脈沖信號的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換

第一節(jié)預(yù)備知識一.微分電路和積分電路一）微分電路

微分電路是一種能夠?qū)⑤斎氲木匦蚊}沖變換為正負(fù)尖脈沖的波形變換電路。微分電路的形式就是一個RC串聯(lián)電路，且要求電路的充放電時間常數(shù)τ=RC遠(yuǎn)小于輸入矩形正脈沖的寬度tW。1.兩種典型電路電阻下拉式電阻上拉式2.工作原理（圖a）①當(dāng)t＜t1時uI=0，則uo=0②當(dāng)t=t1瞬間，uI=+V因uc（t1+）=0，則uo=+V③當(dāng)t＞

t1后，uI=+V，輸入電壓以τ=RC迅速對電容充電，uc以指數(shù)規(guī)律V（1－e）增加，uo則按指數(shù)規(guī)律Ve相應(yīng)下降，對應(yīng)于輸入電壓的正跳變，在電阻上就形成一個正尖脈沖。t-t1τt-t1τ④當(dāng)t=t2時，uI由+V跳變到0，輸入端相當(dāng)于短路，由于電容兩端電壓不能突變，則uo=-uc=

-V，產(chǎn)生一個負(fù)跳變，隨后，電容以同樣時間常數(shù)τ=RC

放電，uo按指數(shù)規(guī)律-Ve相應(yīng)上升，形成一個負(fù)尖脈沖。t-t2τ

此電路，對應(yīng)于輸入電壓正跳變或負(fù)跳變，輸出電壓幅度最大，而對應(yīng)于輸入電壓的平直部分，輸出電壓接近0，則輸出電壓的大小反映了輸入電壓的變化率，即輸出電壓與輸入電壓近似為微分關(guān)系。

注：輸出電壓uo

=Ri

=RC，由于tw

＞＞τ，C放電速度很快，輸入電壓大部分降落在電容上，即uo

≈0，則uc

≈uI，則

uo

≈RC即輸出電壓近似地與輸入電壓的微分成正比。duIdtducdt圖b)上拉式①當(dāng)t＜t1時，uo=VDD②當(dāng)t=t1瞬間，uO=VDD+V③當(dāng)t＞

t1后，由三要素法可得：t-t1τuc=VDD－V＋VDD－（VDD－V）et-t1τ=VDD－V＋Veuo=uc＋uIt-t1τ=VDD－V＋Ve＋Vt-t1τ=VDD＋Ve④t≥t2

時t-t2τuo=uc

=VDD＋（VDD－V）－

VDDet-t2τ=VDD＋Ve二）積分電路

積分電路可以將矩形脈沖變換成近似三角波，其電路也是一個RC串聯(lián)電路，從電容上取出電壓，且要求電路的充放電時間常數(shù)τ=RC遠(yuǎn)大于輸入矩形正脈沖的寬度tW。1.電路a）電路圖b）波形圖2.工作原理①當(dāng)t＜t1時，uo=0②當(dāng)t=t1瞬間，uI=VuO=0③當(dāng)t＞

t1后，C按τ=RC充電，其兩端電壓按指數(shù)規(guī)律上升，uo僅是指數(shù)曲線的一段。t-t1τV(1－e)

④當(dāng)t=t2時，uI=0，輸入端相當(dāng)于短路，電容以τ=RC放電，uo按指數(shù)曲線

Ve衰減到0

。t-t2τ′

注：①積分電路具有把矩形脈沖變換為三角形的功能，只是三角形的幅度小于矩形脈沖幅度V。②積分電路由于τ＞＞tW，電容上電壓變化緩慢，在t1

～t2期間，電容上的電壓很小，輸入電壓大部分降落在電阻R上，因此，回路電流可近似看作由電阻決定，i=uIR而i=Cducdt故得uo=uc=∫idt=∫dtC1C1uIR=∫RC1uIdt

注：微分電路和積分電路是一種最簡單的波形變換電路，輸出電壓波形寬度與電容的充放電回路中等效電阻和等效電容取值有關(guān)，即與τ有關(guān)。二.利用反相器對微積分脈沖進(jìn)行整形處理電路形式及時序波形a)下拉式微分電路b)上拉式微分電路C）積分電路1三.閾值電壓

