第六章脈沖產(chǎn)生與波形轉換第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日第二節(jié).施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種脈沖波形變換電路，在性能上有兩個特點：1．特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)，緩慢變化的信號也可作觸發(fā)輸入信號，當輸入信號達到某一特定的閾值，輸出電平會發(fā)生突變，即施密特觸發(fā)器會從一個穩(wěn)態(tài)轉換到另一個穩(wěn)態(tài)。2．對于正向和負向增長的輸入信號，電路有不同的閾值電平VT+和VT-，也就是引起輸出電平突變的輸入電平不同，即滯后電壓傳輸特性，此特性又稱回差特性。VT+VT-OVOHVOLVOVI滯后電壓傳輸特性定性符號第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日1．用CMOS門電路組成的施密特觸發(fā)器VIVIV'OVO11R1R2G1G2VOVO1VIV'OVI'G1G2為CMOS門，輸出VOH=VDD。VTH=1/2VDD11R1R2VO=VOLVO1VI=0V'OVI'↑→VO1↓→VO↑第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日當Vi上升到使Vi’=VTH時，電路輸出迅速的VO=VOH≈VDD，此時Vi就是VT+則可以求出Vi為：由得：VT+稱為正向閾值電壓反過來，若Vi從高電平緩慢下降，同樣存在一個正反饋過程當VI繼續(xù)下降達到VI'≤VT時，門G1截止，門G2導通，輸出VO=0，電路又一次翻轉。此時，VI'稱為施密特觸發(fā)器的下限轉換電平VT-，也稱為負向閾值電壓?！躒T

可求得VT-

=可知：第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日我們將VT+與VT-之差定義為回差電壓ΔVT，即：ΔVT=VT+-VT-VDDVTHOVOHVOVIVDDVTHOVO(2R1/R2)VTH(2R2/R1)VTH同相輸出反相輸出VI第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日2．用TTL門電路組成的施密特觸發(fā)器&1R1R2G1G2VOVO1VIV'OVI'假定門電路的閾值電壓為VTH，輸出的低電平VOL=０，當VI從０逐步上升至VTH時，由于門G1的另一個輸入端的電平VI'仍低于VTH，因此電路狀態(tài)并不改變。當VI繼續(xù)升高，并使VI'＝VTH時，門G1由截止轉為導通，而且由于G1、G2間存在著正反饋，所以電路迅速轉換為G1導通，G2截止的狀態(tài)，使VO=VOH。觸發(fā)器發(fā)生一次翻轉，此時對應的輸入電平就是VT+。如果忽略VI'＝VTH時，門G1的輸入電流，則可得到

VI'=VTH=（VT+

-VT-）所以VT+=VTH+VD

所以VT+=VTH+VD

第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日當輸入VI由高電平逐漸下降時，只要降至VI≤VTH，門G1由導通轉為截止；門G2由截止轉為導通。同時，由于有正反饋的作用，電路迅速返回VO=VOL的狀態(tài)。因此，觸發(fā)器再次發(fā)生翻轉，VI下降時的轉換電平為VT-=VTH。由此可求出電路的回差電壓為：VTH+VD

ΔVT=VT+-VT-=3.施密特觸發(fā)器的應用

波形變換。將任何符合特定條件的輸入信號變?yōu)閷木匦尾ㄝ敵鲂盘?。幅度鑒別。(3)脈沖整形。第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日波形變換VOttOOVT+VT+第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日脈沖整形幅度鑒別第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日tttOOOVIVT+V1T-V2T-V2OV1O有些測量裝置輸出信號經(jīng)放大后，可能是不規(guī)則的波形，如圖所示，將它接在施密特電路的輸入端，如果電路的回差較小，為如圖中V10所示電路的回差為ΔV=VT+-V1T-時，輸出波形如圖所示。若輸入波形頂部的脈動是由干擾造成的，則會產(chǎn)生不良的后果，輸出信號就變成了三個脈沖。若適當?shù)脑黾与娐返幕夭?，即ΔV=VT+-V2T-，輸出波形為圖V20所示，實現(xiàn)了整形作用，因此在這種情況下，適當?shù)脑黾踊夭?，可以提高電路的抗干擾能力。脈沖整形第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日第三節(jié).單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是數(shù)字系統(tǒng)中又一種常用的脈沖整形電路。它的特點是：只有一個穩(wěn)態(tài)，另外還有一個暫穩(wěn)態(tài)。

