第七章 脈沖波形的產(chǎn)生與整形

第七章脈沖波形的產(chǎn)生與整形第一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

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(hào)是離散的脈沖信號(hào)。最常用的脈沖信號(hào)是方波(矩形波)。如何產(chǎn)生方波以及對(duì)不理想的方波如何整形，是本章討論的重點(diǎn)。第二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日脈沖電路分類：脈沖電路作用：脈沖波形的產(chǎn)生和整形。脈沖電路構(gòu)成：開(kāi)關(guān)電路+RC電路破壞電路的穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生暫態(tài)?？刂茣悍€(wěn)態(tài)時(shí)間的長(zhǎng)短。脈沖電路與數(shù)字電路的比較：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)電路（單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器）多諧振蕩（無(wú)穩(wěn)態(tài)）電路施密特電路（施密特觸發(fā)器）★數(shù)字電路的信號(hào)波形也是一種脈沖波形?！锩}沖電路側(cè)重波形，數(shù)字電路側(cè)重邏輯關(guān)系。第三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日電容充放電知識(shí)復(fù)習(xí)：(1)電容兩端的電壓不能突變，Vc（0＋）＝Vc（0－），電容充放電需要時(shí)間，有過(guò)渡過(guò)程，其時(shí)間長(zhǎng)短只與τ＝RC有關(guān),工程上取3τ；（2）開(kāi)始充放電（換路）瞬間，阻抗很小，相當(dāng)短路；充放電結(jié)束，電路處于穩(wěn)態(tài)，C支路電流為0，阻抗很大，相當(dāng)開(kāi)路；（3）簡(jiǎn)單RC電路中，各處電壓、電流均按指數(shù)規(guī)律變化；（4）在簡(jiǎn)單RC電路中)(tvC＋=)(vC∞-)(vC∞)0(vC+［］eτt)()()0()(lntvvvvτtCCCC--∞=+∞或第四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日本章講授§1

555定時(shí)器的原理和應(yīng)用學(xué)習(xí)要求第五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日§1555定時(shí)器的原理和應(yīng)用

555定時(shí)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。單定時(shí)器雙極型——最后3位數(shù)555單極型——最后4位數(shù)7555雙定時(shí)器雙極型——最后3位數(shù)556單極型——最后4位數(shù)7556型號(hào)：第六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日一、555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)和基本功能

555定時(shí)器的內(nèi)部電路包括以下幾部分:①兩個(gè)電壓比較器:C1、C2;②一個(gè)基本RS觸發(fā)器;③一個(gè)晶體管T；④由三個(gè)相等電阻組成的分壓器;⑤一個(gè)反相器等。1.電路結(jié)構(gòu)第七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日由三個(gè)相等電阻組成的分壓器一個(gè)基本RS觸發(fā)器一個(gè)晶體管T一個(gè)反相器兩個(gè)電壓比較器:C1、C2vo++--84562713＆＆1RRRRbDQQ+VccRDC1C2T第八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日觸發(fā)輸入端閾值輸入端電壓控制端復(fù)位端低電平有效放電端4.5～18V輸出端地vo++--84562713＆＆1RRRRbDQQ+VccRDC1C2T第九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日電源電壓范圍:4.5V~18V555定時(shí)器的管腳圖12345678555VCCDTHCOGNDTRVoRD電源放電閾值電控壓制地觸發(fā)輸出復(fù)位第十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2.基本功能vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2T

三個(gè)電阻構(gòu)成的分壓器給兩個(gè)比較器提供基準(zhǔn)電壓:分別為和。第十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2T001第十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2T＞2/3VCC＞1/3VCC00011第十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2T＜2VCC/3＞VCC/311010第十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日＜2VCC/3<VCC/310110×vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2T第十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2VCC/3VCC

