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第六章 脉冲波形 的产生和整形

第六章 脉冲波形 的产生和整形. 本章只讨论矩形脉冲。. 矩形脉冲的主要参数：. 脉冲周期 T ；. 脉冲频率：. f = 1/T. 脉冲幅度 V M ；. 脉冲宽度 t W ；. 第一节 概述. 上升时间 t r ；. 下降时间 t f ；. 占空比 q ：. q=t w /T. 本章讨论三种脉冲电路：施密特触发器；单稳态触发器；多谐振荡器。. 每种电路都有三种构成方式：集成；用门电路构成；用 555 电路构成。. 本章只介绍用 555 电路构成的脉冲电路。. 电源电压范围. 最大负载电流. 双极型 555 电路. 5—16V. 200mA.

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第六章 脉冲波形 的产生和整形

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  1. 第六章 脉冲波形 的产生和整形 本章只讨论矩形脉冲。 矩形脉冲的主要参数： 脉冲周期T； 脉冲频率： f = 1/T 脉冲幅度VM； 脉冲宽度tW； 第一节 概述 上升时间tr； 下降时间tf； 占空比q： q=tw /T . 本章讨论三种脉冲电路：施密特触发器；单稳态触发器；多谐振荡器。 每种电路都有三种构成方式：集成；用门电路构成；用555电路构成。 本章只介绍用555电路构成的脉冲电路。

  2. 电源电压范围 最大负载电流 双极型 555电路 5—16V 200mA CMOS型 555电路 3—18V 4mA 第二节 555定时器及其应用 555电路又称为集成定时器。 一、555定时器的电路结构与功能 1972年由Signetics公司推出。既有双极型产品，也有MOS型产品。它们产品型号的最后3位数码都是555.如： 控制电压 清零端 阈值端、 高触发端 触发端、 低触发端 放电端 CB555 是国产双极型电路； CH7555是CMOS型电路。 CB555电路结构图

  3. 电路的功能： < 随着TH端和TR端的电压不同，其工作状态将发生变化： VCO 2 RD TH TR TD状态 当在VCO端外接控制电压时，阈值电压将变化： > < < < > > > 变为VCO; 变为VCO/2。 2VCC / 3 有两个阈值电压： VR1=2VCC / 3 VR2=VCC / 3 VCC / 3 VCO 0 低 导通 1 低 导通 1 低 导通 （不变） 1 高 截止 （不变） 1 高 截止

  4. 将TH端和TR端并联作输入端，接输入电压 二、构成施密特触发器（Schmitt Trigger） （一）电路的特点： 1.输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入电平不同。 2.在电路状态转换时，通过电路内部 的正反馈过程使输出电压波形的边沿很陡。 工作原理： 分析输入电压由0V上升到VCC和由VCC下降到0V时，电路状态如何变化。

  5. VCC 2VCC/3 VCC/3 0.01 0 t V= VT+ - VT-： 回差 V T+ V T- VOH t 0 特点： • 由于有比较器，允许输入信号慢变化； • 由于有触发器，输出端边沿好。 V T+:正向阈值电压或上限阈值电压 电压传 输特性 VT- :负向阈值电压或下限阈值电压 若改变VCO值VT+,VT-的值将改变。

  6. （二）施密特触发器的应用 1.波形变换 波形变换 2.脉冲整形 3.脉冲鉴幅 脉 冲 整 形 脉冲鉴幅

  7. （三）其他类型的施密特触发器 用门电路也可构成施密特触发器； 还有集成的施密特触发器,如书上的7413，4输入与非门。 用门电路构成的施密特触发器已很少使用，这里不作介绍。 集成施密特触发器既有TTL型，也有CMOS型。 如74LS14是集成施密特触发六反相器；74LS132是施密特触发的四－2输入与非门。 如CC40106是集成施密特触发六反相器；CC4093是施密特触发的四－2输入与非门。

