第8章 脉冲波形的产生与整形.ppt

第第8 8章章 脉冲波形的脉冲波形的 产生与整形产生与整形 8.1 概述概述 8.2 555555定时器定时器8.3 单稳态触发器单稳态触发器 8.4 施密特触发器施密特触发器8.5 多谐振荡器多谐振荡器8.1 8.1 概述概述一、脉冲信号一、脉冲信号 脉冲是脉冲是脉动脉动和和短促短促的意思，凡是具有的意思，凡是具有不连续波形不连续波形的信的信号均可称为脉冲信号。广义讲，各种号均可称为脉冲信号。广义讲，各种非正弦信号非正弦信号都是脉冲都是脉冲信号。信号。(a)(a)矩形波矩形波(b)(b)方波方波(c)(c)尖脉冲尖脉冲(d)(d)锯齿波锯齿波8.1 8.1 概述概述 在在数数字字系系统统中中常常常常需需要要用用到到各各种种幅幅度度、宽宽度度以以及及具具有有陡峭边沿的矩形脉冲信号陡峭边沿的矩形脉冲信号，如触发器的时钟脉冲（，如触发器的时钟脉冲（CPCP）。）。获取这些脉冲信号的方法通常有两种：获取这些脉冲信号的方法通常有两种：脉冲产生电路直接产生；脉冲产生电路直接产生；利用已有的周期信号整形、变换得到。利用已有的周期信号整形、变换得到。脉冲整形、变换电路脉冲整形、变换电路单稳态触发器单稳态触发器 施密特触发器施密特触发器；脉冲产生电路脉冲产生电路多谐振荡器；多谐振荡器；多用途的定时电路多用途的定时电路555定时器定时器。8.1 8.1 概述概述二、脉冲信号的参数二、脉冲信号的参数trtftWT0.9 Um0.5 Um0.1 UmUm矩形脉冲信号的主要参数矩形脉冲信号的主要参数 脉脉冲冲幅幅度度 脉冲周期脉冲周期脉冲宽度脉冲宽度上升时间上升时间下降时间下降时间占空比占空比D D脉冲宽度与脉冲周期的比值，脉冲宽度与脉冲周期的比值，D Dt tW W/T/T 。8.1 8.1 概述概述三、脉冲产生电路的暂态分析三、脉冲产生电路的暂态分析脉冲波形产生与整形电路多是由脉冲波形产生与整形电路多是由RCRC充放电电路充放电电路构成的。构成的。开开关关闭闭合合的的一一瞬瞬间间，电电容容器器上上电电压压不不能能突突变变，满满足足开开关关定理定理U UC C(0(0+)=)=U UC C(0(0-)。充充电电暂暂态态过过程程结结束束后后，流流过过电电容容器器的的电电流流i iC C()()为为0 0，即即电容器相当于开路电容器相当于开路。tMU(t)UTtU()0U(0+)CCCUC(t)SUCR令令u uC C(t(tW W)=U)=UT T，则则从从暂暂态态过过程程的的起起始始值值U UC C(0(0+)变变到到U UT T所所经经历历的时间的时间t tW W（脉冲宽度）可用下式计算：（脉冲宽度）可用下式计算：电电路路的的时时间间常常数数=RCRC，决决定定了了暂暂态态时时间间的的长长短短。根根据据三要素公式三要素公式，可以得到电压随时间变化的方程为，可以得到电压随时间变化的方程为 8.1 8.1 概述概述tWU(t)UTtU()0U(0+)CCC一、一、555555定时器的电路结构定时器的电路结构8.2 5558.2 555定时器定时器 555555定时器是一种多用途的定时器是一种多用途的数字数字模拟混合集成电路模拟混合集成电路，可，可以方便地构成单稳态触发器，施密特触发器和多谐振荡器。以方便地构成单稳态触发器，施密特触发器和多谐振荡器。双极型双极型产品型号最后数码为产品型号最后数码为555555，CMOSCMOS型型产品型号最后数产品型号最后数码为码为75557555。其功能和外部引脚排列完全相同。其功能和外部引脚排列完全相同。TRC1UR15k5kC25kUR2&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu12348765地2oRDUCC放电端6UCO555uuu8.2 5558.2 555定时器定时器TRC1UR15k5kC25kUR2&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu1.1.