脈沖波形的產(chǎn)生和整形專業(yè)知識講解培訓(xùn)課件

脈沖波形的產(chǎn)生和整形專業(yè)知識講解第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形6.1概述6.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.2施密特觸發(fā)器6.4多諧振蕩器6.5555定時器及其應(yīng)用6.1概述數(shù)字電路區(qū)別于模擬電路的主要特點(diǎn)之一是：它的工作信號是離散的脈沖信號。最常用的脈沖信號是方波(矩形波)。如何產(chǎn)生方波以及對不理想的方波如何整形，是本章討論的重點(diǎn)。+VCCFS按鈕按放一次，便產(chǎn)生一個單脈沖。

但是，由于按鈕S機(jī)械動作經(jīng)常伴有抖動現(xiàn)象，使得輸出的方波很不理想，毛刺很大。這樣的方波用到數(shù)字系統(tǒng)中很容易引起誤動作。因此，這個電路沒有實(shí)用價值。脈沖周期T…周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖之間的時間間隔。脈沖幅度Vm…脈沖電壓的最大變化幅度。脈沖寬度tW…從脈沖前沿到達(dá)0.5Vm起，到脈沖后沿到達(dá)0.5Vm止的一段時間。上升時間tr…脈沖上升沿從0.1Vm上升到0.9Vm所需要的時間。下降時間tf…脈沖下降沿從0.9Vm下降到0.1Vm所需要的時間。占空比q…脈沖寬度與脈沖周期的比。6.2施密特觸發(fā)器特點(diǎn)：第一，輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。第二，在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。6.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器用CMOS反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

（a）電路（b）圖形符號工作過程：當(dāng)輸入從0逐漸升高并達(dá)到正反饋過程：結(jié)果：電路的狀態(tài)迅速地轉(zhuǎn)換為電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平：當(dāng)輸入從0逐漸升高并達(dá)到正反饋過程：結(jié)果：電路的狀態(tài)迅速地轉(zhuǎn)換為稱為正向閾值電壓電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平：稱為負(fù)向閾值電壓0.50.51.01.01.51.52.02.02.52.53.03.03.53.54.04.0ABCDE2.4V0.4VOL（max）VOH（min）VVoViOFFVONV(V)(V)A(0V,3.6V)B(0.6V,3.6V)C(1.3V,2.48V)D(1.4V,0.3V)E(3.6V,0.3V)電壓傳輸特性曲線1、AB段（截止區(qū)）2、BC段（線性區(qū)）3、CD段（過渡區(qū)）4、DE段（飽和區(qū)）輸出高電平輸出低電平（a）同相輸出（b）反相輸出電壓傳輸特性通過改變電阻的比值可以調(diào)節(jié)回差電壓的大小。例如圖所示，如果要求解用TTL門電路接成的施密特觸發(fā)器6.2.2集成施密特觸發(fā)器帶與非功能的TTL集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器7413的電壓傳輸特性CMOS集成施密特觸發(fā)器CC40106集成施密特觸發(fā)器CC40106的特性（a）電壓傳輸特性（b）VDD對VT＋、VT－的影響用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)波形變換6.2.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用一、用于波形變換用施密特觸發(fā)器對脈沖整形二、用于脈沖整形用施密特觸發(fā)器鑒別脈沖幅度三、用于脈沖鑒幅單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器簡稱單穩(wěn)。它的突出特點(diǎn)是:輸出端只有一個穩(wěn)定狀態(tài),另一個狀態(tài)則是暫穩(wěn)態(tài).加入觸發(fā)信號后,它可以由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài),但是,經(jīng)過一定時間以后,它又會自動返回原來的穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)暫穩(wěn)態(tài)由外界觸發(fā)自動返回6.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器特點(diǎn)：第一、它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(tài)；第二、在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，再自動返回穩(wěn)態(tài)；第三、暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。學(xué)習(xí)的重點(diǎn):為什么會自動返回?需多少時間?6.3.1用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)時：當(dāng)觸發(fā)脈沖加到輸入端時：當(dāng)vd上升到VTH后，引發(fā)一個正反饋過程電容C開始充電。當(dāng)vI2＝VTH時，引發(fā)另一個正反饋過程電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)：電路恢復(fù)到穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)：電容通過電阻R放電。電壓波形圖電容C充電的等效電路電容C放電的等效電路二、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器0tuiuo1uAuo20t0t0tt1當(dāng)ui