  8. 三、构成单稳态触发器(Monostable trigger) （一）电路的特点 1.有两个状态——稳态、暂稳态； 2.在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动返回； 3.暂稳态维持时间长短取决于电路本身参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。 暂稳态 单稳态触发器 稳态 tW tW由电路内部参数决定

  9. （二）工作原理 R 充 C =VH , =VIL + ( )=VCC， =RC (0)=0V, 1.稳态 设TD工作在饱和状态，则： VC=VTH=0V, 555电路处于保持状态，且一定是VO=VL， 这是因为若假设TD截止，则不合理。 2.触发 555电路状态翻转为VO=VH 此时TD截止，VC保持0V不变。 3.暂稳态 电容C充电 其三要素为： VCC 下页

  10. 当 =2/3 VCC时，555电路翻转为输出VL,而 保持不变。 R 由于TD导通，电容C向TD放电，使 迅速下降为0V。 充 C + 上页 4.自动返回 5.恢复 VCC

  11. （三）参数计算 tre tW (t) VCC 1.脉冲宽度tW 0V VCC RC 得到公式： tW 2/3VCC 触发脉冲的最小周期 tre=(3~5)rcec 2.恢复时间tre: td=tw+tre 3.分辨时间td: （四）电路特点： 触发脉冲宽度要小于输出脉冲宽度 窄脉冲触发。

  12. 若条件不满足可在输入端加微分电路： R VCC 0 t C

  13. 输出频率值 单 稳 计数器 CP & 0 t tW1 单稳二 单稳一 0 t tW2 0 t （五）应用 1.整形——改变输入脉冲的占空比。 2.定时（延时） 能输出固定宽度的脉冲。 例1：数字频率计。 控制脉冲 宽度为1秒的正脉冲 被测脉冲 例2：延时触发 延迟时间为tW1，输出脉宽为Tw2.

  14. 有两个互补的输出端VO、VO。 （六）其他类型的单稳态触发器 • 也有集成的单稳态触发器。 • 用门电路可构成单稳态触发器； 1.集成单稳态触发器 既有TTL电路产品，也有CMOS电路产品。介绍74121。只介绍如何使用。 有三个输入端： A1,A2为下降沿触发输入端； B为上升沿触发输入端。 电容需外接；电阻可选择内部的，也可外接。接法如图。 可用功能表或波形图说其起工作原理。

  15. 保 持 A端触发 B端触发

  16. 工作波形： tW 0.69RextCext Rext的取值在2K 到30K 之间； Cext的取值在10pF到10 F之间。 也可使用内部电阻Rint代替外接电阻Rext。Rint约为2K 。 输出脉宽的计算： 从器件手册可查到计算公式。74121的公式如下： tW的范围在20nS到200mS之间。 74121是不可重复触发的。而74122是可重复触发的。见图示。

  17. i充 输入端微分电路提取 的上升沿。 =VDD， =0， =0， =0。 =VDD， (0)=0， ( )=VDD， =RC。 条件： ＝VTH。 + 2.CMOS微分型单稳态触发器 （1）工作原理 稳态： =VDD。 触发： 暂稳态： 三要素为： C充电 VDD 自动返回：

  18. i充 =VDD， VDD。 =0， 等于 由0V上升到VTH所用的时间： + 恢复过程： 电容C放电至起始状态。所用时间为： 门G1的输出电阻 Tre=(3~5)CRON （2）计算脉宽tW VDD 0.5VDD 取消输入微分电路会使输出后沿变坏。

  19. =0V, =VH ， (0)=0V ( )=VCC =(R1+R2)C 充 在t1时刻 =2/3VCC，555电路翻转。 进入暂稳态2— =VL，TD导通。 + t2 i充 不需输入信号即可产生矩形脉冲。 四、构成多谐振荡器(Astable multivibrator) （二）电路的原理 刚接通电源： i放 TD截止。 此时为暂稳态1： C充电 三要素为： （一）电路的特点 [1/3VCC] VCC 0 C放电 t1

