實驗七脈沖產(chǎn)生及應(yīng)用

實驗七脈沖產(chǎn)生及應(yīng)用第一頁，共二十四頁，2022年，8月28日三、實驗原理1、脈沖波的獲得在數(shù)字系統(tǒng)中，常需要各種不同頻率的脈沖信號，或者需要一定寬度和幅度的脈沖信號，來完成各種不同的控制要求。有如下兩種方法獲得脈沖波：

1）自激多諧振蕩器

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，便能自動地產(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(xí)慣上又把矩形波振蕩器叫做多諧振蕩器。常用門電路和單片集成電路組成多諧振蕩器、環(huán)形振蕩器和石英振蕩器，它不需要外接輸入信號。2）脈沖整形電路它是把外界輸入信號（如正弦波等）變換成為脈沖波。常用門電路和單片集成電路組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器。第二頁，共二十四頁，2022年，8月28日下面給出了三種由TTL門構(gòu)成的多諧振蕩器電路1、對稱式多諧振蕩器電路

2、非對稱多諧振蕩器電路3、最簡單的環(huán)形振蕩器

這種由門電路構(gòu)成的幾種多諧振蕩器電路難以滿足要求。因為在這些多諧振蕩器中振蕩頻率主要取決于門電路輸入電壓在充、放電過程中達到轉(zhuǎn)換電平所需要的時間，所以頻率穩(wěn)定性不可能很高。第三頁，共二十四頁，2022年，8月28日因為：（1）這些振蕩器中門電路的轉(zhuǎn)換電平VTH本身就不夠穩(wěn)定，容易受電源電壓和溫度變化的影響；（2）這些電路的工作方式容易受干擾，造成電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間的提前或滯后；（3）在電路狀態(tài)臨近轉(zhuǎn)換時電容的充、放電已經(jīng)比較緩慢，在這種情況下轉(zhuǎn)換電平微小的變化或輕微的干擾都會嚴(yán)重影響振蕩周期。所以：TTL門多諧振蕩器只適用于對頻穩(wěn)度要求不高的場合。·在許多應(yīng)用場合下都對多諧振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定性有嚴(yán)格的要求。例如在將多諧振蕩器作為數(shù)字鐘的脈沖源使用時，它的頻率穩(wěn)定性直接影響著計時的準(zhǔn)確性。對頻率穩(wěn)定度有較高要求時，必須采取穩(wěn)頻措施。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。第四頁，共二十四頁，2022年，8月28日2、石英晶體多諧振蕩器石英晶體的諧振頻率由石英晶體的結(jié)晶方向和外形尺寸所決定，具有極高的頻率穩(wěn)定性。它的頻率穩(wěn)定度(△fo／fo)可達10-6～10-11，足以滿足大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)對頻率穩(wěn)定度的要求。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fo，而與外接電阻，電容無關(guān)。圖示電路中，若取TTL電路74LS04用作G1和G2兩個反相器，RF=1KΩ,C=0.01μF，則其工作頻率可達幾十MHz，頻率穩(wěn)定度可保證頻率偏差在數(shù)十Hz以下。第五頁，共二十四頁，2022年，8月28日3、集成振蕩/分頻集成電路CD4060CD4060是CMOS14位二進制串行計數(shù)／分頻器，工作電壓范圍3-15V。CD4060片內(nèi)集成了振蕩電路，在其外引腳上只需接一個晶振和兩個電容、一個電阻即可很容易地起振。

右圖中Q4、Q5、……Q14分別對應(yīng)于晶振頻率的2n分頻方波頻率輸出；Reset為復(fù)位端，高電平復(fù)位，使用時接低電平；Clock與OUT1是外部振蕩電路輸入端，OUT2為振蕩反向輸出端。CD4060的外引腳圖。第六頁，共二十四頁，2022年，8月28日CD4060內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳圖從圖中可見，最大214分頻實際上是通過14位異步計數(shù)器級聯(lián)實現(xiàn)的。（CD4060內(nèi)部未將21、22、23分頻引出）第七頁，共二十四頁，2022年，8月28日CD4060構(gòu)成振蕩器典型電路RC振蕩器晶體振蕩器從圖中可見CLOCK、OUT1、OUT2的內(nèi)部連接與外引腳關(guān)系第八頁，共二十四頁，2022年，8月28日555定時器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。由于使用靈活、方便，所以555定時器在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。4、555定時器第九頁，共二十四頁，2022年，8月28日（1）用555定時器接成的施密特觸發(fā)器

將555定時器的UI1和UI2兩個輸入端連在一起（2腳與6腳）作為UI信號輸入端，即構(gòu)成施密特觸發(fā)器。第十頁，共二十四頁，2022年，8月28日電路的回差電壓為如果參考電壓由外接的電壓VCC供給，則不難看出這時：通過改變VCO值可以調(diào)節(jié)回差電壓的大小。第十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日（2）用555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

