數(shù)電 第十章脈沖波形的產(chǎn)生和整形

數(shù)電第十章脈沖波形的產(chǎn)生和整形第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日§10-1概述獲取矩形脈沖波形（時(shí)鐘）的途徑有兩種：2、用整形電路把已有的周期性變化的波形整形產(chǎn)生1、用多諧振蕩器直接產(chǎn)生矩形脈沖波形的整形電路——施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。用門電路可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。用555定時(shí)器也可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日§10-2施密特觸發(fā)器

10-2-1特點(diǎn)和用途一、特點(diǎn)

1、電平觸發(fā)：觸發(fā)信號UI可以是變化緩慢的模擬信號，UI達(dá)某一電平值時(shí)，輸出電壓U0突變。U0為脈沖信號。

2、電壓滯后傳輸：輸入信號UI從低電平上升過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對應(yīng)的輸入電平，與UI

從高電平下降過程中電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對應(yīng)的輸入電平不同。施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路。利用上述兩個(gè)特點(diǎn)，施密特觸發(fā)器不僅能將邊沿緩慢變化的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，還可以將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日同向輸出特性：VT+UoUIUoLUoH二、輸出特性VT

UI=VT-

時(shí)，Uo=UoLUI=VT+時(shí)，

Uo=UoH0當(dāng)UI=0時(shí)，Uo=UoL正向閾值電平VT+：

UI

上升時(shí)，引起Uo

突變時(shí)對應(yīng)的UI

值。第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日反向輸出特性：VT+UoUIUoLUoHUI=VT+時(shí)，Uo=UoL

UI=VT-

時(shí)，Uo=UoHVT0當(dāng)UI=0時(shí)，Uo=UoH負(fù)向閾值電平VT-

：

UI

下降時(shí)，引起Uo

突變時(shí)對應(yīng)的UI值。三、用途：整形，構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，構(gòu)成多諧振蕩器。第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日UO1UI’UIUO11R2R1G1G210-2-2用門電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器一、構(gòu)成UIUO1UO說明UI=00010同相施密特觸發(fā)器

UI上升過程中VT+VTH10VT+VTH10G1、G2門將要翻轉(zhuǎn)=VT+=VTH0UO突變UI下降過程中>VT->VTH010110VT-VTH=VT-=VTHG1、G2門將要翻轉(zhuǎn)UO突變1UI’（用CMOS非門）=>=>=>=>二、工作原理>VT+>VTH0110VT-VTH第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日三、舉例設(shè)UI為緩慢變化的三角波：UItVTHVT+VT-UOtUOLUOHG1門的閾值電平第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日四、計(jì)算回差電壓ΔVT1、求VT+在UI從0開始上升時(shí)，UO=UOL。UOH1UI，G1R1R2UIG21UOUOL

VTHVT+從求UI

,入手求VT+：UI

,=VTH=UR2=R2R1+R2VT+∴VT+=R2R1+R2VTH=（1+R2R1）VTH在UIVT+，UI

,VTH，G1、G2門要翻轉(zhuǎn)前的瞬間，=>=>電路中電流流向和電位情況見圖。第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日2、求VT-UOL1UI，G1R1R2UIG21UO在UI從最大值開始下降時(shí)，UO=UOH。UOHVTHVT-從求UI

,入手求VT-

：UI

,=UTH=UOH–

UR2=∴VT-

=R2R1+R2VTH

–

R2R1UOHR2R1+R2

UOH–[（UOH–

VT

–

）]又：故：UOH=VDD；VTH=VDD12

VT-=（1

–

）VTHR1R2電路中電流流向和電位情況見圖。在UIVT-，UI

,VTH，G1、G2門要翻轉(zhuǎn)前的瞬間，=>=>第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日五、電壓傳輸特性∵UI=0時(shí)，UO=UOL∴是同相施密特特性UIUOVDDVTH2VTHR1R23、求回差電壓ΔVTΔVT

=VT+-

VT-=2VTH

R1R2=R1R2VDD當(dāng)VDD一定時(shí)，調(diào)R1、R2，可調(diào)ΔUT

，即可調(diào)VT+VT-，可調(diào)UO脈寬。六、邏輯符號11&≥1VT-VT+第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日10-2-3集成施密特觸發(fā)器常用TTL電路集成施密特觸發(fā)器有7413等，常用CMOS電路集成施密特觸發(fā)器有CC40106等。10-2-4施密特觸發(fā)器的應(yīng)用一、用于波形變換例：已知UI為半波，UIm=9V，電路的VT+=6V，

