第十章 脈沖波形的產(chǎn)生和整形,10-1 概述,10-3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,10-4 多諧振蕩器,10-5 555定時(shí)器及其應(yīng)用,10-2 施密特觸發(fā)器,10-1 概述,獲取矩形脈沖波形（時(shí)鐘）的途徑有兩種：,2、用整形電路把已有的周期性變化的波形整形產(chǎn)生,1、用多諧振蕩器直接產(chǎn)生,矩形脈沖波形的整形電路施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。,用門電路可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。,用555定時(shí)器也可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。, 10-2 施密特觸發(fā)器,10-2-1 特點(diǎn)和用途,一、特點(diǎn),1、電平觸發(fā)：觸發(fā)信號(hào)UI可以是變化緩慢的模擬信號(hào)， UI達(dá)某一電平值時(shí)，輸出電壓U0突變。 U0為脈沖信號(hào)。,2、電壓滯后傳輸：輸入信號(hào)UI從低電平上升過(guò)程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與UI 從高電平下降過(guò)程中電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平不同。,施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路。,利用上述兩個(gè)特點(diǎn)，施密特觸發(fā)器不僅能將邊沿緩慢變化的信號(hào)波形整形為邊沿陡峭的矩形波，還可以將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。,同向輸出特性：,VT+,Uo,UI,UoL,UoH,二、 輸出特性,0,當(dāng)UI = 0時(shí)，Uo= UoL,正向閾值電平VT+：,UI 上升時(shí)，引起Uo 突變時(shí)對(duì)應(yīng)的UI 值。,反向輸出特性：,VT+,Uo,UI,UoL,UoH,0,當(dāng)UI = 0時(shí)， Uo= UoH,負(fù)向閾值電平VT- ：,UI 下降時(shí)，引起Uo 突變時(shí)對(duì)應(yīng)的UI值。,三、用途：,整形，構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，構(gòu)成多諧振蕩器。,UO1,UI,UI,UO,10-2-2 用門電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器,一、構(gòu)成,UI,UO1,UO,說(shuō) 明,UI =0,0,0,1,0,同相施密特觸發(fā)器,UI上升過(guò)程中,VT+,VTH,1,0,VT+,VTH,1,0,G1、G2門將要翻轉(zhuǎn),=VT+,=VTH,0,UO突變,UI下降過(guò)程中,VT-,VTH,0,1,0,1,1,0,VT-,VTH,=VT-,=VTH,G1、G2門將要翻轉(zhuǎn),UO突變,1,UI,（用CMOS非門）,二、工作原理,VT+,VTH,0,1,1,0,VT-,VTH,三、舉例,設(shè)UI為緩慢變化的三角波：,UI,t,VTH,VT+,VT-,UO,t,UOL,UOH,G1門的閾值電平,四、計(jì)算回差電壓 VT,1、求VT+,在UI從0開(kāi)始上升時(shí)，UO=UOL。,UOH,UOL,VTH,VT+,從求UI ,入手求VT+ ：,UI , = VTH =UR2 =,電路中電流流向和電位情況見(jiàn)圖。,2、求VT-,UOL,在UI從最大值開(kāi)始下降時(shí)，UO=UOH。,UOH,VTH,VT-,從求UI ,入手求VT- ：,UI , = UTH = UOH UR2 =,又：,故：,電路中電流流向和電位情況見(jiàn)圖。