第8章脉冲波形的产生与整形kang

第8章脉冲波形的产生与整形通常，把非正弦波称之为脉冲波。按脉冲波形的形式分成矩形波、梯形波、阶梯波、锯齿波等。本章主要介绍用多谐振荡器直接产生矩形波和利用整形电路获得矩形波的方法。一些概念8.1集成555定时器及应用8.2门电路构成的矩形波发生器及整形电路矩形脉冲波常作为时钟信号。波形的好坏直接关系到电路能否正常工作。为了定量描述矩形脉冲波，通常采用如图所示参数。trtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脉冲波形参数一些基本概念脉冲宽度Tw——从脉冲波形上升沿上升到0.5Vm起到下降沿下降到0.5Vm止的时间。上升时间tr——脉冲波形的上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需时间。下降时间tf——脉冲波形的下降沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需时间。占空比q——脉冲宽度Tw与脉冲周期T之比即TTqwtrtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脉冲波形参数脉冲周期T——周期性重复的脉冲序列中，相邻两个脉冲间的时间间隔。脉冲频率f——频率f表示单位时间内脉冲重复的次数，脉冲幅度Vm——脉冲波形的电压最大变化幅度。Tf18.1集成555定时器及应用集成555定时器的用途很广，有双极型（型号最后三位为555）和CMOS型（型号最后四位为7555）两类电路。它们的功能、外引线排列完全相同。在测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域得到了广泛的应用。5G555定时器的电路组成及工作原理集成555定时器的应用8.1.1电路组成图8-1为双极型5G555定时器的原理电路和引脚排列图。V-C12348765+VCCDTHGNDTLOUTR5G5553图8-1集成5G555定时器原理图C1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQRS12385kΩ5kΩ5kΩC1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQRS12385kΩ5kΩ5kΩ电阻分压器比较器基本RS触发器三极管开关输出缓冲器555定时器基本结构C1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQRS12385kΩ5kΩ5kΩC1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQRS12385kΩ5kΩ5kΩ分压器分压器由三个阻值均为5kΩ的电阻串联连接构成，为比较器C1、C2提供参考电压VR1、VR2，C1的同相输入端V+=VR1=2VCC/3。C2的反相输入端V-=VR2=VCC/3。如果在电压控制端5另加控制电压，可以改变比较器C1、C2参考电压VR1、VR2的值。若工作中不使用控制端5时，则控制端5通过一个0.01μF的电容接地，以旁路高频干扰。分压器上端8接VCC，下端1接地。比较器C1和C2是两个比较器。分别由集成运算放大器构成。C1的同相输入端“+”接到参考电压VR1端上，即电压控制端5，反相控制端“-”用TH表示，称为高触发端6；C2的反相输入端“-”接参考电压端VR2端上，同相输入端“+”用TL表示，称为低触发端2。当同相输入端电压V+大于反相输入端电压V-(V+V-)时，比较器输出为高电平；若同相输入端电压V+小于反相输入端电压V-(V+V-)时，比较器输出为低电平；基本RS触发器基本RS触发器由两个与非门构成，是可以从外部进行置“0”的复位端4，当=0时，使Q=0，=1，工作时，触发器的状态受比较器输出VC1和VC2的控制。RQ输出缓冲器输出缓冲器由接在输出端的非门3构成，其作用是提高定时器的带负载能力，隔离负载对定时器的影响。非门3的输出为定时器的输出端3(vo)。三极管开关三极管T在此电路中作为开关使用，其状态受触发器端控制，当=0时，T截止，=1时T饱和导通。5G555定时器有八个引出端：1地端、2低触发端、3输出端、4复位端、5电压控制端、6高触发端、7放电端、8电源端。QQQ8.1.2工作原理分析图8-1所示原理图，便可以得到5G555定时器的功能表。如表8-1所示。表8-15G555定时器的功能表THTLRVOT×＞2VCC/3＜2VCC/3＜2VCC/3××＞VCC/3＜VCC/3011100不变1导通导通不变截止只要=0，则=1，vo=0，T处于导通状态；当TH2VCC/3时，即V-V+，vC1=0，=1，vo=0，T导通；若TH2VCC/3,TLVCC/3时，则vC1=1、vC2=1，基本RS触发器保持原来状态不变，因此输出vo和三极管T保持原来状态；当TH2VCC/3,TLVCC/3时，则vC1=1、vC2=0、Q=1、=0，vo=1，三极管T截止。RQQQ8.1.3集成555定时器的应用多谐振荡器单稳态触发器施密特触发器(一)多谐振荡器多谐振荡器是一种产生矩形脉冲波的自激振荡器。由于矩形波含有丰富的高次谐波，所以矩形波振荡器又称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，不需外加触发信号，当接通电源后，便可以自动地周而复始地产生矩形波输出。用555定时器很容易构成多谐振荡器。如图8-2所示。图中的R1、R2和C是外接电阻和电容，是定时元件。VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvC图8-2多谐振荡器CR1R2工作原理分析如下：电路接通电源前，定时电容C上的电压vC=0V，TH、TL的电位为0，即vTH=vTL=vd=vC=0V。电路接通电源VCC开始时，由于电容器上的电压不能突变，所以TH、TL均处于低电位，则vTH＜VR1，2VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0使比较器C2输出vC2=0。此时，基本RS触发器处于1状态，Q=1，=0，定时器输出vo=1使三极管开关截止，电源VCC通过R1、R2给电容器充电，使TH、TL的电位逐渐升高。