脈沖的產(chǎn)生與變換

脈沖的產(chǎn)生與變換第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日第8章脈沖的產(chǎn)生與變換

8.1555定時(shí)器電路8.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器退出8.2施密特觸發(fā)器

8.4多諧振蕩器

第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日8.1555定時(shí)器電路

8.1.1555定時(shí)器電路的組成

8.1.2555定時(shí)器的工作原理

第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日8.1.1555定時(shí)器電路的組成以下圖(a)為555電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖(b)為其引腳圖。第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日由圖(a)可看出，555電路由以下幾部分組成：

1、分壓器。由3個(gè)5kΩ的電阻組成，這也正是該電路稱為555的原因，它將電源電壓VCC分為三等分，作用是為兩個(gè)由集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓比較器A、B提供基準(zhǔn)電平。若控制端5腳外加控制電壓VM，則可改變電壓比較器A、B的基準(zhǔn)電平，分別為VM和VM；5腳不加控制電壓時(shí)，該引腳不可懸空，一般要通過一個(gè)小電容（如0.01μF）接地，以防旁路高頻干擾，此時(shí)基準(zhǔn)電平分別為VCC和VCC（由3個(gè)5kΩ的電阻對(duì)電源Vcc分壓得到）；若5腳通過一個(gè)10kΩ的電阻接地，則基準(zhǔn)電平將分別為VCC和VCC（該10kΩ的電阻與下面兩個(gè)串聯(lián)的5kΩ電阻并聯(lián)后的阻值為5kΩ，然后再與上面那個(gè)5kΩ電阻一起對(duì)電源VCC進(jìn)行串聯(lián)分壓）。由分析可知，5腳非常重要，它將影響整個(gè)由555構(gòu)成的實(shí)用電路的各項(xiàng)指標(biāo)。

第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日2、兩個(gè)電壓比較器A和B。這是兩個(gè)高增益差分放大器（運(yùn)算放大器）。當(dāng)放大器的同相輸入大于它的反相輸入時(shí)，其輸出為高電平1信號(hào)；反之，其輸出為低電平0信號(hào)。

3、基本RS觸發(fā)器。由兩個(gè)帶反饋線的或非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器顯然是高電平觸發(fā)，即RS=10時(shí)，Q=0，=1；當(dāng)RS=01時(shí)，Q=1，=0；當(dāng)RS=00時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)不變。

4、功能控制端（4腳）。當(dāng)

=1時(shí)，或門H正常工作；當(dāng)=1時(shí)，或門的輸出恒為1，從而使3腳輸出恒為低電平0?？梢姡９ぷ鲿r(shí)，端應(yīng)接高電平1，通常將它與8腳的電源接在一起。

5、開關(guān)放電管VT。555定時(shí)器在使用中大多與電容器的充放電有關(guān)，為了使充放電能夠反復(fù)進(jìn)行，電路特別設(shè)計(jì)了一個(gè)放電端D（7腳）。當(dāng)基本RS觸發(fā)器的=1時(shí)，放電三極管VT導(dǎo)通，外接電容元件可通過VT放電。

第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日8.1.2555定時(shí)器的工作原理分析如下：在控制端5腳不外加控制電壓和其他電阻且功能控制端R接高電平的情況下，電壓比較器A的基準(zhǔn)電壓為VCC，B的基準(zhǔn)電壓為VCC。

1、當(dāng)6腳輸入電平Vi1＞VCC時(shí)，基本RS觸發(fā)器的R=1（因?yàn)殡妷罕容^器A的同相輸入電壓高于反相輸入電壓）；當(dāng)2腳輸入電平Vi2＞VCC時(shí)，基本RS觸發(fā)器的S=0（因?yàn)殡妷罕容^器B的反相輸入電壓高于同相輸入電壓），即此時(shí)RS=10，基本RS觸發(fā)器的Q=0，Q=1，由于前提條件功能控制端接高電平，故或門H的輸出僅取決于Q，Q為1則或門H輸出也為1，再經(jīng)反相器后使得3腳輸出Vo為低電平0，同時(shí)三極管VT導(dǎo)通。概括地說就是，當(dāng)6腳和2腳的輸入電平與各自的基準(zhǔn)電平相比較都高時(shí)，3腳輸出Vo=0，三極管VT導(dǎo)通。

