1、第7章 脈沖產(chǎn)生與整形,2020/8/1,2020/8/1,本章簡要及內(nèi)容,本章介紹獲得脈沖波形的方法和具體電路。一是利用振蕩器；二是利用脈沖整形電路。最后講述應用很廣泛的555集成定時器及其電路。,問 題 引 入,2020/8/1,施密特觸發(fā)器是如何工作的？,信號發(fā)生器,2020/8/1,7.1 脈沖信號及其參數(shù),脈沖信號,凡是具有不連續(xù)波形的信號均可稱為脈沖信號。廣義講，各種非正弦信號都是脈沖信號。比如方波、矩形波、尖脈沖、鋸齒波等。,常見脈沖信號,2020/8/1,2. 脈沖信號的參數(shù),7.1 脈沖信號及其參數(shù),（1）脈沖周期T（頻率f）：周期性重復的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖間的時間間隔

2、。頻率f代表單位時間內(nèi)脈沖重復的次數(shù)，f = 1/T 。,脈沖信號,（2）脈沖幅度Vm ：脈沖電壓最大變化的幅值。,（3）脈沖寬度Tw ：脈沖前沿0.5Vm到脈沖后沿0.5Vm的時間。,2020/8/1,7.1 脈沖信號及其參數(shù),（4）占空比q ：脈沖寬度與脈沖周期的比值，即 q = tw / T 。,（5）上升時間tr ：脈沖從0.1Um上升到0.9Um所需的時間。,（6）下降時間tf ：脈沖從0.9Um下降到0.1Um所需的時間。,2020/8/1,7.2 施密特觸發(fā)器,施密特觸發(fā)器特點是能夠把變化非常緩慢的輸入脈沖波形，整形成為適合于數(shù)字電路所需要的矩形脈沖，抗干擾能力較強，在波形變換和

3、脈沖整形等方面有廣泛應用。,7.2.1 集成TTL施密特觸發(fā)器,1.電路組成,TTL施密特觸發(fā)器原理電路,施密特觸發(fā)器邏輯符號,施密特觸發(fā)器,輸入電路,輸出電路,7.2 施密特觸發(fā)器,2.工作原理,施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性,vI為低電平：,T1截止、T2飽和導通，D2、T3、T5截止，T4、D3導通，輸出為高電平,2020/8/1,2020/8/1,7.2 施密特觸發(fā)器,vI由低電平上升 增大,vIvB10.5V，產(chǎn)生如下正反饋，T1迅速由截止到飽和，T2由飽和到截止，D2導通，T3、T5飽和，輸出為低電平。,7.2 施密特觸發(fā)器,vI由最大值下降減小,vIvB1，產(chǎn)生如下正反饋，T1迅速由

4、飽和到截止，T2由截止到飽和，D2、T3、T5截止，T4、D3導通，輸出為高電平。,2020/8/1,7.2 施密特觸發(fā)器,2020/8/1,參數(shù)：,上限閾值電壓VT+：vI上升過程中，使施密特電路狀態(tài)翻轉，輸出電壓由高電平跳變到低電平時的輸入電壓值,VT+,下限閾值電壓VT-：vI下降過程中，使施密特電路狀態(tài)翻轉，輸出電壓由低電平跳變到高電平時的輸入電壓值,VT-,回差電壓V：V=VT+-VT-,V,7.2 施密特觸發(fā)器,2020/8/1,輸入/輸出波形,7.2 施密特觸發(fā)器,輸入和輸出為反相關系的施密特觸發(fā)器為反相施密特觸發(fā)器,輸入和輸出為同相關系的施密特觸發(fā)器為同相施密特觸發(fā)器,反相施密

5、特觸發(fā)器,同相施密特觸發(fā)器,2020/8/1,2020/8/1,施密特觸發(fā)器特點：,7.2 施密特觸發(fā)器,（1）輸出有兩種狀態(tài)（輸出為數(shù)字信號）；,（2）輸入采用電平觸發(fā)（輸入為模擬信號）；,（3）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-），具有回差特性。,2020/8/1,1）脈沖整形,傳感器輸出的信號波形邊沿較差，利用施密特電路可以對這些信號進行整形。將邊沿較差或畸變脈沖uI作為施密特電路的輸入，其輸出uO為矩形波。,脈沖整形波形圖,7.2 施密特觸發(fā)器,3. 應用舉例施密特觸發(fā)器的應用,2020/8/1,2）脈沖變換電路,施密特電路在狀態(tài)轉換速度極快輸出的矩形波

