东北大学数电第八章脉冲波形的产生与整形.

第8章脉冲波形的产生与整形脉冲是脉动和短促的意思，凡是具有不连续波形的信号均可称为脉冲信号。广义讲，各种非正弦信号都是脉冲信号。按脉冲波形的形式分成矩形波、梯形波、阶梯波、锯齿波等。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上升时间tr下降时间tf占空比q脉冲周期T脉冲频率f脉冲幅度Vm8.1集成555定时器及应用集成555定时器的用途很广，有双极型和CMOS型两类电路。它们的功能、外引线排列完全相同。CMOS型7555：电源电压范围为3~18V，最大负载电流在4mA以下双极型555电源电压范围：4.5V~16V最大负载电流:200mA8.1.1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。12348765+VCCDTHV-CGNDTLOUTR5G5553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-C5TH6TL21T7DQQ12385kΩ5kΩ5kΩ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5G555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C1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQ12385kΩ5kΩ5kΩvo8.1.2工作原理8.1.3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。特点：多谐振荡器没有稳态，不需外加触发信号。电路构成：图中的R1、R2和C是外接电阻和电容，是定时元件。工作原理：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，vTH=vTL=vd=vC=0V。电路接通电源VCC开始时，TH、TL均处于低电位。VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvC图8-2多谐振荡器CR1R2VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvC图8-2多谐振荡器CR1R2VCC30tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0THTLRVOT×＞2VCC/3＜2VCC/3＜2VCC/3××＞VCC/3＜VCC/3011100不变1导通导通不变截止2VCC3VCCVCC0.01μF584376215G555DTHTLdvC图8-2多谐振荡器CR1R2VCC30tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0根据三要素方程：τ-cccc)]e()0([)()(tuuutu充电：uC(0)=1/3VCC、uC(∞)=VCC、=（R1+R2）C，tw1≈(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)C2VCC3VCCVCC0.01μF584376215G555DTHTLdvC图8-2多谐振荡器CR1R2VCC30tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0根据三要素方程：τ-cccc)]e()0([)()(tuuutu放电：uC(0)=2/3VCC、uC(∞)=0、=R2C，tw2≈R2Cln2≈0.7R2C2VCC3VCC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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[例8-1]•试用555定时器设计一个每隔6秒振荡一秒的多谐振器。其振荡频率为500Hz。•解：分析---只要在振荡频率为500Hz的多谐振荡器的复位R端，加入1秒的高电平，接下来是6秒的低电平，便可达到题目的要求。•因此有两个设计要求①高电平1秒低电平6秒的振荡器。②频率为500Hz的振荡。•为此，需设计一个占空比q=1/7，周期T=7秒的多谐振荡器。由于占空比小于1/2，则应选择占空比可调的电路。[例8-1]•根据求得：R2=6R1；根据T=0.7(R1+R2)C=0.7(R1+6R1)C，取C=10μF，算得：R1=143kΩ。R2=857kΩ。对于500Hz多谐振荡器的占空比，题目未提出要求，现选占空比等于2/3，根据算得：R3=R4根据T=0.7(R3+2R4)C，取C=1μF，算得：R3=R4=0.95kΩ，71211RRRq[例8-1]•根据上述设计，画出[例8-1]的电路如图8-5所示。VCC0.01μF765843215G555DTHTLD2D1图8-5[例8-1]电路图C=10μFR1=143kR2=857kRW0.01μF765843215G555DTHTLdC1μFR19.5kR29.5k(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：单稳态触发器有两个工作状态，一个为稳态，而另一个为暂稳态。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。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。电路构成：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。