/3大于小于保持保持1大于2VCC/3VCC/3大于10導(dǎo)通00導(dǎo)通2VCC

/3VCC

/3小于小于11截止閾值端觸發(fā)端THTRRD晶體管Tvo綜合以上的分析結(jié)果,便可得到555的功能表:第十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日555定時(shí)器應(yīng)用范圍非常廣泛，可構(gòu)成多種電路形式，但最基本的電路為：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器。其它電路基本是這3種電路的變形。二、555定時(shí)器的基本應(yīng)用1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2.多諧振蕩器3.施密特觸發(fā)器第十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日⒈單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(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(lái)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(zhǎng)久保持的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)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(wú)關(guān)，僅決定于電路本身的參數(shù)（主要為RC參數(shù)）。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(dòng)返回學(xué)習(xí)的重點(diǎn):為什么會(huì)自動(dòng)返回?需多少時(shí)間?第十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日RC⑴電路：外接RC+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2vITb⒈單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvI⑵工作原理：VTHVCbTV6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0導(dǎo)通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止Vo＝0，T導(dǎo)通，Vc＝0，C1＝C2＝1電路處于穩(wěn)定狀態(tài)?！锷想娺^(guò)程（VI＝1，C2＝1）①假設(shè)Vo＝0第二十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvI⑵工作原理：VTHVCbTV6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0導(dǎo)通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止T截止，C充電，Vc上升。充電到2VCC/3時(shí):→比較器C1=0，將觸發(fā)器置0，→Vo＝0?！鶷導(dǎo)通,C放電,

Vc≈0→比較器C1=C2=1,

→電路狀態(tài)不變?！娐愤M(jìn)入穩(wěn)態(tài)。結(jié)論：上電后輸出處于穩(wěn)定狀態(tài)，Vo＝0，T導(dǎo)通，Vc＝0。上電過(guò)程（VI＝1，C2＝1）②假設(shè)Vo＝1第二十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvI⑵工作原理（續(xù)1）：可以在5腳外接控制電壓，以改變放電閥值。VTHVCbTT截止時(shí)，對(duì)C充電，電路進(jìn)入暫態(tài)，直到Vc>2/3VCC。充電時(shí)間決定于RC的大小。V6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0導(dǎo)通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止觸發(fā):VI＝0→Vo＝1，→T截止?！镉|發(fā)翻轉(zhuǎn)（VI＝0，C2＝0）結(jié)論：Vi＝0觸發(fā)后，電路進(jìn)入暫態(tài)，Vo＝1，T截止，Vc→逐漸上升。第二十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvIT導(dǎo)通時(shí)，C放電。⑵工作原理（續(xù)2）：VTHVCbTVC>2/3VCC時(shí)，Vo＝0，T導(dǎo)通，C放電。V6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0導(dǎo)通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止VI＝1★自動(dòng)返回（VI＝1，C2＝1）結(jié)論：Vc充電到2/3VCC后，電路返回到Vo＝0，T導(dǎo)通，Vc開(kāi)始放電。第二十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvIT導(dǎo)通，C放電。⑵工作原理（續(xù)2）：VTHVCbTV6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0導(dǎo)通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止VI＝1★恢復(fù)過(guò)程（VI＝1，C2＝1）結(jié)論：當(dāng)電容C放電到Vc＝0是恢復(fù)過(guò)程。第二十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2/3VCCtvi00vCt0vot①上電后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)（VI＝1，Vc=0，Vo=0）vIvOVCCRCvC0.01uF12348765V6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0導(dǎo)通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止工作波形：第二十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2/3VCCvIvOVCCRCvC0.01uF12348765

②外觸發(fā):ViVi＜1/3VCC，→比較器C2＝0，觸發(fā)器置1，→Vo＝1→T截止，C充電→電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。tvi00vCt0votV6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0導(dǎo)通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止=V2=V6第二十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日T截止，C充電，當(dāng)vc上升到2/3VCC時(shí):→比較器C1=0，觸發(fā)器置0，→Vo＝0→T導(dǎo)通，C放電,vc≈0電路→電路返回穩(wěn)態(tài)。vIvOVCCRCvC0.01uF12348765V6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0導(dǎo)通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止2/3VCCtvi00vCt0vot