分压器分压器电压控制端电压控制端5 5脚悬空时，脚悬空时，；5 5脚外接控制电压脚外接控制电压U UCOCO时，时，。注：注：当当5 5脚不加控制电压时，通常经过一个脚不加控制电压时，通常经过一个0.010.01 F F的电容接地的电容接地，以抑制干扰。以抑制干扰。8.2 5558.2 555定时器定时器TRC1 1UR15k5kC2 25kUR2&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu2.2.电压比较器电压比较器U U+U U-时，时，C Ci i1 1；U U+U U-时，时，C Ci i0 0。阈值输入端阈值输入端触发输入端触发输入端3.3.基本基本RSRS触发器触发器R SR SQ Qn+1n+10 00 0不定不定0 10 10 01 01 01 11 11 1Q Qn n异步清零端异步清零端8.2 5558.2 555定时器定时器TRC1UR15k5kC25kUR2&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端放电端uu4.4.放电三极管放电三极管VTVT是一个是一个集电极开路集电极开路的放电三极管。的放电三极管。当当u uO O0 0时，时，VTVT导通；导通；当当u uO O1 1时，时，VTVT截止。截止。二、二、555555定时器的功能定时器的功能8.2 5558.2 555定时器定时器TRC1 1UR15k5kC2 25kUR2&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu5 5脚不外接控制电压。脚不外接控制电压。定时器的主要功能取决于两个比较器输出对定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RSRS触发器和放触发器和放电管电管VTVT状态的控制。状态的控制。8.2 5558.2 555定时器定时器不变不变不变不变不变不变不变不变1 1 1 1导通导通导通导通0 0 0 01 1 1 1截止截止截止截止1 1 1 11 1 1 1导通导通导通导通0 0 0 00 0 0 0VTVTu uOOu u2 2u u6 6输出输出输出输出输入输入输入输入555555定时器功能表定时器功能表5 5脚不接控制电压脚不接控制电压，则 ，。8.3 8.3 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器是一种常用的单稳态触发器是一种常用的单稳态触发器是一种常用的单稳态触发器是一种常用的脉冲整形电路脉冲整形电路脉冲整形电路脉冲整形电路，简称单稳。，简称单稳。，简称单稳。，简称单稳。由外界触发由外界触发自动返回自动返回稳定状态稳定状态稳定状态稳定状态暂稳态暂稳态恢复期恢复期工作特性：工作特性：它有它有稳态稳态和和暂稳态暂稳态两个不同的工作状态；两个不同的工作状态；在在外界触发脉冲外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，电路能稳态维持一段时间以后，电路能自动返回稳态自动返回稳态；暂稳态不能长久保持，其维持时间的长短取决于电路自暂稳态不能长久保持，其维持时间的长短取决于电路自身参数，与外界触发脉冲无关。身参数，与外界触发脉冲无关。8.3 8.3 单稳态触发器单稳态触发器一、一、555555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器48762315uCCuouIRUCC0.01F5555 5脚经过脚经过0.010.01 F F电容接地，容接地，则 ，。恢复期：恢复期：VTVT导通，电容导通，电容C C迅速放电，直到使迅速放电，直到使u uC C00，电路又恢复，电路又恢复到稳态。到稳态。暂稳态：暂稳态：u u2 2触发脉冲下降沿到达时（触发脉冲下降沿到达时（），电路进入暂），电路进入暂稳态，稳态，u uO O1 1。