在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，在沒有外加觸發(fā)信號作用時，電路始終處于穩(wěn)態(tài)；只有在外加觸發(fā)信號的作用下，電路能從穩(wěn)態(tài)轉換到暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過一段時間后，又能自動回到穩(wěn)態(tài)。電路處于暫穩(wěn)態(tài)的時間長短通常取決于電路中電容的充電和放電時間，這個時間是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度tPO。1.由門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)通常是由RC電路的充放電過程來決定的。根據(jù)RC電路的不同接法（即接成微分電路形式或積分電路形式），把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又分為微分型電路和積分型電路兩種。

第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日VO1VO2CR1RVI2VCCVT1VT2VT3VT4VDG2VO1VI1VO2VI2C&&G1RG2微分單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1．電路組成第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日2．工作原理設與非門的電壓傳輸特性很好，TTL與非門的門坎電平VT=1.4V。VI高電平時，電路和處于穩(wěn)態(tài)：VO1=0，VO2=1（因為R<ROFF，在穩(wěn)定狀態(tài)下，門G2處于截止狀態(tài)，輸出VO2為高電平，此時門G1輸入全為高，因此處于飽和導通狀態(tài)，輸出VO1為低電平。當輸入端VI有負的觸發(fā)脈沖時，門G1由飽和導通狀態(tài)轉為截止狀態(tài)，VO1由低變高。由于電容C兩端電壓不能突變，因此，VI2的正跳變的幅度幾乎與VO1正跳變的幅度相等，這樣門G2由截止狀態(tài)轉向飽和導通狀態(tài)，VO2由高電平變?yōu)榈碗娖剑碫O1=１，VO2=０。同時，由于VO2的低電平接回到G1的輸入端，從而導致下面的正反饋過程VI↓→VO1↑→VI2↑→VO2↓因而加快了電路進入暫穩(wěn)態(tài)的過程

第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日在暫穩(wěn)態(tài)期間，即使輸入端的VI負脈沖消失門G1輸出VO1也可維持在高電平。暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長期保持的狀態(tài)。隨著C的充電VI2的電位會逐漸下降，暫穩(wěn)態(tài)期間的充電回路是經(jīng)電容C、電阻R到地，充電時間常數(shù)τ1=RC（忽略與非門輸出電阻）按指數(shù)曲線下降，當VI2下降到門坎電平VT=1.4V時，產(chǎn)生正反饋過程（注意：此時VI輸入端的負脈沖必須消失）：VI2↓→VO2↑→VO1↓當正反饋過程結束時，電路的輸出也自動返回初始狀態(tài)，VO1=0，VO2=1即穩(wěn)態(tài)。自動返回后，輸出雖回到了穩(wěn)態(tài)，但由于在正反饋過程中，電容C兩端電壓VC不會發(fā)生突變，因此，VO1負跳后，VI2也產(chǎn)生負跳變，其結果使VI2比穩(wěn)態(tài)值要低得多，所以需要通過RC的充放電回路，使VI2經(jīng)過時間常數(shù)τ2=(R1∥R)C，恢復到穩(wěn)態(tài)時的初值，通常將這個階段稱為恢復階段。第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日各點的波形如圖VO1VI1VO2VI2C1&G1RG2VI1VI2VO1VO2tPOVOH-VOLVTH第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日3．主要參數(shù)計算（1）輸出脈沖寬度tPO輸出脈沖寬度tPO是指輸出VO脈沖上升沿0.5Vm處至下降沿0.5Vm處之間的時間間隔（2）恢復時間tre暫穩(wěn)態(tài)結束后，需要一段恢復時間，以便電容C在暫穩(wěn)態(tài)期間所充的電荷放完，使電路恢復到初始狀態(tài)。（3）最高工作頻率設觸發(fā)信號VI的時間間隔為T，為了使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能正常地工作，通常應滿足：t>tPO+tre即最小時間間隔Tmin=tPO+tre，因此單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的最高工作頻率為<