閾值電壓：指集成門電路的輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，所對應(yīng)的臨界輸入信號電壓，用VTH表示，通常將轉(zhuǎn)折區(qū)中點所對應(yīng)的輸入電壓稱為閾值電壓，一般TTL門電路取1.4V，CMOS門取（12）VDD。第二節(jié)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：①電路有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。②在外來觸發(fā)信號的作用下，電路由穩(wěn)態(tài)跳變到暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)經(jīng)過一段時間后回自動返回到穩(wěn)態(tài)。③暫穩(wěn)態(tài)所處時間的長短取決于電路本身定時元件參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度無關(guān)。

應(yīng)用：脈沖信號的展寬、延時、及整形。分類：微分型、積分型。一.微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一）工作原理1.電路的穩(wěn)態(tài)

當(dāng)uI為高電平時，由于R＜Roff，G2門關(guān)閉，uo2為高電平，G1門輸入全為高電平，則打開，uo1為低電平，此時，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)t=t1時，uI產(chǎn)生負(fù)跳變，則uo1由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，由于uc不能突變，則uR產(chǎn)生同樣正跳變，輸出uo2從高電平變?yōu)榈碗娖剑覟橐粋€正負(fù)饋過程，結(jié)果使得電路迅速進(jìn)入G1門關(guān)閉，G2門打開的暫穩(wěn)狀態(tài)。uI↓→uo1↑→uR↑→uo2↓

由于uo2的反饋作用，此時，即使負(fù)觸發(fā)脈沖消失，G1仍會處于關(guān)閉狀態(tài)。2.加負(fù)觸發(fā)脈沖電路翻轉(zhuǎn)為暫態(tài)3.電路自動返回穩(wěn)態(tài)

電路在暫穩(wěn)態(tài)期間。uo1為高電平，經(jīng)R到地不斷對電容C充電，使uc按指數(shù)規(guī)律上升，uR按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)uR下降到G2門閾值電壓時，電路將產(chǎn)生下列正反饋過程。C(充電)→uC1↑→uR↓→uo2↑→uo1↓

結(jié)果使得電路自動返回到G1打開，G2關(guān)閉的穩(wěn)態(tài)。

暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間，即輸出脈沖寬度tW與充電時間常數(shù)RC的大小有關(guān)，RC越大，tW越寬。4.恢復(fù)過程

暫態(tài)結(jié)束后，C上已充有一定的電壓，因此，電路返回穩(wěn)態(tài)后需經(jīng)歷C的放電過程，C上電壓才能恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)時的數(shù)值，恢復(fù)過程所需時間tre的大小與放電時間常數(shù)RC的大小有關(guān)，恢復(fù)過程結(jié)束后，才允許輸入下一個觸發(fā)脈沖。二）主要參數(shù)1.輸出脈沖寬度tw

可按RC過渡過程來進(jìn)行計算，實際應(yīng)用中，常用公式估算，然后組成電路進(jìn)行實際調(diào)試。

設(shè)：VDD=5VVTH=2.5V可得經(jīng)驗估算公式：tw=0.7RCR、C的單位分別為MΩ、μF，tw的單位為S。2.恢復(fù)時間tretre=(3～5)RC若R兩端并接一個開關(guān)二極管VD，則大大減小tre。3.最高重復(fù)觸發(fā)頻率fmaxfmax=1(tw+tre)二.集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74HC211：雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器Q、Q：互補輸出端。每個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單元具有兩個觸發(fā)輸入端TR+、TR-。TR+：正邊沿觸發(fā)端；TR-：負(fù)邊沿觸發(fā)端。（TR-接低電平，從TR+端觸發(fā)；TR+接高電平，從TR-端觸發(fā)）R：清零端。

觸發(fā)后，輸出脈沖寬度不受觸發(fā)信號的影響，僅與外接定時元件有關(guān)，可被R終止。典型接線三.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用