VT-=3VUOH=VDD，試畫UO波形。963VT+VT-VDDVDD11UI（V）totUOotUOo第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日二、用于脈沖整形UItOUOtOUItOUOtOUItOUOtOVT+VT-VT+VT-VT+VT-11三、用于脈沖鑒幅第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日§10-3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器10-3-1特點(diǎn)和用途一、特點(diǎn)1、開機(jī)（接通電源），電路出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)。2、外加觸發(fā)信號，電路翻轉(zhuǎn)為暫態(tài)。暫態(tài)維持一段時(shí)間，自動返回穩(wěn)態(tài)3、暫態(tài)維持時(shí)間的長短，只和電路參數(shù)有關(guān)，與觸發(fā)信號的幅度、電源電壓的高低無關(guān)。二、用途1、整形→輸出矩形波。2、定時(shí)→輸出一定寬度的矩形波。3、延時(shí)→將輸入信號延長一定時(shí)間后輸出。第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日10-3-2用門電路組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1、組成（用CMOS或非門）UIUO1UI2UOUI，≥1≥1VDDCRG1G2第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日2、工作原理（用正窄脈沖觸發(fā)）UIUO1UI2UO說明接通VDD不觸發(fā)VDDUOL00110穩(wěn)態(tài)：UO=0C中無電荷觸發(fā)1001暫態(tài)：UO=1C充電UI2↑↑=VTH000110返回穩(wěn)態(tài)：UO=0C放電UI2↓①↓=VDD000110恢復(fù)為起始穩(wěn)態(tài)

C中無電荷注釋①：此時(shí)的邏輯電平“1”，對應(yīng)的電位為（VDD+0.7）V。UI，UO1UI2UIUOUI，≥1≥1VDDCRG1G2第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日總之：不觸發(fā)：UO=0，C中無電荷觸發(fā)：UO=1C充電：返回UO=0C放電：恢復(fù)為起始穩(wěn)態(tài)，UO=0，C中無電荷第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日3、電壓波形tUIVTHtUO1tUI2tUO*為了保證觸發(fā)時(shí)間極短，通常在UI端加RC微分電路：≥1G1UO1CdRdUIUdtUItUdtUOVDD+0.7注意；第二次觸發(fā)必須在第一次觸發(fā)穩(wěn)定之后進(jìn)行。

電壓波形第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日4、輸出脈寬

TW和幅度

UOmVTHtUI2tUOTW根據(jù)一階RC電路暫態(tài)過程中，求任意變量的一般公式：可得：tτA(t)=A(∞)+[A(0+)-A(∞)]eA(∞)-A(∞)-t=τln—————

從波形圖中看出，TW是C充電使UI2從0上升到VTH對應(yīng)的時(shí)間，UI2(∞)=VDD,

UI2(0+)=0,12UI2(TW)=VTH=VDD,τ≈RCTW=RCln1VDD-

0VDD-

VDD2Uom=UOH-UOL≈VDD1）求TW2）求Uom=RCln2A(0+)A(t)所以：=0.69RC第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日5、分辨時(shí)間TdTd是指在保證電路正常工作的前提下，兩個(gè)相鄰觸發(fā)脈沖之間，允許的最小時(shí)間間隔。VTHtUI2tUOTWTreTd由波形圖知：Td=TW+TreTW：輸出脈沖的寬度

Tre：恢復(fù)時(shí)間，即C放電達(dá)穩(wěn)定值VDD所需的時(shí)間T放。ROND1G2G1R-+VDDC由放電回路知：放電回路（D1是G2

門輸入保護(hù)電路中的二極管。）Tre=T放=

(3~5)(RON+R//rD)C當(dāng)D1的等效電阻rD遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于RON和R時(shí)，Tre=T放≈

(3~5)RONC第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日二、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1、組成可用TTL與非門組成，門之間用RC積分電路耦合。UAUBUO1UOUI2、工作原理（用正的寬脈沖觸發(fā)）UIUAUBUO說明接通VCC不觸發(fā)10↑≈VCC01自然穩(wěn)態(tài)：UO=1觸發(fā)10≈VCC10暫穩(wěn)態(tài)：UO=01返回穩(wěn)態(tài)：UO=1C放電UA↓↓≤VTH恢復(fù)為自然穩(wěn)態(tài)101不觸發(fā)10↑≈VCC01UO=1RCG1G2&&UO1第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日3、電壓波形tUItUO1tUAtUOVTHTTRTreTw4、輸出脈寬

