電子技術(shù)基礎(chǔ)教程第15章脈沖波形的產(chǎn)生與變換課件

1、第15章 脈沖波形的產(chǎn)生與變換 15.1 RC電路15.2 施密特觸發(fā)器15.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器15.4 多諧振蕩器 15.5 555定時器及其應(yīng)用本章小結(jié)7/28/20221第15章 脈沖波形的產(chǎn)生與變換 脈沖信號：指突然變化的電壓或電流。脈沖電路的研究重點(diǎn)：波形分析。數(shù)字電路的研究重點(diǎn)：邏輯功能。 獲得脈沖波形的方法主要有兩種：1利用脈沖振蕩電路產(chǎn)生；2通過整形電路對已有的波形進(jìn)行整形、變換，使之符合系統(tǒng)的要求。 7/28/20222本章主要討論幾種常用脈沖波形的產(chǎn)生與變換電路：（功能、特點(diǎn)及其主要應(yīng)用簡介）1.RC電路：對矩形波進(jìn)行微分、積分變換，或作脈沖分壓器；2.施密特觸發(fā)器：主要用以

2、將非矩形脈沖變換成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脈沖；3.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：主要用以將脈沖寬度不符合要求的脈沖變換成脈沖寬度符合要求的矩形脈沖；4.多諧振蕩器：產(chǎn)生矩形脈沖；5.555定時器。7/28/2022315.1.1 常用脈沖波形及參數(shù) 1. 常見的脈沖波形 脈沖波形是指突變的電流和電壓的波形。 15.1 RC電路圖15-1 常見的脈沖波形圖 7/28/202242. 矩形波及其參數(shù) 圖15-2 非周期性和周期性矩形波(a) 非周期性 (b) 周期性數(shù)字電路中用得最多的是矩形波。矩形波有周期性與非周期性兩種。 7/28/20225圖15-3 矩形波的主要參數(shù) 周期性矩形波的周期用T表示，有時

3、也用頻率f表示（f =1/ T）。 矩形波的另外幾個主要參數(shù)： （1）脈沖幅度Um （2）脈沖寬度tw （3）上升時間tr （4）下降時間tf （5）占空比q =t w /T 。通常q用百分比表示，如果q =50%，則稱為對稱方波。 7/28/2022615.1.2 RC電路的應(yīng)用 可對矩形波進(jìn)行變換，常用的有微分電路、積分電路和脈沖分壓器。 圖15-4 微分電路 1. 微分電路 可將矩形波變換為尖峰波（條件RCtw）。 由于電路的輸出uO只反映輸入波形uI的突變部分，故稱為微分電路。 7/28/202272. 積分電路 圖15-5 積分電路 (a)電路 若滿足條件RCt w ，可將矩形波變換

4、為三角波。如圖（b）所示。如果RCt w（即不滿足積分電路的條件）， 輸出波形uO的邊沿變差了。如圖（c）所示。7/28/202283. 脈沖分壓器 在模擬電路中，常用電阻分壓器來實(shí)現(xiàn)正弦波信號的無失真?zhèn)鬏敗?但是，對脈沖信號的傳輸，不能采用簡單的電阻分壓器，因?yàn)榉植茧娙莸挠绊?，會使輸出波形的邊沿發(fā)生畸變。7/28/20229圖15-6 脈沖分壓器 為了實(shí)現(xiàn)脈沖信號的無畸變傳輸，需要采用脈沖分壓器。 各種示波器的輸入衰減器采用的就是這種脈沖分壓器。只要滿足條件C1R1 =C2R2，則可實(shí)現(xiàn)脈沖信號的無畸變傳輸。 7/28/20221015.2 施密特觸發(fā)器 主要用途：把變化緩慢的信號波形變換為

5、邊沿陡峭的矩形波。 特點(diǎn)：電路有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。兩種穩(wěn)定狀態(tài)的維持和轉(zhuǎn)換完全取決于外加觸發(fā)信號。觸發(fā)方式：電平觸發(fā)。電路有兩個轉(zhuǎn)換電平（上限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT+和下限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT）。狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時有正反饋過程，從而產(chǎn)生邊沿陡峭的矩形脈沖。 7/28/20221115.2.1用集成門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器 1. 電路組成 兩個CMOS反相器，兩個分壓電阻。 圖15-7 用集成門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器（a） 電路 （b）邏輯符號7/28/2022122. 工作原理 （1）工作過程 設(shè)CMOS反相器的閾值電壓UTH=VDD/2，輸入信號uI為三角波。 7/28/202213當(dāng)uI=0V時， G1截止、G

