第12章脈沖波形

1、精品文檔第12章脈沖波形的產(chǎn)生與整形本章介紹中規(guī)模集成電路555定時器以及用它構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器的方法和應(yīng)用。12.1 555定時電路及其功能555定時電路是一種多用途的雙極型數(shù)字-模擬集成電路，只要在外部配上幾個適當?shù)碾娮桦娙菰?，就可以方便地接成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及多諧振蕩器等脈沖的產(chǎn)生與變換電路。該器件的電源電壓為4.518V,驅(qū)動電流也較大(IoL=100200mA),并能提供與TTL、MOS電路相兼容的邏輯電平，常用型號為NE555或5G555。最后4位數(shù)字是7555的是CMOS型。12.1.1 電路的組成圖12.1為555集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。其中

2、由三個5KQ的電阻Ri、R2和R3組成分壓器,為兩個比較器Ci和C2提供參考電壓，當控制端Vm懸空時(為避免干擾Vm端與地之間接一0.01口左右的電容)，Va=2Vcc/3,Vb=Vcc/3,當控制端加電壓時Va=Vm,Vb=Vm/2。圖12.1555定時器結(jié)構(gòu)框圖放電管Td的輸出端Q為集電極開路輸出，其集電極最大電流可達50mA,因此具有較大的帶道電流負載的能力。555集成虺的的輸出級為推拉式結(jié)構(gòu)。Rd是置零輸入端，若復(fù)位端Rd加低電壬或接地，不管其他輸入狀態(tài)如何，均可使它的輸出Vo為“0”電平。正常工作時必須使Rd處于高電平。精品文檔精品文檔12.1.2 功能555定時器的功能主要是由兩個

3、比較器Ci和C2的工作狀況決定的。由圖12.1可知，當V6>VA、V2>VB時，比較器Ci的輸出VCi=0、比較器C2的輸出VC2=1,基本RS觸發(fā)器被置0,Td導(dǎo)通，同時VO為低電平。當V6<Va、V2>Vb時，VC1=1、VC2=1,觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，因而Td和輸出的狀態(tài)也維持不變。當V6<VA、V2<VB時，VC1=1、VC2=0,故觸發(fā)器被置1,VO為高電平，同時Td截止。這樣我們就得到了表12-1555定時器的功能表。表12-1555定時器的功能表輸入輸出閾值輸入V6觸發(fā)輸入V2復(fù)位Rd輸出VO放電管狀態(tài)TDXX00導(dǎo)通<VA<VB

4、11截止>Va>Vb10導(dǎo)通<Va>Vb1不變不變12.2 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種脈沖信號的整形電路，它在性能上有一個重要的特點是：具有如圖12.2(a)所示的滯后電壓傳輸特性，此特性又稱回差特性。施密特觸發(fā)器的定性符號如圖12.2(b)所示。VOVOHV OLVt-Vt+(a)VI(b)圖12.2施密特觸發(fā)器的符號(a)滯后電壓傳輸特性(b)定性符號精品文檔精品文檔精品文檔12.2.1 用555定時電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器1 .電路組成將555定時器閾值輸入端TH（6腳）和觸發(fā)輸入端TR（2腳）連接在一起作為信號輸入端Vi,可構(gòu)成施密特觸發(fā)器如圖12.3所示。放

5、電輸出端Q'（7腳）加上拉電阻R和電源Vdd相連接也可作為輸出端，用于配合不同負載的需要。2 .工作原理設(shè)在輸入端Vi輸入如圖12.4所示的三角波信號，此電路的工作原理如下：Vi由0V逐漸上升，只要Vi<1/3Vcc,Ci比較器的輸出Vci=1,C2比較器的輸出VC2=0電平，因此基本觸發(fā)器置“1"，輸出Vo為高電平Vi繼續(xù)上升，當1/3Vcc<Vi<2/3Vcc時，比較器C2輸出和比較器C1的輸出都為“1”電平，因此基本觸發(fā)器的狀態(tài)不變，輸出Vo仍為高電平。Vi繼續(xù)上升，一旦Vi>2/3Wc以后，比較器C1的輸出VC1為“0”，此時比較器C2的輸出V