,五、電壓傳輸特性,UI =0時(shí)，UO=UOL,是同相施密特特性,UI,UO,VDD,VTH,3、求回差電壓VT,當(dāng)VDD一定時(shí)，調(diào)R1、R2 ，可調(diào)UT ，即可調(diào)VT+ VT-，可調(diào)UO脈寬。,六、邏輯符號(hào),VT-,VT+,10-2-3 集成施密特觸發(fā)器,常用TTL電路集成施密特觸發(fā)器有7413等， 常用CMOS電路集成施密特觸發(fā)器有CC40106等。,10-2-4 施密特觸發(fā)器的應(yīng)用,一、用于波形變換,例：,已知UI為半波，UI m= 9V，,電路的VT+ =6V， VT-=3V,UOH =VDD，試畫(huà)UO波形。,9,6,3,VT+,VT-,VDD,VDD,二、用于脈沖整形,VT+,VT-,VT+,VT-,VT+,VT-,三、用于脈沖鑒幅, 10-3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,10-3-1 特點(diǎn)和用途,一、特點(diǎn),1、開(kāi)機(jī)（接通電源），電路出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)。,2、外加觸發(fā)信號(hào)，電路翻轉(zhuǎn)為暫態(tài)。,暫態(tài)維持一段時(shí)間，自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài),3、暫態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短，只和電路參數(shù)有關(guān)，與觸發(fā)信號(hào)的幅度、電源電壓的高低無(wú)關(guān)。,二、用途,1、整形輸出矩形波。,2、定時(shí)輸出一定寬度的矩形波。,3、延時(shí)將輸入信號(hào)延長(zhǎng)一定時(shí)間后輸出。,10-3-2 用門電路組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,1、組成,（用CMOS或非門）,UI,UO1,UI2,UO,UI，,2、工作原理 （用正窄脈沖觸發(fā)）,UI,UO1,UI2,UO,說(shuō) 明,接通VDD 不觸發(fā),VDD,UOL,0,0,1,1,0,穩(wěn)態(tài)：UO=0,C中無(wú)電荷,觸發(fā),1,0,0,1,暫態(tài)：UO=1,C充電 UI2,=VTH,0,0,0,1,1,0,返回穩(wěn)態(tài)：UO=0,C放電 UI2,=VDD,0,0,0,1,1,0,恢復(fù)為起始穩(wěn)態(tài),C中無(wú)電荷,注釋：此時(shí)的邏輯電平“1”， 對(duì)應(yīng)的電位為（VDD+0.7）V。,UI，,總之：,不觸發(fā)：UO=0，C中無(wú)電荷,觸發(fā)：UO=1,C充電：返回 UO=0,C放電：恢復(fù)為起始穩(wěn)態(tài)，UO=0， C中無(wú)電荷,3、電壓波形,VTH,* 為了保證觸發(fā)時(shí)間極短， 通常在UI端加RC微分電路：,VDD+0.7,注意；第二次觸發(fā)必須在第一次觸發(fā)穩(wěn)定之后進(jìn)行。,電壓波形,4、輸出脈寬 TW 和幅度 UOm,TW,根據(jù)一階RC電路暫態(tài)過(guò)程中， 求任意變量的一般公式：,可得：,A() -,A() -,t =ln ,從波形圖中看出，TW是C充電使UI2從0上升到VTH對(duì)應(yīng)的時(shí)間，,UI2()=VDD ,UI2(0+)=0,RC,TW = RC ln,Uom = UOH -UOL VDD,1）求TW,2）求Uom,= RC ln2,A(0+),A(t),所以：,= 0.69 RC,5、分辨時(shí)間 Td,Td是指在保證電路正常工作的前提下，兩個(gè)相鄰觸發(fā)脈沖之間，允許的最小時(shí)間間隔。,TW,Tre,Td,由波形圖知： Td = TW + Tre,TW：輸出脈沖的寬度,Tre ：恢復(fù)時(shí)間，即 C放電達(dá)穩(wěn)定值VDD所需的時(shí)間 T放。