【大學(xué)】脈沖產(chǎn)生與整形電路

1、內(nèi)容簡(jiǎn)介內(nèi)容簡(jiǎn)介1.1.概述概述2.2.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3.3.施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器4.4.多諧振蕩器多諧振蕩器定時(shí)器及其應(yīng)用定時(shí)器及其應(yīng)用 重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容1.1.多諧振蕩器多諧振蕩器定時(shí)器工作原理定時(shí)器工作原理第七章第七章脈沖產(chǎn)生與整形電路脈沖產(chǎn)生與整形電路教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo): : 理解掌握單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器的工理解掌握單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器的工作原理，及作原理，及555555定時(shí)器的工作原理及使用方法。定時(shí)器的工作原理及使用方法。 第七章第七章脈沖產(chǎn)生與整形電路脈沖產(chǎn)生與整形電路學(xué)時(shí)安排：學(xué)時(shí)安排：6 6 學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)課后作業(yè)課后作業(yè)、7.13

2、7.13 第七章第七章脈沖產(chǎn)生與整形電路脈沖產(chǎn)生與整形電路7.1 概述概述1. 脈沖信號(hào): 脈沖信號(hào)是指一種持續(xù)時(shí)間極短的電壓或電流波形，如圖所示。 圖（a）是方波，圖（b）是矩形波，圖（c）是尖頂脈沖， 圖（d）是鋸齒波，圖（e）是鐘形脈沖。它們都可以通稱(chēng)為“脈沖信號(hào)”。 脈沖波形的不同形狀脈沖波形的不同形狀7.1 概述概述2. 在數(shù)字電路中，要控制和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作，常常需要時(shí)鐘脈沖（CP）信號(hào)，獲得這種矩形脈沖的方法：一是利用多諧振蕩器直接產(chǎn)生，二是通過(guò)整形電路變換得到。多諧振蕩器可通過(guò)門(mén)電路、石英晶體或集成555定時(shí)器三種方式構(gòu)成。整形電路可分為施密特觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它們可以使

3、脈沖的邊沿變得陡峭，形成滿足要求的矩形脈沖，脈沖波形的特性主要用圖中所示的參數(shù)來(lái)描述。 描述矩形脈沖的主要參數(shù)描述矩形脈沖的主要參數(shù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器也有兩個(gè)狀態(tài)：一個(gè)是穩(wěn)定狀態(tài)，另一個(gè)是暫穩(wěn)狀態(tài)。當(dāng)無(wú)觸發(fā)脈沖輸入時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)有觸發(fā)脈沖時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將從穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)闀悍€(wěn)定狀態(tài)，暫穩(wěn)狀態(tài)在保持一定時(shí)間后，能夠自動(dòng)返回到穩(wěn)定狀態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1、電路組成 如下圖所示。門(mén)G1的輸出經(jīng)微分電路RC接到門(mén)G2的輸入端，門(mén)G2的輸出直接耦合到G1的輸入端。電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，ui為高電平，u01為低電平，為了使u02可靠為高電平，對(duì)于TTL芯片74LS00應(yīng)選擇RROFF，一般取

4、R。但對(duì)于CC4011的MOS門(mén)輸入阻抗高，外接電阻R的大小不會(huì)影響其穩(wěn)態(tài)，則不受ROFF限制。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(b)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2、工作過(guò)程 電源接通后，在沒(méi)有外來(lái)觸發(fā)脈沖時(shí)（uI為高電平）電路處于穩(wěn)定狀態(tài)：uO1= UOL，uO=UOH。為此，必須保證RdRON（開(kāi)門(mén)電阻），RROFF(關(guān)門(mén)電阻)。根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)的部分電路圖所示的等效電路， 非門(mén)G2的輸入 為了討論方便，假定uI2 = UOL， 則此時(shí)電容C上沒(méi)有電壓。)(112BECCUURRRU單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器UOLCRuI2V2V1R1G2UCC穩(wěn)態(tài)時(shí)的部分電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器二、集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為可重觸發(fā)