6、2導(dǎo)通，輸出為UOL，即uO=0V。只要滿足uI1UTH，電路就會處于這種狀態(tài)（第一穩(wěn)態(tài)）。當(dāng)uI上升，使得uI1 =UTH時，電路會產(chǎn)生如下正反饋過程： 7/28/202214電路會迅速轉(zhuǎn)換為G1導(dǎo)通、G2截止，輸出為UOH，即uO=VDD的狀態(tài)（第二穩(wěn)態(tài)）。此時的uI值稱為施密特觸發(fā)器的上限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT+。顯然，uI繼續(xù)上升，電路的狀態(tài)不會改變。7/28/202215如果uI下降，uI1也會下降。當(dāng)uI1下降到UTH時，電路又會產(chǎn)生以下的正反饋過程： 電路會迅速轉(zhuǎn)換為G1截止、G2導(dǎo)通、輸出為UOL的第一穩(wěn)態(tài)。此時的uI值稱為施密特觸發(fā)器的下限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT。uI再下降，電路將保持狀

7、態(tài)不變。 7/28/202216 （2）工作波形與電壓傳輸特性 施密特觸發(fā)器將三角波uI變換成矩形波uO。 圖15-8 施密特觸發(fā)器的工作波形及電壓傳輸特性（a）工作波形 （b）電壓傳輸特性上限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT+ 下限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT 回差UT = UT+UT（通常UT+UT）改變R1和R2的大小可以改變回差UT 7/28/202217集成施密特觸發(fā)器的UT+和UT的具體數(shù)值可從集成電路手冊中查到。如CT74132的UT+1.7 V、UT0.9 V，所以，UTUT+UT1.7 V0.9 V0.8 V。 15.2.2 集成施密特觸發(fā)器 1.施密特反相器TTL的74LS14和CMOS的CC4010

8、6均為六施密特觸發(fā)的反相器。下面以CC40106為例說明其功能。 7/28/202218圖15-9 施密特觸發(fā)反相器(a) 原理框圖 (b) 電壓傳輸特性 (c) 邏輯符號 為了提高電路的性能，電路在施密特觸發(fā)器的基礎(chǔ)上，增加了整形級和輸出級。 整形級可以使輸出波形的邊沿更加陡峭， 輸出級可以提高電路的負(fù)載能力。 7/28/2022192.施密特觸發(fā)與非門電路 為了對輸入波形進(jìn)行整形，許多集成門電路采用了施密特觸發(fā)形式。比如CMOS的CC4093和TTL的74LS13就是施密特觸發(fā)的與非門電路。 圖15-10 施密特觸發(fā)與非門的邏輯符號7/28/2022201. 波形變換 將變化緩慢的波形變換

9、成矩形波（如將三角波或正弦波變換成同周期的矩形波）。圖15-11 波形變換 15.2.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用7/28/2022212.脈沖整形 在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變，或者邊沿產(chǎn)生振蕩等。通過施密特觸發(fā)器整形，可以獲得比較理想的矩形脈沖波形。 圖15-12 脈沖整形 波形畸變邊沿振蕩7/28/2022223脈沖鑒幅 將一系列幅度各異的脈沖信號加到施密特觸發(fā)器的輸入端，只有那些幅度大于UT+的脈沖才會在輸出端產(chǎn)生輸出信號。圖15-13 脈沖鑒幅 7/28/202223工作特點(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，在外加脈沖作用下，觸發(fā)器能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)；

10、 第三，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，將自動返回穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與外加觸發(fā)信號無關(guān)。例：樓道的路燈 。15.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 7/28/20222415.3.1 用集成門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1. 電路組成及工作原理 暫穩(wěn)態(tài)是靠RC電路的充放電過程來維持的。由于圖示電路的RC電路接成微分電路形式，故該電路又稱為微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 圖15-14 集成門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 7/28/202225 （1） 輸入信號uI為0時，電路處于穩(wěn)態(tài)。 uI2=VDD，uO=UOL =0，uO1UOH =VDD。 （2）外加觸發(fā)信號，電路翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)uI產(chǎn)生正跳變時，uO1