6、C2仍為“1”電平，觸發(fā)器產(chǎn)生跳變，輸出V。由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑虼?，Vi由0V開始逐漸上升過程中的轉(zhuǎn)換電平為：Vt+=2/3Vcc。VI再增加，基本觸發(fā)器保持“0”狀態(tài)不變。輸出V。保持抵電平不變。精品文檔VI若由Vcc開始負增長，只要未降到2/3VCC以下，仍使VC1=0,VC2=1,基本觸發(fā)器保持仍保持低電平不變，即輸出Vo仍保持抵電平。Vi繼續(xù)下降，當VI下降到2/3Vcc以下但仍大于1/3Vcc,兩個比較器Ci和C2輸出都為“1”，SR觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變，輸出Vo也保持低電平不變。Vi繼續(xù)下降，當VT/3VCC時，比較器Ci輸出Vci=1,比較器C2輸出VC2=。，此時SR觸發(fā)器

7、產(chǎn)生由“0”至ij“1”的跳變，輸出V。也由低電平跳變至高電平，所以，Vi由Vcc開始負增長的過程中，轉(zhuǎn)換電平為：Vt-=1/3Vcc。如果Vi再繼續(xù)下降，SR觸發(fā)器保持“1”狀態(tài)，輸出V。保持高電平不變。輸入Vi三角波所對應(yīng)的輸出V。波形如圖12.4所示。3 .滯后特性（回差特性）由上述分析可知，圖12.4具有滯后電壓傳輸特性。通常把上升時的閾值電壓Vt+稱為正向閾值電壓或稱為接通電平，而把下降時的閾值電壓Vt-稱為負向閾值電壓，或稱作斷開電平，它們之間的差值A(chǔ)V=Vt+-Vt-,稱作滯后電壓，或稱作回差。由此可知圖12.3電路，如未外接Vm,上升、下降時的閾值電壓，Vt+=2/3Vcc,V

8、t-=1/3Vcc,回差為：AV=Vt+-Vt-=1/3Vcc。若在控制端Vm（5腳）外加電壓Vm,上升時的閾值電壓Vt+=Vm,下降時的閾值電壓Vt-=1/2Vm,回差為：AV=1/2Vm,也就是說回差A(yù)V隨控制端Vm的輸入電壓變化而變化。12.2.2 施密特觸發(fā)器的應(yīng)用1.波形的變換與整形圖12.5波形變換圖12.6波形整形利用施密特觸發(fā)器可將正弦波或三角波變換成矩形波。如圖12.5為將變換緩慢的波形Vi轉(zhuǎn)換為矩形波形的過程。有些測量裝置輸出信號經(jīng)放大后，可能是不規(guī)則的波形，如圖精品文檔12.6VI所示，將它接在施密特電路的輸入端，如果電路的回差較小，為如圖中所示電路的回差為AV=Vt+-

9、Vit-時，輸出波形如圖12.6V1O所示。若輸入波形頂部的脈動是由干擾造成的，則會產(chǎn)生不良的后果，輸出信號就變成了三個脈沖。若適當?shù)脑黾与娐返幕夭睿碅V=Vt+-V2T-,輸出波形為圖12.6V2O所示，實現(xiàn)了整形作用，因此在這種情況下，適當?shù)脑黾踊夭?，可以提高電路的抗干擾能力。2.幅度鑒別圖12.7用施密特觸發(fā)器鑒別脈沖幅度有一串幅度不相等的脈沖信號，如果需要剔除其中幅度不夠大的脈沖，可利用施密特觸發(fā)器構(gòu)成脈沖鑒別器進行處理。若將如圖12.7所示一系列幅度各異的串脈沖信號Vi加到施密特觸發(fā)器輸入端時，只有那些幅度大于Vt+的脈沖會產(chǎn)生輸出信號。這樣我們使用施密特觸發(fā)器能將幅度大于Vt+的

