1、1 1第20章 脈沖波形的產(chǎn)生和變換20.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器20.2施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器20.3555定時(shí)器及其應(yīng)用定時(shí)器及其應(yīng)用2 2第第20章章 脈沖波形的產(chǎn)生和變換脈沖波形的產(chǎn)生和變換在數(shù)字系統(tǒng)中，常常把各種頻率的矩形脈沖作為時(shí)鐘脈沖信號(hào)，用于控制和協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作。矩形脈沖的獲取方式可由脈沖振蕩器產(chǎn)生，也可利用整形電路將已有的周期性信號(hào)變換為矩形脈沖。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹脈沖波形的產(chǎn)生與變換。描述矩形脈沖波形的特性主要有以下幾個(gè)主要參數(shù)(見圖20.1): 脈沖周期T在周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔，有時(shí)也用頻率f表示；3 3脈沖幅值Um脈沖電

2、壓變化的最大幅值；脈沖寬度TW從脈沖前沿上升到0.5Um起，到脈沖后沿下降到0.5Um為止的一段時(shí)間；占空比q脈沖寬度與脈沖周期的比值，q=TW/T；上升時(shí)間tr脈沖從0.1Um上升到0.9Um所需的時(shí)間；下降時(shí)間tf脈沖從0.9Um下降到0.1Um所需的時(shí)間。4 4圖20.1 矩形脈沖的特性參數(shù)5 520.1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器20.1.1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特性具有如下特點(diǎn)：(1) 有穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩個(gè)工作狀態(tài)；(2) 在外界觸發(fā)脈沖的作用下，可從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)到暫態(tài)，在暫態(tài)維持一段時(shí)間后，再自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)；(3) 暫態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路本身

3、的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度無關(guān)。由于具有這些特點(diǎn)，因而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被廣泛應(yīng)用于脈沖整形、延時(shí)及定時(shí)電路中。6 61. 門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用CMOS門電路和RC微分電路構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖20.2所示。對(duì)于CMOS電路，可近似認(rèn)為UoHUDD，UoL0， 故可以認(rèn)為在穩(wěn)態(tài)下Ui=0，Ui2=UDD，Uo=0，Uo1=UDD，電容上沒有電壓。當(dāng)輸入觸發(fā)脈沖Ui加到輸入端時(shí)，由Rd、Cd組成的微分電路的輸出端得到一個(gè)很窄的正、負(fù)脈沖電壓Ud，Ud上升到Uth以后，將引發(fā)如下的正反饋過程:7 7圖 20.2 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器8 8使Uo1迅速跳變?yōu)榈碗娖健Ｓ捎陔娙?/p>

4、上的電壓不能突變，因此Ui2也同時(shí)跳變?yōu)榈碗娖剑⑹筓o跳變?yōu)楦唠娖?，電路進(jìn)入暫態(tài)。此時(shí)即使Ud回到低電平，Uo仍將維持高電平。與此同時(shí)，電容C開始充電，且隨著充電過程的進(jìn)行，Ui2逐漸升高，當(dāng)上升到Ui2=Uth時(shí)，將引發(fā)另一個(gè)正反饋過程：若此時(shí)觸發(fā)脈沖消失(Ud回到低電平)，則Uo1、Ui2將迅速跳變到高電平，并使輸出返回到Uo=0的狀態(tài)。同時(shí)，電容C通過R和G2門的輸入保護(hù)電路向UDD放電，直至電容C上的電壓降為0 V時(shí)，電路又恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。整個(gè)過程的波形變化如圖20.3所示。9 9圖 20.3 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖1010各種參數(shù)的計(jì)算如下：當(dāng)Uth=UDD/2時(shí)，脈沖寬度thD

