第7章脈沖產(chǎn)生與整形電路

第7章脈沖產(chǎn)生與整形電路第七章脈沖產(chǎn)生和整形電路本章的重點(diǎn)：

1.施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器典型電路的工作原理，以及電路參數(shù)和性能的定性關(guān)系；

2．555定時(shí)器的應(yīng)用；

3．脈沖電路的分析方法。本章的難點(diǎn)：

分析脈沖電路時(shí)使用的是分析非線性電路過渡過程的方法，而且在分析電路時(shí)必須考慮集成電路在不同工作狀態(tài)下輸入端和輸出端的等效電路。因此，脈沖電路的分析方法是本章的難點(diǎn)。描述矩形脈沖特性的指標(biāo)trtfTWT0.9

Um0.5

Um0.1

UmUm7.1概述脈沖周期T脈沖幅度Vm脈沖寬度上升時(shí)間tr下降時(shí)間tf占空比：本章只討論矩形脈沖。矩形脈沖的主要參數(shù)：脈沖周期T；脈沖頻率：脈沖幅度VM；脈沖寬度tW；上升時(shí)間tr；下降時(shí)間tf；

本章討論三種脈沖電路：施密特觸發(fā)器；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；多諧振蕩器。每種電路都有三種構(gòu)成方式：集成；用門電路構(gòu)成；用555電路構(gòu)成。f=1/T占空比q：q=tw/T.

7.2施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種能夠把輸入波形整形成為適合于數(shù)字電路需要的矩形脈沖的電路。00110111110001100011下限閾值電壓上限閾值電壓回差電壓（滯后電壓）：ΔUT＝

UT＋－UT－前面介紹的施密特觸發(fā)器的回差電壓為：ΔUT＝UT＋－UT－＝UT－(UT－UD)＝UD＝0.7V缺點(diǎn)是回差太小，且不能調(diào)整。集成施密特觸發(fā)器7.2.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用1.波形變換2.脈沖整形3.脈沖鑒幅波形變換脈沖整形脈沖鑒幅施密特觸發(fā)器的應(yīng)用

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中一般用于定時(shí)（產(chǎn)生一定寬度的矩形波）、整形（把不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換成寬度、幅度都相等的波形）以及延時(shí)（把輸入信號延遲一定時(shí)間后輸出）等。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有下列特點(diǎn)：（1）電路有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。（2）在外來觸發(fā)脈沖作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)是一個(gè)不能長久保持的狀態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間后，電路會(huì)自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間與觸發(fā)脈沖無關(guān)，僅決定于電路本身的參數(shù)。7.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器——有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)；在觸發(fā)脈沖作用下，由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)；暫穩(wěn)狀態(tài)維持一段時(shí)間后，自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)。（1）無觸發(fā)信號輸入時(shí)電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)vI=1時(shí)，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，即vO=0，vC=0。（一）

電路組成及工作原理（2）vI下降沿觸發(fā)當(dāng)vI下降沿到達(dá)時(shí)，vO由0跳變?yōu)?，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間在暫穩(wěn)態(tài)期間，三極管T截止，VCC經(jīng)R向C充電。時(shí)間常數(shù)τ1=RC，vC由0V開始增大，在vC上升到2/3VCC之前，電路保持暫穩(wěn)態(tài)不變。（4）自動(dòng)返回時(shí)間——當(dāng)vC上升至2/3VCC時(shí)，vO變0，電路由暫穩(wěn)態(tài)重新轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。（5）恢復(fù)過程——當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，C通過飽和導(dǎo)通的T放電，時(shí)間常數(shù)τ2=RCESC，由于RCES很小，所以放電很快。C放電完畢，恢復(fù)過程結(jié)束。