TW和幅度

UOmTW≈

RClnVOL-

UOHVOL-

VTHUom=UOH-UOL5、分辨時(shí)間TdTd由波形圖知：Td=TTR+TreTTR：觸發(fā)脈沖的寬度Tre：恢復(fù)時(shí)間，即UO1跳到UOH后，C充電達(dá)穩(wěn)定值所需的時(shí)間T充。+-CRUOHRO+VCCG1UA由充電回路知：充電回路Tre=T充=(3~5)(RO+R)C第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日10-3-3集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1、不可重復(fù)觸發(fā)觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，再加觸發(fā)脈沖無效tUITWUOt2、可重復(fù)觸發(fā)觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，再次觸發(fā)有效，輸出脈沖可再維持一個(gè)脈寬。tUIUOtTW常用74121，74221，74LS221等都是不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其中，74121的電路符號如圖：Cext

RextCextUo

RintVccGNDBA2A1Uo345167101191474121一、分類二、常用產(chǎn)品舉例第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日輸入輸出A1A2BUOUO0X101X0101XX00111X01電平觸發(fā)111110XX0脈沖觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的功能表第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日下降沿觸發(fā)時(shí)的接法1UI不利用Rint時(shí)的接法Cext

RextCextUo

RintVccGNDBA2A1Uo345167101191474121+VCCCext

RextCextUo

RintVccGNDBA2A1Uo345167101191474121上升沿觸發(fā)時(shí)的接法UI利用Rint時(shí)的接法（Rint≈2KΩ）CRC+VCC三、應(yīng)用舉例1、脈沖整形Cext

RextCextUo

RintVccGNDBA2A1Uo345167101191474121+VCCCRUItUItUOTW=0.69RC第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日2、輸出脈沖延時(shí)UI+VCCUO2VCCUOBA1A2C1R1UO（1）VCCUOBA1A2C2R2UO（2）tUItUO1tUO2tUO1TW1TW2觸發(fā)后，電路延時(shí)TW1時(shí)間再輸出。TW1=0.69R1C1TW2=0.69R2C23、定時(shí)輸出UIUO27412174121UABA1A2UO74121&tUItUAtUOTW只在觸發(fā)之后的TW時(shí)間內(nèi)有UA輸出。UO2t第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日§10-4多諧振蕩器特點(diǎn)：不需要外加觸發(fā)信號，電路自激振蕩，沒有穩(wěn)態(tài)。用途：產(chǎn)生脈沖方波。10-4-1

用門電路構(gòu)成多諧振蕩器一、對稱式多諧振蕩器1、組成（用TTL門電路）UI1UO2UO1UI211C1C2G1G2RF1RF22、工作原理則，暫態(tài)Ⅰ：

UO1=0、UO2=1

接下來：C1充電、C2放電假設(shè)，某一時(shí)刻，電路出現(xiàn)UO1=0、UO2=1的狀態(tài)，第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日0011UI1UO2UO1UI211C1C2G1G2RF1RF2++C2放電回路：UI1UOL1UOH2RF1C2+-C2+

→RF1→

UOL1→

UOH2→

C2-C2放電使UI1↓。C2放電：UI2UOH2UOL1R1VCCG2RF2C1-+C1充電：暫態(tài)Ⅰ：

UO1=0、UO2=1C1充電等效回路：UOH2→RE1→

C1→

UOL1（RE1=RF2∥R1）C1充電使UI2↑。第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日由于RE1<RF1（當(dāng)電路對稱時(shí)），所以，充電比放電快。C1充電→

UI2=VTH時(shí)→

G2導(dǎo)通→

UO2=0UI1=0→UO1=1暫態(tài)Ⅱ：UO1=1、

UO2=0C2充電→

UI1=VTH時(shí)→

G1導(dǎo)通→

UO1=0UI2=0→UO2=1電路回到暫態(tài)Ⅰ。循環(huán)往復(fù)，直到關(guān)機(jī)?？傊篣O1=0UO2=1UO2=0UO1=1UO1=1UO2=0UO1=0UO2=1→

