第八章脈沖波形的產(chǎn)生與變換

會計學(xué)1第八章脈沖波形的產(chǎn)生與變換8.1概述數(shù)字系統(tǒng)中的脈沖信號通常由以下幾種形式獲得：⑴由信號發(fā)生器直接產(chǎn)生；⑵由傳感器變換來的電信號經(jīng)過整形或變換而得。脈沖波形產(chǎn)生與變換電路的組成

產(chǎn)生脈沖信號的電路主要由三部分組成。開關(guān)元件：正反饋電路：延遲電路：開關(guān)元件保證電路能輸出高、低兩種電平。

作用是當(dāng)電路處于相對穩(wěn)定狀態(tài)時由它維持著這一穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時，又能促進(jìn)其狀態(tài)的改變。

作用是控制電路從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個狀態(tài)時所需的時間，通常延遲電路的輸出又是促使電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的外界因素。第1頁/共27頁RC延遲電路由電路理論可知，對于一階電路而言，用三要素法即可進(jìn)行電路的暫態(tài)分析,其公式為

f(t)=f(∞)+[f(0+)-f(∞)]e-t/τ(8.1.1)式中f(0+)為初始值，f(∞)為正常情況下應(yīng)達(dá)到的最終值，τ為時間常數(shù)。通常f(t)還未到達(dá)f(∞)時電路狀態(tài)就已經(jīng)發(fā)生改變，因此，常利用f(t)反過來求解狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需時間，其公式為(8.1.2)第2頁/共27頁二.555定時器

555定時器是目前在信號產(chǎn)生和變換電路中應(yīng)用得非常廣泛的一種中規(guī)模集成電路。

電路結(jié)構(gòu)原理它由分壓器三個5KΩ電阻、兩個比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器以及輸出緩沖級G2和開關(guān)放電管T組成。UCC第3頁/共27頁⒈分壓器分壓器上的兩個分壓點a和b的電平由電源UCC和電壓控制端共同控制，為比較器提供基準(zhǔn)電平。當(dāng)⑤腳懸空時，Ua=2UCC/3，Ua=UCC/3

。如果改變⑤腳的輸入，則可改變a、b的基準(zhǔn)電平。⒉比較器及基本RS觸發(fā)器比較器C1的反相輸入端和C2的同相輸入端分別作為高觸發(fā)端TH和低觸發(fā)端TL與外電路相連，輸出與RS觸發(fā)器相連。設(shè)⑤腳懸空。當(dāng)TH的電平U6＞Ua，TL的電平U2＞Ub時，比較器C1端輸出為低電平，比較器C2輸出為高電平，基本RS觸發(fā)器輸出狀態(tài)為10；當(dāng)TH的電平U6＜Ua，TL的電平U2＜Ub時，比較器C1端輸出為高電平，比較器C2輸出為低電平，向基本RS觸發(fā)器輸出狀態(tài)為1；當(dāng)TH的電平U6＜Ua，TL的電平U2＞Ub時，比較器C1端和比較器C2輸出均為高電平，基本RS觸發(fā)器狀態(tài)不變。第4頁/共27頁⒊輸出緩沖級和放電管輸出狀態(tài)uo由RS觸發(fā)器的輸出端C點電平高低決定。而當(dāng)復(fù)位端為低電平時，不管C點狀態(tài)如何，輸出uo均為低電平UOL。正常工作時應(yīng)將復(fù)位端接高電平。由G2構(gòu)成的緩沖級主要使電路有較大的輸出電流。此外，緩沖級的存在還可以隔離負(fù)載對555定時器的影響。放電管T的狀態(tài)由G1的狀態(tài)控制，當(dāng)G1輸出高電平時T導(dǎo)通，當(dāng)G1輸出低電平時T截止，放電管的輸出端通常外接延遲元件，用以控制暫態(tài)的維持時間。輸入輸出高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端TL復(fù)位（RD）輸出（uo）放電管T××00導(dǎo)通＞2UCC/3＞UCC/310導(dǎo)通＜2UCC/3＜UCC/311截止＜2UCC/3＞UCC/31不變不變第5頁/共27頁8.2多諧振蕩器

