數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)：第十章 脈沖波形的產(chǎn)生和整形

1、 第十章 脈沖波形的產(chǎn)生和整形內(nèi)容提要 本章主要介紹矩形波的產(chǎn)生和整形電路。在矩形波產(chǎn)生電路中介紹幾種常用的多諧振蕩器對(duì)稱(chēng)式和非對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器、環(huán)形振蕩器以及用施密特觸發(fā)器和555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器等。此外對(duì)幾種不同類(lèi)型的壓控振蕩器也做了介紹。在整形電路中，介紹了施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。本章也討論了最常用的555定時(shí)器及其所構(gòu)成的施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器的電路及工作原理。7/18/2022本章內(nèi)容10.1 概述10.2 施密特觸發(fā)器10.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器10.4 多諧振蕩器10.5 555定時(shí)器及其應(yīng)用概述問(wèn)題的引出; 獲得脈沖波形的方法：整形：通過(guò)各種整形電路把已有的周

2、期性變化波形變換為符合要求的矩形脈沖，如施密特電路和單穩(wěn)態(tài)電路直接產(chǎn)生：各種形式的多諧振蕩器。重點(diǎn)：由門(mén)電路(CMOS)和555構(gòu)成的脈沖電路。脈沖參數(shù)：了解各參數(shù)定義(見(jiàn)下頁(yè)圖）本章重點(diǎn)：波形分析法，計(jì)算脈沖參數(shù)：脈寬數(shù)學(xué)工具：線性方程，一介常系數(shù)微分方程典型電路，參數(shù)計(jì)算，應(yīng)用10.1 概述一、 產(chǎn)生矩形脈沖的途徑1.利用各種形式的多諧振蕩器電路；2.通過(guò)各種整形電路把已有的周期性變化波形變換成符合要求的矩形脈沖。二 、矩形脈沖特性的描述 通常的矩形脈沖波形如圖10.1.1所示。圖10.1.17/18/2022圖10.1.1其中：10.1 概述脈沖周期T ：周期行重復(fù)的脈沖序列中，兩個(gè)相鄰

3、脈沖之間的時(shí)間間隔。有時(shí)也用頻率f1/ T表示單位時(shí)間內(nèi)脈沖重復(fù)的次數(shù)脈沖幅度Vm：脈沖電壓的最大變化幅度。上升時(shí)間tr ：脈沖上升沿從0.1Vm上升到 0.9Vm所需要的時(shí)間圖10.1.1脈沖寬度tW：從脈沖前沿到達(dá)0.5Vm起，到脈沖后沿到達(dá)0.5Vm為止的一段時(shí)間。下降時(shí)間tf ：脈沖下降沿從0.9Vm 下降到 0.1Vm所需要的時(shí)間10.1 概述7/18/2022占空比q ：脈沖寬度與脈沖周期的比值，即q tw /T圖10.1.110.1 概述注：在脈沖整型或產(chǎn)生電路用于數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，有時(shí)對(duì)脈沖有些特殊要求，如脈沖周期和幅度的穩(wěn)定性等，這時(shí)需要另增加一些參數(shù)來(lái)描述脈沖。10.2 施密特觸

4、發(fā)器（Schmitt Trigger）第一 輸入信號(hào)從低電平上升的過(guò)程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與輸入信號(hào)從高電平下降過(guò)程中對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同；第二 在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)電路內(nèi)部的正反饋過(guò)程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。 注：利用這兩個(gè)特點(diǎn)不僅能將邊沿變化緩慢地信號(hào)波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形波脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。 施密特觸發(fā)器時(shí)脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，它具有下面兩個(gè)性能特點(diǎn)：7/18/2022主要用途：把變化緩慢的信號(hào)波形變換為邊沿陡峭的矩形波。 特點(diǎn)：電路有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。兩種穩(wěn)定狀態(tài)的維持和轉(zhuǎn)換完全取決于外加觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)方式：電平

5、觸發(fā)。電壓傳輸特性特殊，電路有兩個(gè)轉(zhuǎn)換電平（上限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT+和下限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT）。狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)有正反饋過(guò)程，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。 10.2 施密特觸發(fā)器（Schmitt Trigger）10.2.1 用門(mén)電路組成的施密特觸發(fā)器 將兩極反相器串接起來(lái)，通過(guò)分壓電阻把輸出端的電壓反饋到輸入端就夠成施密特觸發(fā)器電路，其電路及其圖形符號(hào)如圖10.2.1所示。圖10.2.1設(shè)反相器G1和G2均為CMOS門(mén)，其閾值電壓為VTH VDD/2，輸出高低電平分別為VOH VDD， VOL0，且R1VTH時(shí)，電路狀態(tài)維持在voVOH VDD不變10.2.1 用門(mén)電路組成的施密特觸發(fā)器當(dāng)vI從高電平