若以555定時器的UI2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UC接至UI1端，同時在UI1對地接入電容C，就構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。電壓波形圖第十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日輸出脈沖的寬度tw等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于外接電阻R和電容C的大小。由電壓波形圖可知，tw等于電容電壓在充電過程中從0上升到所需要的時間，因此得到：

通常R的取值在幾百歐姆到幾兆歐姆之間，電容的取值范圍為幾百皮法到幾百微法，tw的范圍為幾微秒到幾分鐘。但必須注意，隨著tw的寬度增加它的精度和穩(wěn)定度也將下降。第十三頁，共二十四頁，2022年，8月28日（3）用555定時器接成的多諧振蕩器

將555定時器的UI1和UI2連在一起接成施密特觸發(fā)器，然后再將UO經(jīng)RC積分電路接回輸入端就構(gòu)成了多諧振蕩器。

第十四頁，共二十四頁，2022年，8月28日分析電路可知，電容上的電壓UC將在VT+與VT-之間往復(fù)振蕩，UC和UO的波形如圖所示。

由的波形求得電容C的充電時間T1和放電時間T2各為：故電路的振蕩周期為：第十五頁，共二十四頁，2022年，8月28日振蕩頻率為：通過改變R和C的參數(shù)即可改變振蕩頻率。輸出脈沖的占空比為：第十六頁，共二十四頁，2022年，8月28日四、實驗內(nèi)容1、晶體振蕩器及分頻實驗在實驗箱上完成下圖電路連接

CD4060外引腳圖 CD4060振蕩電路連接圖第十七頁，共二十四頁，2022年，8月28日測試內(nèi)容：（1）用示波器依次觀察Q4、Q5……Q14輸出端波形，記錄周期，并計算出頻率；并畫出Q4、Q5端波形（2）用頻率計依次測量Q4、Q5……Q14輸出信號的頻率，并與前面的計算值比較；（3）Q14輸出端所接的D觸發(fā)器構(gòu)成二分頻電路，在其輸出接LED，Q14、Q13分別接2個LED，觀察并定性記錄實驗現(xiàn)象。（4）通過計算，得出CD4060各輸出端理論上的輸出頻率，與前面的測試值列表比較。注意：示波器在測試很低的頻率時，掃描線呈閃爍狀，此時估算周期即可。想想這是為什么？第十八頁，共二十四頁，2022年，8月28日2、555多諧振蕩器對照下圖接線，輸出端3接LED和示波器；接通電源，仔細調(diào)整47KΩ電位器RW，使555起振，這時可看到LED發(fā)光管閃爍，調(diào)節(jié)RW的值，可從示波器上觀測到脈沖波形的周期發(fā)生變化；(3)向兩個方向分別調(diào)節(jié)RW，在示波器上讀出使電路起振時所對應(yīng)的信號波形的最大周期與最小周期，并計算出此振蕩器所對應(yīng)的頻率。(4)調(diào)節(jié)RW使占空比為50%,記錄此時的波形周期，計算頻率。第十九頁，共二十四頁，2022年，8月28日3、555施密特觸發(fā)器對照下圖接線。其中555的2和6腳接在一起，用函數(shù)信號發(fā)生器提供Vp-p為5V，頻率為1KHz的三角波，UI和UO端接雙蹤示波器。(2)接線無誤后，接通電源，在示波器的跟蹤下，將輸入三角波加適當(dāng)?shù)闹绷髌剖蛊錇閱螛O性三角波；(3)調(diào)節(jié)RW，觀察示波器輸出波形的變化。觀察并畫出輸入、輸出波形的形狀。注意：由于函數(shù)信號發(fā)生器輸出的三角波為雙極性的，而555為單電源供電，因此需要給輸出三角波加直流偏移，使其恰好為單極性三角波，才能提供給555做整形用，否則回出現(xiàn)底部切頂現(xiàn)象。第二十頁，共二十四頁，2022年，8月28日4、555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(1)按下圖接線，UI接1KHz連續(xù)脈沖，輸出UO接示波器。(2)調(diào)節(jié)10kΩ電位器，在電位器的兩個臨界位置點，觀察并畫出輸入、輸出波形，標(biāo)明脈寬，由此計算相應(yīng)的占空比。第二十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日五、預(yù)習(xí)要求

1.復(fù)習(xí)555定時器的結(jié)構(gòu)和工作原理；2.計算實驗電路中555定時器應(yīng)用時的理論值tw；3.掌握555定時器的管腳排列；4.用EWB軟件對電路進行仿真。第二十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日六、實驗報告要求1.整理并畫出實驗電路，標(biāo)上引腳和元件值。2.畫出各實驗波形，標(biāo)上幅度和時間。3.tw理論計算值和實際測得值的誤差為多少？4.對測試