第九章 脈沖波形的產(chǎn)生與變換（課件）西科大版

【知識目標(biāo)】第九章脈沖波形的產(chǎn)生與變換1.掌握鋸齒波的參數(shù)，理解鋸齒波發(fā)生器基本原理。2.掌握RC微分電路、RC積分電路的組成形式、工作原理和波形變換形式。3.了解單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩電路的電路形式、工作原理。4.了解555集成應(yīng)用電路工作原理，掌握其工作特點?！炯寄苣繕?biāo)】1.會搭建單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩電路。2.會使用電子儀表儀器測試單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩電路。9.1常見的脈沖產(chǎn)生電路9.1.1鋸齒波發(fā)生器

鋸齒波電壓信號是指電壓升降如鋸齒的周期性信號。電壓上升過程所占時間比較長的稱為正向鋸齒波，電壓下降過程所占時間較長的稱為負(fù)向鋸齒波。（a）正向鋸齒波（b）反向鋸齒波圖9.1.1鋸齒波電壓信號1.鋸齒波發(fā)生器的參數(shù)圖9.1.2鋸齒波主要參數(shù)（1）掃描期T1：要求在T1時間內(nèi)電壓隨時間線性變化。（2）回掃期TB：電壓在此期間迅速回到起始值，要求越小越好。（3）休止期TN：是掃描結(jié)束到下次掃描開始的間隔時間。（4）恢復(fù)期T2：T2=TB+TN（5）重復(fù)周期T：T=T1+T2（6）頻率f：f=

1/T（7）掃描幅度Vm：掃描期內(nèi)電壓的幅值。2.鋸齒波電壓發(fā)生器基本原理

（a）簡單鋸齒波電壓產(chǎn)生電路

（b）充放電波形圖圖9.1.3產(chǎn)生鋸齒波電壓原理圖開關(guān)S閉合時，電容上的電壓為零，即vC=0。若將S斷開，則電容C開始充電，時間常數(shù)τ=RC，Vc按指數(shù)規(guī)律上升，經(jīng)短暫時間T1(T1《τ)后，再合上S，電容器被短路而快速放電。如果不斷重復(fù)上述過程，就得到一連串鋸齒波電壓，如圖9.1.3(b)所示。

（a）電路結(jié)構(gòu)

（b）振蕩波形

圖9.1.4三極管控制的電壓鋸齒波發(fā)生器工作原理：當(dāng)輸入低電平時，三極管V截止，+VG通過R向電容器C充電，輸出電壓VO=VC逐漸上升，當(dāng)時間常常τ=RC遠(yuǎn)大于輸入脈沖周期時，VO的上升基本上呈線性。當(dāng)輸入為高電平時，三極管V飽和導(dǎo)通，電容器C通過三極管V放電，最終使VO=VCES。當(dāng)輸入脈沖再一次為低電平時，三極管V再截止一次，電容器再一次充電，如此反復(fù)，就會在電容器C的兩端產(chǎn)生鋸齒波電壓輸出。3.自舉補償鋸齒波電路圖9.1.5自舉補償鋸齒波電路C1為容量很大的電容器，+VG通過V3、C1、Re對電容器C1充電后，C相當(dāng)于一個電源，V2是射極跟隨器，其射極輸出電壓和它的基極輸入電壓VC（電容器C上端電壓）同相且相等，二極管V3起隔離+VG與H點電位的作用，V1起開關(guān)作用。當(dāng)V1截止時，+VG通過二極管V3、電阻器R對電容C充電，V2輸出鋸齒波正程電壓；當(dāng)V1飽和導(dǎo)通時，電容器C通過V1迅速放電，V2輸出鋸齒波逆程電壓。同時+VG通過V3、C1、Re對C1再充電補足被放掉的電荷。因二極管V3的正向壓降較小，故VC1可充至+VG，以上過程不斷反復(fù)就能連續(xù)輸出鋸齒波電壓。*9.1.2RC波形變換電路在脈沖電路中經(jīng)常用到的由R和C構(gòu)成的簡單電路，叫RC電路。RC電路主要用于脈沖波形變換，常用電路有微分電路、積分電路。1.RC電路的充放電過程