5、型和不可重復(fù)觸發(fā)型兩種。不可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，是指在暫穩(wěn)定時(shí)間tw之內(nèi)，若有新的觸發(fā)脈沖輸入，電路不會(huì)產(chǎn)生任何反應(yīng)，如圖（b）所示?？芍赜|發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，是指在暫穩(wěn)定時(shí)間tw之內(nèi)，若有新的觸發(fā)脈沖輸入，可被新的觸發(fā)脈沖重新觸發(fā)，如圖（c）所示。 圖圖(a)觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)信號(hào)ui；(b)不可重觸發(fā)輸出波形；不可重觸發(fā)輸出波形；(c)可重觸發(fā)輸出波形可重觸發(fā)輸出波形 ui ui(a)(a)(b)(b)(c)(c)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 CC4528B的引腳圖如圖所示。圖圖(b) CC4528B引腳圖引腳圖CC4528B單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 常用的TTL集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，有不可重觸發(fā)單

6、穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器54LS121/74LS121，54LS221/74LS221，可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器54LS123/74LS123，54LS122/74LS122等。54LS121/74LS121的邏輯符號(hào)如圖 所示。(b) 邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器三、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用舉例 應(yīng)用1. 脈沖整形。 脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后，其邊沿會(huì)變差或疊加了某些干擾，這時(shí)可利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行整形。將這些受到干擾的脈沖信號(hào)ui加到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端，輸出端便可得到符合要求的矩形脈沖u0。如圖所示。圖 (a)(b) 脈沖整形電路74HCHC121施密特觸發(fā)器 施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，利用

7、它可以將正弦波、三角波以及其它一些周期性的脈沖波形變換成邊沿陡峭的矩形波。另外，它還可以用作脈沖鑒幅器、比較器。 施密特觸發(fā)器是一種受輸入信號(hào)電平直接控制的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。它有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，在外加信號(hào)的作用下，只要輸入信號(hào)變化到某一電平時(shí)，電路就從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)， 而且穩(wěn)定狀態(tài)的保持也與輸入信號(hào)的電平密切相關(guān)。下圖是這種電路的工作波形。施密特觸發(fā)器 tt0uIuO0UOLUOHUTUT施密特觸發(fā)器 一、用門(mén)電路組成的施密特觸發(fā)器 下圖所示電路是由TTL門(mén)電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器。 圖中， V為電壓偏移二極管，R1、R2為分壓電阻，電路的輸出通過(guò)電阻R2進(jìn)行正反饋。下面我們來(lái)分析電

8、路的工作原理。&uI1uO11uOR2VR1uIG2G1uO施密特觸發(fā)器 假設(shè)在接通電源后，電路輸入為低電平uI=UOL，則電路處于如下?tīng)顟B(tài)：uO1=UOH，uO=UOL。如果不考慮G1門(mén)的輸入電流，uI1的電壓為： 21221121221211)()()(RRRUuRRRURRRUuURRRUUuuDIOLDIOLOLDI施密特觸發(fā)器 其中，UD為二極管的導(dǎo)通壓降。當(dāng)uI上升到門(mén)電路的閾值電壓UTH時(shí)，由于uI1的電壓還低于UTH，電路仍然保持這個(gè)狀態(tài)不變； 隨著uI的繼續(xù)升高，當(dāng)uI1也上升到UTH時(shí)，電路將產(chǎn)生如下正反饋過(guò)程： uIuI1uO1uO施密特觸發(fā)器 結(jié)果使電路的狀態(tài)迅

9、速翻轉(zhuǎn)為：uO1=UOL，uO=UOH，這是電路的另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。那么這一時(shí)刻的輸入電壓uI就是電路的正向閾值電壓UT+，將uI=UT+，uI1=UTH帶入式9-21可得： 當(dāng)uI從UT+再升高時(shí)，電路的狀態(tài)不會(huì)發(fā)生改變。THDTURRUU)/1 (21施密特觸發(fā)器 當(dāng)uI從高電平下降時(shí)，只要下降到uI=UTH，由于電路中的正反饋?zhàn)饔茫娐窢顟B(tài)立刻發(fā)生翻轉(zhuǎn)，回到初始的穩(wěn)定狀態(tài)。可見(jiàn)，電路的負(fù)向閾值電壓UT-=UTH。所以該電路的回差電壓為: 因此，通過(guò)改變電阻R1和R2的比值，可以調(diào)整回差電壓。 THDTTTURRUUUU21施密特觸發(fā)器 二、集成施密特觸發(fā)器 由于性能穩(wěn)定，所以在數(shù)字系統(tǒng)中集