10、脈沖選出，因此施密特觸發(fā)器具有脈沖鑒幅的能力。且由圖12.7可以看出利用施密特觸發(fā)器可達到脈沖幅度鑒別的目的。此外，用施密特觸發(fā)器還可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。12.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是數(shù)字系統(tǒng)中又一種常用的脈沖整形電路。它的特點是：只有一個穩(wěn)態(tài)，另外還有一個暫穩(wěn)態(tài)。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，沒有外加觸發(fā)信號作用時，電路始終處于穩(wěn)態(tài)；在外加觸發(fā)信號的作用下，電路能從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換到暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過一段時間后，又能自動回到穩(wěn)態(tài)。電路處于暫穩(wěn)態(tài)的時間長短通常取決于電路中電容的充電和放電時間，這個時間是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度tPO。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器種類很多，但特點均如上所述，下面介紹555定時器構(gòu)成的

11、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。12.3.1 用555定時電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1 .電路的組成圖12.8為一個由555定時電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路中Ri和Ci為輸入回路的微分環(huán)節(jié)，確保V2的負脈沖寬度tP2VtPo,tPo為單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖寬度，一般要求tPI>5RiCi。電路中R、C為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時元件，其連接點的信號立加到閾值輸入TH（6腳）和放電管Td的集電極Q'（7腳）。復(fù)位輸入端Rd（4腳）接高電平，即不允許其復(fù)位；控制端Vm通過電容0.01科限地，精品文檔以保證555定時器上下比較器的參考電壓為2/3Vcc、1/3Vcc不變。輸出端可引出此單穩(wěn)的輸出信號Vo。2 .工作原理電源接

12、通后，若未加負脈沖，Vi輸入保持高電平，在穩(wěn)定的狀態(tài)下Ri、Ci微分環(huán)節(jié)的充放電已完成，Ci相當處于開路狀態(tài)，因此觸發(fā)端輸入電壓V2也為高電平。若基本RS觸發(fā)器的初態(tài)為“0"，Q'=1,放電管Td飽和導(dǎo)通，定時電容C上即使原先有電荷，也會經(jīng)放電管Td流失，因此Vc為0V,此時比較器C2輸出Vc2=1,比較器Ci輸出Vci=1,因此555定時器內(nèi)部RS觸發(fā)器可維持“0”狀態(tài)不變；若電源剛接通時，RS觸發(fā)器為“1"，Q'=0,放電管Td處于截止狀態(tài)，電源Vcc經(jīng)電阻R向電容C充電，Vc電壓因充電而上升，當Vc上升圖12.8555定時電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器到2/3

13、VCC時，比較器Ci輸出VC1=0,由于此時V2=Vcc。因此比較器C2的輸出VC2=1,555定時器內(nèi)部的觸發(fā)器就會產(chǎn)生由“1”到“0”的跳變，其輸出也由“1”變“0”，使放電管Td飽和導(dǎo)通，電容C上的電荷會通過Td釋放，Vc電壓逐漸降低最后變成0V,于是電路進入穩(wěn)定狀態(tài)，輸出Vo為低電平。由上述分析可知，按圖12.8連接的555定時器只要一接通電源，不管電路原來處于什么狀態(tài)，經(jīng)過一段時間，在沒有外界觸發(fā)信號作用的情況下，它總能處于穩(wěn)態(tài)，使輸出V。為低電平。下面對圖12.8555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，作具體的分析：在Vi輸入為高電平，未加觸發(fā)脈沖的情況下，V2為高電平，RS觸發(fā)器處于“0