,RO N,D1,G2,G1,由放電回路知：,放電回路,（D1是G2 門輸入保護(hù)電路中的二極管。）,Tre =T放= (35)(RON +R/rD)C,當(dāng)D1的等效電阻rD遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于RON 和R時(shí)，,Tre =T放 (35)RON C,二、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,1、組成,可用TTL與非門組成， 門之間用RC積分電路耦合。,UA,UB,UO1,UO,UI,2、工作原理,（用正的寬脈沖觸發(fā)）,UI,UA,UB,UO,說(shuō) 明,接通VCC 不觸發(fā),1,0,VCC,0,1,自然穩(wěn)態(tài)：UO=1,觸發(fā),1,0,VCC,1,0,暫穩(wěn)態(tài)：UO=0,1,返回穩(wěn)態(tài)：UO=1,C放電 UA,VTH,恢復(fù)為自然穩(wěn)態(tài),1,0,1,不觸發(fā),1,0,VCC,0,1,UO=1,R,C,UO1,3、電壓波形,VTH,TTR,Tre,Tw,4、輸出脈寬 TW 和幅度 UOm,Uom = UOH -UOL,5、分辨時(shí)間 Td,Td,由波形圖知： Td = TTR + Tre,TTR ：觸發(fā)脈沖的寬度,Tre ：恢復(fù)時(shí)間，即 UO1跳到UOH后， C充電達(dá)穩(wěn)定值所需的時(shí)間 T充。,由充電回路知：,充電回路,Tre =T充 = (35)(RO+R)C,10-3-3 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,1、不可重復(fù)觸發(fā),觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，再加觸發(fā)脈沖無(wú)效,TW,2、可重復(fù)觸發(fā),觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，再次觸發(fā)有效，輸出脈沖可再維持一個(gè)脈寬。,TW,常用74121，74221，74LS221等都是不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。,其中，74121的電路符號(hào)如圖：,一、分類,二、常用產(chǎn)品舉例,輸 入,輸 出,A1,A2,B,UO,0,X,1,0,1,X,0,1,0,1,X,X,0,0,1,1,1,X,0,1,電平 觸發(fā),1,1,1,1,1,0,X,X,0,脈沖 觸發(fā),集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的功能表,下降沿觸發(fā)時(shí)的接法,1,UI,不利用Rint 時(shí)的接法,+VCC,上升沿觸發(fā)時(shí)的接法,UI,利用Rint 時(shí)的接法（Rint2 K）,C,R,C,三、應(yīng)用舉例,1、脈沖整形,TW = 0.69 RC,2、輸出脈沖延時(shí),UI,+VCC,UO2,TW2,觸發(fā)后，電路延時(shí)TW1 時(shí)間再輸出。,TW1 = 0.69 R1C1,TW2 = 0.69 R2C2,3、定時(shí)輸出,UI,UO2,74121,74121,UA,TW,只在觸發(fā)之后的TW 時(shí)間內(nèi)有UA 輸出。, 10-4 多諧振蕩器,特點(diǎn)：不需要外加觸發(fā)信號(hào)，電路自激振蕩，沒(méi)有穩(wěn)態(tài)。,用途：產(chǎn)生脈沖方波。,10-4-1 用門電路構(gòu)成多諧振蕩器,一、對(duì)稱式多諧振蕩器,1、組成（用TTL門電路）,UI1,UO2,UO1,UI2,2、工作原理,則，暫態(tài) ： UO1=0、UO2=1,接下來(lái)：C1充電、C2 放電,假設(shè)，某一時(shí)刻，電路出現(xiàn) UO1=0、UO2=1的狀態(tài)，,0,0,1,1,C2放電回路：,UI1,UOL1,UOH2,C2+ RF1 UOL1 UOH2 C2-,C2放電使UI1。