6、的前后沿總是很陡峭。利用這一特點，施密特電路可以把變化比較緩慢的正弦波、三角波等變換成矩形脈沖信號 。,變換波形圖,7.2 施密特觸發(fā)器,3）電平檢測（脈沖鑒幅）,2020/8/1,在一串幅度不相等的脈沖信號中，如果要剔除幅度不夠大的脈沖，此時可利用施密特觸發(fā)器。當輸入電壓到達施密特觸發(fā)器的VT+ 時，電路就輸出一個脈沖信號。,電平檢測（鑒幅）電路,7.2 施密特觸發(fā)器,4）多諧振蕩器,2020/8/1,7.2 施密特觸發(fā)器,施密特觸發(fā)器構成的多諧振蕩器,電容波形和輸出波形,5）脈沖展寬電路,2020/8/1,7.2 施密特觸發(fā)器,脈沖展寬電路,輸入波形、電容波形及輸出波形,工作原理：, vI

7、為低電平，三極管截止，vA為高電平，vo為低電平；, vI由低變高，三極管導通，C放電，vA為低電平，vo為高電平；, vI由高變低，三極管截止，C充電至VT+，vo由高變低，脈寬展寬，并可通過電容調(diào)節(jié)。,2020/8/1,7.2 施密特觸發(fā)器,7.2.2 CMOS施密特觸發(fā)器,CC40106 是六CMOS施密特觸發(fā)器，它是用CMOS反相器構成的，其應用與TTL施密特觸發(fā)器相同。,引腳排列圖,邏輯符號,電壓傳輸特性,2020/8/1,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點：,它有一個穩(wěn)定狀態(tài)和一個暫穩(wěn)狀態(tài)；,暫穩(wěn)狀態(tài)維持一段時間之后，將自動返回到穩(wěn)定狀態(tài)，而暫穩(wěn)狀態(tài)時間的長短，與觸發(fā)脈沖無關，僅決定于電路本身的參

8、數(shù) 。,7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,在外來觸發(fā)脈沖的作用下，能夠由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉到暫穩(wěn)狀態(tài)；,一般用于定時、整形以及延時等。,R,2020/8/1,7.3.1 CMOS單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,微分型CMOS或非門單穩(wěn)態(tài)電路,微分延時電路,1）微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路,2）微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理,7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,2020/8/1,穩(wěn)態(tài)：vI1 =vI0，門1截止，v01VDD，輸出高電平；vI2VDD，門2導通，輸出低電平，vO20。,波形,穩(wěn)態(tài),R,工作原理,R,7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,2020/8/1,波形,觸發(fā)到暫態(tài)：vI由0上升到開啟電壓VTH，產(chǎn)生正反饋：,觸發(fā),電路快速進

9、入如下狀態(tài)：門1導通，v010，輸出低電平；vI2VDD，門2截止，輸出低電平，vO20，電路進入暫態(tài)。,暫態(tài),7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,2020/8/1,波形,暫態(tài)保持tW：VDD通過電阻R給C充電，vI2上升，產(chǎn)生正反饋：,當vI2達到門的開啟電壓VTH，電路快速地返回穩(wěn)定狀態(tài)，電容C放電，vI2基本保持在VDD ，vO1逐漸上升到VDD。,電容充電,電容放電,R,7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,波形,2020/8/1,輸出脈沖寬度(在暫穩(wěn)態(tài)的時間)TW的估算公式：,門1的輸出電阻,R,一般VTH=VDD，故,7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,2020/8/1,2）積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路,積分型CMOS單穩(wěn)態(tài)電路,

10、波形,積分延時電路,工作原理,穩(wěn)態(tài)：vIVDD，門1、門2導通，v010，vI20，輸出低電平，vO= 0。,穩(wěn)態(tài),2020/8/1,7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,觸發(fā)到暫態(tài)：vI由1下降到0，C電壓不能躍變，故瞬間vI20，使vo1。,觸發(fā),暫態(tài),暫態(tài)保持tW：Vo1通過R給C充電，vI2上升至VTH，vo0，返回穩(wěn)態(tài)。,電容充電,當vI由0轉為1后，vo1=0，電容C通過門1放電，電路保持穩(wěn)態(tài)。,電容充電,注：TW0.7（R+Ro）C，要求vI的 負脈沖寬度大于TW，否則成為反相器,7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,2020/8/1,3）用CMOS施密特觸發(fā)器構成的單穩(wěn)態(tài)電路,施密特觸發(fā)器構成的單穩(wěn)態(tài)電路,波