多諧振蕩器又稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。它沒有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，而只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電路接通電源后就進(jìn)入處于某一暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過一段時間電路可以自動地觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換而輸出一系列方波。因此，多諧振蕩器又稱為方波發(fā)生器。構(gòu)成多諧振蕩器主要器件有與非門組成、555定時器或石英晶體第6頁/共27頁一.由與非門組成的多諧振蕩器

設(shè)與非門的開門電平與關(guān)門電平相等，均記為Uth。⒈從第一暫穩(wěn)態(tài)自動翻轉(zhuǎn)到第二暫穩(wěn)態(tài)的過程設(shè)電路在t=0接入電源時uo為低電平UOL→G1輸出uo1為高電平UOH→uo2為低電平UOL。由于此時電容器C兩端的電壓為0，故ui3也為高電平UOH→輸出uo仍為UOL（R2值很?。娐愤M(jìn)入第一暫穩(wěn)態(tài)。CG1G2uO1R11G311uO2uOui3R2UOLUOHUOL+-iUOH以后，高電平uo1通過電阻R1對電容C正向充電→ui3↓，當(dāng)其下降到與非門的關(guān)門電平Uth時→G3關(guān)閉→uo=UOH→uo1=UOL→uo2=UOH，電路進(jìn)入第二穩(wěn)態(tài)。躍變前瞬間電容器C兩端的電壓uC=UOH-Uth>0。UthUOHUOLUOH第7頁/共27頁CG1G2uO1R11G311uO2uOui3R2UthUOHUOLUOH⒉從第二暫穩(wěn)態(tài)自動翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)的過程

由于電容器兩端的電壓不能突變，當(dāng)uo1（C的左端）從高電平UOH躍變到低電平UOL時，則ui3（C的右端）的電平從Uth躍變成Uth-(UOH-UOL)=Uth+UOL-UOH,此電平可保證輸出uO維持在高電平UOH上。進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)以后，高電平uo2通過電阻R1對電容C反向充電→ui3↑=開門電平Uth→uo↓=UOL→uo1↑=UOH、uo2↓=UOL，電路返回第一暫穩(wěn)態(tài)。返回前瞬間電容器兩端的電壓uC=UOL-Uth<0

UOLUOHUOL+-iUth以后過程周而復(fù)始，電路將不停地改變輸出狀態(tài)，輸出一系列方波。第8頁/共27頁由與非門構(gòu)成的多諧振蕩器工作波形圖

兩個暫穩(wěn)態(tài)的相互轉(zhuǎn)換通過R1C的正、反向充電來實現(xiàn)，而ui3的電平對輸出狀態(tài)的改變起著決定作用。第一暫穩(wěn)態(tài)維持時間和第二暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短分別取決于ui3的電平由Uth+UOH-UOL下降至Uth和由Uth+UOL-UOH上升到Uth所需要的時間。UthUOLUOHuOui30ttUth+UOH-UOL0UOHUth+UOL-UOH第9頁/共27頁二.石英晶體時鐘脈沖發(fā)生器石英晶體片由于具有非常穩(wěn)定的頻率特性而廣泛地應(yīng)用在對頻率要求很高的場合中。

⒈石英晶體片的簡介

石英晶體為各向異性的SiO2結(jié)晶體，存在壓電效應(yīng)現(xiàn)象。在石英晶體片的兩極加交流電壓時，晶片將產(chǎn)生機(jī)械變形振動；同時這一機(jī)械振動又產(chǎn)生交變電場。，當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶體固有機(jī)械諧振頻率f0相等時，機(jī)械振動的幅值就急劇增加，而機(jī)械振動的幅值的急劇增加又反過來產(chǎn)生很大的交變電場，這樣就可在石英晶片兩端得到一個振幅較大的交變電壓并能維持在一定的幅度上，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。從電的角度上看，可用RLC串聯(lián)電路來模擬石英晶片，產(chǎn)生壓電諧振時，相當(dāng)于產(chǎn)生串聯(lián)諧振，此時石英晶片相當(dāng)一個純電阻R0，阻值較小。電路圖中的石英晶片就可用一個電阻元件代替。石英晶片的圖形符號為：