10、成施密特觸發(fā)器被廣泛采用。目前，各廠家已經(jīng)生產(chǎn)出多種單片集成的施密特觸發(fā)器產(chǎn)品。 74LS132是一種典型的集成施密特觸發(fā)器， 其內(nèi)部邏輯圖和引腳排列如圖9-25（a）所示。 74LS132內(nèi)部包括四個(gè)相互獨(dú)立的兩輸入施密特觸發(fā)器，每一個(gè)觸發(fā)器都是以基本的施密特觸發(fā)電路為基礎(chǔ)，在輸入端增加了與的功能， 在輸出端增加反向器，所以我們將其稱(chēng)為施密特觸發(fā)的與非門(mén)， 其邏輯符號(hào)如圖（b）所示 施密特觸發(fā)器 (b) &YAB(a)1234567A1B1Y1A2B2Y2GND & &141312111098 & &UCCA4B4Y4A3B3Y3集成施密特觸發(fā)器74L

11、S13274LS132的引腳排列和內(nèi)部邏輯圖(a) (b) 施密特觸發(fā)與非門(mén)的邏輯符號(hào)施密特觸發(fā)器 74LS132的輸出信號(hào)Y與輸入信號(hào)中 A、B只要有一個(gè)低于施密特觸發(fā)器的負(fù)向閾值電平，輸出Y就是高電平；只有當(dāng)A、 B同時(shí)高于正向閾值電平時(shí)，輸出Y才為低電平。在使用+5 V電源的條件下，集成施密特觸發(fā)器74LS132的正向閾值電平2.0 V，負(fù)向閾值電平1.1 V，回差電壓UT的典型值為0.8 V。施密特觸發(fā)器 三、施密特觸發(fā)器的應(yīng)用1 波形變換 利用施密特觸發(fā)器在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的正反饋?zhàn)饔茫?可以將邊沿變化緩慢的周期性信號(hào)（如正弦波、 三角波等）變換成邊沿陡峭的矩形脈沖。在圖中，施密特觸發(fā)

12、器的輸入是一個(gè)直流分量和正弦分量相疊加的信號(hào)，只要輸入信號(hào)的幅度大于施密特觸發(fā)器的正向閾值電壓UT+，在觸發(fā)器的輸出端就可得到相同頻率的矩形波。施密特觸發(fā)器 t0uOt0uI 1uOuIUTUT施密特觸發(fā)器 2 脈沖整形 矩形波經(jīng)過(guò)傳輸后波形往往會(huì)發(fā)生畸變， 其中比較常見(jiàn)的有圖所示的三種情況： （a）矩形波的邊沿變緩； （b）在矩形波的邊沿處產(chǎn)生振蕩； （c）矩形波被疊加上干擾。無(wú)論哪一種情況，只要設(shè)置好合適的UT+和UT-，均能獲得滿意的整形效果。 1uOuI0uOtt0uIUTUT(a) 1uOuI0uOt0uI(b)tUTUT施密特觸發(fā)器 0uOt0uI(c)tUTUT 1uOuI3 脈

13、沖幅度鑒別 利用施密特觸發(fā)器的輸出取決于輸入幅度的特點(diǎn)，可以將其用作脈沖幅度鑒別電路。如圖所示，在施密特觸發(fā)器的輸入端輸入一系列幅度不等的矩形脈沖，根據(jù)施密特觸發(fā)器的特點(diǎn)， 對(duì)應(yīng)于那些幅度大于UT+的脈沖，電路有脈沖輸出；而對(duì)于幅度小于UT+的脈沖，電路則沒(méi)有脈沖輸出，從而達(dá)到幅度鑒別的目的。施密特觸發(fā)器 1uOuItUT0uIt0uO多諧振蕩器 多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號(hào)，能自動(dòng)地產(chǎn)生矩形脈沖。由于輸出的矩形波中含有很多諧波分量，故稱(chēng)它為多諧振蕩器，又稱(chēng)方波發(fā)生器。 一、對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器 1.由CMOS六反相器CC4009UB構(gòu)成的多諧振蕩器，如圖所示。圖中兩