,C2放電：,UI2,UOH2,UOL1,C1充電：,暫態(tài) ： UO1=0、UO2=1,C1充電等效回路：,UOH2 RE1 C1 UOL1,（RE1=RF2R1）,C1充電使UI2。,由于RE1 RF1（當(dāng)電路對(duì)稱時(shí)），,所以，充電比放電快。,C1充電 UI2 = VTH 時(shí) G2導(dǎo)通 UO2=0,UI1=0 UO1=1,暫態(tài)： UO1=1、 UO2=0,C2充電 UI1 = VTH 時(shí) G1導(dǎo)通 UO1=0,UI2=0 UO2=1,電路回到暫態(tài)。,循環(huán)往復(fù)，直到關(guān)機(jī)。,總之：,UO1 =0 UO2 =1,UO2=0 UO1=1,UO1=1 UO2=0,UO1=0 UO2=1,VTH,VTH,VIK,VIK,T1,T,4、計(jì)算,在RF1=RF2=RF，C1=C2=C 時(shí)：,T1 RFC ln ,UOH -,UOH -,如果G1、G2為74LS系列反相器，,UOH=3.4V，VIK= -1V，VTH=1.1V,在RFR1時(shí)，,T1=0.65 RFC,振蕩周期：T = 2T1=1.3RFC,振蕩頻率：f =1/T,占空比： q = (T1/T)100%,3、電壓波形,C2放電、充電,C1充電、放電,VTH,VIK,二、環(huán)形振蕩器,1、組成,利用門電路的傳輸延遲時(shí)間tpd ， 將奇數(shù)個(gè)反相器首尾相接。,UO1,UO2,UO3,2、工作波形,tpd,3、計(jì)算,TW = ntpd ；,T=2TW ；,f =1/T,一般，tpd =,TTL類幾十 ns,CMOS類幾百ns,（所以，環(huán)形振蕩器的振蕩頻率f 特別高）,為了獲得較低的、可調(diào)的f ，可在環(huán)形回路中增加RC延時(shí)環(huán)節(jié)。,TW,n是門的數(shù)目。,6-4-2 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成多諧振蕩器,1、組成,UI,UO,2、工作原理,接通VCC瞬間，C中無(wú)電荷，所以：,1）UC=0 ,3、電壓波形,0,0,VT+,VT-,若是CMOS電路，,T1,T2,T,T1= RC ln ,VDD -,VDD -,T=T1+T2 ；,f =1/T；,q =T1/T,UI =0 ,UO=1,VT-,VT+,T2= RC ln ,0 -,0 -,VT+,VT-,則：,5、電路改進(jìn),占空比可調(diào)電路如圖：,充電經(jīng)過(guò)R2 ，放電經(jīng)過(guò)R1 ，,q =T1/T,T=T1+T2,調(diào)節(jié)R1 或 R2 ，即可調(diào)節(jié)q,10-4-3 石英晶體多諧振蕩器,一、石英晶體,許多應(yīng)用場(chǎng)合。要求多諧振蕩器的振蕩頻率f十分穩(wěn)定，（如數(shù)字鐘的秒脈沖頻率）。上述電路的 f 都達(dá)不到要求。最簡(jiǎn)便的穩(wěn)頻方法是在多諧振蕩器中接入石英晶體，構(gòu)成石英晶體多諧振蕩器。,石英晶體的固有振蕩頻率 fo 由結(jié)晶方向、外形尺寸決定；頻率穩(wěn)定度（fo / fo)可達(dá)10-1010-11 。,fo,電容性,電感性,電抗頻率特性曲線,當(dāng)外加電壓的頻率f = fo 時(shí)，其電抗 X=0 。,2、工作原理,當(dāng)UO的頻率f = fo 時(shí)，反饋?zhàn)顝?qiáng)，電路才起振。,fo 的穩(wěn)定度極高，這就解決了多諧振蕩器的穩(wěn)頻問(wèn)題。,結(jié)果： f = fo 。,符號(hào),二、石英晶體振蕩器,1、組成,將石英晶體接到多諧振蕩器的正反饋回路中。,3、參數(shù)選擇,各種固有振蕩頻率fo的石英晶體已做成成品，可根據(jù)所購(gòu)晶體的fo選擇電路的外接RF 和C，,fo一般都很高，應(yīng)利用分頻器將fo分頻為所需頻率。