第10頁/共27頁⒉石英晶體時鐘脈沖發(fā)生器⑴從第一暫穩(wěn)態(tài)自動翻轉(zhuǎn)到第二暫穩(wěn)態(tài)的過程

C1和C2同時充電，C2↑=Uth，uO=UOL

。

C1G1R11KΩ1uOG21AC20.001μFR21KΩC30.005μF8MHzC1R1uOAC2R2C310+-+-C1R1uOAC2R2C301++--+-⑵從第二暫穩(wěn)態(tài)自動翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)的過程C1R1uOAC2R2C310+-+-+-0110C1和C2放電，C3反充電，C2↓=Uth，uO=UOH

。

C1、C2充電，C3放電，C2↑=Uth，uO=UOL

。

脈沖頻率僅取決于石英晶體固有頻率與電路其它參數(shù)無關(guān)。第11頁/共27頁

三.

由555定時器組成的多諧振蕩器當(dāng)uC＞2UCC/3時，C1輸出為UOL，RS觸發(fā)器置0；當(dāng)uC＜UCC/3時，C2輸出為UOL

，RS觸發(fā)器置1；當(dāng)2UCC/3

＞uC＞UCC/3時，C1和C2輸出均為UOH

，觸發(fā)器狀態(tài)不變。⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻＆＆＆5KΩ5KΩ5KΩabTRRSCG1G2uO+-C1C2+-1R1R2D1D2CuC+-+UCC+UCC第12頁/共27頁⒈工作原理合上電源后，UCC通過R1、D1對電容C充電，當(dāng)uC↑＞2UCC/3時，比較器C1輸出端變成UOL，觸發(fā)器置0，電路輸出UOL，進(jìn)入第一暫穩(wěn)態(tài)。同時，與非門G1輸出UOH，使得放電管T導(dǎo)通，電容C經(jīng)過D2、R2和T放電，uC↓→uC＜UCC/3時，比較器C2的輸出由UOH→UOL

，觸發(fā)器置1，輸出由UOL→UOH，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)。電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)后，G1門輸出UOL

，T管截止，電容器放電終止，電源UCC又通過R1、D1向C充電。以后過程周而復(fù)始，兩個暫穩(wěn)態(tài)自動交換，輸出一系列方波。第13頁/共27頁工作波形UOLUOHuOuctt0T1T231UCC32UCC（a）（b）第14頁/共27頁⒉振蕩周期的計算

多諧振蕩器輸出維持高電平的時間T1即為uc從UCC/3充電到2UCC/3所需的時間，此暫態(tài)過程中，時間常數(shù)τ=R1C，初始值uc(0+)=UCC/3

，最終值uc(∞)=UCC，uc(T1)=2UCC/3，由式（8.1.2）得T1=R1Cln2≈0.7R1C(8.2.1)多諧振蕩器輸出維持低電平時間T2的暫態(tài)過程為：時間常數(shù)τ=R2C，初始值uc(0+)=2UCC/3

，最終值uc(∞)=0。當(dāng)uc=UCC/3，維持低電平時間T2為T1=R1Cln2≈0.7R1C(8.2.1)第15頁/共27頁⒉振蕩周期的計算

輸出方波的周期T=T1+T2≈0.7(R1+R2)C(8.2.3)振蕩頻率為(8.2.4)輸出波形的占空比（即輸出高電平的時間在整個周期中占的比例）為(8.2.5)當(dāng)R1=R2=R時，T1=T2≈0.7RC，T=2T1≈1.4RC振蕩頻率為第16頁/共27頁⒊占空比可調(diào)的多諧振蕩器在原電路中的兩個電阻R1和R2之間加一個電位器，便構(gòu)成了占空比可調(diào)的多諧振蕩器。⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻＆＆＆5KΩ5KΩ5KΩabTRRSCG1G2+-C1C2+-1R1R3D1D2CuC+-+UCC+UCCR2RARB{{輸出波形的占空比為第17頁/共27頁8.3