当。当 时，时，u uO O0 0，暂稳态结束。，暂稳态结束。8.3 8.3 单稳态触发器单稳态触发器1.1.工作原理工作原理 稳态：稳态：无触发信号时，无触发信号时，u uI I为高电平。电容先充电后放电，为高电平。电容先充电后放电，当当u uC C0 0时，电路进入稳态：时，电路进入稳态：u uO O0 0。8.3 8.3 单稳态触发器单稳态触发器TuI13UCC0uo0tWTWuC023UCCtttUCC48762315uCCuouIRUCC0.01F555波形图波形图 电电路路对对输输入入触触发发脉脉冲冲的的宽宽度度有有一一定定要要求求，它它必必须须小小于于t tW W。若若输入触发脉冲宽度大于输入触发脉冲宽度大于t tW W时，应在时，应在u u2 2输入端加入输入端加入微分电路微分电路。因此可得因此可得 8.3 8.3 单稳态触发器单稳态触发器2.2.输出脉冲宽度输出脉冲宽度t tW W 输输出出脉脉冲冲宽宽度度t tW W是是暂暂稳稳态态的的停停留留时时间间，即即电电容容C C的的电电压压从从0 0充电到充电到 所需的时间。根据电容所需的时间。根据电容C C的充电过程可知：的充电过程可知：上式说明：单稳态触发器输出脉冲宽度上式说明：单稳态触发器输出脉冲宽度t tW W仅决定于定仅决定于定时元件时元件R R、C C的取值，且成正比关系，而与输入触发信号和的取值，且成正比关系，而与输入触发信号和电源电压无关，因此调节电源电压无关，因此调节R R、C C的大小，即可方便地改变的大小，即可方便地改变t tW W。矩形脉冲的周期与输入的触发信号周期相同。矩形脉冲的周期与输入的触发信号周期相同。8.3 8.3 单稳态触发器单稳态触发器二、单稳态触发器的应用二、单稳态触发器的应用1.1.脉冲整形脉冲整形IutWOu 单稳态触发器能够把输入的单稳态触发器能够把输入的不规则不规则脉冲信号脉冲信号u uI I，整，整形为具有一定幅度和一定宽度的标准形为具有一定幅度和一定宽度的标准矩形脉冲矩形脉冲u uO O。u uO O的的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度t tW W决定决定于定时元件于定时元件R R和和C C。单稳态触发器的整形波形单稳态触发器的整形波形8.3 8.3 单稳态触发器单稳态触发器2.2.脉冲延时脉冲延时 脉冲延时电路一般要用脉冲延时电路一般要用两个两个单稳态触发器完成。单稳态触发器完成。延延时时间为时时间为t tW1W1，它决定于第一级单稳态触发器的定时元件，它决定于第一级单稳态触发器的定时元件R R和和C C。11uIu0（tW1）（tW2）单稳态触发器的延时波形单稳态触发器的延时波形8.3 8.3 单稳态触发器单稳态触发器3.3.定时定时 由于由于单稳触发器可产生宽度为单稳触发器可产生宽度为t tW W的矩形脉冲的矩形脉冲，利用，利用这个矩形脉冲去控制某电路使它在这个矩形脉冲去控制某电路使它在t tW W的时间内动作或不的时间内动作或不动作，这就是单稳态触发器的动作，这就是单稳态触发器的定时作用定时作用。定时时间为。定时时间为t tW W，可通过调节定时元件，可通过调节定时元件R R和和C C来调节定时时间。来调节定时时间。1&uIOuuO单稳与门uFtWuIuOuFOu单稳态触发器的定时波形单稳态触发器的定时波形8.4 8.4 施密特触发器施密特触发器施密特触发器是又一种常用的施密特触发器是又一种常用的施密特触发器是又一种常用的施密特触发器是又一种常用的脉冲信号整形电路脉冲信号整形电路脉冲信号整形电路脉冲信号整形电路。工作特性：工作特性：具有具有两个稳态两个稳态；属于属于电平触发电平触发，缓慢变化的信号也可以作为输入信号，缓慢变化的信号也可以作为输入信号，当输入信号达到某一特定值时，输出电平就发生突变；当输入信号达到某一特定值时，输出电平就发生突变；输入信号从低电平输入信号从低电平上升时上升时，电路状态转换时对应的输入，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平电平，与输入信号从高电平下降时下降时对应的对应的输入转换电平不同输入转换电平不同。