脈沖波形的產(chǎn)生和整形

1、脈沖波形的產(chǎn)生和整形 【本章主要內(nèi)容】 本章主要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，介紹兩類最常用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，介紹多諧振蕩電路。上述電路可以采用門電路構成，也可以采用555集成定時器構成。重點討論555集成定時器的工作原理及其應用。【本章學時分配】 本章共分2講，每講2學時。 第二十八講 用門電路組成的脈沖波形產(chǎn)生與整形電路 一、主要內(nèi)容1、 基礎知識脈沖在數(shù)字電路中應用極為普遍，它的獲取和分析是數(shù)字電路的一個組成部分。1）矩形脈沖的獲取方法a.利用各種形式的多諧振蕩器電路直接產(chǎn)生所需要的矩形脈沖；b.

2、通過各種整形電路把已有的周性變化波形變換為符合要求的矩形脈沖。2）矩形脈沖的主要參數(shù)為了定量描述矩形脈沖的特性，通常為了定量描述矩形脈沖的特性，通常給出P308圖9.1中所標注的幾個主要參數(shù)。這些參數(shù)是： 脈沖周期T周期性重復的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖之間的時間間隔。有時也使用頻率f=1/T表示單位時間內(nèi)脈沖重復的次數(shù)。 脈沖幅度脈沖電壓的最大變化幅度。 脈沖寬度tw從脈沖前沿到達0.5起，到脈沖后沿到達0.5為止的一段時間。 上升時間脈沖上升沿從0.1升到0.9所需要的時間。 下降時間脈沖下降沿從0.9下降到0.1所需要的時間。占空比q脈沖寬度與脈沖周期的比值，亦即qT。 2、用門

3、電路組成的施密特觸發(fā)器1）施密特觸發(fā)器的工作特點 a.輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態(tài)轉換時對應的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應的輸入轉換電平不同。電路有不同的閾值電壓，即具有滯后的電壓傳輸特性。 b.在電路狀態(tài)轉換時，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。利用這兩個特點不僅能將邊沿變化緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。2）滯后的電壓傳輸特性滯后的電壓傳輸特性，即輸入電壓上升的過程中，電路狀態(tài)轉換時對應的輸入電平，與輸入電壓的下降過程中對應的輸入轉換電平不同（閾值電平不同），這是施密特觸發(fā)器固有的特性。

4、上升時的閾值電壓VT+稱為正向閾值電壓，下降時的閾值電壓VT稱為負向閾值電壓，它 們之間的差值稱為回差電壓VT。3）用門電路組成的施密特觸發(fā)器的工作原理 將兩級反相器串接起來，同時通過分壓電阻把輸出端的電壓反饋到輸入端，就構成了P309圖9.2（a）所示的施密特觸發(fā)器電路。a.分析vI從0逐漸升高并達到vI=VT+引發(fā)的正反饋過程；b.分析vI從高電平VDD逐漸下降并達到vI=VT引發(fā)的正反饋過程；c.計算VT+ 、VT和回差電壓； d.繪制同相施密特和反相施密特的電壓傳輸特性。4)施密特觸發(fā)器的應用a.用于波形變換利用施密觸觸發(fā)器狀態(tài)轉換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢周期性

5、信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。b.用于脈沖整形在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變，可以通過用施密特觸發(fā)器整形而獲得比較理想的矩形脈沖波形。c.用于脈沖鑒幅 由P313圖9.7可見，若將一系列幅度各異的脈沖信號加到施密特觸發(fā)器的輸入端時，只有那些幅度大于VT+的脈沖才會在輸出端產(chǎn)生輸出信號。因此，施密特觸發(fā)器能將幅度大于VT+的脈沖選出，具有脈沖鑒幅的能力 3、用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特點a.它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(tài)；b.在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間以后，再自動返回穩(wěn)態(tài)；c.暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于

6、電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關。由于具備這些特點單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被廣泛應用于脈沖整形、延時(產(chǎn)生滯后于觸發(fā)脈沖的輸出脈沖)以及定時(產(chǎn)生固定時間寬度的脈沖信號)等。2)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)通常都是靠RC電路的充、放電過程來維持的。根據(jù)RC電路的不同接法(即接成微分電路形式或積分電路形式)，又把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為微分型和積分型兩種。 a.微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器P314 圖9.8是用CMOS門電路和RC微分電路構成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其工作原理如下：穩(wěn)態(tài)：沒有觸發(fā)電平，vI為低電平，vO為低電平，vO1為高電平，電容C上沒有電壓。穩(wěn)態(tài)至暫穩(wěn)態(tài)：當vI正跳變，vO1由高電平