11、產(chǎn)生負(fù)跳變，經(jīng)過電容C耦合，使uI2產(chǎn)生負(fù)跳變，G2輸出uO產(chǎn)生正跳變；uO的正跳變反饋到G1輸入端，從而導(dǎo)致如下正反饋過程： 7/28/202226使電路迅速變?yōu)镚1導(dǎo)通、G2截止的狀態(tài)，此時，電路處于uO1=UOL、uO=uO2=UOH的狀態(tài)。然而這一狀態(tài)是不能長久保持的，故稱為暫穩(wěn)態(tài)。 7/28/202227 （3）電容C充電，電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返回穩(wěn)態(tài)。 在暫穩(wěn)態(tài)期間，VDD經(jīng)R對C充電，使uI2上升。當(dāng)uI2上升達(dá)到G2的UTH時，電路會發(fā)生如下正反饋過程： 7/28/202228使電路迅速由暫穩(wěn)態(tài)返回穩(wěn)態(tài)，uO1=UOH、uO= uO2=UOL。從暫穩(wěn)態(tài)自動返回穩(wěn)態(tài)之后，電容C將通過

12、電阻R放電，使電容上的電壓恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)時的初始值。 7/28/202229圖15-15 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形 7/28/2022302.主要參數(shù) （1）輸出脈沖寬度tw 輸出脈沖寬度tw，就是暫穩(wěn)態(tài)的維持時間。根據(jù)uI2的波形可以計算出： tw 0.7RC （2） 恢復(fù)時間tre 暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，電路需要一段時間恢復(fù)到初始狀態(tài)。一般，恢復(fù)時間tre為（35）放電時間常數(shù)（通常放電時間常數(shù)遠(yuǎn)小于RC）。 7/28/202231設(shè)觸發(fā)信號的時間間隔為T，為了使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠正常工作，應(yīng)當(dāng)滿足Ttw +tre的條件，即Tmin= tw +tre。因此，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的最高工作頻率為 fmax = 1/

13、Tmin = 1/（tw +tre） 在使用微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器時，輸入觸發(fā)脈沖uI的寬度tw1應(yīng)小于輸出脈沖的寬度tw，即tw1tw，否則電路不能正常工作。如出現(xiàn)tw1tw的情況時，可在觸發(fā)信號源uI和G1輸入端之間接入一個RC微分電路。 3.對輸入觸發(fā)脈沖寬度的要求 （3）最高工作頻率fmax（或最小工作周期Tmin）7/28/20223215.3.2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 用集成門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雖然電路簡單，但輸出脈沖寬度的穩(wěn)定性較差，調(diào)節(jié)范圍小，而且觸發(fā)方式單一。因此實(shí)際應(yīng)用中常采用集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 1. 輸入脈沖觸發(fā)方式 上升沿觸發(fā) 下降沿觸發(fā) 7/28/2022332. 不可重

14、復(fù)觸發(fā)型與可重復(fù)觸發(fā)型 圖（a）為不可重復(fù)型觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器該電路在觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)期間如再次受到觸發(fā)，對原暫穩(wěn)態(tài)時間沒有影響，輸出脈沖寬度tw仍從第一次觸發(fā)開始計算。 圖（b）為可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 該電路在觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)期間如再次被觸發(fā)，則輸出脈沖寬度可在此前暫穩(wěn)態(tài)時間的基礎(chǔ)上再展寬tw。 因此，采用可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，可比較方便地得到持續(xù)時間更長的輸出脈沖寬度。7/28/2022343. 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的功能及其應(yīng)用74121是一種不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它既可采用上升沿觸發(fā)，又可采用下降沿觸發(fā)，其內(nèi)部還設(shè)有定時電阻Rint(約為2k)。 表15-1 74121電路

15、的功能表 圖15-16 74121的電路符號 觸發(fā)輸入端 輸出端 外接定時元件引腳 內(nèi)部電阻引腳 7/28/202235功能： （1）觸發(fā)方式： 7/28/202236圖15-17 74121應(yīng)用電路（2）定時元件接法： 輸出脈沖uO的寬度：tw 0.7RCext外接電容Cext一般取值范圍為10 pF10F，在要求不高的情況下最大值可達(dá)1000F。圖(a)：外接電阻R=Rext（1.440k）。圖(b)：用內(nèi)部電阻RRint (約為2k)。7/28/20223715.3.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用 1. 脈沖延時單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要應(yīng)用是整形、定時和延時。 圖15-18單穩(wěn)電路的延時作用 如果需要延