6、VDD逐漸下降到vAVTH時(shí)，由于也存在正反饋，即使電路迅速跳變到voVOL 0此時(shí)施密特觸發(fā)器在vI下降時(shí)對(duì)應(yīng)輸出電壓由高電平轉(zhuǎn)為低電平時(shí)的輸入電壓為VT，稱(chēng)為負(fù)向閾值電壓，此時(shí)voVDD， G1門(mén)的輸入電壓為7/18/202210.2.1 用門(mén)電路組成的施密特觸發(fā)器由于VTH VDD / 2，故只要vIR.，VOL0vo26.4.4 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖10.4.10所示。其工作原理如下圖10.4.10其輸出波形如圖10.4.11所示其振蕩周期的計(jì)算公式為6.4.4 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖10.4.11圖10.4.10為了可調(diào)節(jié)占空比，電路可修改為圖10.4.1

7、2所示的電路。電容充電是通過(guò)R2進(jìn)行，電容放電是通過(guò)R1進(jìn)行，故只要改變R1和R2的比值即可改變占空比。6.4.4 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖10.4.1210.4.5 石英晶體多諧振蕩器 前面介紹的多諧振蕩器的振蕩周期或頻率不僅與時(shí)間常數(shù)RC有關(guān)，而且還取決于門(mén)電路的閾值電壓VTH。VTH容易受溫度、電源電壓及干擾的影響，故頻率的穩(wěn)定性很差，不能適應(yīng)對(duì)頻率穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合。年美國(guó) 卡第提出用石英壓電效應(yīng)調(diào)制電磁振蕩的頻率。巴黎廣播電臺(tái)首先用嚴(yán)濟(jì)慈制作的石英振蕩片實(shí)現(xiàn)了無(wú)線電播音中的穩(wěn)頻，隨后各國(guó)相繼采用，使無(wú)線廣播振蕩電磁回路穩(wěn)頻成為壓電晶體的最重要應(yīng)用之一。 為了提高振蕩頻率的穩(wěn)

8、定性，目前普遍采用的一種穩(wěn)頻方法是在多諧振蕩器電路中，接入石英晶體，組成石英晶體多諧振蕩器圖10.4.12給出了石英晶體的外形、符號(hào)和電抗頻率特性。10.4.5 石英晶體多諧振蕩器圖10.4.12由電抗頻率特性可知，當(dāng)外加電壓頻率為fo 時(shí)，其阻抗最小，此頻率的信號(hào)最易通過(guò)，其他頻率被衰減，故振蕩器的工作再頻率fo處。圖10.4.13為對(duì)稱(chēng)式石英晶體多諧振蕩器 由于振蕩器的頻率只取決于石英晶體的固有頻率fo，與外接電容、電阻和門(mén)電路的閾值電壓無(wú)關(guān)，其固有頻率fo是由石英晶體本身特性決定，故石英晶體多諧振蕩器的頻率穩(wěn)定性極高，到達(dá)10-1010-11。目前石英晶體已被制成標(biāo)準(zhǔn)化和系列化出售。10

9、.4.5 石英晶體多諧振蕩器圖10.4.1310.5.1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能10.5 555定時(shí)器 555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字模擬混合的集成電路。它可以很方便地構(gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。 555定時(shí)器為雙極型產(chǎn)品，7555為CMOS型的產(chǎn)品，為了實(shí)際需求，又出現(xiàn)了雙極型556和CMOS型7556.盡管廠家不同，但各種；類(lèi)型的555定時(shí)器的功能及外部引腳排列都是相同的。一、電路結(jié)構(gòu) 圖10.5.1為國(guó)產(chǎn)雙極型定時(shí)器CB555的電路結(jié)構(gòu)圖 它由電壓比較器（C1，C2）觸發(fā)器輸出緩沖器（G3，G4）OC輸出的三極管（TD）組成圖10.5.1其圖形符號(hào)和功能表如圖10.5

10、.2所示10.5.1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能都大為0都小為1一小一大是保持。2.各管腳的名稱(chēng)和功能1接地端2低電平觸發(fā)端3輸出端，輸出電流可達(dá)200mA，直接驅(qū)動(dòng)繼電器、發(fā)光二極管、揚(yáng)聲器、指示燈等，輸出電壓約低于電源電壓13V。10.5.1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能4復(fù)位端，若此端輸入一負(fù)脈沖，而使觸發(fā)器直接復(fù)位。不用時(shí)加以高電平。5電壓控制端，此端可外加一電壓以改變比較器的參考電壓，不用時(shí)可懸空或通過(guò)0.01F的電容接地。10.5.1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能8電源端，可在518V范圍內(nèi)使用。6高電平觸發(fā)端7放電端，當(dāng)觸發(fā)器的Q0時(shí)，TD導(dǎo)通，外接電容C通過(guò)此管放電。10.5