第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日2、當(dāng)6腳輸入電平Vi1＜VCC（即電壓比較器A的同相輸入電壓低于反相輸入電壓），2腳輸入電平Vi2＜VCC（即電壓比較器B的同相輸入電壓高于反相輸入電壓）時(shí)，RS=01，Q=1，Q=0，或門H輸出為0，經(jīng)反相器后使得3腳輸出Vo為高電平1，同時(shí)三極管VT截止。概括地說就是，當(dāng)6腳和2腳的輸入電平與各自的基準(zhǔn)電平相比較都低時(shí)，3腳輸出Vo=1，三極管VT截止。

3、當(dāng)6腳輸入電平Vi1＜VCC（即電壓比較器A的同相輸入電壓低于反相輸入電壓），2腳輸入電平Vi2＞VCC（即電壓比較器B的同相輸入電壓低于反相輸入電壓）時(shí)，RS=00，Q狀態(tài)不變，3腳輸出Vo也處于保持狀態(tài)，三極管VT也保持原狀態(tài)。

第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日根據(jù)上述分析可總結(jié)出555定時(shí)器的功能見下表TH(Vi1)

(Vi2)Vo三極管VT××00導(dǎo)通＞VCC＞VCC10導(dǎo)通＜VCC＜VCC11截止＜VCC＞VCC1原狀態(tài)原狀態(tài)即：都高出低、都低出高、中間保持第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日8.2施密特觸發(fā)器8.2.1施密特觸發(fā)器的電路組成及工作原理

8.2.2施密特觸發(fā)器的主要應(yīng)用第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日8.2.1施密特觸發(fā)器的電路組成及工作原理施密特觸發(fā)器具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，即輸出為高電平或低電平均可穩(wěn)定，由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路如下圖所示：圖中，5腳通過一個(gè)0.01μF的電容接地，所以兩個(gè)電壓比較器A、B的基準(zhǔn)電壓分別為VCC和VCC。

555第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日已知輸入ui的波形，根據(jù)555定時(shí)器的功能“都高出0、都低出1、中間保持”,可畫出輸出uo的波形。第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性：

VTH：上限電平（正向閾值電平）VTL：下限電平（負(fù)向閾值電平）此時(shí)VTH=VCC，VTL=VCC，把兩者的差稱為回差電壓△UT，即△UT=VTH-VTL

施密特觸發(fā)器存在回差電壓的現(xiàn)象稱為電路傳輸?shù)臏筇匦浴Ｍǔ；夭铍妷涸酱螅┟芴赜|發(fā)器的抗干擾性越強(qiáng)，但靈敏度也會(huì)相應(yīng)降低。

第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日8.2.2施密特觸發(fā)器的主要應(yīng)用1、波形變換施密特觸發(fā)器可以將任何符合特定條件的輸入信號(hào)變換為矩形波輸出。中圖就是一個(gè)將不規(guī)則的模擬信號(hào)波形轉(zhuǎn)換為規(guī)則的矩形波的實(shí)例。施密特觸發(fā)器還可以將正弦波、三角波等其他波形變換成矩形波，如左圖所示。圖中矩形波的脈沖寬度可以通過改變回差電壓的大小加以調(diào)節(jié)。第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日2、波形整形圖(a)中，若取VTL1為下限電平，則整形后的波形如圖(b)所示，這樣的結(jié)果顯然不正確。原因是：由于回差電壓較小，因而并未完全消除掉輸入數(shù)字信號(hào)頂端的毛刺，只是通過整形使其在輸出中表現(xiàn)為三個(gè)低電平矩形脈沖。若適當(dāng)?shù)卦龃蠡夭铍妷?，如圖(a)中取VTL2為下限電平，則整形后的波形如圖(c)所示，顯然干擾毛刺已被完全消除，此時(shí)只需在輸出端接一個(gè)反相器，就可以把變了形的數(shù)字信號(hào)1波形整形為整齊的正向矩形波了。