一）脈沖整形

二）脈沖定時原理圖波形圖

三）脈沖延時電路圖時序圖P.144.練習(xí)題6-3積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。&&R300Ωc1000pFucu01u0uIG1G2工作原理：①穩(wěn)態(tài)

當(dāng)uI

=0時，uo1、uc、uo均為高電平，電路處于穩(wěn)態(tài)。123455uoVtw123455uIVt

us123455uo1Vt

usuCV12345t

usVTHUOHt

ustI②暫穩(wěn)態(tài)

當(dāng)輸入正脈沖后，uo1跳變?yōu)榈碗娖?，由于uc不能突變，所以一段時間里uc仍大于VTH，因此，在這段時間里G2的兩個輸入端同時大于VTH，則uo為低電平，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，在此期間電容C經(jīng)R、G1放電，uc按指數(shù)規(guī)律下降。&&R300Ωc1000pFucu01u0uIG1G2③自動返回到穩(wěn)態(tài)

當(dāng)C放電到使uc

=VTH

時，uo跳回到高電平。123455uoVtw123455uIVt

us123455uo1Vt

usuCV12345t

usVTHUOHt

ustI

輸出脈沖寬度等于從C放電的一刻到uc下降到VTH。輸出脈沖幅度：VM=UOH-UOL。

恢復(fù)時間等于uo1跳變?yōu)楦唠娖胶?，C充電到UOH所經(jīng)過的時間。最高重復(fù)觸發(fā)頻率：fmax=。tI+tre1④恢復(fù)過程

待uI回到低電平時，G1門關(guān)閉，uo1由低變高，C開始充電，經(jīng)過恢復(fù)時間tre后，uc也恢復(fù)到高電平UOH，電路又回到穩(wěn)態(tài)，等待下一個觸發(fā)信號的到來。&&R300Ωc1000pFucu01u0uIG1G2123455uoVtw123455uIVt

us123455uo1Vt

usuCV12345t

usVTHUOHt

ustI第三節(jié)多諧振蕩器

多諧振蕩器是一種自激振蕩器，接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號，它便能自動地產(chǎn)生矩形波脈沖，由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以習(xí)慣上又把矩形波振蕩叫做多諧振蕩器。一.CMOS型多諧振蕩器a)原理圖b)實際電路圖一）工作原理

控制多諧振蕩器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的仍然是電容C的充放電作用，關(guān)鍵在uI電位的變化。1.第一暫穩(wěn)態(tài)及自動翻轉(zhuǎn)的過程

假定接通電源瞬間，電路處于G1關(guān)閉，G2打開狀態(tài)，即：uo1=1，uo2=0。第一暫穩(wěn)態(tài)uo1經(jīng)R到uo2對C充電，uI=uc+uo2，當(dāng)uI上升到VTH后，電路發(fā)生下述正反饋過程。uI↑→

uo1↓→uo2↑

結(jié)果導(dǎo)致G1門迅速打開，G2門迅速關(guān)閉，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)，即：uo1=0，uo2=1。G1G2+VDD充電a)原理圖

電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)瞬間，uo2由VOL（≈0）上跳至VOH（≈VDD），由于uc不能突變，則uI也將上跳VDD，此后，C通過R及uo1、uo2開始放電，uI的電位不斷下降，當(dāng)uI下降G1門的VTH后，電路又發(fā)生下列正反饋過程。uI↓→

uo1↑→uo2↓G1G2+VDD反向充電

結(jié)果使G1門迅速關(guān)閉，G2門迅速打開，電路又返回到第一暫穩(wěn)態(tài)，即：uo1=1，uo2=0。此后重復(fù)可得連續(xù)矩形波輸出。2.第二暫穩(wěn)態(tài)及自動翻轉(zhuǎn)的過程放電1.震蕩周期T=2.2RC2.震蕩脈沖幅度VMVM≈VDD波形圖VTH+VDDVTH-VDD二）輸出脈沖參數(shù)的計算（G1門的閾值電壓VTH=?VDD）二.可控多諧振蕩器–起振和停振是可控的①當(dāng)uk=0時，電路停振當(dāng)uk=1時，電路振蕩當(dāng)uk=1時，電路停振當(dāng)uk=0時，電路振蕩②三.占空比和頻率可調(diào)的多諧振蕩器占空比q：矩形波高電平持續(xù)時間與周期之比。