圖9.1.6電容器的充放電電路1）充電過程

設(shè)圖中的開關(guān)S原來2、3觸點閉合，

當(dāng)開關(guān)S的2、1觸點閉合后，電壓VG通過電阻R對電容器C充電，在充電開始的瞬間，而電阻R上的電壓也最大，有

隨著電容器C上的電荷積累，電壓VC隨之上升，而VR隨之下降，所以ic也逐漸下降。

(a)充電電壓波形式(b)充電電流波形圖9.1.7電容器充電波形2）放電過程

在電容器充電結(jié)束后，將開關(guān)S的2、3觸點閉合，電容器將通過電阻R放電。開始瞬間，因為電容器兩端的電壓不能突變，vc仍為VG。此時，放電電流ic也最大。隨后，vc按指數(shù)規(guī)律逐漸下降，ic也隨之下降。最后，vc=0，ic=0放電過程結(jié)束。

圖9.1.8電容器放電波形通過實驗研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)t=0.7τ時，充電電壓為VG的一半；放電電壓為電容器兩端電壓VC的一半；當(dāng)t=(3-5)τ時，充放電過程基本結(jié)束。

我們可以得到以下結(jié)論：充放電時電容兩端電壓、電流呈指數(shù)規(guī)律變化；充放電的速度與時間常數(shù)τ有關(guān)，τ=RC，單位為s,τ越大充放電越慢,τ越小充放電越快。2.RC微分電路微分電路是脈沖電路中常用的一種波形變換電路，主要特點是能把矩形脈沖變換成一對正、負(fù)極性的尖峰脈沖波。其電路形式及波形如圖9.1.8所示。RC微分電路的輸出脈沖反映了輸入脈沖的變化部分，即反映了vI在t1和t2時刻的跳變，此時輸出電壓幅度最大；而在t1～t2期間，輸入電壓保持不變，輸出電壓基本為0。概括的說，微分電路能對輸入脈沖起到“突出變化量，壓低恒定量”的作用。

(a)

RC微分電路

(b)波形圖9.1.8RC微分電路及波形3.RC積分電路

RC積分電路也是一種常用的波形變換電路，它能把矩形脈沖波變換為三角波。圖9.1.9是一個簡單的RC積分電路，如果輸入矩形脈沖信號，則電容上的電壓不會突然增長，而是會有一個充電變大過程。脈沖過后，電容上的電壓也不會突然減小消失，而是會有一個放電減小的過程，于是在電容上就會出現(xiàn)一個鋸齒狀的波形，而VO=VC,，輸出的也是鋸齒波，又叫三角波，如圖9.1.10所示。

圖9.1.9RC積分電路圖9.1.10RC積分電路的波形變換RC積分電路的工作特點是在輸入矩形脈沖的穩(wěn)定部分，輸出電壓有明顯的變化，而在輸入矩形脈沖的跳變時刻，輸出電壓保持不變。這種情況恰好與RC微分電路相反，它對輸入脈沖信號起到“突出恒定量，壓低變化量”的作用。9.2555時基電路9.2.1555時基電路組成和引腳功能1.電路組成圖9.2.1555時基電路由內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看出，555時基電路由分壓器、比較強、觸發(fā)器和放電三極管及緩沖器組成。（1）由3個阻值為5KΩ的電阻組成分壓器（555由此得名）。作用：懸空或外接一抗干擾電容時，電壓比較器C1同相輸入端電壓為，電壓比較器C2反相輸入端電壓為?？刂齐妷狠斎攵薈O外接一電源時，電壓比較器C1同相輸入端電壓為VC，電壓比較器C2反相輸入端電壓為.（2）兩個電壓比較器C1和C2

，輸出uo為正電壓，看作高電平“1”輸出。，輸出uo為負(fù)電壓，看作低電平“0”輸出。（3）基本RS觸發(fā)器它由兩個與非門G1、G2組成，電壓比較器C1、C2的輸出端即為基本RS觸發(fā)器的輸入端、，其工作過程如下：（4）放電三極管VT和緩沖器G3三極管VT作為放電開關(guān)，它的基極受基本RS觸發(fā)器端狀態(tài)的控制。若Q=0，三極管VT的基極為高電平，三極管導(dǎo)通，則三極管截止。

緩沖器G3主要功能是提高電流驅(qū)動能力，同時還起到隔離負(fù)載對555時基電路的影響的作用。2.引腳功能表9.2.1555時基電路外部引腳及功能引腳編號引腳符號名稱功能說明1GND電源負(fù)端接地端2