  20. 三要素为： i充 充 (0)=2/3VCC， ( )=0V， =R2C 放 在t2时刻 =1/3VCC，555电路翻转。 + i放 （三）计算周期—T=T1+T2 1/3vcc VCC VCC 2/3vcc 0 0 f = 1/T 占空比： t1 t2 t1 t2

  21. 例：用CB555设计多谐振荡器。要求T=1s,3v<vM<5v,占空比q=2/3。例：用CB555设计多谐振荡器。要求T=1s,3v<vM<5v,占空比q=2/3。 选C=10 F代入上式求出 R2=R1=48K （四）改进电路 上述电路占空比始终大于50%,且不可调。 • 占空比可调的多谐振荡器 T1=R1Cln2 q= T2=R2Cln2 T=(R1+R2)Cln2 解： 可选VCC=5V R1=R2 由q公式，且q=2/3可求出： 由于 T=(R1+2R2)Cln2 • C选择原则: • 过大则漏电流大 • 过小则电阻太大 • 二者均可使周期不准 R1=48K

  22. － ＋ － ＋ 当 ＝VTH时，产生连锁反应： i充 （五）用门电路构成的多谐振荡器 (1)工作原理 VDD 0 • 采用CMOS门； 1.非对称式多谐振荡器 • RF使门1工作在转折区。 设t1时刻G1输出低电平、G2输出高电平。定为暂稳态2。 C充电 因此门2也工作在转折区，电容C引入正反馈，使电路振荡。 随之电路进入暂稳态1。见下页图。

  23. 在t2时刻： i放 =VDD， =0， =VTH－VDD。 三要素为： ( )=VDD， 放=RFC。 在t3时刻 ＝VTH，又发生连锁反应，进入暂稳态2： (0)=VTH＋VDD， 充＝RFC ( )=0 － ＋ － ＋ 在暂稳态1： C放电 (0)=VTH－VDD， VDD 0 t1 t2 t3 在暂稳态2，C充电的三要素为： 回前页

  24. (2)周期计算： u ¥ - u ( ) ( 0 ) = t I 1 I 1 t ln W u ¥ - u ( ) ( t ) 0－VTH－VDD I 1 I 1 W = T2 RFC ln - V 0 TH = . 1 RFC 1 VDD－VTH+VDD = T1 RFC ln - V VDD TH = . 1 RFC 1 T=T1+T2 将前面的三要素代入下面的公式，即可求出T1和T2： 暂稳态1中，C放电三要素： (0)=VTH－VDD， ( )=VDD， 放=RFC。 暂稳态2，C充电的三要素为： (0)=VTH＋VDD， ( )=0 充＝RFC T=2.2RFC 思考：若将RP短路，会发生什么情况？ 用TTL门构成这种多谐电路也可，但分析较复杂。

  25. 符号 特点： f0的稳定度极高～可达10－10～10－11（ f0/ f0）。因此可构成高精度多谐振荡器。从而克服了其他振荡器频率稳定度低、抗干扰能力差的缺点。 2.石英晶体多谐振荡器 构成：在对称式多谐振荡器的反馈回路中串入石英晶体。 石英晶体电抗的频率特性如图。f0 称为固有频率。 原理： 只有振荡频率等于f0时，晶体的阻抗为0（最小），电路才能产生振荡。因此输出频率一定为f0。 用TTL或CMOS门都可构成石英晶体多谐振荡器。

  26. 0 t 其他四种都不可： （1）加大RD，（2）减小R， （4）提高VDD，（5）增加输入脉冲宽度。 练习 自我检测题（二） 自我检测题（五） 加大输出脉冲宽度可采取： （3）加大C.

  27. （六）为提高振荡频率可采取： （2）减小电阻R值。 不可采取：（1）加大电容C容量，（3）提高电源电压。 【题6.31】 延迟时间： =11S 振荡频率：代入公式得9.66KHz.

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