,例如，需要頻率為1HZ的秒脈沖,可選購(gòu) fo=32768HZ的晶振，通過(guò)15次二分頻獲得1HZ。, 10-5 555定時(shí)器及其應(yīng)用,555定時(shí)器是單片集成電路，用途廣，,可構(gòu)成施密特觸發(fā)器、,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、,多諧振蕩器等。,雙極型產(chǎn)品型號(hào)的后三位數(shù)碼為555。,單極型產(chǎn)品型號(hào)的后四位數(shù)碼為7555。,其功能和外部引腳的排列完全相同。,10-5-1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能,一、組成與特點(diǎn),VR1,VR2,UO,TD,+VCC,CO,U6,U2,1,2,6,5,8,4,3,7,（TH）,當(dāng)CO端不接控制電壓UCO時(shí)：,國(guó)產(chǎn)CB555的結(jié)構(gòu)框圖：,它由三個(gè)5K電阻、,比較器C1和C2、,基本RS觸發(fā)器,和放電管TD 組成。,相當(dāng)于：,C1出1；,C1出0。,反相,同相,U6,U2,放電管TD的作用：給外接電容C提供放電通路。,結(jié)構(gòu)圖的等效簡(jiǎn)化電路：,相當(dāng)于：,C2出0；,C2出1。,由C2同相輸出。,二、工作原理,輸 入,過(guò) 渡,輸 出,U6,U2,Q,TD狀態(tài),0,X,X,X X,導(dǎo)通,1,導(dǎo)通,1,截止,1,保 持,表 1 CB555功能表（CO端懸空時(shí)）,表1 的主要內(nèi)容見(jiàn)表2：,工作原理見(jiàn)表1,由表2可得如下口訣：,大于、大于、出0；,小于、小于、出1；,小于、大于、保持,0,1,1,0,1,1,0,1,0,1,1,0,當(dāng)CO端接有UCO 時(shí)：,VR2 =,三、說(shuō)明,VR1 =,UCO、,所有結(jié)論仍成立。,四、電路符號(hào),555 定時(shí)器的電源電壓范圍較寬，,CMOS類：VDD為318伏，（UOHVDD95% ，IOm4mA）,TTL類： VCC為516伏，（UOHVCC90%）， IOm200mA）,UO,TH,TD,CO,VCC,GND,UCO ，,10-5-2 555定時(shí)器接成施密特觸發(fā)器,二、工作原理,（設(shè)：UI為模擬三角波）,UI,U6 U2,UO,0,1,0,1,三、電壓波形,一、組成,UI,UO,+VCC,0.01uF,從電壓波形知：,此為施密特反相器。,10-5-3 555定時(shí)器接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,R,C,UI,+,-,二、工作原理,要求觸發(fā)信號(hào) 為負(fù)的窄脈沖,C,UC,U6,（UC）,U2,（UI）,UO,（Q）,TD,說(shuō) 明,充電,0,導(dǎo)通,穩(wěn)態(tài)：UO =0,放電,保 持,接通VCC 不觸發(fā)UI=1,0,1,截止,暫態(tài)：UO =1,充電,0,導(dǎo)通,返回：UO =0,放電,保 持,UI =1,一、 組成,無(wú)電荷,觸發(fā),總之：不觸發(fā)，UO=0；,UO=1維持一段時(shí)間又返回UO=0,充電回路：VCC+RC VCC-（充電慢）,放電回路：C+ TD C -（放電快）,三、電壓波形,TW,TWRC ln3 = 1.1RC,觸發(fā), UO=1,注意；第二次觸發(fā)必須在第一次觸發(fā)穩(wěn)定之后進(jìn)行。,10-5-4 555定時(shí)器接成多諧振蕩器,R1,R2,C,等效為施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器，,電壓UC是施密特觸發(fā)器的輸入電壓，,二、工作原理,UC,U6,U2,UO,TD,起始時(shí),0,1,截止,C充電,0,導(dǎo)通,C放電,1,截止,循環(huán)往復(fù)，直到關(guān)機(jī)。,一、電路組成,三、電壓波形,總之：起