C1充電→

UI2→→

C2充電→UI1→→C2放電→UI1→

C1放電→UI2第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日tUI1tUO1tUO2tUI2VTHVTHVIKVIKT1T4、計(jì)算在RF1=RF2=RF，C1=C2=C時(shí)：T1≈RFC

ln————UOH-UOH-如果G1、G2為74LS系列反相器，UOH=3.4V，VIK=-1V，VTH=1.1V在RF<<R1時(shí)，T1=0.65RFC振蕩周期：T=2T1=1.3RFC振蕩頻率：f=1/T占空比：q=(T1/T)100%3、電壓波形C2放電、充電C1充電、放電VTHVIK第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日二、環(huán)形振蕩器1、組成利用門電路的傳輸延遲時(shí)間tpd，將奇數(shù)個(gè)反相器首尾相接。UO1UO2UO31G11G21G32、工作波形tUO1tUO2tUO3tpd3、計(jì)算TW=ntpd；T=2TW；f=1/T一般，tpd=TTL類幾十nsCMOS類幾百ns（所以，環(huán)形振蕩器的振蕩頻率f特別高）為了獲得較低的、可調(diào)的f，可在環(huán)形回路中增加RC延時(shí)環(huán)節(jié)。TWn是門的數(shù)目。第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日6-4-2

用施密特觸發(fā)器構(gòu)成多諧振蕩器1、組成UIUO2、工作原理接通VCC瞬間，C中無電荷，所以：1）UC=0→

3、電壓波形2）UO=1→C充電→UI，3）UO=0→C放電→UI，tUotUI00VT+VT-若是CMOS電路，T1T2T1RC+UI=VT+→UO=0UI=VT-→UO=1T1=RCln————VDD-VDD-T=T1+T2；f=1/T；q=T1/TUI=0→

UO=1VT-VT+T2=RCln———0-0-VT+VT-則：第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日5、電路改進(jìn)占空比可調(diào)電路如圖：1CUIUOR2R1+充電經(jīng)過R2，放電經(jīng)過R1，T1=R2Cln————VDD-VT-VDD-VT+T2=R1Cln——VT+VT-q=T1/TT=T1+T2調(diào)節(jié)R1或R2，即可調(diào)節(jié)q第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日10-4-3石英晶體多諧振蕩器一、石英晶體許多應(yīng)用場合。要求多諧振蕩器的振蕩頻率f十分穩(wěn)定，（如數(shù)字鐘的秒脈沖頻率）。上述電路的f都達(dá)不到要求。最簡便的穩(wěn)頻方法是在多諧振蕩器中接入石英晶體，構(gòu)成石英晶體多諧振蕩器。石英晶體的固有振蕩頻率fo

由結(jié)晶方向、外形尺寸決定；頻率穩(wěn)定度（Δfo/fo)可達(dá)10-10~10-11。fo電容性電感性fXO電抗頻率特性曲線當(dāng)外加電壓的頻率f=fo時(shí)，其電抗X=0。第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日UI1UOUO1UI211C1C2G1G2RF1RF22、工作原理當(dāng)UO的頻率f=fo時(shí)，反饋?zhàn)顝?qiáng)，電路才起振。fo的穩(wěn)定度極高，這就解決了多諧振蕩器的穩(wěn)頻問題。結(jié)果：f=fo。符號二、石英晶體振蕩器1、組成將石英晶體接到多諧振蕩器的正反饋回路中。第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日3、參數(shù)選擇各種固有振蕩頻率fo的石英晶體已做成成品，可根據(jù)所購晶體的fo選擇電路的外接RF和C，fo一般都很高，應(yīng)利用分頻器將fo分頻為所需頻率。例如，需要頻率為1HZ的秒脈沖,可選購fo=32768HZ的晶振，通過15次二分頻獲得1HZ。第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日§10-5555定時(shí)器及其應(yīng)用555定時(shí)器是單片集成電路，用途廣，可構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等。雙極型產(chǎn)品型號的后三位數(shù)碼為555。單極型產(chǎn)品型號的后四位數(shù)碼為7555。其功能和外部引腳的排列完全相同。第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日10-5-1555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能一、組成與特點(diǎn)VR1VR2UOTD+VCCCOU6U212658437（TH）（TR）RD當(dāng)CO端不接控制電壓UCO時(shí)：VR2=VCC，13VR1=VCC23國產(chǎn)CB555的結(jié)構(gòu)框圖：它由三個(gè)5KΩ電阻、比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器和放電管TD組成。QQC1+-C2+-RdSd5KΩ5KΩ5KΩTD相當(dāng)于：C1出1；C1出0。C1將U6和進(jìn)行比較