11、形,工作原理,穩(wěn)態(tài)：vIVDD，C電壓不能躍變，vVDD，vO= 0，輸出低電平，。,穩(wěn)態(tài),7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,2020/8/1,觸發(fā)到暫態(tài)：vI由1下降到0，C電壓不能躍變，故瞬間v0，使vo1。,暫態(tài)保持tW：VDD通過R給C充電。當v上升至VTH，vo0，返回穩(wěn)態(tài)。,輸出脈沖寬度TW的估算公式：,由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字系統(tǒng)中應用十分普遍，目前已有各種單片集成電路。TTL系列：74121、74122、74123等；CMOS系列：4098、4528、4538等。這些器件只要外接很少的電阻和電容，就可構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。使用起來非常方便。,7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,2020/8/1,7.3.2

12、集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,管腳圖,功能表,說明：,取1.440k,取10pF10F,200ns200ms,7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器, 74121為 A下降沿和B上升沿都可以觸發(fā)，其輸出脈沖的寬度為：,2020/8/1, 74121的內(nèi)部設置得電阻Rint（約為2k）可取代外接的Rext。,7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,2020/8/1,采用外接電阻R,采用內(nèi)部電阻Rint,2020/8/1,1、脈沖的整形,7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,7.3.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以將不規(guī)則的輸入信號vI ，整形成為幅度和寬度都相同的矩形脈沖vO。vO的幅度取決于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的高、低電平，寬度tW決定于暫穩(wěn)態(tài)時間,單穩(wěn)

13、態(tài)電路脈沖整形輸入輸出波形,2020/8/1,2.脈沖延時,7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,單穩(wěn)態(tài)電路構成的延時電路框圖,單穩(wěn)態(tài)電路構成的延時電路的波形,2020/8/1,3.脈沖定時,7.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,脈沖定時電路,脈沖定時電路工作波形,脈沖定時電路即在一定時間內(nèi)允許脈沖通過，并可計算脈沖個數(shù)。,2020/8/1,7.4 多諧振蕩器,7.4.1 TTL與非門對稱多諧振蕩器,多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)電路，它在接通電源后，不需外加觸發(fā)信號，狀態(tài)就會自動不斷地轉換，產(chǎn)生矩形脈沖，由于矩形波含有很多諧波分量，故稱為多諧振蕩器，又稱方波發(fā)生器。,TTL與非門對稱多諧振蕩器是利用TTL與非門工作在轉折區(qū)，對輸入

14、信號有很強的放大作用，故利用兩個與非門用電容耦合起來，就可以組成多諧振蕩器,TTL與非門對稱多諧振蕩器,控制端,1. 組成,2020/8/1,7.4 多諧振蕩器,2. 工作原理,vK為低電平，停止振蕩；vK為高電平，振蕩器工作；,TTL與非門對稱多諧振蕩器的波形,vK為高電平時，若接通電源，vI1正跳變，電路產(chǎn)生如下正反饋：,7.4 多諧振蕩器,2020/8/1,vo1很快變?yōu)榈碗娖?，vo2為高電平，vo2通過RF2、 與非門的VCC通過輸入端同時為C1充電，而C2通過RF1放電。,C1充電,C2放電,很快vI2=VT，電路又產(chǎn)生如下正反饋：,vo1很快變?yōu)楦唠娖?，vo2為低電平，C2充電，而

15、C1放電，電路又重復第一個暫態(tài)。,C1充電,C2放電,7.4 多諧振蕩器,2020/8/1,3. 振蕩周期的計算,設C1= C2= C，RORF1= RF2=RF R1，取VOH=3.4V、VOL=0.2V，VT=1.1V ，可估算得振蕩周期：,7.4 多諧振蕩器,2020/8/1,7.4.2 其他多諧振蕩器,1. 非對稱式多諧振蕩器,CMOS非對稱多諧振蕩器,為了簡化電路，產(chǎn)生了非對稱式多諧振蕩器，工作原理類似，其振蕩周期為,2. 環(huán)形多諧振蕩器,環(huán)形多諧振蕩器是由奇數(shù)個反相器首尾相連構成，電路是沒有穩(wěn)定狀態(tài)的。其振蕩周期取決于門的延遲時間。,環(huán)形多諧振蕩器,門的傳輸延遲時間,2020/8/