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器⒈合上電源電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)ui一般情況下為UOL

，ui

＞2U/3，C2輸出UOH

。合上電源后，UCC通過R對C充電，uC＜2UCC/3時，C1輸出UOH，uC=2UCC/3時，C1輸出UOL，RS觸發(fā)器置0→G1輸出⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻＆＆＆5KΩ5KΩ5KΩabTRRSCG1G2uO+-C1C2+-1RCuC+-+UCC+UCCTHuiTLUOH→T飽和導(dǎo)通→C經(jīng)T管放電→uC↓＜2UCC/3時，C1輸出UOH，觸發(fā)器保持0態(tài)，uC↓至T管的飽和電壓，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于穩(wěn)定0狀態(tài)。第18頁/共27頁8.3

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器⒉輸入負(fù)脈沖電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)輸入負(fù)脈沖ui

＜2UCC/3時→C2輸出0，RS觸發(fā)器置1，電路輸出1，進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。負(fù)脈沖過后，C2輸出轉(zhuǎn)為1，電路保持一段時間的暫穩(wěn)態(tài)不變。⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻＆＆＆5KΩ5KΩ5KΩabTRRSCG1G2uO+-C1C2+-1RCuC+-+UCC+UCCTHuiTL⒊電路自動返回到穩(wěn)態(tài)電路輸出1→G1輸出0→T立即截止→UCC又對C充電，當(dāng)uC=2UCC/3→C1輸出0→RS觸發(fā)器置0→電路輸出0，返回穩(wěn)態(tài)，直到輸入下一個負(fù)脈沖。第19頁/共27頁=ln3·RC≈1.1RC(8.3.2)8.3

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器⒋電容器兩端電壓恢復(fù)過程當(dāng)u0=1→0，G1輸出1，T飽和導(dǎo)通→C經(jīng)T管放電。從C放電開始到其兩端的電壓降到T管的飽和電壓所需的時間即為恢復(fù)時間TR，因τ很小，TR≈0。⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻＆＆＆5KΩ5KΩ5KΩabTRRSCG1G2uO+-C1C2+-1RCuC+-+UCC+UCCTHuiTL⒌暫穩(wěn)態(tài)維持時間uC從0充電到2UCC/3所需的時間TP

。TP=RC第20頁/共27頁單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形

改變R和C的數(shù)值可達(dá)到調(diào)節(jié)TP的目的。為保證單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的每一個輸入負(fù)脈沖都能起到觸發(fā)作用，觸發(fā)時ui的電平應(yīng)小于UCC/3，且寬度小于暫穩(wěn)態(tài)的維持時間TP。重復(fù)周期T必須大于暫穩(wěn)態(tài)的維持時間TP和電容器C的電壓放電恢復(fù)時間TR之和。由于恢復(fù)時間很短，故重復(fù)周期T只要略大于暫態(tài)維持時間即可。ui0tuC0tUOLUOHuO0tTPTUCC23第21頁/共27頁⒍單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器除了對脈沖進(jìn)行整形，把不規(guī)則的脈沖變換成寬度、幅值為給定值的脈沖外，還可以起定時作用。即改變R、C參數(shù)，從而調(diào)節(jié)暫態(tài)維持時間的長短。如利用單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖寬度TP可將輸入信號的下降沿延時TP。利用單穩(wěn)輸出控制與門輸入端，那么在TP時間與門工作，UB的信號可以通過，實現(xiàn)脈沖的定時選通。第22頁/共27頁8.4施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器是一種雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，屬于電平觸發(fā)，當(dāng)輸入信號達(dá)到某一定電平值時，輸出電平會發(fā)生躍變。由555工作原理可知，當(dāng)⑥端的電平＞Ua=2UCC/3電平時，C1輸出0（負(fù)脈沖），基本RS觸發(fā)器置0，電路輸出為0，而當(dāng)②端的電平＜