16、遲脈沖的觸發(fā)時間，可利用單穩(wěn)電路來實(shí)現(xiàn)。 uO的下降沿比uI的下降沿延遲了tw的時間。 7/28/2022382.脈沖定時 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠產(chǎn)生一定寬度tw的矩形脈沖，利用這個脈沖去控制某一電路，則可使它在tw時間內(nèi)動作(或者不動作)。 圖15-19脈沖定時7/28/202239 1多諧振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。 2通過電容的充電和放電，使兩個暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，無需外觸發(fā)。 3輸出周期性的矩形脈沖信號，由于含有豐富的諧波分量，故稱作多諧振蕩器。15.4 多諧振蕩器 7/28/20224015.4.1 對稱式多諧振蕩器 1. 電路組成由兩個TTL反相器經(jīng)電容交叉耦合而成

17、。通常令C1=C2=C，R1=R2=RF。為了使靜態(tài)時反相器工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，具有較強(qiáng)的放大能力，應(yīng)滿足ROFFRFRON的條件。 圖15-20對稱式多諧振蕩器 7/28/2022412.工作原理 假定接通電源后，由于某種原因使uI1有微小正跳變，則必然會引起如下的正反饋過程 ： 使uO1迅速跳變?yōu)榈碗娖?、uO2迅速跳變?yōu)楦唠娖剑娐愤M(jìn)入第一暫穩(wěn)態(tài)。此后，uO2的高電平對C1電容充電使uI2升高，電容C2放電使uI1降低。由于充電時間常數(shù)小于放電時間常數(shù)，所以充電速度較快，uI2首先上升到G2的閾值電壓UTH，并引起如下的正反饋過程： 7/28/202242使uO2迅速跳變?yōu)榈碗娖?、uO1迅速跳變

18、為高電平，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)。此后，C1放電、C2充電，C2充電使uI1上升，會引起又一次正反饋過程，電路又回到第一暫穩(wěn)態(tài)。這樣，周而復(fù)始，電路不停地在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間振蕩，輸出端產(chǎn)生了矩形脈沖。 7/28/202243圖15-21 對稱式多諧振蕩器的工作波形 7/28/2022443.主要參數(shù) 矩形脈沖的振蕩周期為 T1.4RFC當(dāng)取RF1k、CI00 pF100 F時，則該電路的振蕩頻率可在幾赫到幾兆赫的范圍內(nèi)變化。7/28/20224515.4.2 環(huán)形振蕩器 1. 最簡單的環(huán)形振蕩器 圖15-22 最簡單的環(huán)形振蕩器 (a) 電路 (b) 工作波形利用集成門電路的傳輸延遲時間，將奇數(shù)個反

19、相器首尾相連便可構(gòu)成最簡單的環(huán)形振蕩器。該電路沒有穩(wěn)定狀態(tài)。 如此周而復(fù)始，便產(chǎn)生了自激振蕩。振蕩周期T=6tpd。 7/28/2022462. RC環(huán)形振蕩器 最簡單的環(huán)形振蕩器構(gòu)成十分簡單，但是并不實(shí)用。因?yàn)榧砷T電路的延遲時間tpd極短，而且振蕩周期不便調(diào)節(jié)。圖15-23 RC環(huán)形振蕩器 利用電容C的充放電，改變uI3的電平(因?yàn)镽S很小,在分析時往往忽略它。)來控制G3周期性的導(dǎo)通和截止，在輸出端產(chǎn)生矩形脈沖。 RS是限流電阻（保護(hù)G3），通常選100左右。增加RC延遲環(huán)節(jié)，即可組成RC環(huán)形振蕩器電路。 7/28/202247圖15-24 RC環(huán)形振蕩器的工作波形 電路的振蕩周期為 T

20、2.2RCR不能選得太大（一般1k左右），否則電路不能正常振蕩。 。 7/28/20224815.4.3石英晶體振蕩器 前面介紹的多諧振蕩器的一個共同特點(diǎn)就是振蕩頻率不夠穩(wěn)定，容易受溫度、電源電壓波動和RC參數(shù)誤差的影響。而在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖信號常用作時鐘信號來控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。因此，控制信號頻率不穩(wěn)定會直接影響到系統(tǒng)的工作，顯然，前面討論的多諧振蕩器是不能滿足要求的，必須采用頻率穩(wěn)定度很高的石英晶體多諧振蕩器。 7/28/202249石英晶體具有很好的選頻特性。當(dāng)振蕩信號的頻率和石英晶體的固有諧振頻率fo相同時，石英晶體呈現(xiàn)很低的阻抗，信號很容易通過，而其它頻率的信號則被衰減掉。