5、DDDW0lnUUURCT輸出脈沖幅度 Um=UoHUoLUDD為了保證單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖的寬度準(zhǔn)確無誤，輸入觸發(fā)脈沖的時(shí)間間隔T(重復(fù)周期)應(yīng)滿足：TTW+Tre其中， Tre表示電容C放電完畢所需要的時(shí)間，稱為電路的恢復(fù)時(shí)間，一般可取Tre=(35)RC11112. 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器鑒于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)上有多種集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可供選用，其特點(diǎn)是: 在TTL和CMOS電路產(chǎn)品內(nèi)部具有上升沿與下降沿觸發(fā)的控制和置0功能，連線較少，采取了溫度補(bǔ)償措施，可以通過改變外接電容和電阻的參數(shù)調(diào)節(jié)輸出脈沖的寬度等。常見的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器型號(hào)有74121(TTL型)、74221

6、(TTL型)、74123(TTL型)和CCL14528(CMOS型)等。12123. 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用(1) 用于脈沖整形。脈沖信號(hào)經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸后，脈沖波形會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)過單穩(wěn)電路后， 可整形為符合要求的波形，如圖20.4所示。脈沖的寬窄可以根據(jù)具體要求通過改變外接的R和C而改變。(2) 用于脈沖延時(shí)(展寬)。利用單穩(wěn)態(tài)電路，可組成脈沖延時(shí)電路，使脈沖信號(hào)展寬，以滿足有些數(shù)字系統(tǒng)的需求，如圖20.5所示。1313圖 20.4 脈沖整形示意圖1414圖 20.5 脈沖延時(shí)示意151520.1.2 多諧振蕩器多諧振蕩器多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源后，無需外加觸發(fā)信號(hào)

7、就能自動(dòng)產(chǎn)生矩形脈沖。由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài)，工作時(shí)在兩個(gè)暫態(tài)之間不停地轉(zhuǎn)換。1. 對(duì)稱式多諧振蕩器對(duì)稱式多諧振蕩器圖20.6所示為對(duì)稱式多諧振蕩器的典型電路。它由反相器G1、G2 和耦合電容C1、C2及電阻RF1、RF2組成。其中G1、G2與C1、C2構(gòu)成正反饋電路。RF1、RF2控制G1、G2，使之工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。1616圖20.6 對(duì)稱式多諧振蕩器1717從圖20.6可見，該電路是利用RC的充放電分別控制G1、G2門的開通與關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)自激振蕩的。假如由于某種原因(例如電源或外界的干擾)使Ui1有一個(gè)微小變化(正躍變)，則必

8、然會(huì)得到下列的正反饋過程:使Uo1迅速跳變?yōu)榈碗娖?，Uo2跳變?yōu)楦唠娖?，電路進(jìn)入第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。與此同時(shí)，Uo2開始經(jīng)RF2向C1充電，C2開始經(jīng)RF1放電。隨著C1的充電，Ui2逐漸上升到G2的閾值電壓Uth時(shí)，Uo2開始下降，并引起另一個(gè)正反饋過程：1818從而使Uo2迅速跳變至低電平，電路進(jìn)入第二個(gè)暫態(tài)。同時(shí)C2開始充電，而C1開始放電。隨著C2充電，Ui1逐漸升高到G1的Uth后，電路又迅速返回到第一個(gè)暫態(tài)。因此，電路不停地在兩個(gè)暫態(tài)之間往復(fù)轉(zhuǎn)換，在輸出端不斷地發(fā)出矩形電壓脈沖，如圖20.7所示。1919圖 20.7 矩形電壓脈沖形成示意圖20202. 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩

9、器對(duì)稱式多諧振蕩器的振蕩頻率主要取決于門電路的輸入電壓在充、放電過程中達(dá)到轉(zhuǎn)換電平所需要的時(shí)間。由于電阻、電容的數(shù)值在使用過程中會(huì)發(fā)生變化，因而嚴(yán)重影響振蕩頻率的穩(wěn)定性。目前普遍采用的穩(wěn)頻方法是，在多諧振蕩器電路中接入石英晶體，構(gòu)成石英晶體多諧振蕩器。石英晶體的符號(hào)、電抗頻率特性及石英晶體多諧振蕩器電路如圖20.8所示。2121圖 20.8 石英晶體符號(hào)、電抗頻率特性及多諧振蕩器電路(a) 符號(hào)； (b) 頻率特性； (c) 電路2222由石英晶體的電抗特性可知，當(dāng)外加電壓的頻率為f0時(shí)，電抗最小，電壓信號(hào)最容易通過并在電路中形成正反饋，其它頻率的信號(hào)經(jīng)過石英晶體將被衰減。因此，石英晶體多諧振