主要參數(shù)估算(1)輸出脈沖寬度Tw（用三要素法計(jì)算）（2）恢復(fù)時(shí)間tre

tre=（3～5）τ2（3）最高工作頻率fmax

vI周期的最小值：

Tmin=tW＋tre

最高工作頻率:TTW（二）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用1.延時(shí)與定時(shí)（1）延時(shí)圖中，v/O的下降沿比vI的下降沿滯后了時(shí)間tW。（2）定時(shí)當(dāng)v/O=1時(shí)，與門打開，vO=

vF。當(dāng)v/O=0時(shí)，與門關(guān)閉，vO為低電平。與門打開的時(shí)間是單穩(wěn)輸出脈沖v/O的寬度tW。*附加:2.整形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠把不規(guī)則的輸入信號vI，整形成為幅度和寬度都相同的標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖vO。vO的幅度取決于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的高、低電平，寬度tW決定于暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間。*附加:3.觸摸定時(shí)控制開關(guān)

555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。只要用手觸摸一下金屬片P，由于人體感應(yīng)電壓相當(dāng)于在觸發(fā)輸入端（管腳2）加入一個(gè)負(fù)脈沖，555輸出端輸出高電平，燈泡（RL）發(fā)光，當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間（tW）結(jié)束時(shí)，555輸出端恢復(fù)低電平，燈泡熄滅。該觸摸開關(guān)可用于夜間定時(shí)照明，定時(shí)時(shí)間可由RC參數(shù)調(diào)節(jié)。*附加:4.觸摸、聲控雙功能延時(shí)燈555和T1、R3、R2、C4組成單穩(wěn)定時(shí)電路，定時(shí)（即燈亮）時(shí)間約為1分鐘。當(dāng)擊掌聲傳至壓電陶瓷片時(shí)，HTD將聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)T2、T1放大，觸發(fā)555，使555輸出高電平，觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管SCR，電燈亮；同樣，若觸摸金屬片A時(shí)，人體感應(yīng)電信號經(jīng)R4、R5加至T1基極，也能使T1導(dǎo)通，觸發(fā)555，達(dá)到上述效果。（1）沒有觸發(fā)信號時(shí)電路工作在穩(wěn)態(tài)當(dāng)沒有觸發(fā)信號時(shí)，ui為低電平。因?yàn)殚TG2的輸入端經(jīng)電阻R接至VDD，VA為高電平，因此uo2為低電平；門G1的兩個(gè)輸入均為0，其輸出uo1為高電平，電容C兩端的電壓接近為0。這是電路的穩(wěn)態(tài)，在觸發(fā)信號到來之前，電路一直處于這個(gè)狀態(tài)：uo1＝1，uo2＝0。00117.3.1微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器110（2）外加觸發(fā)信號使電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)正觸發(fā)脈沖ui到來時(shí)，門G1輸出uo1由1變?yōu)?。由于電容電壓不能躍變，uA也隨之跳變到低電平，使門G2的輸出uO2變?yōu)?。這個(gè)高電平反饋到門G1的輸入端，此時(shí)即使ui的觸發(fā)信號撤除，仍能維持門G1的低電平輸出。但是電路的這種狀態(tài)是不能長久保持的，所以稱為暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，uo1＝0，uo2＝1。0011（3）電容充電使電路由暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)在暫穩(wěn)態(tài)期間，VDD經(jīng)R和G1的導(dǎo)通工作管對C充電，隨著充電的進(jìn)行，C上的電荷逐漸增多，使uA升高。當(dāng)uA上升到閾值電壓UT時(shí)，G2的輸出uo2由1變?yōu)?。由于這時(shí)G1輸入觸發(fā)信號已經(jīng)過去，G1的輸出狀態(tài)只由uo2決定，所以G1又返回到穩(wěn)定的高電平輸出。uA隨之向正方向跳變，加速了G2的輸出向低電平變化。最后使電路退出暫穩(wěn)態(tài)而進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)uo1＝1，uo2＝0。脈沖寬度：tp=0.7RC電路的改進(jìn)當(dāng)ui的寬度很寬時(shí)，可在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端加一個(gè)RC微分電路，否則，在電路由暫穩(wěn)態(tài)返回到穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于門G1被ui封住了，會(huì)使uo2的下降沿變緩。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，ui＝1，G1、G2均導(dǎo)通。uo1＝0，uA＝0，uo2＝0。