正脈沖：高電平持續(xù)時間較短，低電平持續(xù)時間較長的矩形波，其q＜50％。

負(fù)脈沖：與正脈沖相反q＞50％。

方波：高電平與低電平持續(xù)時間相等，其q=50％。11電路圖波形圖四.石英晶體多諧振蕩器①兩級反相器構(gòu)成的多諧振蕩器石英晶體的頻率特性：②一級反相器構(gòu)成的多諧振蕩器第四節(jié)施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中常使用的一種電路，它在性能上有兩個重要特點：①兩個穩(wěn)定狀態(tài)的維持與相互轉(zhuǎn)換均與輸入電壓的大小有關(guān)，且輸出由高電平轉(zhuǎn)換為低電平以及低電平轉(zhuǎn)換為高電平所需的輸入觸發(fā)電平是不同的，即具有不同的閾值電壓，其差值稱為回差電壓。

②由于具有回差電壓，故其抗干擾能力較強，應(yīng)用施密特觸發(fā)器能將邊沿變化緩慢的波形整形為邊沿陡峭的矩形脈沖。一.用門電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器邏輯符號

二極管VD起電平轉(zhuǎn)移作用，當(dāng)VD導(dǎo)通時S端電位比uI高0.7V.原理圖工作原理：設(shè)輸入信號uI為三角波。2.當(dāng)uI逐漸上升時，只要uI小于G3的閾值電壓1.4V，G3總是關(guān)閉的，保持Q1=0，當(dāng)uI上升到0.7V時，則S=1.4V，但由于Q1=0的反饋作用，G2仍處于關(guān)閉狀態(tài)，Q2=1。1.uI=0時，G3關(guān)閉，R=1，VD導(dǎo)通，設(shè)UD=0.7V，則S=uI+UD=0.7V，G2也關(guān)閉，Q2=1，G1門輸入全為1，則Q1=0，此時電路所處的狀態(tài)稱為初始穩(wěn)定狀態(tài)。3.當(dāng)uI逐漸上升uI=UT+=

1.4V時（UT+稱為正向閾值電壓），G3打開，R=0，G1關(guān)閉，Q1=1，G2

輸入全為1，G2打開，Q2=0，電路由第一穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到第二穩(wěn)態(tài)，此后只要uI＞UT+

，電路維持狀態(tài)不變。

分析得出，在uI上升的過程中，只要uI＞UT+觸發(fā)器由第一穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到第二穩(wěn)態(tài)，在uI＜UT-觸發(fā)器就可由第二穩(wěn)態(tài)返回到第一穩(wěn)態(tài)，顯然UT+和UT-不等，這一現(xiàn)象稱為施密特觸發(fā)器的回差現(xiàn)象或滯后特性，UT+與UT-之差稱為回差電壓，用UH表示，UH=UT+－UT-，上述施密特的回差UH=UD=0.7V。4.當(dāng)uI

再下降到UT+時，G3關(guān)閉，R=1，由于VD的存在，S仍高于UT+，故電路狀態(tài)不變，只有當(dāng)uI繼續(xù)下降到uI=UT-=UT+UD=0.7V，（UT-稱為反向閾值電壓），S小于G2的VTH，G2才關(guān)閉，Q2=1，G1開門，Q1=0，電路從第二穩(wěn)態(tài)返回到第一穩(wěn)態(tài)，輸入三角波經(jīng)過施密特觸發(fā)器變換為方波輸出。二.集成施密特觸發(fā)器CD40106：內(nèi)含六個獨立的施密特觸發(fā)器單元。CMOS：回差電壓與VDD有關(guān)，VDD越高，回差電壓越大。三.基本應(yīng)用電路一）波形的變換和整形例1：波形變換例2：整形二）多諧振蕩器

