脈沖產(chǎn)生與整形電路

脈沖產(chǎn)生與整形電路第1頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四6.1概述

數(shù)字電路中，為了控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作，常常需要時鐘脈沖信號。獲得時鐘脈沖的方法有：1.利用多諧振蕩器直接產(chǎn)生。2.通過整形電路變換而成。整形電路又分為兩類：施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。整形電路可以使脈沖的邊沿變陡峭，或形成規(guī)定的矩形脈沖。第2頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四Um0.9Um0.5Um0.1UmTwTtrtf表述矩形脈沖性能指標(biāo)的主要參數(shù)：周期T——周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖間的時間間隔頻率f=1/T，

代表單位時間內(nèi)脈沖重復(fù)的次數(shù)。第3頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四下降時間tf——脈沖從0.9Um下降到0.1Um所需的時間Um0.9Um0.5Um0.1UmTwTtrtf脈沖幅度Um——脈沖電壓最大變化的幅值脈沖寬度Tw——從脈沖前沿0.5Um始，到脈沖后沿0.5Um止的一段時間上升時間tr——脈沖從0.1Um上升到0.9Um所需的時間第4頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四6.2施密特觸發(fā)器

UT=UT+-UT-稱為回差電壓

施密特觸發(fā)器是一種重要的脈沖整形電路，施密特觸發(fā)器能把變化緩慢的波形變換成矩形脈沖。輸入電壓上升的翻轉(zhuǎn)電平為上限閾值電平UT+輸入電壓下降的翻轉(zhuǎn)電平為下限閾值電平UT-1.基本概念第5頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四輸入和輸出為同相關(guān)系的稱為同相施密特觸發(fā)器

輸入和輸出為反相關(guān)系的稱為反相施密特觸發(fā)器2.施密特觸發(fā)器的傳輸特性第6頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四6.2.1門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器設(shè)UT≈VDD/2，且R1<R21G1G2R2R1uIuO1.CMOS非門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器1第7頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四2.施密特觸發(fā)器的工作原理uOUT+UT–tuI的波形圖uIO(1)當(dāng)uI=0時，有VDD，uO0當(dāng)uI增加到使=UT時，產(chǎn)生如下正反饋過程:隨著uI上升，也上升，且有

uIR2/(R1+R2)1G1G2R2R1uIuO1第8頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四在極短時間內(nèi)，電路翻轉(zhuǎn)為uO

VDD。此時由可求得電路的上限閾值電壓UT+=(1+R1/R2)UT同理，uI=VDD時，uO

VDD=UT+R2/(R1+R2)=UT(2)當(dāng)uI從高電平下降達(dá)到使=UT時，可求得電路的下限閾值電壓:UT-=(1－R1/R2)UT(3)觸發(fā)器的回差電壓UT=UT+–UT-=2UT

R1/R2

可見，電路輸出的狀態(tài)由輸入電壓的大小決定，改變R1和R2就可調(diào)節(jié)回差電壓UT的大小。第9頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四(4)波形圖UT+UT–ttuO波形圖uIOO1G1G2R2R1uIuO1第10頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四6.2.3施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例1.脈沖整形電路

在數(shù)字測量和控制系統(tǒng)中，由傳感器送來的信號波形邊沿較差，利用施密特電路可以對這些信號進(jìn)行整形。t脈沖整形波形圖ttuIuOUT+UT–uItuOUT+UT–OOOO第11頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四2.脈沖變換電路

利用這一特點，施密特電路可以把變化比較緩慢的正弦波、三角波等變換成矩形脈沖信號。一種變換波形圖

由于施密特電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換速度極快，輸出矩形波的前后沿總是很陡峭。uIuOVDDUT+UT–VDDttOO第12頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四3.鑒幅電路

在一串幅度不相等的脈沖信號中，如果要剔除幅度不夠大的脈沖,此時可利用施密特觸發(fā)器。uIuOUT+UT–鑒幅電路第13頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四例6.2.1由CMOS反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如圖所示，設(shè)VTH＝3V，VDD＝6V，輸入電壓為峰－峰值6V的三角波。試畫出輸出電壓vo的波形，注明VT＋和VT－的大小，并求回差電壓△VT。解：閾值電壓為第14頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四回差電壓為：△VT＝VT＋－VT－

＝4.5-1.5=3V第15頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四6.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器常用于數(shù)字系統(tǒng)的整形、延時和定時電路中。1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點：