电路处于暂稳态，定时器输出vo保持高电平。Q2VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0当电容器C充电使vC上升到2VCC/3时，TH、TL的电位同时也上升到2VCC/3，使比较器C1输出vC1=0，比较器C2的输出vC2=1，此时，基本RS触发器置0，Q=0，=1，Q2VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0定时器vo跳变为低电平(vo=0)，同时使三极管开关T导通，电容器C经R2和三极管T放电，TH、TL的电位逐渐下降，电路处于另一个暂稳态，定时器输出vo保持低电平。2VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0当电容器C放电使vC下降到VCC/3时，TH、TL的电位同时也下降到VCC/3，使比较器C1输出vC1=1，比较器C2的输出vC2=0，此时，基本RS触发器置1，Q=1，=0，定时器vo跳变为高电平(vo=1)，Q2VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0同时又使三极管开关T截止，电源VCC又通过R1和R2给电容器C充电，……如此周而复始地两个暂稳态不停地相互转换，在定时器的输出端就得到矩形波脉冲信号输出。工作波形如图8-3所示。2VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0振荡周期T和振荡频率f的近似计算公式如下：tw1≈(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)Ctw2≈R2Cln2≈0.7R2CT=tw1+tw2≈0.7(R1+2R2)CCRRTf)2(43.1121输出脉冲幅度为：Vm≈VCC图8-4是用5G555定时器构成的占空比(脉冲宽度与周期之比)可调的多谐振荡器。该电路比图8-2多两个二极管D1、D2和一个电位器Rw。VCC0.01μF584376215G555DTHTLD1vC图8-4占空比可调多谐振荡器D2CR1R2Rw当三极管T截止时，VCC通过R1、D1给电容器C充电；若三极管T导通时，电容器C通过R2、D2放电。因此有：脉冲宽度tw1≈0.7R1C脉冲间隔时间tw2≈0.7R2C振荡周期T≈0.7(R1+R2)CVCC0.01μF584376215G555DTHTLD1vC图8-4占空比可调多谐振荡器D2CR1R2RwVCC0.01μF584376215G555DTHTLD1vC图8-4占空比可调多谐振荡器D2CR1R2Rw211211211)(7.07.0RRRCRRCRtttq当调节Rw时，就改变了R1、R2的阻值，也就改变了占空比，而振荡周期保持不变。占空比(二)单稳态触发器单稳态触发器是一种用于整形、延时、定时的脉冲电路。整形：把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的矩形脉冲。延时：将输入信号延迟一定时间之后输出。定时：产生一定宽度的方波。单稳态触发器特点单稳态触发器电路的功能：每触发一次，电路输出一个宽度一定、幅度一定的矩形波。单稳态触发器特点：单稳态触发器虽然有两个工作状态，但其中一个为稳态，而另一个为暂稳态。未加触发信号前的状态为稳态，加触发信号后的状态为暂稳态。单稳态触发器在外加触发脉冲的作用下，可以从稳态翻转到暂稳态。暂稳态维持一段时间后，自动返回到稳态，无需外加触发脉冲。暂稳态持续的时间就是单稳态触发器的脉冲宽度的大小。只取决于电路本身的参数，而与触发脉冲无关。图8-5是5G555定时器构成的单稳态触发器，图中R、C是定时元件；单稳态触发器的输入信号vI加在低触发端TL端，3端是单稳态触发器输出脉冲端(vO)。高触发端TH(6)和放电端D(7)连接到C与R的连接处d。VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvO图8-5单稳态触发器CRvI稳态时稳态时，触发脉冲vI为高电平，基本RS触发器处于0状态，=1，三极管导通，TH和D端处于低电平，输出vO为低电平。其过程为：没有输入触发脉冲，vI=1。接通电源VCC时，VCC通过R给C充电，vC上升，TH和D端电位也随之上升。当上升到2VCC/3（vC=vTH=2VCC/3）时，使比较器C1输出vC1=0，此时，RS触发器置0状态，Q=0，=1，定时器输出（单稳态触发器输出）vO=0。同时三极管T导通，C通过T放电，vTH=vC=0，电路处于稳定状态。QQ翻转过程输入窄触发负脉冲到来后，即vI由高电平跳变到低电平时，单稳态触发器电路状态由稳态翻转到暂态；vO=1，三极管T截止，电源VCC又通过R给C充电。翻转过程：当vI由1变0，即vI＜VR2，使比较器C2输出vC2=0，此时基本RS触发器置1，Q=1，=0，输出vO=1。同时三极管T截止，电源VCC又重新通过R给C充电，电路由稳态翻转到暂态，输入负跳变触发脉冲结束，vI由低电平又跳变到为高电平。Q暂态期间在暂稳态期间，电源VCC通过R给C充电，随着电容器C充电过程，vC升高，TH和D端电位也随之升高。当TH端电位上升到2VCC/3时，使比较器C1输出vC1=0，此时基本RS触发器复0，Q=0，=1，输出vO=0。同时三极管T导通，电容器C通过T放电，电路由暂稳态自动返回到稳态。暂稳态时间由RC电路参数决定。Q单稳态触发器在负脉冲触发作用下，由稳态翻转到暂稳态。由于电容器充电，暂稳态自动返回稳态。这一转换过程为单稳态触发器的一个工作周期。其工作波形图如图8-6所示。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图8-6单稳态触发器工作波形如果忽略三极管的饱和压降，则电容C从零电平上升到2VCC/3的时间为暂稳态时间，即输出脉冲宽度Tw为：Tw=RCln3=1.1RC这种单稳态触发器电路要求输入触发脉冲宽度要小于Tw，而输入vI的周期要大于Tw，使vI的每一个负触发脉冲都起作用。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图8-6单稳态触发器工作波形如果输入负触发脉冲宽度大于输出脉冲宽度Tw时，可以在输入负触发脉冲和触发器输入端之间接一个RC微分电路。即vI通过RC微分电路接到低触发端TL