 555定時器定時器 1、

21、電路結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)10.5 555定時器及其應(yīng)用定時器及其應(yīng)用比較器鎖存器輸出緩沖OC輸出的三極管、功能表2輸 入輸 出0XX0導(dǎo)通10導(dǎo)通1不變不變11截止11截止CCV32CCV31CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31DR1IV2IVOVDT二、二、 用用555定時器接成施密特觸發(fā)器定時器接成施密特觸發(fā)器輸 入輸 出0XX0導(dǎo)通10導(dǎo)通1不變不變11截止11截止CCV32CCV31CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31DR1IV2IVOVDT?,?,TITIVvVv值使電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的值使電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器電路仿真定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器電路仿真返回三、三、 用用555定時器接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器定時器接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸 入輸 出0XX0導(dǎo)通10導(dǎo)通1不變不變11截止11截止CCV32CCV31CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31DR1IV2IVOVDT導(dǎo)通那么穩(wěn)態(tài)時：DOCTvQvv, 0, 0, 12C1) 131(12CCCIvVv即可，