③自動(dòng)返回（VI＝1）:第二十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日由以上過(guò)程可以看出:每來(lái)一次負(fù)脈沖,vo便輸出一個(gè)正脈沖,其寬度tW

由RC決定。vIvOVCCRCvC0.01uF123487652/3VCCtvi00vC0votttW第二十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

⑶輸出脈沖寬度twtw是Vc從0指數(shù)上升到2VCC/3時(shí)所需的時(shí)間注意:tw寬度的增加，將降低定時(shí)精度和穩(wěn)度。

tw的范圍為幾秒到幾分鐘。2/3VCCtvi00vC0votttWtw＝1.1RC第二十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日⑸單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用一般用于定時(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）延時(shí)（把輸入信號(hào)延遲一定時(shí)間后輸出）第三十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日1)定時(shí)3)整形單穩(wěn)態(tài)微分限幅twtwtwacbd2)延時(shí)第三十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2/3VccvCvI(S)vO在充電過(guò)程中（C1=1）,如VI再次觸發(fā),C2=1→0,Q仍保持為1，電路狀態(tài)不變（T截止，C保持充電狀態(tài)）。多次觸發(fā)時(shí)的情況：故該電路為不可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：vIvOVCCRCvC0.01uF12348765第三十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日①電路圖：⑷可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvITbT1第三十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日⑷可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（續(xù)）+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvITbT1②工作過(guò)程b.觸發(fā)時(shí):a.穩(wěn)態(tài)時(shí):VI=1,T1截止,電路狀態(tài)同普通單穩(wěn)。VI=0，電路觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，Vo＝1VI=0期間,T1導(dǎo)通,電容不能充電。VI=1后，T1截止,電容開(kāi)始充電。第三十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日⑷可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（續(xù)）+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvITbT1②工作過(guò)程（續(xù)）c.重復(fù)觸發(fā)時(shí):當(dāng)Vc<2/3VCC(電路仍處暫態(tài))時(shí)，若VI又進(jìn)行觸發(fā)(VI=0),則C通過(guò)T1放電,電路將維持在暫態(tài),直到在tW時(shí)間內(nèi)沒(méi)有新的觸發(fā),電路回到穩(wěn)態(tài)。a.穩(wěn)態(tài)時(shí):b.觸發(fā)時(shí):VI=1,T1截止,電路狀態(tài)同普通單穩(wěn)。電路翻轉(zhuǎn)。第三十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日vI③可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的波形圖：vCvOVTHVCC失落脈沖檢測(cè)儀觸發(fā)過(guò)程：c.VI=1

→電容開(kāi)始充電e.重復(fù)觸發(fā)：電容充電過(guò)程中VI=0,電容放電，VI=1后，再次充電→→實(shí)現(xiàn)可重復(fù)觸發(fā)。a.

VI=1,穩(wěn)態(tài)→VO=0tWtWb.

VI=0,觸發(fā)→VO=1

→進(jìn)入暫態(tài)，C不能充電。d.VC>2/3Vcc→Q=0,→VO=0,恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，

→T導(dǎo)通,電容放電第三十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日⒉555定時(shí)器做多諧振蕩器多諧振蕩器的特點(diǎn)：（1）不需外觸發(fā)的自激振蕩器；（2）無(wú)穩(wěn)定狀態(tài)，均為暫穩(wěn)態(tài)；（3）矩形波中含有豐富的高次諧波，習(xí)慣稱多諧振蕩器。第三十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日外接R1,R2,C⑴電路：+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRbQQC1C2TR1CR2V6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0導(dǎo)通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止第三十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日vOVCCR1CvC0.01uF12348765R2