11、.1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能各公司生產(chǎn)的555定時(shí)器的邏輯功能與外引線排列都完全相同。雙極型產(chǎn)品CMOS產(chǎn)品單555型號(hào)的最后幾位數(shù)碼5557555雙555型號(hào)的最后幾位數(shù)碼5567556優(yōu)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)能力較大低功耗、高輸入阻抗電源電壓工作范圍516V318V負(fù)載電流可達(dá)200mA可達(dá)4mA雙極型產(chǎn)品CMOS產(chǎn)品單555型號(hào)的最后幾位數(shù)碼5557555雙555型號(hào)的最后幾位數(shù)碼5567556優(yōu)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)能力較大低功耗、高輸入阻抗電源電壓工作范圍516V318V負(fù)載電流可達(dá)200mA可達(dá)4mA10.5.2 用555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器電路如圖10.5.3所示圖10.5.3 其電壓傳輸特性如圖10

12、.5.4所示。由圖可知，這是個(gè)典型的反相輸出的施密特觸發(fā)器。圖10.5.310.5.2 用555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器工作原理：10.5.2 用555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器圖10.5.3（1）當(dāng)vI vI VCC/3，Q=1，Q =0，觸發(fā)器保持原態(tài)；當(dāng) vI2VCC/3時(shí)， Q=0 （voVOL），Q =1。圖10.5.310.5.2 用555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器（2）當(dāng) vI2VCC/3時(shí)， Q=0 ，Q =1；當(dāng)vI 減少時(shí)，2VCC/3 vI VCC/3，Q=0，Q =1，觸發(fā)器保持原態(tài)；當(dāng)vI 減少到vIVCC/3，Q=1（voVOH），Q =0； 故其正向閾值電壓為VT2V

13、CC/3，負(fù)向閾值電壓為 VTVCC/3，故電路的回差電壓為VT VCC/3。若改變回差電壓的大小，則可通過(guò)5腳外接電壓VCO來(lái)改變。圖10.5.310.5.2 用555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器10.5.2 用555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器10.4.3 用555定時(shí)器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器其電路如圖10.5.5所示圖10.5.5R波形如圖10.5.6所示其工作過(guò)程如下10.4.3 用555定時(shí)器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖10.5.6當(dāng)vI處于高電平時(shí)，電路的穩(wěn)定狀態(tài)為vo0圖10.5.5R當(dāng)vI脈沖下降沿到達(dá)時(shí)，Q1， Q 0，此時(shí)放電管TD截止，VCC通過(guò)R給C充電，vC增加。當(dāng)vC2VCC/3時(shí)，

14、Q0 （v00 ）， Q 1， C 通過(guò)TD放電。vI變成高電平，此時(shí)vC1和vC2輸出均為高電平，電路保持v00 10.4.3 用555定時(shí)器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖10.5.6圖10.5.5R其輸出脈寬為注：通常R的取值在幾百歐姆到幾兆歐之間，電容的取值范圍為幾百皮法到幾百微法，tW的范圍為幾微妙到幾分鐘。但tW越大，其精度和穩(wěn)定度也要下降。?圖10.5.610.4.3 用555定時(shí)器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器特點(diǎn)：負(fù)脈沖觸發(fā)；穩(wěn)態(tài)時(shí)VI 處于高電平，VI低電平持續(xù)時(shí)間不可大于脈沖寬度10.5.4 用555定時(shí)器接成的多諧振蕩器其構(gòu)成電路如圖10.5.7所示圖10.5.7其輸出波形如圖10.4.11所

15、示其振蕩周期的計(jì)算公式為6.4.4 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖10.4.11圖10.4.10圖10.5.7對(duì)應(yīng)的波形如圖10.5.8所示電路的振蕩周期為10.5.4 用555定時(shí)器接成的多諧振蕩器圖10.5.8振蕩頻率為2004-11-29上式標(biāo)明，改變R和C就可改變振蕩頻率。用CB555組成的多諧振蕩器最高頻率為500KHz，用CB7555組成的多諧振蕩器最高頻率可達(dá)1MHz。為了改變占空比，可采用圖10.5.9所示電路。10.5.4 用555定時(shí)器接成的多諧振蕩器例6.5.1 圖6.5.10為由555定時(shí)器構(gòu)成的簡(jiǎn)易觸摸開(kāi)關(guān)，試分析是什么電路？二極管能亮多長(zhǎng)時(shí)間？解：此電路為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器二極管亮的時(shí)間為10.5.4 用555定時(shí)器接成的多諧振蕩器例10.5.2兩相時(shí)鐘發(fā)生器電路如圖10.5.11所示已知R1510，R210K，C=0.1F。(1)說(shuō)明555定時(shí)器組成何種電路？(2)畫(huà)出vo、1和2的波形。(3) 計(jì)算1的周期T和