10、蕩器的頻率取決于石英晶體的固有諧振頻率f0，與外接電阻、電容無關(guān)，適用于對(duì)信號(hào)頻率穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合。232320.2 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中常用的一種電路，它具有兩個(gè)重要特性：一是輸入信號(hào)從低電平上升的過程中、電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與輸入信號(hào)從高電平下降過程中對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同；二是在電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，電路內(nèi)部的正反饋過程使得輸出電壓波形的邊沿變得很陡。利用以上兩個(gè)特性，不僅可以將邊沿變化緩慢的信號(hào)波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可有效地清除疊加在矩形脈沖高、低電平上的干擾波，起到脈沖整形的作用。24241. CMOS門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

11、門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器圖20.9所示為由CMOS門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器。當(dāng)Ui從0 逐漸升高并達(dá)到Uth時(shí)，G1進(jìn)入電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，引起正反饋，過程如下：這時(shí)電路的狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為Uo=UoHUDD由此可求出Ui上升過程中電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換所對(duì)應(yīng)的輸入電平為UT+(正向閾值電壓)：th21T1URRU2525圖20.9 CMOS門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器2626當(dāng)Ui從高電平逐漸下降并達(dá)到Uth時(shí)，又引發(fā)另一個(gè)正反饋過程：電路狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為Uo=UoL0由此可求出Ui下降過程中電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入電平為UT(反向閾值電壓)： DD21th21T1URRURRUth21T1URRU

12、若UDD=2Uth，則2727將UT+與UT之差定義為回差電壓UT：UT=UT+UT由此可畫出施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性，稱為施密特滯回曲線，如圖20.10所示。施密特觸發(fā)器應(yīng)用廣泛，無論是CMOS電路還是TTL電路，均有大量的集成施密特觸發(fā)器，其特性與分立門組成的施密特觸發(fā)器相同，這里不再介紹。常見的集成施密特觸發(fā)器有74132、CC40106、74LS132等型號(hào)，它們的邏輯符號(hào)如圖20.11所示。2828圖 20.10 施密特滯回曲線(a) 同相輸出；(b) 反相輸出2929圖20.11 施密特觸發(fā)器的邏輯符號(hào)30302. 施密特觸發(fā)器的應(yīng)用施密特觸發(fā)器的應(yīng)用1) 用于波形變換施密特觸發(fā)

13、器可用于將三角波、正弦波及一些不規(guī)則波形轉(zhuǎn)換為矩形波，如圖20.12所示。圖 20.12 波形變換示意圖31312) 用于脈沖整形當(dāng)傳輸信號(hào)受到干擾時(shí)，施密特觸發(fā)器的滯回特性會(huì)把受到干擾的信號(hào)整形成較好的矩形脈沖，如圖20.13所示。圖 20.13 脈沖整形示意圖32323) 用于脈沖幅度鑒別當(dāng)輸入信號(hào)為一組幅度不等的脈沖，而要求將幅度大于Uth的脈沖信號(hào)選出時(shí)，可采用施密特觸發(fā)器的輸入信號(hào)進(jìn)行鑒別。方法是：將信號(hào)加入施密特觸發(fā)器，使它的正向閾值電平UT+大于干擾信號(hào)的幅度，而小于信號(hào)的幅度，就可以濾除干擾。因?yàn)?，只有大于UT+的信號(hào)才能使電路翻轉(zhuǎn)而產(chǎn)生輸出脈沖，干擾信號(hào)不能觸發(fā)電路，所以不能

14、形成輸出脈沖。如圖20.14所示。3333圖 20.14 脈沖幅度鑒別34344) 由施密特觸發(fā)器組成多諧振蕩器多諧振蕩器最突出的特點(diǎn)是它的電壓傳輸特性具有滯回特性。據(jù)此可以使其輸入信號(hào)在UT+UT之間不停地往復(fù)變化，在輸出端就可得到矩形脈沖波形。其電路及波形如圖20.15所示。3535圖 20.15 多諧振蕩器電路及波形363620.3 555定時(shí)器及其應(yīng)用定時(shí)器及其應(yīng)用20.3.1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字/模擬混合集成電路，只要外加幾個(gè)阻容元件便可組成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。555定時(shí)器的電源電壓范圍寬，雙極型555