16、1,7.4 多諧振蕩器,3. 石英晶體多諧振蕩器,在對稱多諧振蕩器的C2支路串聯(lián)一個石英晶體就構成圖石英晶體多諧振蕩器，其振蕩頻率為石英晶體的固有頻率，具有很高的頻率穩(wěn)定性。,石英晶體多諧振蕩器,555定時器是一種多用途的數(shù)?；旌霞呻娐?，可以方便的構成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器 。雙極型產(chǎn)品型號最后數(shù)碼為555，CMOS型產(chǎn)品型號最后數(shù)碼為7555。 國外典型的產(chǎn)品型號有NE555 、LM555 、XR555 、CA555 、RC555、LC555等，國內(nèi)產(chǎn)品型號有CB555、SL555、FX555、FD555等。,7.5 555定時器及其應用,7.5.1 555定時器的電路結構

17、與功能,外形圖,管腳排列圖,2020/8/1,邏輯符號,2020/8/1,7.5 555定時器及其應用,555定時器的組成,555定時器內(nèi)部電路,1接地端，GND；,3輸出端，輸出電流可達200mA；,5壓控端，VCO；,6高電平觸發(fā)端TH；,7放電端，DIS；,8電源端，VCC，范圍為4.518V；,7.5 555定時器及其應用,2020/8/1,基本RS觸發(fā)器,比較器,放電三極管,輸出緩沖,分壓器,7.5 555定時器及其應用,2020/8/1,2. 555定時器的功能,555定時器功能表,7.5 555定時器及其應用,7.5.2 555定時器應用舉例,1. 構成施密特觸發(fā)器,555定時器

18、構成施密特觸發(fā)器,2020/8/1,7.5 555定時器及其應用,2020/8/1,電壓傳輸特性,說明：,為反向施密特觸發(fā)器；上限閾值電壓為2VCC/3，下限閾值電壓為VCC/3，回差電壓V=VCC/3。,7.5 555定時器及其應用,輸入輸出波形,2020/8/1,應用實例：光控照明燈電路，天黑時，RL，6腳和2腳輸入低電平，3腳輸出高電平，K通電，觸點閉合，燈EL點亮。,光控照明燈電路,繼電器的線圈,7.5 555定時器及其應用,2020/8/1,2020/8/1,7.5 555定時器及其應用,2. 構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路連線圖,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器邏輯圖,C,C,7

19、.5 555定時器及其應用,2020/8/1,工作波形圖, 無觸發(fā)輸入信號（vI為高電平）時，晶體管TD導通，vC0、vO0。,工作原理,穩(wěn)態(tài),C, vI下降沿觸發(fā)（vIVCC/3)，C2輸出低電平，晶體管TD截止，VCC通過R給C充電，vO輸出高電平，電路進入暫態(tài) 。,暫態(tài),7.5 555定時器及其應用,2020/8/1,0,1,1,0,1, vC2VCC/3時，C1輸出低電平，晶體管TD導通，C通過晶體管TD放電，vO輸出低電平，電路回到穩(wěn)態(tài) 。,7.5 555定時器及其應用,2020/8/1,C,0,1,1,0,1,0, 輸出的脈沖寬度,例：魚缸水溫自動加熱電路如圖所示，RT是正溫度系數(shù)

20、熱敏電阻器。用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，設定加熱時間為11s，試分析該電路的工作原理以及給出R和C的設計值。,解：正常溫度，RT較大，2腳輸入高電平，3腳輸出低電平；,水溫下降，RT減小，2腳輸入低電平，3腳輸出高電平，VL亮，K線圈通電，觸點K1閉合，加熱；,經(jīng)過tW=11s時間，3腳輸出低電平，線圈斷電，觸點K1斷開，停止加熱。,選R =1M， C =10F,7.5 555定時器及其應用,2020/8/1,魚缸加熱器,7.5 555定時器及其應用,2020/8/1,3. 構成多諧振蕩器,555定時器構成的多諧振蕩器電路連線圖,多諧振蕩器邏輯圖,7.5 555定時器及其應用,2020/8/1,工作波形圖,工作原理,接通電源，設vC=0，C1輸出高電平，C2輸出低電平，晶體管TD截止，VCC通