暫穩(wěn)態(tài)的時間取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度無關(guān)。2.在觸發(fā)脈沖的作用下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過時間tw后又自動翻回穩(wěn)態(tài)，并在輸出端產(chǎn)一個寬度為tw的矩形脈沖。第16頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四微分電路（高通濾波電路）輸出電壓與電流成微分關(guān)系

補充微積分電路第17頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)微分電路輸入方波信號時，輸出波形應(yīng)如何？設(shè)RC＜＜TW

第18頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四積分電路第19頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四6.3.1微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖6.3.1是由CMOS門電路G1、G2和Rd、Cd微分電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。設(shè)VOH≈VDD，VOL≈0，且CMOS門的轉(zhuǎn)折電壓為VTH≈VDD/2，圖6.3.1第20頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四a.無觸發(fā)信號時，電路處于穩(wěn)態(tài)，vo=0

在穩(wěn)態(tài)下vI=0，vI2=VDD，故vo=0，vo1=VDD，電容C兩端無電壓，vc=0b.外加觸發(fā)信號時，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)

當(dāng)輸入信號vI加觸發(fā)脈沖時，在Rd、Cd組成的微分電路輸出端得到很窄的正負(fù)脈沖vd，如圖6.3.2波形所示。圖6.3.2第21頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)vI上升，vd也隨之上升，當(dāng)上升到VTH后，此時存在下列正反饋：圖6.3.2則vo1迅速跳變?yōu)榈碗娖?，由于電容電壓不能躍變，故vI2同時為低電平，使得輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，此時電路進(jìn)入暫態(tài)，電容隨后開始充電暫態(tài)第22頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四c.電容充電，電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返回至穩(wěn)態(tài)電源VDD通過R和G1門的輸出電路給電容C充電隨著vI2的增加，當(dāng)增加到vI2＝VTH，產(chǎn)生另一正反饋，即此時vo1和vI2迅速跳變?yōu)楦唠娖剑娐否R上翻為穩(wěn)態(tài)，即vo＝0圖6.3.2第23頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四此時電容C通過R和G2門的輸入保護(hù)電路很快放電，直到電容電壓為0，電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。圖6.3.2C放電電路C放電第24頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四1、輸出的脈沖寬度為參數(shù)計算2.恢復(fù)時間TreTre≈（3～5）RC

3.最高工作效率fmax

在暫穩(wěn)態(tài)期間Tw和恢復(fù)時間Tre內(nèi)，電路不得響應(yīng)觸發(fā)信號。因此，2個觸發(fā)信號之間的最小時間間隔為： Td=Tw+Trefmax=第25頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四6.3.2、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

圖6.3.3為由TTL與非門、反相器及RC積分電路構(gòu)成的積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。用于正脈沖觸發(fā)。a.無觸發(fā)信號時，電路處于穩(wěn)態(tài)當(dāng)vI＝0時，輸出電壓vo＝VOH為高電平,vo1＝VOH，vo1通過R很快給電容C充電到vA＝VOH（R值比較?。゜.當(dāng)有正脈沖輸入后，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)vI由低電平轉(zhuǎn)為高電平時，vo1＝VOL。由于電容不能突變，vA仍保持高電平，使得輸出vo＝VOL為低電平，電路進(jìn)入暫態(tài)過程，此時電容C放電第26頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四圖6.3.4其輸出波形如圖6.3.4所示穩(wěn)態(tài)暫態(tài)電容放電c.電容放電，電路回到穩(wěn)態(tài)

隨著電容C的放電，vA下降到G2門的開啟電壓VTH時，輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，回到穩(wěn)定狀態(tài)（“1”）。當(dāng)vI回到低電平后，vo1重新為高電平，并向電容C充電。第27頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四輸出的脈沖寬度為圖6.3.4C放電回路第28頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四6.4多諧振蕩器

由于輸出的矩形波中含有很多諧波分量，故通常將它稱為多諧振蕩器，又稱方波發(fā)生器。

多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)電路，它在接通電源以后，不需外加觸發(fā)信號，就能自動地不斷來回翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生矩形脈沖。第29頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四11uIuO1uF1.TTL集成門電路構(gòu)成的多諧振蕩器這些門組成一個環(huán)形，所以稱為環(huán)形振蕩器。它是利用門電路的時延tpd來產(chǎn)生方波振蕩的。(1)電路的組成(2)工作原理a.先假設(shè)在虛線所示處斷開。b.在uI處輸入一方波，經(jīng)過時延tpd之后，得uO的波形。uO與uI比較，除延遲tpd外，兩者反相。環(huán)形振蕩器的工作波形uIuOtpd6.4.1集成門電路構(gòu)成的多諧振蕩器第30頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四c.uO再經(jīng)過兩個非門總共2tpd時延之后，得uF