7、到低電平，vI2為低電平，于是vO為高電平。即使vI觸發(fā)信號撤除，由于vO的作用，vO1仍然為低電平。暫穩(wěn)態(tài)至穩(wěn)態(tài)：暫穩(wěn)態(tài)期間，電容C充電，vI2升高，當vI2=VTH時，vO下降，vO1上升，促使vI2進一步升高，最終vO1=1，vO=0。電路的電壓波形如P315圖9.9所示。主要參數(shù)：脈沖寬度b.積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器P316圖9.12是用TTL與非門和反相器以及RC積分電路組成的積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其工作原理如下：穩(wěn)態(tài)：穩(wěn)態(tài)下當vI=0，G1、G2同時截止，vO1、vA、vO均為高電平。當輸入正脈沖后，G1導通，vO1產(chǎn)生負跳變，由于電容電壓不能突變，G2導通，使vO= vO1，電路進入暫穩(wěn)

8、態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)：在暫穩(wěn)態(tài)隨著電容放電，當vA=VTH時，G2截止，vO回到高電平，待輸入信號回到低電平，G1又截止，電容又開始充電，經(jīng)過恢復時間tre以后，電路達到穩(wěn)態(tài)。電路中各點電壓的波形如P317圖9.13所示。 4、多諧振蕩器多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源以后，不需要外加觸發(fā)信號能自動地產(chǎn)生矩形脈沖。由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以習慣上又把矩形波振蕩器叫做多諧振蕩器。1）對稱式多諧振蕩器P318圖9.15所示電路是對稱式多諧振蕩器的典型電路，它是由兩個反相器G1、G2經(jīng)耦合電容C1、C2連接起來的正反饋振蕩回路。 第一暫穩(wěn)態(tài)：電路最初vO1=0、vO2=

9、1，電容C1開始充電而C2開始放電，C1經(jīng)R1和RF2兩條支路充電，所以充電速度較快。當vI2=VTH時，vO1增大，vO2減小，電路進入第二暫穩(wěn)態(tài)。第二暫穩(wěn)態(tài)： vO1=1、vO2=0，電容C2開始充電而C1開始放電， 當vI1 =VTH 時，使vO1減小，vO2增大，電路返回第一暫穩(wěn)態(tài)。 P320圖9.19為圖9.15電路中各點電壓的波形。2）石英晶體多諧振蕩器 當對頻率穩(wěn)定性有較高要求時，要采用石英晶體多諧振蕩器。石英晶體多諧振蕩器的振蕩頻率取決于石英晶體的固有諧振頻率f0，而與外接電阻、電容無關，具有極高的頻率穩(wěn)定性。它的頻率穩(wěn)定度（f0/ f0 ）可達10-1010-11，

10、足以滿足大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)對頻率穩(wěn)定性的要求。 P322圖9.20給出了石英晶體的符號和電抗的頻率特性。把石英晶體和對稱式多諧振蕩器中的耦合電容串聯(lián)起來，就組成了P322圖9.21所示的石英晶體多諧振蕩器。 二、本講重點1、脈沖數(shù)字電路的基礎知識。2、用門電路構成的施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器的特點與典型電路的工作原理。 三、本講難點各典型電路的工作原理：依賴于各電路的工作特點，采用反饋流程圖和波形分析法，效果較好。 四、教學組織過程由于本講內(nèi)容較多及采用波形分析法效果較好，所以本講宜采用多媒體教學。 五、課后習題見相應章節(jié)的“習題指導”。

11、0;第二十九講 555定時器及其應用一、主要內(nèi)容 1、 555定時器的結構及工作原理1）555定時器的電路結構555定時器的型號和種類繁多，但它們的功能和外部引腳的排列基本相同。P323圖9.23是國產(chǎn)雙極型定時器CB555的電路結構圖。它由比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、集電極開路的放電三極管TD和三個5k電阻組成的分壓器4個部分組成。各管腳引線端的功能如下：1為接地端。8為電源端?？稍?16V范圍內(nèi)使用。5為控制電壓輸入端。當VCO懸空時，比較器C1和C2的參考電壓（電壓比較的基準）VR1和VR2由VCC經(jīng)三個5k電阻分壓給出，比較器C1的參考電壓為VCC，比較器C2的參考電壓