21、因此，將石英晶體串接在多諧振蕩器的回路中就可組成石英晶體振蕩器，這時，振蕩頻率只取決于石英晶體的固有諧振頻率fo，而與RC無關(guān)。7/28/202250圖15-25石英晶體振蕩器電路 在對稱式多諧振蕩器的基礎(chǔ)上，串接一塊石英晶體，就可以構(gòu)成一個石英晶體振蕩器電路。該電路將產(chǎn)生穩(wěn)定度極高的矩形脈沖，其振蕩頻率由石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fo決定。 7/28/202251555定時器為數(shù)字模擬混合集成電路?？僧a(chǎn)生精確的時間延遲和振蕩，內(nèi)部有3個5K的電阻分壓器，故稱555電路。在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。 15.5 555定時器及其應(yīng)用7/28/20225

22、2各公司生產(chǎn)的555定時器的邏輯功能與外引線排列都完全相同。雙極型產(chǎn)品CMOS產(chǎn)品單555型號的最后幾位數(shù)碼5557555雙555型號的最后幾位數(shù)碼5567556優(yōu)點(diǎn)驅(qū)動能力較大低功耗、高輸入阻抗電源電壓工作范圍516V318V負(fù)載電流可達(dá)200mA可達(dá)4mA7/28/20225315.5.1 555定時器 1. 電路組成圖15-26 555定時器(a) 原理圖 (b)外引線排列圖電阻分壓器電壓比較器基本RS觸發(fā)器放電管T緩沖器7/28/202254（1） 電阻分壓器 由3個5k的電阻R組成，為電壓比較器C1和C2提供基準(zhǔn)電壓。 7/28/202255（2） 電壓比較器C1和C2。當(dāng)UU時，

23、UC輸出高電平，反之則輸出低電平。7/28/202256CO為控制電壓輸入端。當(dāng)CO懸空時，UR12/3VCC，UR21/3VCC。當(dāng)COUCO時，UR1UCO，UR21/2UCO 7/28/202257TH稱為高觸發(fā)端，TR 稱為低觸發(fā)端。 7/28/202258 （3） 基本RS觸發(fā)器 其置0和置1端為低電平有效觸發(fā)。R是低電平有效的復(fù)位輸入端。正常工作時，必須使R處于高電平。 7/28/202259 （4）放電管T T是集電極開路的三極管。相當(dāng)于一個受控電子開關(guān)。 輸出為0時，T導(dǎo)通，輸出為1時，T截止。7/28/202260 （5）緩沖器 緩沖器由G3和G4構(gòu)成，用于提高電路的負(fù)載能力

24、。7/28/2022612.工作原理 TH接至反相輸入端，當(dāng)THUR1時，UC1輸出低電平，使觸發(fā)器置0，故稱為高觸發(fā)端（有效時置0）； TR接至同相輸入端，當(dāng)TRUR2時，UC2輸出低電平，使觸發(fā)器置1，故稱為低觸發(fā)端（有效時置1）。 表15-2 555定時器的功能表 7/28/20226215.5.2 555定時器的應(yīng)用舉例1.構(gòu)成施密特觸發(fā)器 思考：施密特觸發(fā)器的特點(diǎn)？回差特性：上升過程和下降過程有不同的轉(zhuǎn)換電平UT和UT。 如何與555定時器發(fā)生聯(lián)系？ 內(nèi)部比較器有兩個不同的基準(zhǔn)電壓UR1和UR2。 7/28/2022631.構(gòu)成施密特觸發(fā)器 圖15-27 555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器（a）電路 （b）工作波形如果在UIC加上控制電壓，則可以改變電路的UT+和UT。 7/28/2022642. 構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 （1）得到負(fù)脈沖外觸發(fā)：使高觸發(fā)置0端TH有效暫穩(wěn)態(tài)0自動返回：通過電容C的充放電使低觸發(fā)置1端TR有效穩(wěn)態(tài)1 思路：外觸發(fā)自動返回 （2）得到正脈沖 外觸發(fā)：使低觸發(fā)置1端TR有效暫穩(wěn)態(tài)1 自動返回：通過電容C的充放電使高觸發(fā)置0端TH有效穩(wěn)態(tài)07/28/202265圖15-28 555定時器構(gòu)成