發(fā)生正跳變后,uo1跟著負(fù)跳變;但uA不能突變，uo2立即下跳。在ui正脈沖到來以前，uo1是高電平，uo2是高電平。uo1uo2RC1＆uiuA0tuiuo1uAuo20t0t0tt1uo1下跳后，C放電，uA下降。VTHuA=VTH時，uo2上跳。之后uA繼續(xù)下降。uo1uo2RC12uiAui正脈沖過后，uo2隨后恢復(fù)高電平。0tuiuo1uAuo20t0t0tt1UTuo1uo2RC12uiAW在ui合理的配合下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖（uo2）的寬度W，取決于電容的放電速度。即R、C參數(shù)的大小。6.3.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成化單穩(wěn)組件的類型很多,以下以74LS121為例,作為介紹對象。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的工作波形圖集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的外部連接方法（a）使用外接電阻Rext（下降沿觸發(fā)）

（b）使用內(nèi)部電阻Rint（上升沿觸發(fā)）它的管腳圖和功能表見下頁:74LS123包括兩個獨(dú)立的單穩(wěn),各管腳以字頭1、2相區(qū)別。單穩(wěn)輸出脈沖的寬度，主要由外接的定時電阻(RT

)和定時電容(CT

)決定。單穩(wěn)的翻轉(zhuǎn)時刻決定于A、B、CLR三個輸入相與的結(jié)果，具體參見它的功能表。91615141312111024365781CLRCLRQQQQ2B2A1B1A2Q1Q1Q2Q1CLR2CLR1CT2CTVCCGND2RT/CT1RT/CT74LS123管腳圖CLRABQQ說明000000011111111穩(wěn)態(tài)觸發(fā)74LS123功能表74LS123輸出脈沖的寬度有三種控制方法:1.基本脈沖寬度由外接電阻(RT

)、電容(CT

)決定，當(dāng)CT

>1000PF時，脈寬tW

應(yīng)為：tW

=0.45RT

CT

2.在清零端(CLR

)加清0負(fù)脈沖,可提前終止輸出脈沖,如下圖所示:tWCLRQ單位：RT:k、CT:Pf、tW:nS3.通過在A端或B端加再觸發(fā)脈沖,可使輸出脈沖的寬度加寬:tWtWBQ由于這種單穩(wěn)可以通過加再觸發(fā)脈沖增大輸出脈沖的寬度,所以,它被稱為可再觸發(fā)式單穩(wěn)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)的應(yīng)用多種多樣,如:整形、延時控制、定時順序控制等等。例如“延時控制”利用單穩(wěn)可以取得延時作用,延長的時間可以通過R、C調(diào)節(jié)。請看下例:矩形波發(fā)生器又稱多諧振蕩器。它是一種自激振蕩器，在接通電源以后，不需要外加觸發(fā)信號，便能自動產(chǎn)生矩形脈沖。6.4.1對稱式多諧振蕩器對稱式多諧振蕩器是由兩個反相器經(jīng)耦合電容連接起來的正反饋振蕩回路。6.3多諧振蕩器對稱式多諧振蕩器電路電路沒有穩(wěn)定狀態(tài)。使得反相器工作在放大狀態(tài)，只要輸入有極微小的擾動，就會被正反饋回路放大而引起振蕩。TTL反相器（7404）的電壓傳輸特性計算TTL反相器靜態(tài)工作點(diǎn)的等效電路多諧振蕩器工作原理外界干擾引起的正反饋過程：進(jìn)入第一個暫穩(wěn)態(tài)同時C1開始充電而C2開始放電電路中電容的充、放電等效電路