12、為VCC；如果VCO外接固定電壓，則VR1=VCO，VR2=VCO。VCO端不用時，一般經(jīng)0.01F的電容接“地”，以防止干擾的引入。3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。6為比較器C1的輸入端（也稱閾值端，用TH標注）。當VI1VR1時，比較器C1的輸出VC1=1(高電平)；當VI1VR1時，VC1=0（低電平）。2為比較器C2的輸入端（也稱觸發(fā)端，用標注）。當VI2VR2時，比較器C2的輸出VC2=0；當VI2VR2時，VC2=1。4為復位端。當=0時，使觸發(fā)器及555定時器的輸出直接復位（置“0”）。7為放電端。當Q=0時，放電晶體管TD導

13、通，外接電容元件通過TD進行放電。 2）555定時器的工作原理由圖可知，555定時器的工作原理如下表：表9.1 CB555定時器的功能表（當VCO懸空時）輸入輸出TD狀態(tài)01111>VCC<VCC<VCC>VCC>VCC>VCC<VCC<VCC低低不變高高導通導通不變截止截止  2、 用555定時器接成的施密特觸發(fā)器 將555定時器的vI1和vI2兩個輸入端連接在一起作為信號輸入端，即可構成施密特觸發(fā)器，如P325圖9.24所示。其工作原理如下：a.vI從0逐漸升高的過程：當vI<VCC時，vC1=1

14、、vC2=0，Q=1，故vO= VOH；當VCC< vI<VCC時，vC1=vC2=1，故vO= VOH保持不變；當vI>VCC以后，vC1=0、vC2=1，Q=0，故vO= VOL。因此，VT+ =VCC。b.vI從高于VCC逐漸下降的過程：當vI>VCC時，vC1=0、vC2=1，Q=0，故vO= VOL。當VCC< vI<VCC時，vC1=vC2=1，故vO= VOL保持不變；當vI<VCC時，vC1=1、vC2=0，Q=1，故vO= VOH；因此，VT =VCC。電壓傳輸特性如P325圖9.25所示?；夭铍妷簽閂T = VT+VT=VCC。&#

15、160;3、用555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器若以555定時器的vI2端作為觸發(fā)信號的輸入端，并將由TD和R組成的反相器輸出電壓vO接至vI1端同時在vI1對地接入電容C，就構成了如P327圖9.26所示的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其工作原理分析與用門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理相同，可以采用波形分析法?，F(xiàn)將這種分析方法的步驟歸納如下：a.分析電路的工作過程定性地畫出電路中各點電壓的波形，找出決定電路狀態(tài)發(fā)生轉換的控制電壓。b.畫出控制電壓充、放電的等效電路，并將得到的電路化簡。c.確定每個控制電壓充、放電的起始值、終了值和轉換值。e計算充、放電時間，求出所需的計算結果。 4、用555定時器接

16、成的多諧振蕩器先將555定時器接成施密持觸發(fā)器，然后只要把施密持觸發(fā)器的反相輸出端經(jīng)RC積分電路接回到它的輸入端，就構成了多諧振蕩器。其原理圖如P328圖9.28所示。輸出電壓波形如圖9.29。電路的振蕩周期為 占空比為  二、本講重點1、555定時器的電路結構與工作原理。2、用555構成的施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器的特點與典型電路的工作原理。 三、本講難點555定時器的電路結構與工作原理分析。采用部分單元與整體分析相結合和列功能表的方法，效果較好。 四、教學組織過程本講555定時器的結構和工作原理采用多媒體教學，555定時器的應用采用講述，并組織學生討論施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器的不同構成方法及其優(yōu)缺點；討論脈沖整形與脈沖振蕩器的區(qū)別；討論本章的多諧振蕩器與集成運放構成的多諧振蕩器的區(qū)別。 五、課后習題 見相應章節(jié)的“習題指導”。 【本章小結】 本章介