14、”狀態(tài)，電容器C上電荷已放完。Vc及V。均輸出低電平。在Vi輸入端加負脈沖，觸發(fā)輸入端TR就得到了輸入Vi負脈沖的微分信號如圖12.9所示。在Vi負脈沖的下跳沿，由于電容Ci兩端電壓不會突變；V2也產(chǎn)生同樣幅度的下跳，其值低于1/3Vcc,因此比較器C2的輸出Vc2=0,此時Vc仍為0V,Vci=1,因此基本RS觸發(fā)器由“0”翻轉(zhuǎn)為“1”，輸出V。由低電平變高電平。同時放電管Td截止，電路時入暫穩(wěn)態(tài)，定時開始。在這段時間內(nèi)RS觸發(fā)器為1狀態(tài)，輸出V。為高電平。因Td管截止電容C開始充電，電容充電的回路為Vcc-RfCf地，充電時間常數(shù)t=RC,Vc按指數(shù)規(guī)律上升，趨向Vcc值。精品文檔當電容C

15、充電電壓Vc上升到2/3VCC時，比較器C1輸出VC1=0,而此時Ri、。微分環(huán)節(jié)輸出彳t號V2的窄負脈沖已消失，V2為高電平，使比較器C2輸出Vc2=1,所以555內(nèi)部RS觸發(fā)器就會置“0"，輸出Vo由高電平變?yōu)榈碗娖?，放電管Td飽和導(dǎo)通，定時階段結(jié)束，即暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。由上述分析可看出，若輸入Vi負脈沖寬度tpi小于暫穩(wěn)態(tài)時間(即輸出正脈沖寬度tPO),那么不加微分環(huán)節(jié)Ri、Ci電路出可以正常工作。最后是恢復(fù)階段，在此階段開始時，電容C上電壓Vc約為2/3Vcc,由于放電管Td飽和導(dǎo)通定時電容C經(jīng)Td管放電，經(jīng)過35t2(T2=RcesC),Vc迅速減小接近0V,在這階段過程結(jié)束后電

16、路返回穩(wěn)態(tài)。在此階段內(nèi)輸出Vo始終為低電平。恢復(fù)階段結(jié)束后，當?shù)诙€觸發(fā)信號到來時，又重復(fù)上述過程，電路中Vi、V2、Vo和Vc的波形詳見圖12.9。Vi圖12.9各點的波形在這個階段內(nèi)，V2雖因V1正跳變而微分產(chǎn)生正有尖脈沖，但因其電平值比Vcc還高，下比較器C2的輸出VC2狀態(tài)不會因其變化而變化，仍維持在“0”狀態(tài)，因此不會影響電路和恢復(fù)過程，也就是說V2的正尖脈沖不會觸發(fā)此單穩(wěn)電路。由于Td放電管的飽和電阻Rces很小，因此放電時間常數(shù)%很小。由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度tPo也就是電路的暫穩(wěn)態(tài)時間，它也是用RC瞬態(tài)過程的計算方法來計算的，但在實際應(yīng)用中常常用估算法公式

17、先進行估算，然后構(gòu)成電路進行調(diào)試和修正。經(jīng)驗估算公式為：tPo=RCln3=1.1RC這種電路產(chǎn)生的脈沖寬度可從幾個微秒到數(shù)分鐘，精度可達0.1%。精品文檔tPO圖12.10波形的整形(a)(b)圖12.11單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用作定時(a)電路 (b)波形精品文檔12.3.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是常用的基本單元電路，用途很廣。經(jīng)?？捎米髅}沖波形的整形、定時和延時。現(xiàn)將其敘述如下：1 .整形由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的介紹可知，它一經(jīng)觸發(fā)，其輸出電平的高低就不再與輸入信號電平高低有關(guān)，暫穩(wěn)態(tài)的時間tP0也是可以控制的。如圖12.10所示將輸入信號VI的波形加到一個下降沿觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，就可得到相應(yīng)