注意：回差電壓的大小必須根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整，此處如果回差電壓選擇過大，將會(huì)導(dǎo)致有效信號(hào)被湮沒，同樣起不到波形整形的目的。

第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日3、幅度鑒別施密特觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)取決于輸入信號(hào)是否高于上限電平VTH和是否低于下限電平VTL。如果希望將幅度大于VTH的波鑒別出來，這時(shí)施密特觸發(fā)器就成為幅度鑒別器（簡稱鑒幅器）。如左圖所示，當(dāng)輸入脈沖幅度大于VTH時(shí)，555定時(shí)器的6腳和2腳電壓都高于其基準(zhǔn)電壓，此時(shí)輸出端就有負(fù)脈沖出現(xiàn)；而當(dāng)輸入脈沖幅度小于VTL時(shí)，555定時(shí)器的6腳和2腳電壓都低于其基準(zhǔn)電壓，輸出端為高電平，相當(dāng)于沒有脈沖輸出。這樣，可以從輸出端是否出現(xiàn)負(fù)脈沖來判斷輸入信號(hào)幅度是否超過一定值。

第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日8.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器8.3.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路組成及工作原理

8.3.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要應(yīng)用第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日8.3.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路組成及工作原理單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是輸出只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的電路。它在無外加觸發(fā)信號(hào)時(shí)處于穩(wěn)態(tài)，在外加觸發(fā)信號(hào)作用下，電路從穩(wěn)態(tài)進(jìn)入到暫態(tài)。暫態(tài)是一個(gè)不能長久保持的狀態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間后，電路又會(huì)自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)。由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路如右圖所示：第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日下面是單穩(wěn)態(tài)電路內(nèi)部詳圖，圖中R、C是外接定時(shí)元件，Rp、Cp構(gòu)成了輸入回路的微分環(huán)節(jié)，其作用是使輸入信號(hào)ui的負(fù)脈沖寬度tp限制在允許的范圍內(nèi)，即經(jīng)過微分電路后變成尖脈沖信號(hào)，如果輸入ui的寬度小于輸出uo的寬度TW，則Rp、Cp可以省略。

第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日工作過程1、穩(wěn)態(tài)（未加觸發(fā)信號(hào)之前）。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器無觸發(fā)信號(hào)時(shí)，ui=1。接通電源VCC的瞬間，電路有一個(gè)穩(wěn)定的過程，即電源VCC通過電阻R對(duì)電容C充電，當(dāng)uC上升到VCC時(shí)，比較器A的輸出為1（因?yàn)槠渫噍斎腚妷焊哂诜聪噍斎腚妷海簿褪腔綬S觸發(fā)器的R=1，而比較器B的輸出為0（因?yàn)閡i＞VCC，則其同相輸入電壓低于反相輸入電壓），即S=0，此時(shí)RS=10，

這使得基本RS觸發(fā)器的Q=1，輸出uo=0（都高出低），同時(shí)三極管VT導(dǎo)通，這時(shí)電容C開始通過VT放電，直至放電到6腳的電平Vi1=0＜VCC，而由于仍沒有觸發(fā)信號(hào)ui，故2腳電平ui仍大于VCC，即電路處于中間保持狀態(tài)，故輸出uo仍保持低電平，電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。這說明此時(shí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的穩(wěn)定狀態(tài)是低電平0。