工作原理：VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvO图8-5单稳态触发器CRvITHTLRVOT×＞2VCC/3＜2VCC/3＜2VCC/3××＞VCC/3＜VCC/3011100不变1导通导通不变截止VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvO图8-5单稳态触发器CRvIVCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图8-6单稳态触发器工作波形一个工作周期：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。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图8-6单稳态触发器工作波形输出脉冲宽度Tw为：Tw=RCln3=1.1RC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。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，接一个RC微分电路。即vI通过RC微分电路接到低触发端TL上。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图8-6单稳态触发器工作波形★可重复触发的单稳态触发器：VCCCC123567555iuuoR485可作为失落脉冲检出电路，对机器的转速或人体的心律（呼吸）进行监视，当机器的转速降到一定限度或人体的心律不齐时就发出报警信号。该电路有何作用？PNP管★简易曝光定时器思考：当按一下开关AN以后，电路是如何工作的？电容放电555置位J吸合电灯HL亮电容充电到2/3VDD555复位J释放电灯HL熄施密特触发器施密特触发器是一种具有回差特性的脉冲波形变换电路。它有如下特点：施密特触发器有两个稳定输出状态，属电位触发。当输入触发信号电平达到阈值电压时（所加电位信号不得撤去），输出电平会发生突变。上限阈值电压，用VT+表示。下限阈值电压，用VT-表示。VT+和VT-不等称作回差。回差电压△VT=VT+-VT-使其抗干扰能力较强。vITHTLVCC84623155G555vO0.01μF图8-7施密特触发器电路构成：将5G555定时器的高触发端TH和低触发端TL连接起来就构成了施密特触发器。如图8-7所示。工作原理：vITHTLVCC84623155G555vO0.01μF图8-7施密特触发器vIvOtt002VCC3VCC3VT+VT-图8-8施密特触发器工作波形vITHTLVCC84623155G555vO0.01图8-7施密特触发器THTLRVOT×＞2VCC/3＜2VCC/3＜2VCC/3××＞VCC/3＜VCC/3011100不变1导通导通不变截止vOVOHVOL0VCC32VCC3vI图8-9施密特触发器电压传输特性图8-9所示为vO=f(vI)的关系曲线，是施密特触发器的电压传输特性。vOvI图8-10施密特触发器逻辑符号回差电压△V越大，电路的动作电压就越高，抗干扰能力越强。施密特触发器常用于进行波形变换及脉冲波形的整形。★简易灯光控制电路什么元件？光敏管：光弱时，C-E间电阻极大；光强时，电阻很小。思考：灯L什么时候亮？光强？光弱？4.施密特触发器的应用波形的变换与整形幅度鉴别脉冲展宽电路波形的变换与整形利用施密特触发器可以将正弦波、三角波变换成矩形波。vIvOVT+VT-图8-23波形变换和整形幅度鉴别施密特触发器的输出状态取决于输入信号vI的幅度，因此它可以用来作为幅度鉴别电路。只有当脉冲信号vI的幅度大于VT+的脉冲，电路才输出一个脉冲，而幅度小于VT+的脉冲，电路无输出脉冲。vIvOVT+VT-图8-24幅度鉴别波形幅度鉴别脉冲展宽电路脉冲展宽电路原理图、工作波形图。VCCvIvOG1RCvC(a)原理图vIvOvCVT+(b)波形图图8-25脉冲展开电路RC决定展宽大小。改变RC值的大小就可以改变施密特触发器的输出脉冲宽度。8.2门电路构成的矩形波发生器及整形电路多谐振荡器单稳态触发器施密特触发器8.2.1多谐振荡器(一)最简单的环形振荡器环形振荡器是利用门电路固有的传输延迟时间，将奇数个反相器首尾相接而形成的。图8-11(a)所示的电路是一个最简单的环形振荡器，它由三个反相器首尾相接组成。这个电路没有稳定状态。vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3(a)电路原理图t图8-11简单的环形振荡器vO(vI1)vO1(vI2)vO2(vI3)tpd000(b)图工作波形图tt(一)最简单的环形振荡器结论奇数个反相器首尾相连地串接在一起均可构成环形振荡器，而且振荡频率为T=2ntpd其中n为串联门的个数。优点：电路极为简单。缺点：频率不易调节。为了克服这些缺点，引入了一些改进电路。(二)RC环形多谐振荡器在简单环形振荡电路中引进RC电路作为延时环节，形成RC环形多谐振荡器。如图8-12所示。图中RC构成延时环节，RS为限流电阻，对门3起限流保护作用。vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3图8-12RC环形振荡器CRSRRC产生的延迟时间远大于tpd。RS的阻值很小(100Ω)，故将vI3视为门G3的输入电压。vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3图8-12RC环形振荡器CRSR当vI3＞VT(TTL与非门的阈值电压为1.4V)时，vO为低电平；vI3＜VT时，vO为高电平。电容器上的电