第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日第四節(jié).555定時器一、555定時器分類555定時器又稱時基電路。555定時器按照內(nèi)部元件為雙極型（又稱TTL型）和單極型兩種。雙極型內(nèi)部采用的是晶體管；單極型內(nèi)部采用的則是場效應管。555定時器按單片電路中包括定時器的個數(shù)分為單時基定時器和雙時基定時器。常用的單時基定時器有雙極型定時器5G555(其管腳排列如圖7.2所示)和單極型定時器CC7555。雙時基定時器有雙極型定時器5G556和單極型定時器CC7556。第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日二、555定時器的電路組成5G555定時器內(nèi)部電路如圖所示,一般由分壓器、比較器、觸發(fā)器和開關及輸出等四部分組成。第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日

1.分壓器分壓器由三個等值的電阻串聯(lián)而成，將電源電壓UDD分為三等份，作用是為比較器提供兩個參考電壓UR1、UR2，若控制端S懸空或通過電容接地，則:若控制端S外加控制電壓US則:UR1=US第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.比較器

比較器是由兩個結構相同的集成運放A1、A2構成。A1用來比較參考電壓UR1和高電平觸發(fā)端電壓UTH:當UTH>UR1，集成運放A1輸出Uo1=0;當UTH<UR1，集成運放A1輸出Uo1=1。A2用來比較參考電壓UR2和低電平觸發(fā)端電壓：當＞UR2，集成運放A2輸出Uo2=1；當＜UR2，集成運放A2輸出Uo2=0。第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.基本RS觸發(fā)器當RS=01時，Q=0，=1;當RS=10時，Q=1，=0。4.開關及輸出放電開關由一個晶體三極管組成，其基極受基本RS觸發(fā)器輸出端控制。當=1時，三極管導通，放電端D通過導通的三極管為外電路提供放電的通路；當=0，三極管截止，放電通路被截斷。第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日5G555定時器功能表三、555定時器的功能以單時基雙極型國產(chǎn)5G555定時器為例，其功能如表所示。

RUUTHOUT放電路D0××0與地導通1>>0與地導通1<>保持原狀態(tài)不變保持原狀態(tài)不變1<<1與地斷開第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日5G555和CC7555的主要參數(shù)四、555定時器的主要參數(shù)5G555(單時基雙極型定時器）和CC7555（單時基CMOS型定時器）的主要參數(shù)對比如表所示。參數(shù)單位CMOS型CC7555TTL型5G555電源電壓UDDV3~184.5~16靜態(tài)電源電流IDDmA0·1210定時精度%21高電平觸發(fā)斷電壓UTHV高電平觸發(fā)端電流ITHuA0·000050·1低電平觸發(fā)端電壓V第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日續(xù)表（2）參數(shù)單位CMOS型CC7555TTL型5G555復位端復位電壓V11復位端復位電流uA0·1400放電端放電電流mA10~50200輸出端驅動電流mA1~20200最高工作頻率kHz500500從上表可見：(1)二者的工作電源電壓范圍不同。(2)雙極型定時器輸入輸出電流較大，驅動能力強，可直接驅動負載，適宜于有穩(wěn)定電源的場合使用。(3)單極型定時器輸入阻抗高，工作電流小，功耗低且精度高，多用于需要節(jié)省功耗的領域。第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日第五節(jié).555定時器的基本應用電路1.施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種脈沖號變換電路，用來實現(xiàn)整形和鑒波。它可以將符合特定條件的輸入信號變?yōu)閷木匦尾?，這個特定條件是：輸入信號的最大幅度Umax要大于施密特觸發(fā)器中555定時器的參考電壓UR1。當定時器控制端S懸空或通過電容接地時，UR1=2/3VDD；當定時器控制端S外接控制電壓US時，則UR1=US。第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日一.電路結構