ui負(fù)跳變到0時(shí)，G1截止，uo1隨之跳變到1。由于電容電壓不能躍變，uA仍為0，故門G2截止，uo2跳變到1。在G1、G2截止時(shí)，C通過R和G1的導(dǎo)通管放電，使uA逐漸上升。當(dāng)uA上升到管子的開啟電壓UT時(shí)，如果ui仍為低電平，G2導(dǎo)通，uo2變?yōu)?。當(dāng)ui回到高電平后，G1導(dǎo)通，C又通過R和G1的導(dǎo)通管充電，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。7.3.2積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器TR-A、TR-B是兩個(gè)下降沿有效的觸發(fā)信號輸入端，TR+是上升沿有效的觸發(fā)信號輸入端。Q和是兩個(gè)狀態(tài)互補(bǔ)的輸出端。Rext/Cext、Cext是外接定時(shí)電阻和電容的連接端，外接定時(shí)電阻R（R=1.4kΩ～40kΩ）接在VCC和Rext/Cext之間，外接定時(shí)電容C（C=10pF～10μF）接在Cext（正）和Rext/Cext之間。74121內(nèi)部已設(shè)置了一個(gè)2kΩ的定時(shí)電阻，Rin是其引出端，使用時(shí)只需將Rin與VCC連接起來即可，不用時(shí)則應(yīng)將Rin開路。74121的輸出脈沖寬度：tp≈0.7RC7.3.3集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器TR-A、TR-B是兩個(gè)下降沿有效的觸發(fā)信號輸入端，TR+A、TR+B是兩個(gè)上升沿有效的觸發(fā)信號輸入端。Q和是兩個(gè)狀態(tài)互補(bǔ)的輸出端。Rext/Cext、Cext、Rin3個(gè)引出端是供外接定時(shí)元件使用的，外接定時(shí)電阻R（R=5kΩ～50kΩ）、電容C（無限制）的接法與74121相同。RD為直接復(fù)位輸入端，低電平有效。當(dāng)定時(shí)電容C＞1000pF時(shí)，74122的輸出脈沖寬度：tp≈0.32RC（一）電路的特點(diǎn)

1.有兩個(gè)狀態(tài)——穩(wěn)態(tài)、暫穩(wěn)態(tài)；

2.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(shí)間后，再自動(dòng)返回；

3.暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間長短取決于電路本身參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器tWtW由電路內(nèi)部參數(shù)決定暫穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)7.3.4構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器RC（二）工作原理1.穩(wěn)態(tài)=VH,設(shè)TD工作在飽和狀態(tài)，則：VC=VTH=0V,555電路處于保持狀態(tài)，且一定是VO=VL，

這是因?yàn)槿艏僭O(shè)TD截止，則不合理。2.觸發(fā)555電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為VO=VH此時(shí)TD截止，VC保持0V不變。3.暫穩(wěn)態(tài)電容C充電