（a）C1充電的等效電路（b）C2放電的等效電路進(jìn)入第二個暫穩(wěn)態(tài)C1充電使vI2首先上升到G2閾值電壓VTH，并引起如下正反饋過程：同時C2開始充電而C1開始放電電路中各點(diǎn)電壓的波形第一個暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間T1多諧振蕩器周期T＝2T16.4.2非對稱式多諧振蕩器非對稱式多諧振蕩器電路非對稱式多諧振蕩器工作原理CMOS反相器靜態(tài)工作點(diǎn)的確定電容的充、放電等效電路（a）放電的等效電路（b）充電的等效電路工作波形圖利用邏輯門電路的傳輸延遲時間，將奇數(shù)個與非門首尾相接，就可以構(gòu)成一個簡單的環(huán)形振蕩器:&&&uo3uo2uo16.4.3環(huán)形振蕩器&&&321uo3uo2uo1設(shè)uo3

的初始狀態(tài)為0:010101用波形圖來表示,則為:0tuo3優(yōu)點(diǎn):電路結(jié)構(gòu)簡單,所用元件少。缺點(diǎn):頻率太高,并且不可調(diào)整。123RRS100CAuo1uouo2321uo3uo2uo1在原電路的基礎(chǔ)上添加RC延時電路,便可以克服上圖的不足:下面將結(jié)合它的工作波形說明其工作原理:0tuo0tuo20tuo10tuAUT假設(shè)：開始時uo=0電容上的電流，uA下降uA>UT時，uo不反轉(zhuǎn)。123RRS100CAuo1uouo20100tuo0tuo20tuo10tuAUT當(dāng)uA=UT時，uo反轉(zhuǎn)，uo1、uo2也一起反轉(zhuǎn)。123RRS100CAuo1uouo20tuo0tuo20tuo10tuAUT由于電容電壓不能突變,當(dāng)uo1

發(fā)生下跳時,uA有一突變。U123RRS100CAuo1uouo20tuo0tuo20tuo10tuAUTUt1

后，uo2>uo1，電容反向充電,uA上升。只要uA<UT，uo就不反轉(zhuǎn)。t1123RRS100CAuo1uouo20tuo0tuo20tuo10tuAUTU當(dāng)uA=UT時(t2)，uo、uo1、uo2再次反轉(zhuǎn)。t2123RRS100CAuo1uouo20tuo0tuo20tuo10tuAUTU由于uo1上跳，電容電壓不能突變，所以uA上跳，然后uA開始下降電流方向123RRS100CAuo1uouo2T0tuo0tuo20tuo10tuAUTU輸出信號的周期近似為:T=2.2RC123RRS100CAuo1uouo26.4.4用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器電壓波形圖脈沖占空比可調(diào)的多諧振蕩器6.4.5石英晶體多諧振蕩器石英晶體的電抗頻率特性和符號石英晶體多諧振蕩器

555定時器是將模擬電路和數(shù)字電路集成于一體的電子器件。它使用方便,帶負(fù)載能力較強(qiáng),目前得到了非常廣泛的應(yīng)用。6.5.1555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能

555定時器的內(nèi)部電路包括以下幾部分:一個由三個相等電阻組成的分壓器;兩個電壓比較器:C1、C2

;一個RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管TD組成。具體的結(jié)構(gòu)見后圖。6.5555定時器及其應(yīng)用CB555的電路結(jié)構(gòu)圖RSQQ++--C1C2VCCTHCOTRDuoRD87645321RRR12345678555VCCDTHCOGNDTRUoRD電源放電閾值電控壓制地觸發(fā)輸出復(fù)位電源電壓范圍:4.5V~18V管腳圖CORSQQ++--C1C2VCCTHTRDTuoRD87645321RRR三個電阻構(gòu)成的分壓器給兩個比較器提供基準(zhǔn)電壓:C1