由555定時器構成的施密特觸發(fā)器如圖所示,VTDC2QQC187654321+5kΩ+--5kΩ5kΩVC1VC2VOVCCRD─&&1VAVBVI0.01μFQVI由低逐漸升高第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日一.電路結構

由555定時器構成的施密特觸發(fā)器如圖所示,VTDC2QC187654321++--1VCCRD─&&1<1/3VCC010>1/3VCC<2/3VCC1101>2/3VCC1010VI由低逐漸升高第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日一.電路結構

由555定時器構成的施密特觸發(fā)器如圖所示。VTDC2QC187654321++--VCCRD─&&1<1/3VCC01>1/3VCC<2/3VCC101110VI由高逐漸降低第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日

二、工作原理設輸入信號ui為最常見的正弦波，正弦波幅度大于555定時器的參考電壓UR1=（控制端S通過濾波電容接地），電路輸入輸出波形如圖所示。輸入信號Ui從零時刻起，信號幅度開始從零逐漸增加并呈正弦形變化。當ui處于0＜ui＜上升區(qū)間時，根據(jù)555定時器功能表可知OUT=“1”。當ui處于＜ui＜上升區(qū)間時，根據(jù)555定時器功能表可知OUT仍保持原狀態(tài)“1”不變。第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日

當ui一旦處于ui≥區(qū)間時，根據(jù)555定時器功能表可知OUT將由“1”狀態(tài)變?yōu)椤?”狀態(tài)，此刻對應的Ui值稱為復位電平或上限閾值電壓。當ui處于＜ui＜下降區(qū)間時，根據(jù)555定時器功能表可知OUT保持原來狀態(tài)“0”不變。當ui一旦處于Ui≤區(qū)間時，根據(jù)555定時器功能表可知OUT又將“0”狀態(tài)變?yōu)椤?”狀態(tài)，此時對應的ui值稱為置位電平或下限閾值電壓。第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日

從圖輸入輸出波形分析中，可以發(fā)現(xiàn)置位電平和復位電平二者是不等的，二者之間的電壓差稱為回差電壓用ΔUT表示，即ΔUT=UR1-UR2。若控制端S懸空或通過電容接地,UR1=而UR2=，則ΔUT=UR1-UR2=若控制端S外接控制電壓US，UR1=US而UR2=，則ΔUT=UR1-UR2=①、回差電壓越大，施密特觸發(fā)器的抗干擾性越強，但施密特觸發(fā)器的靈敏度也會相應降低。②、若施密特觸發(fā)器輸入其他波形的信號，只要輸入信號的最大幅度Umax大于施密特觸發(fā)器核心555定時器的參考電壓UR1，那么總能在輸出端得到對應的矩形波。結論：第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

一.電路結構單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖所示。VTDC2QC187654321++--VCCRD─&&1ViRC第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

（a）電路；（b）輸入輸出波形第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日二.工作原理

當單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器無觸發(fā)脈沖信號時，輸入端Ui=“1”，當直流電源+UDD接通以后，電路經(jīng)過一段過渡時間后，OUT端最后穩(wěn)定輸出“0”，放電端D通過導通的三極管接地，電容C兩端電壓為零。因高電平觸發(fā)端TH和放電端D直接連接，所以高電平觸發(fā)端TH接地，即UTH=0＜UR1=，而UTR=Ui=“1”＞，根據(jù)555定時器功能可知，此時電路保持原態(tài)“0”不變，這種狀態(tài)即是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的穩(wěn)定狀態(tài)，如圖所示。