=VIL充其三要素為：(0)=0V,()=VCC，=RC4.自動(dòng)返回VCC+VCC當(dāng)=2/3VCC時(shí)，555電路翻轉(zhuǎn)為輸出VL,而保持不變。5.恢復(fù)由于TD導(dǎo)通，電容C向TD放電，使迅速下降為0V。RC充+4.自動(dòng)返回(t)（三）參數(shù)計(jì)算VCCtW1.脈沖寬度tW得到公式：tWVCC0V2.恢復(fù)時(shí)間tre:tre=(3~5)rcec3.分辨時(shí)間td:td=tw+tretre（四）電路特點(diǎn)：窄脈沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖的最小周期觸發(fā)脈沖寬度要小于輸出脈沖寬度RC2/3VCCt0VCCRC若條件不滿足可在輸入端加微分電路：（五）應(yīng)用1.整形——改變輸入脈沖的占空比。2.定時(shí)（延時(shí)）控制脈沖被測脈沖&單穩(wěn)計(jì)數(shù)器CP輸出頻率值例1：數(shù)字頻率計(jì)。例2：延時(shí)觸發(fā)單穩(wěn)一單穩(wěn)二ttt000tW2tW1能輸出固定寬度的脈沖。寬度為1秒的正脈沖延遲時(shí)間為tW1，輸出脈寬為Tw2.7.4多諧振蕩器多諧振蕩器是一種自激振蕩器。在接通電源以后不需要外加觸發(fā)信號，便能自動(dòng)地產(chǎn)生矩形脈沖。由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以又把矩形波振蕩器稱為多諧振蕩器。一、對稱式多諧振蕩器可恰當(dāng)?shù)剡x取RF1和RF2的值，使反相器的靜態(tài)工作點(diǎn)P位于電壓傳輸特性的線性區(qū)或轉(zhuǎn)折區(qū)，電源波動(dòng)和外界干擾使VI1有微小的正跳變，必有如下反饋：Vo2RF1C2RF2G1G2R111Vo1VI2C1使Vo1迅速跳變?yōu)榈碗娖剑琕o2迅速跳變?yōu)楦唠娖?，電路進(jìn)入第1個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，同時(shí)電容C1開始充電，充電速度較快。VI1Vo1VI2Vo2VI2Vo2VI1Vo1VI2首先上升至G2的閾值電壓VTH，并引起如下正反饋,從而使Vo2迅速跳變至低電平而Vo1迅速跳變至高電平，電路進(jìn)入第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。接著C2開始充電而C1開始放電。各點(diǎn)電壓的波形圖(1)工作原理采用CMOS門；RF使門1工作在轉(zhuǎn)折區(qū)。因此門2也工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，電容C引入正反饋，使電路振蕩。設(shè)t1時(shí)刻G1輸出低電平、G2輸出高電平。定為暫穩(wěn)態(tài)2。當(dāng)＝VTH時(shí)，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)：隨之電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)1。見下頁圖。C充電VDD0i充＋－＋－C放電=VDD，=0，=VTH－VDD。在t2時(shí)刻：在暫穩(wěn)態(tài)1：t1t2i放三要素為：放=RFC。t3在t3時(shí)刻＝VTH，又發(fā)生連鎖反應(yīng)，進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)2：(0)=VTH＋VDD，在暫穩(wěn)態(tài)2，C充電的三要素為：(0)=VTH－VDD，()=VDD，充＝RFC()=0VDD0＋＋－－(2)周期計(jì)算：T=T1+T2RFC1.1=ttWIIIIW)()()0()(ln1111-￥-￥=uuuut將前面的三要素代入下面的公式，即可求出T1和T2：V00－VTH－VDDRFCTHln-=T2RFC1.1=VVDDVDD－VTH+VDDRFCTHln-=T1T=2.2RFC思考：若將RP短路，會(huì)發(fā)生什么情況？用TTL門構(gòu)成這種單穩(wěn)電路也可，但分析較復(fù)雜。(0)=VTH＋VDD，暫穩(wěn)態(tài)2，C充電的三要素為：充＝RFC()=0()=VDD，放=RFC。(0)=VTH－VDD，暫穩(wěn)態(tài)1中，C放電三要素：環(huán)形振蕩器一個(gè)最簡單的環(huán)形振蕩器這個(gè)電路是沒有穩(wěn)定狀態(tài)的。在靜態(tài)時(shí)任何一個(gè)反相器的輸入和輸出都不可能穩(wěn)定在高電平或低電平，而只能處于高低電平之間，所以處于放大狀態(tài)。用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器電容上初始電壓為零，所以輸出為高電平，并開始經(jīng)電阻R向電容充電。當(dāng)充至?xí)r，輸出跳變?yōu)榈碗娖?，電容C又經(jīng)R開始放電。石英晶體多諧振蕩器以上介紹的振蕩器的頻率穩(wěn)定性不高，石英晶體電抗頻率特性：外加電壓頻率為f0時(shí)阻抗最小，所以頻率為f0的電壓信號最容易通過它，并在電路中形成正反饋，而頻率不是f0的電壓信號被衰減。

構(gòu)成：在對稱式多諧振蕩器的反饋回路中串入石英晶體。石英晶體電抗的頻率特性如圖。f0稱為固有頻率。特點(diǎn)：f0的穩(wěn)定度極高～可達(dá)10－10～10－11（f0/f0）。因此可構(gòu)成高精度多諧振蕩器。從而克服了其他振蕩器頻率穩(wěn)定度低、抗干擾能力差的缺點(diǎn)。