VCC23當(dāng)U6<

時(shí)，

VCC23當(dāng)U6>

時(shí)，

VCC23U6和比較的結(jié)果，由C1反相輸出。

VCC23第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日反相同相U6U2RDUOTDQQRdSd23VCC13VCC放電管TD的作用：給外接電容C提供放電通路。QQC1+-C2+-RdSdVR1VR25KΩ5KΩ5KΩUOTD+VCCCOU6U212658437（TH）（TR）RD結(jié)構(gòu)圖的等效簡化電路：相當(dāng)于：C2出0；C2出1。C2將U2和進(jìn)行比較

VCC13當(dāng)U2<

時(shí)，

VCC13當(dāng)U2>

時(shí)，

VCC13U2和比較的結(jié)果，

VCC13由C2同相輸出。第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日二、工作原理輸入過渡輸出RDU6U2RdSdQQTD狀態(tài)0XXXX導(dǎo)通123VCC<>23VCC>13VCC導(dǎo)通113VCC<截止123VCC<>13VCC保持表1CB555功能表（CO端懸空時(shí)）表1

的主要內(nèi)容見表2：U6U223VCC<>23VCC>13VCC13VCC<23VCC<>13VCCQ01保持工作原理見表1表2RD=1時(shí)的表1由表2可得如下口訣：大于、大于、出0；小于、小于、出1；小于、大于、保持011011010110第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日當(dāng)CO端接有UCO時(shí)：12UCO，VR2=三、說明VR1=UCO、換為13VCC將上述分析中的換為23VCC12UCO，所有結(jié)論仍成立。四、電路符號555定時(shí)器的電源電壓范圍較寬，CMOS類：VDD為3~18伏，（UOH≥VDD95%，IOm≤4mA）TTL類：VCC為5~16伏，（UOH≥VCC90%），IOm≈200mA）UOTHTDCOVCC12345678555TRRDGNDUCO，第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日10-5-2555定時(shí)器接成施密特觸發(fā)器二、工作原理（設(shè)：UI為模擬三角波）UIU6U2UO23VCC<>23VCC>13VCC13VCC<23VCC<≥23

VCC010≤13VCC13VCC<1三、電壓波形一、組成UIUO+VCC12345678555tUItUO13VCC23VCCVT+=23VCCVT-=13VCCΔVT=13VCC0.01uF從電壓波形知：此為施密特反相器。第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日10-5-3555定時(shí)器接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器UO+VCC123456785550.01uFRCUI+-二、工作原理U2=UI

，和比較；13VCCU6=UC，和比較。23VCC要求觸發(fā)信號為負(fù)的窄脈沖CUCU6（UC）U2（UI）UO（Q）TD說明充電=23VCC>23VCC>13VCC0導(dǎo)通穩(wěn)態(tài)：UO=0放電=023VCC<>13VCC保持接通VCC不觸發(fā)UI=1023VCC<13VCC<1截止暫態(tài)：UO=1充電=23VCC>23VCC>13VCC0導(dǎo)通返回：UO=0放電=023VCC<>13VCC保持UI=1一、組成無電荷觸發(fā)第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日總之：不觸發(fā)，UO=0；UO=1維持一段時(shí)間又返回UO=0充電回路：VCC+→R→C→VCC-（充電慢）放電回路：C+→TD→C-（放電快）三、電壓波形tUITW23VCCtUOtUCTW≈RCln—————VCC-02VCC-3VCCTW≈RCln3=1.1RC觸發(fā),UO=1注意；第二次觸發(fā)必須在第一次觸發(fā)穩(wěn)定之后進(jìn)行。第四十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日10-5-4555定時(shí)器接成多諧振蕩器UO+VCC123456785550.01uFR1R2C等效為施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器，R11UCUOR2+R2電壓UC是施密特觸發(fā)器的輸入電壓，其VT+=23VCCVT-=13VCC二、工作原理UCU6U2UOTD起始時(shí)023VCC<13VCC<1截止C充電=23VCC>23VCC>13VCC0導(dǎo)通C放電23VCC<1截止=13VC