18、的定寬、定幅且邊沿陡峭的矩形波，達就起到了對輸入信號整形的作用。2 .定時由于單穩(wěn)態(tài)發(fā)器能產(chǎn)生一個tPO定寬的矩形輸出脈沖，因此利用它可起到起定時控制作用。圖中利用單穩(wěn)態(tài)發(fā)器的正脈沖去控制一個與門，在輸出脈沖寬度為tPO這段時間內(nèi)能讓頻率很高的VA脈沖信號通過。否則，Va就會被單穩(wěn)輸出的低電平所禁止，如圖12.11是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用于定時的電路圖。3 .延時如圖12.11所示，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度tpo可將輸入信號Vi的下降沿延時了tpo這段時間，這個延時作用可用于信號傳輸?shù)臅r間配合上。12.4 多諧振蕩器多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形脈沖波的自激振蕩器，由于形波中除基波外，包括許多高次諧波，

19、因此這類振器被稱作多諧振蕩器。多諧振蕩器一旦振蕩起來后，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，它們在作交替變化，輸出矩形波脈沖信號，因此它又被稱作無穩(wěn)電路。精品文檔12.4.1 用555定時電路構(gòu)成的多諧振蕩器1 .電路的組成用555定時器能很方便地構(gòu)成的多諧振蕩器，如圖12.12(a)所示。方法是將施密特觸發(fā)器的反相輸出端經(jīng)RC積分電路接回到它的輸入端，就構(gòu)成了多諧振蕩器。在此電路中，定時元件除電容C外，還有兩個電阻Ra和Rb,它們串接在一起，電容C和Rb的連接點接到兩個比較器C1和C2的輸入端TH和TR,Ra和RB的連接點接到放電管Td的輸出端Q'。2 .工作原理接通電源的瞬間，電容C來不

20、及充電，Vc為0電平，此時VC1=1,Vc2=0觸發(fā)器置1,輸出Vo為高電平。同時，由于放電管Td截止，電容C開始充電，進入了暫穩(wěn)態(tài)I。電容C充電所需的時間為tph=(RaRB)Cln2：0.7(RaRb)C(12-1)oVcc84555265VO(b)(a)圖12.12由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器(a)電路形式(b)工作波形電容C由回路Vcc一(Ra+Rb)一g地充電，"(Ra+Rb)C為充電時間常數(shù)，電容C上電位Vc隨時間t按指數(shù)規(guī)律上升，趨向Vcc值，在此階段內(nèi).輸出電壓V。暫時穩(wěn)定在高電平。當電容上電位Vc上升到2/3Vcc時，由于Vc1=0,VC2=1,使觸發(fā)器置“0”。

21、Q由1一“0”,輸出電壓V。則由高電平跳轉(zhuǎn)為低電平，電容C的充電過程結(jié)束。同時，因放電管Td飽和導(dǎo)通，電容C通過回路8Rb一放電管Td一地放電，放電需要時間為tpi=RBCln2：0.7RbC(12-2)放電時間常數(shù)廿RBC(忽他了Td管飽和和電阻RCES1),電容上電位VC按指數(shù)規(guī)律下降，趨向0V,同時使輸出V。暫穩(wěn)在低電平。當電容上電位Vc下降到1/3Vcc時，VC1=1,Vc2=0,使觸發(fā)器置“1”。Q由“0”一“1”,輸出電壓V。由低電平跳轉(zhuǎn)為高電平，電容C的放電過程結(jié)束。且放電管Td截止，電容C又開始充電，進入暫穩(wěn)態(tài)I。以后，電路重復(fù)上述過程，來回振蕩，其工作波形如圖8.12(b)o精品文檔精品文檔由于555內(nèi)部的比較器靈敏度較高, 和溫度變化的影響很小。圖12.12(a)所示電路的占空比(指 Di和D2將電容器C的充放電回路分 開，再加上電位器的調(diào)節(jié)就可構(gòu)成占空 比可調(diào)的方波發(fā)生器。電路中的充電回 路是：Vcc一Ra一D i一CGND ,充電 時間為：tph = 0.7RAC(12-3)電容器C通過D2一Rb-Ti放電，放電 時間為：而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電源電壓q=tph/T)固定不變。若將上圖改為圖12.13利用二極管RARBtpi = 0.7RB