波形。uIuOuFtpd2tpd環(huán)形振蕩器的工作波形若uI的周期為6tpd，則uI與uF波形同相。此時,若把uF直接作為uI時，電路就可以自激。(3)振蕩周期振蕩器的振蕩周期取決于tpd及環(huán)路中非門的個數(shù)。圖示電路的振蕩頻率為同理若將任何大于、等于3的奇數(shù)個反相器首尾相聯(lián)成環(huán)形電路，都你能產(chǎn)生自激振蕩，且周期為第31頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四a.TTL非門的tpd約為幾十納秒，自激振蕩的頻率較高。(4)電路特點為了降低振蕩頻率，通常在環(huán)形通路中串入RC延時環(huán)節(jié)。b.振蕩頻率無法調(diào)節(jié)。第32頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四2.CMOS集成門電路構(gòu)成的多諧振蕩器(1)電路的組成(a)電路圖(b)傳輸特性曲線

此時，由于uO1即為uI2,G2也工作在電壓傳輸特性曲線的轉(zhuǎn)折區(qū)。

圖中R的選擇應(yīng)使G1工作在電壓傳輸特性曲線的轉(zhuǎn)折區(qū)。第33頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四(2)工作原理a.若uI有正向擾動，必然引起下述正反饋過程

此時，電容C通過R到uO1放電，進(jìn)而通過uO2反向充電。

使uO1迅速變成低電平，而uO2迅速變成高電平，電路進(jìn)入第一暫穩(wěn)態(tài)。uO1uIuO2b.隨著電容C的放電，uI不斷下降，當(dāng)達(dá)到uI=UT(VDD/2)時,電路又經(jīng)歷另一個正反饋過程uO1uIuO2

從而使uO1迅速變成高電平，uO2迅速變成低電平，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)。同時，電容C通過uO1、R、C和uO2充電。c.隨著電容C的不斷充電，uI不斷上升，當(dāng)達(dá)到uI≤UT時,電路又迅速躍變到第一暫穩(wěn)態(tài)。

如此周而復(fù)始，電路不停地在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生方波輸出。第34頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四(2)工作波形電路的振蕩周期為T=1.4RC(3)電路的振蕩周期第35頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四6.4.2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間常數(shù)RC有關(guān)，而且還取決于門電路的閾值電壓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)對頻率穩(wěn)定性要求較高的場合。１９２２年美國卡第提出用石英壓電效應(yīng)調(diào)制電磁振蕩的頻率。巴黎廣播電臺首先用嚴(yán)濟(jì)慈制作的石英振蕩片實現(xiàn)了無線電播音中的穩(wěn)頻，隨后各國相繼采用，使無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)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第36頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四由電抗頻率特性可知，當(dāng)外加電壓頻率為fo時，其阻抗最小，此頻率的信號最易通過，其他頻率被衰減，故振蕩器的工作再頻率fo處。第37頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四圖為對稱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、電阻和門電路的閾值電壓無關(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)10-10～10-11。目前石英晶體已被制成標(biāo)準(zhǔn)化和系列化出售。第38頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四6.5555定時器及其應(yīng)用555定時器是一種中規(guī)模集成電路，目前在儀器、儀表和自動化控制裝置中應(yīng)用很廣。555定時器可以組成定時、延時和脈沖調(diào)制等各種電路。第39頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四6.5.1555定時器(1)TTL集成定時器NE555的電路結(jié)構(gòu)和符號。8個引出端：①接地端⑧正電源端④復(fù)位端⑥高觸發(fā)端②低觸發(fā)端⑦放電端③輸出端⑤電壓控制端第40頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四電路組成：①電阻分壓器②電壓比較器（A1和A2）③基本RS觸發(fā)器④放電管T⑤輸出緩沖級A1的同相輸入端接參考電壓VREF1=2VCC/3A2的反相輸入端接參考電壓VREF2=VCC/3在高、低觸發(fā)端輸入電壓的作用下，A1和A2的輸出電壓uO1和uO2的數(shù)值不是高電平就是低電平，它們作為基本RS觸發(fā)器的輸入信號。第41頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四(2)555集成定時器的工作原理第42頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四6.5.2用555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器THRDTRGNDOUTC–UVCCuI+VCCuO1.施密特觸發(fā)器的構(gòu)成第43頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四2.施密特觸發(fā)器的工作原理tOuIuOtOVCC2/3VCC1/3VCC