①Vcc通過(guò)R1、R2向C充電,在

VC沒(méi)有充電到2VCC/3之前,Vo

保持

1不變。②

當(dāng)VC＝2VCC/3時(shí)→Vo由1翻轉(zhuǎn)為

0?！鶷導(dǎo)通→電容C經(jīng)R2、T放電。vC0t0tvoVCC/32VCC/3t1t2t3③當(dāng)Vc降至VCC

/3時(shí)，使得→Vo回到1

→T截止

→電容C再充電，進(jìn)入循環(huán)...⑵原理第三十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日VCC/32VCC/3所需的時(shí)間：3/1VCC3/2ln2VCRtCCw2=≈0.7R2C第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度tw1，Vc從VCC/3充電上升到2VCC/3所需的時(shí)間：第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度tw2，Vc從2VCC/3放電下降到VCC/33/23/1ln)(21VVVVCRRtCCCCCCCCw1--+=≈0.7(R+R)C21vOtW2tW1vc)()()0()(lntvvvvτtCCCC--∞=+∞第四十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日占空比：q=tw1/T=(R2+R1)/(2R2+R1)頻率：f＝≈1.43/1TR1＋2R2)C(振蕩周期：T＝tw1＋tw2≈0.7(R1＋2R2)C第四十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日電路特點(diǎn)：充放電電路各自獨(dú)立。充電回路：tw1=RACln2放電回路：tw2=RBCln2占空比：q=tw1/(tw1+tw2)=RA/(RA+RB)

通過(guò)調(diào)節(jié)R2來(lái)調(diào)節(jié)占空比vOVCCR1C0.01uF12348765R2R3RARB⑶占空比可調(diào)多諧振蕩器:第四十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日⒊555定時(shí)器做施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器的特點(diǎn)：（1）雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)；（2）電平觸發(fā)——電壓達(dá)到某個(gè)值時(shí)電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)；（3）具有滯后電壓傳輸特性——回差特性（兩次翻轉(zhuǎn)輸入電平不同）；第四十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

⑴電路：2，6端連在一起作為信號(hào)輸入端+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2vIVcc1

vo1VI<1/3VCC時(shí)，C1＝1，C2＝0，VO=1VI>2/3VCC時(shí)，C1＝0，C2＝1，VO=0構(gòu)成集電極開(kāi)路型輸出端。第四十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日Rvi8467

5553251vo1+VCC+VCC1vovCO控制電壓調(diào)節(jié)回差vivott00UT+UT－2VCC/3VCC/3⑵工作原理：（a）當(dāng)Vi＝0時(shí)，由于比較器C1=1、C2=0，觸發(fā)器置1，即Q＝1、0=Q，。升高時(shí)，在未到達(dá)2Vcc/3以前，的狀態(tài)不會(huì)改變。VO＝1ViVO＝1V6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0導(dǎo)通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止第四十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日Rvi8467

5553251vo1+VCC+VCC1vovCO控制電壓調(diào)節(jié)回差vivott00UT+UT－2VCC/3VCC/3（b）vi升高到2VCC/3時(shí)，比較器C1輸出為0、C2輸出為1，觸發(fā)器置0，即Q＝0、1=Q，vo=0。此后，vi上升到VCC，然后再降低，但在未到達(dá)VCC/3以前，vo＝0的狀態(tài)不會(huì)改變。（a）當(dāng)vi＝0時(shí)，由于比較器C1=1、C2=0，觸發(fā)器置1，即Q＝1、0=Q，vo＝1。vi升高時(shí)，在未到達(dá)2VCC/3以前，vo＝1的狀態(tài)不會(huì)改變。第四十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日Rvi8467

5553251vo1+VCC+VCC1vovCO控制電壓調(diào)節(jié)回差vivott00UT+UT－2VCC/3VCC/3（c）vi下降到VCC/3時(shí)，比較器C1輸出為1、C2輸出為0，觸發(fā)器置1，即Q＝1、0=Q，vo=1。此后，vi繼續(xù)下降到0，但vo＝1的狀態(tài)不會(huì)改變。（b）vi升高到2VCC/3時(shí)，比較器C1輸出為0、C2輸出為1，觸發(fā)器置0，即Q＝0、1=Q，vo=0