注：回差電壓越大，震蕩頻率越低。VDD=5V時，f

可由下式估算：

f=1/（0.8RC）三）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出uo的暫穩(wěn)態(tài)維持時間：tw=RCln（VDD/UT-）注：輸入信號脈寬t必須大于tw。四）脈沖幅度鑒別器第五節(jié)集成555定時器555定時器又稱時基電路–單片集成電路用途：構(gòu)成振蕩器、單穩(wěn)、施密特觸發(fā)器等。產(chǎn)品：555定時器產(chǎn)品有雙極型和CMOS型。

雙極型：型號為555（單）和556（雙）；CMOS：7555（單）和7556（雙）。電源電壓：雙極型4.5～

18V；CMOS3～

18V。

輸出電壓（電流）：雙極型200mA，能直接驅(qū)動繼電器等負(fù)載，并能提供與TTL、CMOS電路相容的邏輯電平；CMOS型輸出電流比雙極型小。雙極型和CMOS型的邏輯功能、外部引腳排列完全相同。

組成：基本RS觸發(fā)器、電壓比較器A1、A2，Q控制一個放電管V、復(fù)位端R，A1、A2的參考電位由三個阻值均為5KΩ的內(nèi)部精密電阻供給，故稱555定時器。一.電路結(jié)構(gòu)二.工作原理

當(dāng)加上VCC后，A1的同相輸入端參考電位為?VCC，A2的反相輸入端參考電位為?VCC。1）當(dāng)復(fù)位控制端TH（6）電位高于?VCC時，A1的輸出為0，觸發(fā)器復(fù)位，輸出uo=Q=0，Q=1，使放電管V導(dǎo)通。3）當(dāng)TH（6）和TR（2）的電位在?VCC～?VCC之間時，A1和A2均輸出為1，這時uo狀態(tài)取決于觸發(fā)器原來的狀態(tài)，或復(fù)位端（R）的信號。2）當(dāng)置位控制端TR（2）電位低于?VCC時，A2的輸出為0，觸發(fā)器置位，輸出uo=Q=1，Q=0，使V截止。4）當(dāng)復(fù)位端R為低電平時（小于0.7V），可使觸發(fā)器直接復(fù)位，輸出為0，當(dāng)不需R時，可將該端接至高電平或懸空。5）當(dāng)在控制端CO（5）外加控制電壓時，可改變A1、A2的參考電位，當(dāng)不需控制時，CO一般經(jīng)0.01uF電容接至地，以防干擾侵入，保證控制端電壓端電壓穩(wěn)定在?VCC上。555：邏輯功能截止1＜?VCC＜?VCC1不變不變＞?VCC＜?VC1導(dǎo)通0＞?VCC＞?VCC1導(dǎo)通0φφ0放電管VQ置位控制TR復(fù)位控制TH直接復(fù)位R三.典型應(yīng)用一）構(gòu)成施密特觸發(fā)器uI＜?VCC，uo=1；uI＞?VCC，uo

=0；?VCC＜uI＜?VCC，uo保持原狀態(tài)不變。二）構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器RC為外接定時元件，uI加在②腳TR（A2的同相輸入端）無觸發(fā)信號時②應(yīng)為高電平（大于?VCC），③腳為輸出。工作原理：①

穩(wěn)定狀態(tài)

當(dāng)接通電源VCC后，VCC經(jīng)R給C充電，uc上升，當(dāng)uc＞?VCC時，內(nèi)部比較器A1輸出為0，RS觸發(fā)器復(fù)位，Q=1，放電管飽和導(dǎo)通，隨后C經(jīng)⑦腳迅速放電，使uc迅速減小到0V，A1、A2的輸出均為1，RS保持uo=Q=0，Q=1，V飽和。

②②腳輸入窄脈沖觸發(fā)信號時，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。②腳輸入一幅值低于?VCC的窄脈沖時，內(nèi)部比較器A2的輸出變?yōu)榈碗娖?，RS觸發(fā)器置位，uo=Q=1，Q=0，V截止。③電路自動返回穩(wěn)態(tài)RS置位后，C開始充電，當(dāng)uc上升到略大于?VCC時，A1輸出為0，使RS復(fù)位，uo=Q=0，Q=