輸入、輸出波形THRDTRGNDOUTC–UVCCuI+VCCuO第44頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四VT+=UT=2VCC/3VT-=UTL=VCC/3VT=VCC/33.電壓傳輸特性

如果在C-V端施加直流電壓，則可調(diào)節(jié)滯回電壓UT值?？刂齐妷涸酱?，滯回電壓UT也越大；回差大，電路的抗干擾能力強。UT–OuIuOUOHUOLUT+第45頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四6.5.3用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.電路組成TH(6)RDTR(2)GNDOUTC–UVCCC+VCCuO555DIS(7)RuIuC+-第46頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四2.工作原理(1)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)信號uI處于高電平電路處于穩(wěn)態(tài)uO為低電平放電管T導(dǎo)通電容C兩端電壓uC=0(2)暫穩(wěn)態(tài)外加觸發(fā)信號uI的下降沿到達(dá)時輸出uO為高電平T截止，VCC開始通過電阻R向電容C充電。uC按指數(shù)過規(guī)律不斷上升，趨向值uC(∞)=VCCTH(6)RDTR(2)GNDOUTC–UVCCC+VCCuO555DIS(7)RuIuC+-第47頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路將返回到初始的穩(wěn)態(tài)。(3)uI的觸發(fā)負(fù)脈沖消失后，u2回到高電平期間在uO一直保持高電平不變，電路維持在暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)uC上升到時，輸出uO為低電平，放電端導(dǎo)通。(4)恢復(fù)期放電管T導(dǎo)通后，電容C通過T迅速放電，使uC≈0，電路又恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。恢復(fù)期tr由下式?jīng)Q定：其中rd為放電管導(dǎo)通時呈現(xiàn)的電阻，一般R>>rd，所以恢復(fù)期很短。TH(6)RDTR(2)GNDOUTC–UVCCC+VCCuO555DIS(7)RuIuC+-第48頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四

輸出脈沖寬度tW是暫穩(wěn)態(tài)的停留時間，根據(jù)電容C的充電過程可知：3.輸出脈沖寬度tWtW充電放電OuIuOtO2/3VCC1/3VCCuCOtt第49頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四4、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用舉例一、延時與定時1.延時1uIuO&uOuFuIuOtW2.定時選通uFuO二、整形uIuO第50頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四6.5.4555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器1.電路組成TH(6)RDTR(2)GNDOUTC–UVCCC+VCCuO555DIS(7)R1uCR2+－TH(6)RDTR(2)GNDOUTC–UVCCC+VCCuO555DIS(7)R1uCR2+－TH(6)RDTR(2)GNDOUTC–UVCCC+VCCuO555DIS(7)R1uCR2+－TH(6)RDTR(2)GNDOUTC–UVCCC+VCCuO555DIS(7)R1uCR2+－TH(6)RDTR(2)GNDOUTC–UVCCC+VCCuO555DIS(7)R1uCR2+－第51頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四2.工作原理(1)由于接通電源前，電容器兩端電壓uC=0，電源剛接通時uO輸出高電平，放電端截止，電源VCC通過R1、R2

給電容C充電，uC逐漸增高。其暫態(tài)過程為當(dāng)時輸出電壓uO一直保持高電平不變，這就是第一個暫穩(wěn)態(tài)。TH(6)RDTR(2)GNDOUTC–UVCCC+VCCuO555DIS(7)R1uCR2+－第52頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四(2)當(dāng)uC略微超過(即u6和u2均大于等于)時此時電容C通過R2和T放電。uO從高電平翻轉(zhuǎn)到低電平，即uO=0，放電管T飽和導(dǎo)通。隨著電容C放電，uC下降。當(dāng)≤時uO持低電平，這是第二個暫穩(wěn)態(tài)。(3)當(dāng)uC下降到略微低于時，電路輸出又變?yōu)閡O=1。T截止，電容C再次充電，又重復(fù)上述過程，電路輸出便得到周期性的矩形脈沖。TH(6)RDTR(2)GNDOUTC–UVCCC+VCCuO555DIS(7