第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日工作過程2、暫態(tài)（充電過程）。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)ui（負(fù)脈沖）到來時(shí)，Rp、Cp微分后的負(fù)尖脈沖使得2腳的電平Vi2低于比較器B的基準(zhǔn)電平，同時(shí)由于uC為0（前面已放電結(jié)束），故6腳的電平Vi1也低于比較器A的基準(zhǔn)電平，所以輸出uo=1（都低出高），三極管VT截止。此時(shí)電源VCC開始通過電阻R向電容C充電，在uC未達(dá)到VCC前，輸出uo始終為1，這個(gè)充電過程為電路的暫態(tài)過程。

3、恢復(fù)穩(wěn)態(tài)（放電過程）。隨著充電的不斷進(jìn)行，當(dāng)uC略大于VCC時(shí)，6腳的電平Vi1高于比較器A的基準(zhǔn)電平；而此時(shí)由于2腳的負(fù)尖脈沖早已過去，即Vi2也高于比較器B的基準(zhǔn)電平，故輸出uo為0（都高出低），三極管VT導(dǎo)通，電容C通過VT迅速放電，直至Vi1=0，使得輸出仍保持為0（中間保持），即電路又回到了原先的穩(wěn)定狀態(tài)，直到又有負(fù)脈沖ui到來。

第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形

(a)輸入波形；(b)Vi2波形；(c)輸出波形；(d)電容C的充放電波形

TW：

暫態(tài)持續(xù)時(shí)間

第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日由以上分析可以看出，暫態(tài)持續(xù)的時(shí)間（也就是輸出正脈沖TW的寬度）僅取決于電阻R和電容C的大小，根據(jù)三要素公式u(t)=u(∞)+[u(0+)-u(∞)]e，可求出時(shí)間t（即暫態(tài)持續(xù)時(shí)間TW）的表達(dá)式為

t=RCln

三要素公式中的τ為時(shí)間常數(shù)，它等于RC。根據(jù)前面對(duì)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作過程的分析，可以得到，uC(0+)=0V，uC(∞)=VCC，uC(t)=VCC（即uC(TW)=VCC），將這些數(shù)據(jù)帶入上式中可得

TW=RCln=RCln3=1.1RC

即單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)正脈沖寬度為

TW=1.1RC

第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日8.3.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要應(yīng)用1、波形整形在數(shù)字信號(hào)的采集、傳輸過程中，經(jīng)常會(huì)遇到不規(guī)則的脈沖信號(hào)。這時(shí)，可將不規(guī)則的脈沖信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)ui加到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端，合理選擇定時(shí)元件R和C的參數(shù)，即可在其輸出端產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了波形整形。

第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日2、定時(shí)由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能根據(jù)需要產(chǎn)生一定寬度TW的正脈沖輸出，因此常用作定時(shí)電路使用。即用計(jì)時(shí)開始信號(hào)去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，經(jīng)TW時(shí)間后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器便可給出到時(shí)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)TW時(shí)間的定時(shí)。例如用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器去控制某個(gè)照明電路的通電時(shí)間或控制某個(gè)加熱電路的加熱時(shí)間等。

3、延時(shí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度TW也稱為延遲時(shí)間。如在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端加一個(gè)負(fù)尖脈沖，輸出接一微分電路（其作用是將輸出脈沖變?yōu)榧饷}沖），則根據(jù)前面對(duì)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理的分析，可知，該輸入負(fù)尖脈沖經(jīng)過TW時(shí)間的延遲后，從單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端輸出，即實(shí)現(xiàn)了延時(shí)功能。

第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日8.4多諧振蕩器8.4.1多諧振蕩器的電路組成及工作原理

8.4.2石英晶體振蕩器（晶振）第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日8.4.1多諧振蕩器的電路組成及工作原理多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)電路，即其輸出狀態(tài)不斷在1和0之間變換，因而它無需外加觸發(fā)信號(hào)，便可自動(dòng)產(chǎn)生一定頻率的矩形波。它內(nèi)含豐富的高次諧波分量，故稱為多諧振蕩器。由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器右如圖所示。