觸發(fā)端觸發(fā)端，當(dāng)該引腳電壓時，電路輸出電壓uo為低電平3OUT輸出端輸出端4

復(fù)位端復(fù)位端，當(dāng)該引腳與Vcc相連時，定時器工作；當(dāng)該引腳與地相連時，使RS觸發(fā)器復(fù)位，輸出uo為低電平5CO控制電壓端控制端，當(dāng)該引腳懸空時，參考電壓，當(dāng)CO端外接電壓時，可改變“閥值”和“觸發(fā)”端的比較電平，即改變比較器的基準(zhǔn)電壓。不用時，可通過一個小電容接地，防止電路噪聲進入6TH閥值輸入端閥值輸入端，當(dāng)該引腳的電壓時，輸出為低電平7DIS放電端放電端，內(nèi)部三極管的導(dǎo)通與關(guān)斷，可為外部RC回路提供放電通路8VCC電源正端該引腳與電路的電源電壓相連9.2.2555時基電路的功能表9.2.2555時基電路功能表9.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是具有一個穩(wěn)定狀態(tài)和一個暫穩(wěn)狀態(tài)的波形變換電路。在沒有外界信號時，電路將保持穩(wěn)定狀態(tài)，在外來觸發(fā)信號作用下，電路將會從原來的穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個狀態(tài)；但這一狀態(tài)是暫時的，在經(jīng)過一段時間后，電路將自動返回到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時間的長短通常都是靠RC電路的充、放電過程來維持的，與觸發(fā)脈沖無關(guān)。因此單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器常用于脈沖的整形和延時。1．門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1）電路組成由門電路和RC元件組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路形式較多。一個電阻和一個電容元件可以組成積分電路或者微分電路，因此，由門電路和RC元件可組成積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。圖9.3.1所示電路就是積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路形式之一，其由兩個與非門和一個積分電路組成。

圖9.3.1積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2）工作過程（1）電路的穩(wěn)態(tài)

輸入信號Vi為低電平時，G2處于關(guān)閉狀態(tài)，輸出vo為高電平，這是電路的穩(wěn)態(tài)。（2）外加觸發(fā)信號，電路翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)態(tài)

在電路中，門G2開通的條件是輸入信號vi為高電平或者電容器兩端的電壓vc大于門G2的關(guān)門電平。設(shè)穩(wěn)態(tài)時vi為低電平。當(dāng)輸入信號vi電平由低電平跳變到高電平時，G1開通，輸出vo1由高電平跳變到低電平，電容器C兩端的電壓vc不能突變，即vc仍為高電平，因此，此時門G2開通，輸出vo從高電平跳變到低電平。vo1由高電平跳變到低電平后，已充電的電容器C就要通過R和門G1放電。隨著電容器C放電，vc逐漸下降，維持門G2開通的條件被破壞，因此，G2開通的狀態(tài)是暫時的，稱為暫穩(wěn)態(tài)。

（3）自動返回穩(wěn)態(tài)

當(dāng)電容器C放電使vc下降到關(guān)門電平時，G2由開通狀態(tài)返回到關(guān)閉狀態(tài)，vo由低電平返回到高電平。2．555時基電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1)電路組成（2）暫穩(wěn)定當(dāng)?shù)呢?fù)脈沖到來時，電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，進入暫穩(wěn)態(tài)，輸出為高電平,uo=UDD這時，放電三極管截止，電源通過電阻R向電容C充電，逐漸升高。當(dāng)時，電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，uo=0，電路由暫穩(wěn)態(tài)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)，此時，放電三極管VT導(dǎo)通，電容C被旁路，uc=0，電路一直處于原穩(wěn)定狀態(tài)，輸出為低電平。（1）穩(wěn)態(tài)接通電源后，UDD通過R、C對電容器充電，使得，而UI的負(fù)觸發(fā)脈沖未到，555時基電路的3腳OUT輸出端為低電平，即uo=0，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。這時，放電三極管VT導(dǎo)通，電容C被旁路，uc=0，電路仍處于原穩(wěn)定狀態(tài)，輸出為低電平。2）延時器單穩(wěn)態(tài)電路的輸出信號的下降沿總是滯后于輸入信號的下降沿，而且滯后時間就是脈沖的寬度，如圖9.3.4所示。因此，可利用這種滯后作用來達(dá)到延時的目的。3）定時器利用單穩(wěn)態(tài)電路輸出的脈沖信號作為定時控制信號。脈沖寬度就是控制（定時）時間。圖9.3.3整形

圖9.3.4延時3.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用1)波形整型9.4多諧振蕩器

多諧振蕩器用來產(chǎn)生矩形波的電路，又稱脈沖發(fā)生器。多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)電路，它有兩個暫時穩(wěn)定狀態(tài)（簡稱暫穩(wěn)態(tài)）。只要接通電源，無需外加觸發(fā)信號，多諧振蕩器便能自動輸出一定頻率和脈寬的矩形脈沖。由于矩形脈沖波含豐富的多次諧波，所以習(xí)慣上又把矩形波振蕩器稱為多諧振蕩器。1.門電路組成的多諧振蕩器1）電路組成

2）工作過程（1）初始暫穩(wěn)態(tài)接通電源后，由于非門G1、G2存在差異，假設(shè)G2輸出電壓較G1輸出電壓高些，通過耦合C2使G1的輸入端電壓升高，經(jīng)反相后輸出電壓下降，經(jīng)電容C1耦合使G2的輸入端電壓降低，經(jīng)G2的反相作用，輸出電壓進一步升高。通過以上正反饋過程使輸出低電平，輸出高電平（0態(tài)），進入第一暫穩(wěn)態(tài)（1態(tài)）。（2）翻轉(zhuǎn)到第二穩(wěn)態(tài)在第一暫穩(wěn)態(tài)，非門G2輸出高電平，通過R2向C1充電，如圖9.4.2所示，導(dǎo)致G2輸入端電位逐漸上升，非門G1輸出低電平，電容器C2將通過R1放電，導(dǎo)致G1的輸入端電位逐漸下降，最后使G1輸出高電平（1態(tài)），G2輸出低電平（0態(tài)），自動翻轉(zhuǎn)進入第二穩(wěn)態(tài)。9.4.2非門組成的多諧振蕩器C1充電、C2放電（3）翻轉(zhuǎn)回第一穩(wěn)態(tài)在第二暫穩(wěn)態(tài)時，非門G1輸出高電平，將通過R1對C2充電，如圖9.4.3所示，導(dǎo)致G1輸入端電位逐漸上升。電容器C1則通過R2放電，G2輸入端電位逐漸下降，最后使電路又從第二穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)回第一穩(wěn)態(tài)。9.4.3非門組成的多諧振蕩器C2充電、C1放電此后，電容器C1、C2不斷充電、放電，持續(xù)不斷地翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生矩形脈沖，非門組成的多諧振蕩器工作波形如圖9.4.4所示。9.4.4非門組成的多諧振蕩器工作波形圖

實際應(yīng)用中可以通過集成電路來實現(xiàn)多諧振蕩，如T081型四非門或SN74S04型六非門集成塊，也可用一塊CC4011型四2輸入與非門或SN74S00型四2輸入與非門，把每個與非門的輸入端并接后改為非門來實現(xiàn)。實用的多諧振蕩器電路中，為了提高頻率的穩(wěn)定性，可采用帶石英晶體的振蕩器。2.555時基電路組成的多諧振蕩器1）電路組成圖9.4.5（a）所示為555時基電路組成的多諧振蕩器。圖中R1、R2、C為外接定時元件，C1是濾波電容，防止干擾脈沖串入觸發(fā)器內(nèi)部比較器的參考電壓。第2腳端與第6腳TH端短接在一起，由電容器兩端的電壓控制，R1、R2之間連接放電端。接通電源后不需要外加觸發(fā)信號，輸出端輸出矩形波，其工作波形圖如圖9.4.5（b）所示。（a）電路圖

（b）工作波形圖圖9.4.5多諧振蕩器的電路圖和波形圖（2）暫穩(wěn)態(tài)二

當(dāng)uc上升到超過

時，即TH端有效，電路輸出uo=0為低電平，第一暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。與此同時，放電三極管導(dǎo)通，電容器C開始放電，放電回路為：放電時間常數(shù)為逐漸下降，uc下降但未低于時，端與TH端均無效，輸出不變，電路將保持第二穩(wěn)態(tài)。2)工作過程（1）暫穩(wěn)態(tài)一合上電源瞬間，uc=0，即端有效，電路輸出uo=1為高電平。此時，放電三極管截止，定時電容器C開始充電，充電回路為：UDD

R1

R2

C地，充電時間常數(shù)逐漸上升，電路處于第一穩(wěn)態(tài)。（3）當(dāng)uc下降到即端有效（如t2時刻），電路輸出為高電平。第二暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，放電三極管截止。電容器又開始充電，然后重復(fù)上述過程，在輸出端得到連續(xù)的矩形波。圖中，定時元件R1、R2和C決定了電路的充放電時間。故振蕩周期為T1≈0.7(R1+R2)C,T2≈0.7R2CT=T1+T2≈0.7(R1+2R2)C在多諧振蕩電路的實際應(yīng)用中，可以用電位器來代替電路中的定時電阻，便可構(gòu)成頻率可調(diào)的多諧振蕩器。9.5施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是脈沖數(shù)字系統(tǒng)中常用的電路，可以由門電路組成，也可以是集成電路。施密特觸發(fā)器能夠把不規(guī)則的輸入波形變成良好的矩形波。施密特觸發(fā)器的輸出與輸入信號之間的關(guān)系可用電壓傳輸特性表示，如圖9.5.1所示，圖中同時給出了它們的邏輯符號。

(a)反相輸出傳輸特性(b)同相輸出傳輸特性

(c)反向輸出施密特觸器邏輯符號(d)同向輸出施密特觸器邏輯符號

圖9.5.1施密特觸發(fā)器的輸出特性及邏輯符號從圖中可見，傳輸特性的最大特點是：該電路有兩個穩(wěn)態(tài)，一個穩(wěn)態(tài)輸出高電平VOH，另一個穩(wěn)態(tài)輸出低電平VOL。但是這兩個穩(wěn)態(tài)要靠輸入信號電平來維持。施密特觸發(fā)器的另一個特點是輸入輸出信號的回差特性。當(dāng)輸入信號幅值增大或者減少時，電路狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)對應(yīng)不同的閾值電壓VT+和VT-，而且VT+>VT-，VT+與VT-的差值被稱作回差電壓。1.門電路組成的施密特觸發(fā)器

1）電路組成圖9.5.2所示是由兩個非門構(gòu)成的同向輸出施密特觸發(fā)器。

（a）電路圖

（b）邏輯符號圖9.5.2門電路組成的施密特觸發(fā)器2）工作過程施密特觸發(fā)器輸入三角波或正弦波時，對應(yīng)的輸出波形如圖9.5.3所示。

（a）輸入三角波

（b）輸入正弦波9.5.3門電路組成的施密特觸發(fā)器工作波形（1）第一穩(wěn)態(tài)輸入電壓時，非門G1關(guān)閉，輸出高電平；非門G2開通，輸出低電平，電路處于第一穩(wěn)態(tài)。（2）翻轉(zhuǎn)至第二穩(wěn)態(tài)隨著輸入端電壓的上升，加到非門G1的逐漸上升，當(dāng)大于的G1門檻電壓時，G1導(dǎo)通，輸出變?yōu)榈碗娖?；G2關(guān)閉，輸出高電平，電路由第一穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)為第二穩(wěn)態(tài)。此后繼續(xù)上升，電路仍然保持該穩(wěn)態(tài)。（3）返回第一穩(wěn)態(tài)輸入從高電平處開始下降，加到非門G1的也隨著下降，當(dāng)?shù)陀诜情TG1的門檻電壓時，G1關(guān)閉，輸出跳變?yōu)楦唠娖?；G2開通，輸出低電平，電路由第二穩(wěn)態(tài)返回第一穩(wěn)態(tài)。

由門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，具有閾值電壓穩(wěn)定性差，抗干擾能力弱等缺點，不能滿足實際數(shù)字系統(tǒng)的需要。而集成施密特觸發(fā)器以其性能一致性好，觸發(fā)閾值電壓穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點，在實際中得到廣泛的應(yīng)用。

TTL集成施密特觸發(fā)器有74LS13、74LS14、74LS132等。74LS13為施密特觸發(fā)的雙四輸入與非門，74LS14為施密特觸發(fā)的六反相器，74LS132為施密特觸發(fā)的四兩輸入與非門。CMOS集成施密特觸發(fā)器有74C14、74HC14等。2.555時基電路組成的施密特觸發(fā)器1）電路組成圖所示為555時基電路組成的施密特觸發(fā)器。第2腳

端與第6腳TH端短接在一起接輸入端。(a)555時基電路組成的施密特觸發(fā)器電路圖

（c）邏輯符號2）工作過程由于電壓控制端外接一抗干擾電容，低電平觸發(fā)端2腳（）比較電壓為；高電平觸發(fā)端6腳（TH）的比較電壓為。設(shè)輸入端加一個已知幅度大于的三角波，其工作波形圖如圖（b）圖所示。(b)555時基電路組成的施密特觸發(fā)器工作波形圖（1）當(dāng)時，即，端有效，電路輸出uo=1為高電平,處于第一穩(wěn)態(tài)。當(dāng)uI上升但未超過時，將保持這一狀態(tài)。（2）當(dāng)uI上升到超過時，即