第六章 肪冲波形的产生和整形

第六章脉冲波形的产生的整形第六章脉冲波形的产生的整形6、1概述6、2施密特触发器6、3单稳态触发器6、4多谐振荡器6、5555定时器及其应用第六章脉冲波形的产生的整形内容提要本章限于介绍矩形脉冲波形的产生和整形电路。脉冲整形电路中，介绍最常用的整形电路——施密特触发器和单稳态触发器电路。在脉冲振荡电路中，介绍了多谐振荡器电路和几种常见形式——对称式和非对称式多谐振荡器、环形振荡器以及用施密特触发器构成的多谐振荡器等。此外，还对几种不同类型的压控振荡器电路作了概要的介绍。在本章的最后，讨论了广为应用的555定时器和用它构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的方法。第六章脉冲波形的产生的整形6、1概述获取矩形脉冲波形的途径不外乎有两种：一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲，另一种是通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。但在采用整形的方法获取矩形脉冲时，是以能够找到频率和幅度都符合要求的一种已有电压信号为前提的。为了定量描述矩形的特性，通常给出图6.1.1中所标注的几个主要参数。1.脉冲周期T——周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。有时也用频率表示单位时间内脉冲重复的次数。2.脉冲幅度Vm——脉冲电压的最大变化幅度。3.脉冲宽度tw——从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿到达0.5Vm为止的一段时间。4.上升时间tr——脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时间。5.下降时间tf——脉冲下降沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需要的时间。6.占空比q——脉冲宽度与脉冲周期的比值，亦即q=tw/T。Tf1图6.1.1描述矩形脉冲特性的主要参数第六章脉冲波形的产生的整形图6.1.1描述矩形脉冲特性的主要参数第六章脉冲波形的产生的整形6、2施密特触发器施密特触发器(SchmittTrigger)是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。它在性能上有两个重要的特点：1.输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。2.在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。6、2、1用门电路组成的施密特触发器图6.2.1用CMOS反相器构成的施密特触发器（a）电路（b）图形符号第六章脉冲波形的产生的整形图6.2.2图6.2.1电路的电压传输特（a）同相输出（b）反相输出第六章脉冲波形的产生的整形6、2、3施密特触发器的应用一、用于波形变换利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。图6.2.8用施密特触发器实现波形变换第六章脉冲波形的产生的整形二、用于脉冲整形在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，但都可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。图6.2.9用施密特触发器对脉冲整形第六章脉冲波形的产生的整形三、用于脉冲鉴幅若将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端时，只有那些幅度大于VT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。因此，施密特触发器能将幅度大于VT+的脉选出，具有脉冲鉴幅的能力。图6.2.10用施密特触发器鉴别脉冲幅度第六章脉冲波形的产生的整形6、3单稳态触发器单稳态触发器的工作特性具有如下的显著特点：1.它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；2.在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自行返回稳态；3.暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。由于具备这些特点，单稳态触发器被广泛应用于脉冲整形、延时(产生滞后于触发脉冲的输出脉冲)以及定时(产生固定时间宽度的脉冲信号)等。6、3、1用门电路组成的单稳态触发器单稳态触发器的暂稳态通常都是靠RC电路的充、放电过程来维持的。根据RC电路的不同接法(即接成微分电路形式或积分电路形式)，以把单稳态触发器分为微分型和积分型两种。第六章脉冲波形的产生的整形一、微分型单稳态触发器图6.3.1是用CMOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器。对于CMOS门电路，可以近似地认为，而且通常在稳态下,故,电容C上没有电压。图6.3.1微分型单稳态触发器0,OLDDOHVVVDDTHVV21DDIIVvv2,0DDOOVvv1,0第六章脉冲波形的产生的整形当触发脉冲加到输入端时，Rd和Cd组成的微分电路输出端得到很窄的正、负脉冲。当上升到VTH以后，将引发如下的正反馈过程与此同时，电容C开始充电。随着充电过程的进行VI2逐渐升高，当升至VI2=VTH时，又引发另外一个正反馈过程Ivdvdv____________12OOIvvv图6.3.2图6.3.1电路的电压波形图第六章脉冲波形的产生的整形根据对RC电路过渡过程的分析可知，在电容充、放电过程中，电容上的电压从充、放电开始到变化至某一数值VTH所经过的时间可用下式计算。