15、定時(shí)器為516 V，CMOS 555定時(shí)器為318 V。它可提高與TTL、CMOS數(shù)字電路兼容的接口電平。555定時(shí)器可輸出一定的功率，可驅(qū)動(dòng)微電機(jī)、指示燈、揚(yáng)聲器等，在脈沖波形的產(chǎn)生與變換、儀器與儀表、測(cè)量與控制等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。3737圖20.16所示為國產(chǎn)雙極型定時(shí)器NE555的電路結(jié)構(gòu)圖虛線框是內(nèi)部電路，它由比較器端C1、C2、基本RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管V等部分組成。基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)受比較器C1和C2輸出端的控制，若C1輸出低電平，觸發(fā)器置0；若C2輸出低電平，則觸發(fā)器置1。與非門G3接在基本RS觸發(fā)器的輸出端，它的輸出就是整個(gè)定時(shí)器的輸出。其作用是隔離負(fù)載對(duì)定時(shí)器的影

16、響，起到緩沖的作用，提高定時(shí)器帶負(fù)載的能力。NE555定時(shí)器的功能表如表20.1所示。3838圖 20.16 NE555雙極型定時(shí)器電路結(jié)構(gòu)圖39394040555定時(shí)器能在較寬的電壓范圍內(nèi)工作，輸出高電平不低于90%電源電壓，帶拉電流負(fù)載和灌電流負(fù)載能力可達(dá)200 mA。414120.3.2 555定時(shí)器的應(yīng)用定時(shí)器的應(yīng)用1. 接成施密特觸發(fā)器接成施密特觸發(fā)器如圖20.17所示，將Ui1和Ui2連在一起作為信號(hào)輸入端(Ui)，就可得到施密特觸發(fā)器。為提高比較器參考電壓UR1和UR2的穩(wěn)定性，通常在UCC端與地之間接0.01 F的電容。電路工作的原理如下。首先，討論Ui從0開始升高：當(dāng)UiUC

17、C/3時(shí)，UC1=1，UC2=0，Q=1，Uo=UoH；當(dāng)UCC/3Ui2/3UCC時(shí)，UC1= UC2=1，Uo=UoH；當(dāng)Ui2/3UCC時(shí)，UC1=0，UC2=1，Q=0，Uo=UoL。4242圖 20.17 由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器(a) 外部接線圖；(b) 內(nèi)部電路圖4343由此可見，電路的正向閾值電壓CCT32UU。時(shí)，當(dāng)時(shí)當(dāng)1, 1, 0, 131;, 1,3231oHo2C1CCCioLo2C1CCCiCCUUQUUUUUUUUUUU其次，討論Ui從高于(2/3)UCC開始下降：由此可見，電路的負(fù)向閾值電壓CCTTCCT3131UUUUUU則回差電壓4444從以上討論的

18、結(jié)果可畫出施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性如圖20.18所示。圖 20.18 施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性45452. 接成單穩(wěn)態(tài)電路接成單穩(wěn)態(tài)電路如果將555定時(shí)器的Ui2(TR)作為觸發(fā)器的信號(hào)輸入端，同時(shí)把輸出DISC(7腳)接回到Ui1端，在Ui1 端與UCC之間接電阻R，在UR1和地之間接電容C，就可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路，如圖20.19所示。其中R、C為定時(shí)元件，改變其參數(shù)可以改變輸出脈沖的寬度，范圍可從幾微秒到幾分鐘，精度可達(dá)0.1%。此電路的工作波形如圖20.20所示，工作原理如下。4646圖 20.19 由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(a) 外部接線圖； (b) 內(nèi)部電路圖 4747圖20.20 由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形圖48483. 接成多諧振蕩器接成多諧振蕩器將放電管V的