第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日多諧振蕩器工作波形圖第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日多諧振蕩器工作原理：在電路接通的瞬間，uC=0，6腳和2腳的電位都低于兩個(gè)電壓比較器的基準(zhǔn)電平，所以輸出uo=1（都低出高），三極管VT截止，此時(shí)電源VCC開始通過電阻R1和R2向電容C充電。當(dāng)C充電到uC略大于VCC時(shí)，6腳和2腳的電位都高于兩個(gè)電壓比較器的基準(zhǔn)電平，此時(shí)輸出uo=0（都高出低），三極管導(dǎo)通，電容C將通過R2和VT進(jìn)行放電。在uC低于VCC之前，輸出uo始終為0（中間保持），若這段放電時(shí)間（即uC從VCC下降到VCC所需時(shí)間）用T2表示，則有

T2=R2Cln

第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日將uC

(0+)=VCC，uC

()=0，uC

(t)=VCC（即uC(T2)），帶入上式可求得放電時(shí)間

T2=R2Cln=R2Cln2=0.7R2C

當(dāng)C放電到uC略小于VCC時(shí)，6腳和2腳的電位都低于兩個(gè)電壓比較器的基準(zhǔn)電平，輸出uo=1，三極管截止，此時(shí)電源VCC又通過電阻R1和R2向電容C充電。當(dāng)充電到uC略大于VCC時(shí)，6腳和2腳的電位都高于兩個(gè)電壓比較器的基準(zhǔn)電平，使得輸出uo=0，三極管導(dǎo)通，又開始重復(fù)上述放電過程，如此反復(fù)在輸出端輸出矩形波。若充電時(shí)間（即uC從VCC上升到VCC所需時(shí)間）用T1表示，同理可近似求得

T1=0.7(R1+R2)C

綜上所述，可求得多諧振蕩器的振蕩周期為

T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日

占空比：是指一個(gè)周期內(nèi)高電平所占的比值。由前面分析知道，充電時(shí)間T1對(duì)應(yīng)輸出為高電平的時(shí)間，所以多諧振蕩器輸出矩形波的占空比D為

D==（只能產(chǎn)生占空比大于50%的矩形波）改進(jìn)后的右圖所示電路通過調(diào)節(jié)電位器RW可以產(chǎn)生占空比處于0～1的任意矩形波，其占空比可計(jì)算為

D=第三十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日多諧振蕩器的應(yīng)用

多諧振蕩器可以產(chǎn)生具有一定占空比的矩形方波，這個(gè)方波可用作時(shí)序電路中的時(shí)鐘脈沖CP，這是多諧振蕩器最基本的用途。在實(shí)際中，多諧振蕩器還有很多用處，例如下圖所示的模擬聲響發(fā)生器。第三十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日8.4.2石英晶體振蕩器（晶振）由555定時(shí)器構(gòu)成的方波發(fā)生器雖然工作可靠、調(diào)節(jié)方便，但振蕩頻率不能太高，一般不超過幾百千赫茲，且這種電路是靠電容的充放電形成振蕩的，易受溫度、電源電壓等外界條件的影響，因而所產(chǎn)生振蕩信號(hào)的頻率穩(wěn)定性較差。在頻率要求高、且對(duì)頻率穩(wěn)定性要求也較高的場合，常采用由石英晶體構(gòu)成的振蕩電路（簡稱晶振電路）來生成振蕩信號(hào)。石英晶體的符號(hào)如圖(a)所示，它是將切成薄片的石英晶體置于兩平板之間構(gòu)成的，這種特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)使它具有圖(b)所示的頻率特性（圖中f0是石英晶體的固有諧振頻率，X指石英晶體的阻抗）。

第三十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日

由頻率特性圖可以看出，當(dāng)外加電壓信號(hào)的頻率等于石英晶體的固有諧振頻率f0時(shí)，石英晶體的阻抗最小，也就是說頻率為f0的電壓信號(hào)最容易通過石英晶體，而其他頻率