原理：只有振蕩頻率等于f0時(shí)，晶體的阻抗為0（最?。?，電路才能產(chǎn)生振蕩。因此輸出頻率一定為f0。多諧振蕩器的應(yīng)用秒信號發(fā)生器多諧振蕩器分頻電路電壓比較器的功能：

v+>v-，vO=1v+<v-，vO=0由以下幾部分組成：（1）三個(gè)5k電阻組成的分壓器。（2）兩個(gè)電壓比較器

C1和C2。CC&&&1RS5k|?5k|?5k|?12VRC-VTROUTDDD(2)(6)(5)(8)(4)(3)電源復(fù)位TH閾值輸入控制電壓觸發(fā)輸入(7)DISVT放電端(1)G1G2G3G27.5555定時(shí)器及其應(yīng)用一、555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)（3）基本RS觸發(fā)器，（4）放電三極管T及緩沖器G。電路符號CC&&&1RS5k|?5k|?5k|?12VRC-VTROUTDDD(2)(6)(5)(8)(4)(3)電源復(fù)位TH閾值輸入控制電壓觸發(fā)輸入(7)DISVT放電端(1)G1G2G3G212658437DISTRTHC-VVDDOUT555DR低電平觸發(fā)端高電平觸發(fā)端電壓控制端復(fù)位端低電平有效放電端4.5～16V001①R=0時(shí)，Q=1，uo=0，T導(dǎo)通。①R=0時(shí)，Q=1，uo=0，T飽和導(dǎo)通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3時(shí)，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T飽和導(dǎo)通。＞2VCC/3＞VCC/300011①R=0時(shí)，Q=1，uo=0，T飽和導(dǎo)通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3時(shí)，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T飽和導(dǎo)通。＜2VCC/3＞VCC/310011③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3時(shí)，C1=1、C2=1，Q、Q不變，uo不變，T狀態(tài)不變。110①R=0時(shí)，Q=1，uo=0，T飽和導(dǎo)通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3時(shí)，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T飽和導(dǎo)通。＜2VCC/3＜VCC/311100③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3時(shí)，C1=1、C2=1，Q、Q不變，uo不變，T狀態(tài)不變。④R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＜VCC/3時(shí)，C1=1、C2=0，Q=0、Q=1，uo=1，T截止。二．邏輯功能（1）4腳為復(fù)位輸入端（RD

），當(dāng)RD為低電平時(shí)，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出vo為低電平。正常工作時(shí)，應(yīng)將其接高電平。（2）5腳為電壓控制端，當(dāng)其懸空時(shí)，比較器C1和C2的比較電壓分別為2/3VCC

和1/3VCC

。1/3VCC2/3VCCCC&&&1RS5k|?5k|?5k|?12VRC-VTROUTDDD(2)(6)(5)(8)(4)(3)電源復(fù)位TH閾值輸入控制電壓觸發(fā)輸入(7)DISVT放電端(1)G1G2G3G2（3）2腳為觸發(fā)輸入端，6腳為閾值輸入端，兩端的電位高低控制比較器C1和C2的輸出，從而控制RS觸發(fā)器，決定輸出狀態(tài)。1/3VCC2/3VCC閾值輸入閾值輸入復(fù)位輸出vI1vI2RDvo×＜2/3VCC＞2/3VCC＜2/3VCC×＜1/3VCC＞1/3VCC＞1/3VCC0111010不變功能表CC&&&1RS5k|?5k|?5k|?12VRC-VTROUTDDD(2)(6)(5)(8)(4)(3)電源復(fù)位TH閾值輸入控制電壓觸發(fā)輸入(7)DISVT放電端(1)G1G2G3G27.5.2由555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器三、由555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器接通VCC后瞬間，VCC通過R對C充電，當(dāng)uc上升到2VCC/3時(shí)，比較器C1輸出為0，將觸發(fā)器置0，uo＝0。這時(shí)Q=1，放電管T導(dǎo)通，C通過T放電，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

ui到來時(shí)，因?yàn)閡i＜VCC/3，使C2＝0，觸發(fā)器置1，uo又由0變?yōu)?，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。由于此時(shí)Q=0，放電管T截止，VCC經(jīng)R對C充電。雖然此時(shí)觸發(fā)脈沖已消失，比較器C2的輸出變?yōu)?，但充電繼續(xù)進(jìn)