14、個(gè)反相器之間經(jīng)C1和C2耦合形成正反饋回路。合理選擇RF1和RF2使G1、G2工作在傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，這時(shí)，G1和G2都工作在放大區(qū)。由于G1、G2的外電路對(duì)稱(chēng)，因此，又稱(chēng)其為電容反饋式對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器。 電容反饋式對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器電容反饋式對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器多諧振蕩器 2.工作過(guò)程電路的工作波形如圖所示。 電容反饋式對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器的工作波形多諧振蕩器 3.振蕩周期的計(jì)算： 取RF1=RF2=RF，C1=C2=C， ， ，則： T=2tw1.4RFC 二、環(huán)形振蕩器 由三個(gè)非門(mén)構(gòu)成的環(huán)形振蕩器(即方波發(fā)生器)如圖所示。 (a)(b) 環(huán)形振蕩器及其工作波形(a)(b)多諧振蕩器三、石英晶體多諧振蕩器

15、石英晶體的等效電路、電路符號(hào)、阻抗頻率特性分別如圖(a)(b)(c)所示。 (a) 石英晶體等效電路 (b) 石英晶體電路符號(hào) (c) 石英晶體的頻率特性 555定時(shí)器及其應(yīng)用一、555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能: 盡管555定時(shí)器產(chǎn)品的型號(hào)繁多， 但它們的電路結(jié)構(gòu)、功能及外部引腳排列都是基本相同的。在Philips公司生產(chǎn)的555定時(shí)器的結(jié)構(gòu)圖中， 它主要由三個(gè)阻值為5 k的電阻組成的分壓器、 兩個(gè)高精度的電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器以及一個(gè)作為放電通路的晶體三極管V組成。為了提高電路的驅(qū)動(dòng)能力， 在輸出級(jí)又增加了一個(gè)非門(mén)G。 在結(jié)構(gòu)圖中，引腳旁的數(shù)字為8引腳封裝的555定時(shí)器產(chǎn)品的引腳

16、編號(hào)。 555定時(shí)器及其應(yīng)用1G(3)uOC15 kUR1(5)(6)控制電壓uIC閾值輸入uI15 k(8)UCC電源RC2UR2(2)觸發(fā)輸入uI2S5 k(1)(7)Ou放電端&RD復(fù)位(4)&QQ&V 555定時(shí)器及其應(yīng)用二、555時(shí)基集成電路的分類(lèi)555時(shí)基集成電路按內(nèi)部元件分類(lèi)，可分為T(mén)TL型555（電源電壓為4.5V5V）和CMOS型555（電源電壓為2V18V）兩大類(lèi)，按芯片內(nèi)包含的定時(shí)器的個(gè)數(shù)可分為單時(shí)基定時(shí)器555和雙時(shí)基定時(shí)器556兩種類(lèi)型。按封裝分類(lèi)又可分為8腳T099型，8腳雙列直插型和14腳雙列直插型三種.8腳TO99型 8腳雙列直插型 55

17、6雙進(jìn)基電路的封裝 555定時(shí)器及其應(yīng)用三. 555時(shí)基集成電路的功能無(wú)論是日立公司產(chǎn)的HA17555（日本），莫托羅拉（美國(guó)）公司產(chǎn)的MCI555，還是上海無(wú)線電十四廠產(chǎn)的CH7555/GH7556，其功能表均如表所示。555時(shí)基集成芯片功能表 555定時(shí)器及其應(yīng)用 定時(shí)器555芯片是一種用途廣泛的多功能集成電路，只需要外接少量的R、C元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器等。由于555定時(shí)器有較好的帶負(fù)載能力，使用方便靈活，因此，獲得廣泛的應(yīng)用如下表所示。 555定時(shí)器及其應(yīng)用 小小 結(jié)結(jié) 數(shù)字系統(tǒng)中所需要的脈沖信號(hào)，一是由脈沖發(fā)生器直接產(chǎn)生，二是通過(guò)整形電路將已有的周期性波形變換成矩形波。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器和多諧振蕩器是脈沖產(chǎn)生與變換中的常用三種電路。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的顯著特點(diǎn)是：在無(wú)外加信號(hào)時(shí)，它工作于穩(wěn)態(tài)，只是在觸發(fā)脈沖信號(hào)作用下才由穩(wěn)