图6.3.2的波形图可见，图电路中电容电压从0充至VTH的时间即tw。将代入式(6.3.1)得到Cv.,)(,)0()1.3.6()()0()(ln放电的终了值是电容电压充是电容电压的起始值其中CCTHCCCvvVvvvRCtDDCCVvv)(,0)0()2.3.6(69.02ln0lnRCRCVVVRCtTHDDDDW第六章脉冲波形的产生的整形二、积分型单稳态触发器图6.3.5是用TTL与非门和反相器以及RC积分电路组成的积分型单稳态触发器。.,,01OHOAOHOIVvvVvv所以稳态下由于图6.3.5积分型单稳态触发器图6.3.6图6.3.5电路的电压波形图第六章脉冲波形的产生的整形6、4、4用施密特触发器构成的多揩振荡器图6.4.15用施密特触发器构成的多谐振荡器图6.4.16图6.4.15电路的电压波形图第六章脉冲波形的产生的整形6、4、5石英晶体多谐振荡器在许多应用场合下都对多揩振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。例如在将多谐振器作为数字钟的脉冲源使用时，它的频率稳定性直接影响着计时的准确性。在这种情况下，前面所讲的几种多谐振荡器电路难以满足要求。顺为在这些多谐振荡器中振荡频率主要取决于门电路输入电压在充、放电过程中达到转换电平所需要的时间，所以频率稳定性不可能很高。图6.4.18石英晶体的电抗频率特性和符号第六章脉冲波形的产生的整形6、5555定时器及其应用6、5、1555定时器的电路结构与功能555定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。图6.5.1是国产双极型定时器CB555的电路结构图。它由比较器C1和C2、基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。第六章脉冲波形的产生的整形图6.5.1CB555的电路结构图第六章脉冲波形的产生的整形输入输出TD状态01111低低不变高高导通导通不变截止截止表6.5.1CB555的功能表DR1Iv2IvOvCCCCCCCCVVVV32323232CCCCCCCCVVVV31313131第六章脉冲波形的产生的整形可以设想，如果使的低电平信号发生在输入电压信号的不同电平，那么输出与输入之间的关系将为施密特触发特性；如果在加入一个低电平触发信号以后，经过一定的时间能在输入端自动产生一个低电平信号，就可以得到单稳态触发器；如果能使的低电平信号交替地反复出现，就可以得到多谐振荡器。21CCvv和2Iv1Cv21CCvv和第六章脉冲波形的产生的整形6、5、2用555定时器接成的施密特触发器将555定时器的两个输入端连在一起作为信号输入端,如图6.5.2所示，即可得到施密特触发器。21IIvv和图6.5.2用555定时器接成的施密特触发器第六章脉冲波形的产生的整形首先我们分析逐渐升高的过程：其次，再看开始下降的过程：如果参考电压由外接电压VCO供给，则不难看出这时。通过改变VCO值可以调节回差电压的大小。.32,.,0,1,0,32;,1,3231;,1,0,1,31212121CCTOLOCCCCIOHOCCCCICCOHOCCCCIVVVvQvvVvVvvvVvVVvQvvVv因此故以后当保持不变故时当故时当从0vICCIV32从高于vCCTTTCCTOHOCCCCIOLOCCCCICCVVVVVVVvQvvVvVvvvVvV31.31,.,1,0,1,31;,1,32312121压为由此得到电路的回差电因此故以后当保持不变故时当COTCOTVVVV21,21,COTVV第六章脉冲波形的产生的整形图6.5.3图6.5.2电路的电压传输特性第六章脉冲波形的产生的整形6、5、3用555定时器接成的单稳态触发器图6.5.4用555定时器接成的单稳态触发器第六章脉冲波形的产生的整形如果没有触发信号时处于高电平，那么稳态时这个电路一定处于。假定接通电源后触发器停在Q=0的状态，则TD导通。故将稳定地维持不变。图6.5.5图6.5.4电路的电压波形图Iv的状态0,0,121OCCvQvv0Cv的状态0,0,121OCCvQvv第六章脉冲波形的产生的整形输出脉冲的宽度等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻R和电容C的大小。由图可知，等于电容电压在充电过程中从0上升到2/3Vcc所需要的时间，因此得到通常R的取值在几百到几兆欧姆之间，电容的取值范围为几百皮法到几百微法，tw的范围为几微秒到几分钟。但必须注意，随着tw的宽度增加它的精度和稳定度也将下降。)1.5.6(1.13ln320lnRCRCVVVRCtCCCCCCW第六章脉冲波形的产生的整形6、5、4用555定时器接成的多揩振荡器既然用555定时器能很方便地接成施密特触发器，那么我们就可以先把它接成施密特触发器，然后利用前面6.4.4节讲过的方法，在施密特触发器的基础上改接成多谐振荡器。图6.5.6用555定时器接成的多谐振荡器第六章脉冲波形的产生的整形图6.5.7图6.5.6电路的电压波形图)6.5.6(2)5.5.6(2ln)2(11)4.5.6(2ln)2()3.5.6(2ln00ln)2.5.6(2ln)(ln)(2121121212122221211RRRRTTqCRRTfCRRTTTCRVVCRTCRRVVVVCRRTTTTCCTCC第六章脉冲波形的产生的整形图6.5.8用555定时器组成的占空比可调的多谐振荡器第六章脉冲波形的产生的整形参见书上354页[例6.5.1]试用CB555定时器设计一个多谐振荡器，要求振荡周期为1秒，输出脉冲幅度大于3V而小于5V，输出脉冲的占空比q=2/3。图6.5.9例6.5.1设计的多谐振荡器第六章脉冲波形的产生的整形第六章脉冲波形的产生的整形