的為2VCC

/3,C2

的為VCC

/3。首先討論上圖中彩色部分的電路的工作原理。101000閾值端觸發(fā)端THTRRS比較的結(jié)果2VCC

/3小于2VCC

/3小于VCC

/3大于VCC

/3小于VCC

/3大于大于2VCC

/3SR++--C1C2VCCTHCOTR876521RRR閾值端觸發(fā)端RSQQ++--C1C2VCCTHCOTRDTuoRD87645321RRR晶體管TRSQuo100100保持0110保持保持導(dǎo)通截止RSQ1001000101保持保持Q11禁止禁止RS觸發(fā)器功能表附錄:綜合以上的分析結(jié)果,便可得到555的功能表:閾值端觸發(fā)端THTR2VCC

/3VCC

/3大于大于2VCC/32VCC/3VCC

/3VCC/3小于小于小于大于保持保持RD晶體管Tuo0111001導(dǎo)通導(dǎo)通截止RSQQ++--C1C2VCCTHCOTRDuoRD87645321RRR用555定時器接成的施密特觸發(fā)器6.5.2用555定時器接成的施密特觸發(fā)器1、分析輸入從0逐漸升高的過程：2、再看輸入從高電平下降的過程：電壓傳輸特性用555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.5.3用555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電壓波形圖單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器:洗相曝光定時器48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS若S打開,則ui

=1;若S合上,則ui

=0。0t0t0tuiuCuo2VCC

/3TW若S打開,則ui

=1;若S合上,則ui

=0。接通電源后，設(shè)按鈕S處于打開狀態(tài),電容已充電至穩(wěn)態(tài)。則：依前分析可知：此時uo

=0,555內(nèi)的晶體管T導(dǎo)通,電容CT被短路,TH<2VCC/3、TR>VCC/3。Uo保持0狀態(tài)。48162357uouiVCCRRTCTDTHTRSTR>VCC/3。若S打開,則ui

=1;若S合上,則ui

=0。0tuiuo=0,555內(nèi)的管T導(dǎo)通,電容CT被短路。0tuCT2VCC/30tuo48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS一旦uCT>2VCC/3,且按鈕已松開，TR>VCC

/3,則uo=0;555內(nèi)的晶體管T也由截止變成導(dǎo)通,電容CT迅速放電而變成0V。0tui0tuCT2VCC

/30tuo48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS0tui0tuCT2VCC/30tuo由以上過程可以看出:按鈕每按動一次,uo便輸出一個正脈沖,其寬度TW

由RTCT決定。TW48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS48162357uouiVCCRRTCTDTHTRSJJ~紅白D1D2按一次按鈕

S未按uo0J的線圈不通電J的結(jié)點(diǎn)不動作紅燈白燈亮滅1通電閉合亮滅紅燈亮的時間即為曝光時間TWTW=1.1RT

CT6.5.4用555定時器接成的多諧振蕩器電壓波形圖用555定時器組成的占空比可調(diào)的多諧振蕩器設(shè)計的多諧振蕩器(3)多諧振蕩器:簡易電子琴電路48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCCuC0tVCC

/32VCC

/3首先說明如何用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器:0tuo輸出波形設(shè)電容C原先未充電,故TH=TR<VCC/3,此時uo

=1,555內(nèi)的晶體管T截止,電源通過R1

和R2

對電容C充電。uC0tVCC

/32VCC

/30tuo在uC沒有充電到2VCC/3之前,uo

保持

1不變。48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCCuC0tVCC

/32VCC

/30tuouC一旦充至2VCC/3，則TH=TR=2VCC

/3、uo由1翻轉(zhuǎn)為0。同時555內(nèi)的晶體管T導(dǎo)通,電容C經(jīng)R2、T放電,一直至VCC

/3，使得uo

回到1,進(jìn)入循環(huán)...t1t2t3在uC沒有充電到2VCC/3之前,uo

保持

1不變。48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC0tuouC0tVCC

/32VCC

/3T1T2輸出方波的周期

T的計算:T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC0