第20章脈沖波形的產(chǎn)生和變換

1、1 1第20章 脈沖波形的產(chǎn)生和變換20.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器20.2施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器20.3555定時器及其應(yīng)用定時器及其應(yīng)用2 2第第20章章 脈沖波形的產(chǎn)生和變換脈沖波形的產(chǎn)生和變換在數(shù)字系統(tǒng)中，常常把各種頻率的矩形脈沖作為時鐘脈沖信號，用于控制和協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作。矩形脈沖的獲取方式可由脈沖振蕩器產(chǎn)生，也可利用整形電路將已有的周期性信號變換為矩形脈沖。本節(jié)簡要介紹脈沖波形的產(chǎn)生與變換。描述矩形脈沖波形的特性主要有以下幾個主要參數(shù)(見圖20.1): 脈沖周期T在周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖之間的時間間隔，有時也用頻率f表示；3 3脈沖幅值Um脈沖電

2、壓變化的最大幅值；脈沖寬度TW從脈沖前沿上升到0.5Um起，到脈沖后沿下降到0.5Um為止的一段時間；占空比q脈沖寬度與脈沖周期的比值，q=TW/T；上升時間tr脈沖從0.1Um上升到0.9Um所需的時間；下降時間tf脈沖從0.9Um下降到0.1Um所需的時間。4 4圖20.1 矩形脈沖的特性參數(shù)5 520.1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器20.1.1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特性具有如下特點：(1) 有穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩個工作狀態(tài)；(2) 在外界觸發(fā)脈沖的作用下，可從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)到暫態(tài)，在暫態(tài)維持一段時間后，再自動返回到穩(wěn)態(tài)；(3) 暫態(tài)維持時間的長短取決于電路本身

3、的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度無關(guān)。由于具有這些特點，因而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被廣泛應(yīng)用于脈沖整形、延時及定時電路中。6 61. 門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用CMOS門電路和RC微分電路構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖20.2所示。對于CMOS電路，可近似認(rèn)為UoHUDD，UoL0， 故可以認(rèn)為在穩(wěn)態(tài)下Ui=0，Ui2=UDD，Uo=0，Uo1=UDD，電容上沒有電壓。當(dāng)輸入觸發(fā)脈沖Ui加到輸入端時，由Rd、Cd組成的微分電路的輸出端得到一個很窄的正、負(fù)脈沖電壓Ud，Ud上升到Uth以后，將引發(fā)如下的正反饋過程:7 7圖 20.2 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器8 8使Uo1迅速跳變?yōu)榈碗娖?。由于電?/p>

4、上的電壓不能突變，因此Ui2也同時跳變?yōu)榈碗娖?，并使Uo跳變?yōu)楦唠娖?，電路進入暫態(tài)。此時即使Ud回到低電平，Uo仍將維持高電平。與此同時，電容C開始充電，且隨著充電過程的進行，Ui2逐漸升高，當(dāng)上升到Ui2=Uth時，將引發(fā)另一個正反饋過程：若此時觸發(fā)脈沖消失(Ud回到低電平)，則Uo1、Ui2將迅速跳變到高電平，并使輸出返回到Uo=0的狀態(tài)。同時，電容C通過R和G2門的輸入保護電路向UDD放電，直至電容C上的電壓降為0 V時，電路又恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。整個過程的波形變化如圖20.3所示。9 9圖 20.3 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖1010各種參數(shù)的計算如下：當(dāng)Uth=UDD/2時，脈沖寬度thD

5、DDDW0lnUUURCT輸出脈沖幅度 Um=UoHUoLUDD為了保證單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖的寬度準(zhǔn)確無誤，輸入觸發(fā)脈沖的時間間隔T(重復(fù)周期)應(yīng)滿足：TTW+Tre其中， Tre表示電容C放電完畢所需要的時間，稱為電路的恢復(fù)時間，一般可取Tre=(35)RC11112. 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器鑒于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用廣泛，市場上有多種集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可供選用，其特點是: 在TTL和CMOS電路產(chǎn)品內(nèi)部具有上升沿與下降沿觸發(fā)的控制和置0功能，連線較少，采取了溫度補償措施，可以通過改變外接電容和電阻的參數(shù)調(diào)節(jié)輸出脈沖的寬度等。常見的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器型號有74121(TTL型)、74221

6、(TTL型)、74123(TTL型)和CCL14528(CMOS型)等。12123. 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用(1) 用于脈沖整形。脈沖信號經(jīng)過長距離傳輸后，脈沖波形會發(fā)生變化，經(jīng)過單穩(wěn)電路后， 可整形為符合要求的波形，如圖20.4所示。脈沖的寬窄可以根據(jù)具體要求通過改變外接的R和C而改變。(2) 用于脈沖延時(展寬)。利用單穩(wěn)態(tài)電路，可組成脈沖延時電路，使脈沖信號展寬，以滿足有些數(shù)字系統(tǒng)的需求，如圖20.5所示。1313圖 20.4 脈沖整形示意圖1414圖 20.5 脈沖延時示意151520.1.2 多諧振蕩器多諧振蕩器多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源后，無需外加觸發(fā)信號

7、就能自動產(chǎn)生矩形脈沖。由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài)，工作時在兩個暫態(tài)之間不停地轉(zhuǎn)換。1. 對稱式多諧振蕩器對稱式多諧振蕩器圖20.6所示為對稱式多諧振蕩器的典型電路。它由反相器G1、G2 和耦合電容C1、C2及電阻RF1、RF2組成。其中G1、G2與C1、C2構(gòu)成正反饋電路。RF1、RF2控制G1、G2，使之工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折點。1616圖20.6 對稱式多諧振蕩器1717從圖20.6可見，該電路是利用RC的充放電分別控制G1、G2門的開通與關(guān)斷來實現(xiàn)自激振蕩的。假如由于某種原因(例如電源或外界的干擾)使Ui1有一個微小變化(正躍變)，則必

8、然會得到下列的正反饋過程:使Uo1迅速跳變?yōu)榈碗娖?，Uo2跳變?yōu)楦唠娖剑娐愤M入第一個暫穩(wěn)態(tài)。與此同時，Uo2開始經(jīng)RF2向C1充電，C2開始經(jīng)RF1放電。隨著C1的充電，Ui2逐漸上升到G2的閾值電壓Uth時，Uo2開始下降，并引起另一個正反饋過程：1818從而使Uo2迅速跳變至低電平，電路進入第二個暫態(tài)。同時C2開始充電，而C1開始放電。隨著C2充電，Ui1逐漸升高到G1的Uth后，電路又迅速返回到第一個暫態(tài)。因此，電路不停地在兩個暫態(tài)之間往復(fù)轉(zhuǎn)換，在輸出端不斷地發(fā)出矩形電壓脈沖，如圖20.7所示。1919圖 20.7 矩形電壓脈沖形成示意圖20202. 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩

9、器對稱式多諧振蕩器的振蕩頻率主要取決于門電路的輸入電壓在充、放電過程中達到轉(zhuǎn)換電平所需要的時間。由于電阻、電容的數(shù)值在使用過程中會發(fā)生變化，因而嚴(yán)重影響振蕩頻率的穩(wěn)定性。目前普遍采用的穩(wěn)頻方法是，在多諧振蕩器電路中接入石英晶體，構(gòu)成石英晶體多諧振蕩器。石英晶體的符號、電抗頻率特性及石英晶體多諧振蕩器電路如圖20.8所示。2121圖 20.8 石英晶體符號、電抗頻率特性及多諧振蕩器電路(a) 符號； (b) 頻率特性； (c) 電路2222由石英晶體的電抗特性可知，當(dāng)外加電壓的頻率為f0時，電抗最小，電壓信號最容易通過并在電路中形成正反饋，其它頻率的信號經(jīng)過石英晶體將被衰減。因此，石英晶體多諧振

10、蕩器的頻率取決于石英晶體的固有諧振頻率f0，與外接電阻、電容無關(guān)，適用于對信號頻率穩(wěn)定性要求較高的場合。232320.2 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中常用的一種電路，它具有兩個重要特性：一是輸入信號從低電平上升的過程中、電路狀態(tài)發(fā)生轉(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；二是在電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時，電路內(nèi)部的正反饋過程使得輸出電壓波形的邊沿變得很陡。利用以上兩個特性，不僅可以將邊沿變化緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可有效地清除疊加在矩形脈沖高、低電平上的干擾波，起到脈沖整形的作用。24241. CMOS門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

11、門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器圖20.9所示為由CMOS門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器。當(dāng)Ui從0 逐漸升高并達到Uth時，G1進入電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，引起正反饋，過程如下：這時電路的狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為Uo=UoHUDD由此可求出Ui上升過程中電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換所對應(yīng)的輸入電平為UT+(正向閾值電壓)：th21T1URRU2525圖20.9 CMOS門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器2626當(dāng)Ui從高電平逐漸下降并達到Uth時，又引發(fā)另一個正反饋過程：電路狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為Uo=UoL0由此可求出Ui下降過程中電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時所對應(yīng)的輸入電平為UT(反向閾值電壓)： DD21th21T1URRURRUth21T1URRU

12、若UDD=2Uth，則2727將UT+與UT之差定義為回差電壓UT：UT=UT+UT由此可畫出施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性，稱為施密特滯回曲線，如圖20.10所示。施密特觸發(fā)器應(yīng)用廣泛，無論是CMOS電路還是TTL電路，均有大量的集成施密特觸發(fā)器，其特性與分立門組成的施密特觸發(fā)器相同，這里不再介紹。常見的集成施密特觸發(fā)器有74132、CC40106、74LS132等型號，它們的邏輯符號如圖20.11所示。2828圖 20.10 施密特滯回曲線(a) 同相輸出；(b) 反相輸出2929圖20.11 施密特觸發(fā)器的邏輯符號30302. 施密特觸發(fā)器的應(yīng)用施密特觸發(fā)器的應(yīng)用1) 用于波形變換施密特觸發(fā)

13、器可用于將三角波、正弦波及一些不規(guī)則波形轉(zhuǎn)換為矩形波，如圖20.12所示。圖 20.12 波形變換示意圖31312) 用于脈沖整形當(dāng)傳輸信號受到干擾時，施密特觸發(fā)器的滯回特性會把受到干擾的信號整形成較好的矩形脈沖，如圖20.13所示。圖 20.13 脈沖整形示意圖32323) 用于脈沖幅度鑒別當(dāng)輸入信號為一組幅度不等的脈沖，而要求將幅度大于Uth的脈沖信號選出時，可采用施密特觸發(fā)器的輸入信號進行鑒別。方法是：將信號加入施密特觸發(fā)器，使它的正向閾值電平UT+大于干擾信號的幅度，而小于信號的幅度，就可以濾除干擾。因為，只有大于UT+的信號才能使電路翻轉(zhuǎn)而產(chǎn)生輸出脈沖，干擾信號不能觸發(fā)電路，所以不能

14、形成輸出脈沖。如圖20.14所示。3333圖 20.14 脈沖幅度鑒別34344) 由施密特觸發(fā)器組成多諧振蕩器多諧振蕩器最突出的特點是它的電壓傳輸特性具有滯回特性。據(jù)此可以使其輸入信號在UT+UT之間不停地往復(fù)變化，在輸出端就可得到矩形脈沖波形。其電路及波形如圖20.15所示。3535圖 20.15 多諧振蕩器電路及波形363620.3 555定時器及其應(yīng)用定時器及其應(yīng)用20.3.1 555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能555定時器是一種多用途的數(shù)字/模擬混合集成電路，只要外加幾個阻容元件便可組成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。555定時器的電源電壓范圍寬，雙極型555

15、定時器為516 V，CMOS 555定時器為318 V。它可提高與TTL、CMOS數(shù)字電路兼容的接口電平。555定時器可輸出一定的功率，可驅(qū)動微電機、指示燈、揚聲器等，在脈沖波形的產(chǎn)生與變換、儀器與儀表、測量與控制等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。3737圖20.16所示為國產(chǎn)雙極型定時器NE555的電路結(jié)構(gòu)圖虛線框是內(nèi)部電路，它由比較器端C1、C2、基本RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管V等部分組成?；綬S觸發(fā)器的狀態(tài)受比較器C1和C2輸出端的控制，若C1輸出低電平，觸發(fā)器置0；若C2輸出低電平，則觸發(fā)器置1。與非門G3接在基本RS觸發(fā)器的輸出端，它的輸出就是整個定時器的輸出。其作用是隔離負(fù)載對定時器的影

16、響，起到緩沖的作用，提高定時器帶負(fù)載的能力。NE555定時器的功能表如表20.1所示。3838圖 20.16 NE555雙極型定時器電路結(jié)構(gòu)圖39394040555定時器能在較寬的電壓范圍內(nèi)工作，輸出高電平不低于90%電源電壓，帶拉電流負(fù)載和灌電流負(fù)載能力可達200 mA。414120.3.2 555定時器的應(yīng)用定時器的應(yīng)用1. 接成施密特觸發(fā)器接成施密特觸發(fā)器如圖20.17所示，將Ui1和Ui2連在一起作為信號輸入端(Ui)，就可得到施密特觸發(fā)器。為提高比較器參考電壓UR1和UR2的穩(wěn)定性，通常在UCC端與地之間接0.01 F的電容。電路工作的原理如下。首先，討論Ui從0開始升高：當(dāng)UiUC

17、C/3時，UC1=1，UC2=0，Q=1，Uo=UoH；當(dāng)UCC/3Ui2/3UCC時，UC1= UC2=1，Uo=UoH；當(dāng)Ui2/3UCC時，UC1=0，UC2=1，Q=0，Uo=UoL。4242圖 20.17 由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器(a) 外部接線圖；(b) 內(nèi)部電路圖4343由此可見，電路的正向閾值電壓CCT32UU。時，當(dāng)時當(dāng)1, 1, 0, 131;, 1,3231oHo2C1CCCioLo2C1CCCiCCUUQUUUUUUUUUUU其次，討論Ui從高于(2/3)UCC開始下降：由此可見，電路的負(fù)向閾值電壓CCTTCCT3131UUUUUU則回差電壓4444從以上討論的

18、結(jié)果可畫出施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性如圖20.18所示。圖 20.18 施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性45452. 接成單穩(wěn)態(tài)電路接成單穩(wěn)態(tài)電路如果將555定時器的Ui2(TR)作為觸發(fā)器的信號輸入端，同時把輸出DISC(7腳)接回到Ui1端，在Ui1 端與UCC之間接電阻R，在UR1和地之間接電容C，就可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路，如圖20.19所示。其中R、C為定時元件，改變其參數(shù)可以改變輸出脈沖的寬度，范圍可從幾微秒到幾分鐘，精度可達0.1%。此電路的工作波形如圖20.20所示，工作原理如下。4646圖 20.19 由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(a) 外部接線圖； (b) 內(nèi)部電路圖 4747圖20.20 由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形圖48483. 接成多諧振蕩器接成多諧振蕩器將放電管V的