第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日

當單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有觸發(fā)脈沖信號（即Ui=“0”＜）時，由于=Ui=“0”＜，并且UTH=0＜UR1=則觸發(fā)器輸出由“0”變?yōu)椤?”，三極管由導通變?yōu)榻刂?，放電端D與地斷開；直流電源+UDD通過電阻R向電容C充電，電容兩端電壓按指數(shù)規(guī)律從零開始增加（充電時間常數(shù)τ=RC）；經(jīng)過一個脈沖寬度時間，負脈沖消失，輸入端Ui恢復為“1”，即=Ui=“1”＞，由于電容兩端電壓UC＜，而UTH=UC＜，所以輸出保持原狀態(tài)“1”不變，這種狀態(tài)即是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)狀態(tài)。第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日

當電容兩端電壓UC≥時，UTH=UC≥，又有＞，那么輸出就由暫穩(wěn)狀態(tài)“1”自動返回穩(wěn)定狀態(tài)“0”。如果繼續(xù)有觸發(fā)脈沖輸入，就會重復上面的過程，如圖所示。三、暫穩(wěn)狀態(tài)時間（輸出脈沖寬度）暫穩(wěn)狀態(tài)持續(xù)的時間又稱輸出脈沖寬度，用tW表示。它由電路中電容兩端的電壓來決定，可以用三要素法求得tW≈1.1RC。當一個觸發(fā)脈沖使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進入暫穩(wěn)定狀態(tài)以后，tW時間內(nèi)的其他觸發(fā)脈沖對觸發(fā)器就不起作用；只有當觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸入的觸發(fā)脈沖才起作用。第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.多諧振蕩器多諧振蕩器的功能是產(chǎn)生一定頻率和一定幅度的矩形波信號。其輸出狀態(tài)不斷在“1”和“0”之間變換，所以它又稱為無穩(wěn)態(tài)電路。tOVI1tOVI2tOVI3tpdtpdVI1VI2VI3VOG1G2G3111T=2ntpd

評價：用這種方法構成的振蕩器雖然很簡單，但不實用。因為門電路的傳輸延遲時間極短，很難獲得稍低一些的振蕩頻率，而且頻率不易調(diào)節(jié)。

一.由門電路構成的多諧振蕩器第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日為了產(chǎn)生可調(diào)控的頻率，增加RC延遲環(huán)節(jié)，組成帶RC延遲電路的環(huán)形振蕩器VI2G21VI1VI3VOG1G311CR第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日VI2G21VI1VI3VOG1G311RSRC為了進一步加大G2和RC延遲電路的傳輸延遲時間tpd2，通常在環(huán)形振蕩器電路中又將電容C的接地端改接到G1的輸出端上。另外，為防止VI3發(fā)生負突跳時，在G3輸入產(chǎn)生的電流過大，在G3輸入端串接了保護電阻RS

第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日Vth+(VOH-VOL)VO

2tVI1tVI2t工作電壓波形tVI3(VO)Vth-(VOH-VOL)t1t2t

3T1T2振蕩周期的計算（1）充電時間T1的計算（2）放電時間T2的計算第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日二、由555定時器構成的多諧振蕩器

1)電路組成第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日

2)工作原理如圖所示，假定零時刻電容初始電壓為零，零時刻接通電源后，因電容兩端電壓不能突變，則有UTH==UC=0＜，OUT=“1”，放電端D與地斷路，直流電源通過電阻R1、R2向電容充電，電容電壓開始上升；當電容兩端電壓UC≥時，UTH=UC≥，那么輸出就由一種暫穩(wěn)狀態(tài)（OUT=“1”而放電端D與地斷路）自動返回另一種暫穩(wěn)狀態(tài)（OUT=“0”而放電端D接），由于充電電流從放電端D入地，電容不再充電，反而通過電阻R2和放電端D向地放電，電容電壓開始下降；當電容兩端電壓UC≤時，UTH=，UC≤，那么輸出就由OUT=“0”變?yōu)镺UT=“1”，同時放電端D由接地變?yōu)榕c地斷路；電源通過R1、R2重新向C充電，重復上述過