uo0UU+uI电电压压传传输输特特性性输入信号输入信号上升上升时对应的转换电平时对应的转换电平U U+，称为，称为正向正向阈值电压；阈值电压；输入信号输入信号下降下降时对应的转换电平时对应的转换电平U U ，称为，称为负向负向阈值电压；阈值电压；差值差值U UU U+U U-，称为回差电压。，称为回差电压。反向输出施密特触发器反向输出施密特触发器8.4 8.4 施密特触发器施密特触发器一、一、555555定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器1.1.电路结构和逻辑符号电路结构和逻辑符号846210.01F3UCCuIuo5555综之：综之：当当5 5脚不接控制电压时，脚不接控制电压时，当当5 5脚接控制电压脚接控制电压U UCOCO时，比较电压变为时，比较电压变为U UCOCO和（和（1/21/2）U UCOCO，uot00uI13UCC23UCCtUU+uOHuOL2.2.工作原理工作原理8.4 8.4 施密特触发器施密特触发器(1)(1)上升过程：上升过程：时，时，u uO O1 1；时，时，u uO O保持不变；保持不变；时，输出时，输出翻转翻转u uO O0 0。(2)(2)下降过程：下降过程：时，时，u uO O0 0；时，时，u uO O保持不变；保持不变；时，输出时，输出翻转翻转u uO O1 1。5 5脚经过脚经过0.010.01 F F电容接地，容接地，则 ，。8.4 8.4 施密特触发器施密特触发器二、施密特触发器的应用二、施密特触发器的应用1.1.波形变换波形变换 施密特触发器可以将施密特触发器可以将边沿变化缓慢边沿变化缓慢的周期性信号变换的周期性信号变换成边沿陡峭的成边沿陡峭的矩形脉冲矩形脉冲信号。信号。8.4 8.4 施密特触发器施密特触发器2.2.波形整形波形整形 施密特触发器可以将施密特触发器可以将不规则的波形整形为矩形波不规则的波形整形为矩形波。若。若适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。回差电压回差电压是由是由5脚接入的控制电压脚接入的控制电压UCO来控制的。来控制的。uot0uot0uIt0U+UU(a)(b)(c)从从一一系系列列幅幅度度不不同同的的脉脉冲冲信信号号中中选选出出幅幅度度大大于于正正向向阈值电压阈值电压U U+的输入脉冲的输入脉冲，即对幅度进行鉴别。即对幅度进行鉴别。8.4 8.4 施密特触发器施密特触发器3.3.幅度鉴别幅度鉴别uIU+Ut0uo0t同向输出施密特触发器同向输出施密特触发器8.4 8.4 施密特触发器施密特触发器4.4.构成多谐振荡器构成多谐振荡器工作原理：工作原理：电容上初始电压为零，即电容上初始电压为零，即u uI I0 0，则，则u uO O1 1，并经，并经R R向向C C充电，当充至充电，当充至u uI IU U+时，输出翻转时，输出翻转u uO O0 0。电容。电容C C又经又经R R进行放电，当放电至进行放电，当放电至u uI IU U-时，输出翻转时，输出翻转u uO O1 1。8.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器是一种常用的多谐振荡器是一种常用的多谐振荡器是一种常用的多谐振荡器是一种常用的脉冲信号产生电路脉冲信号产生电路脉冲信号产生电路脉冲信号产生电路。工作特性：工作特性：无稳态无稳态，具有两个暂稳态；，具有两个暂稳态；自激振荡器自激振荡器在接通电源后，不需外加触发信号，在接通电源后，不需外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲；便能自动产生矩形脉冲；矩形波中除基波外，还含有丰富的高次谐波故称矩形波中除基波外，还含有丰富的高次谐波故称为为多谐振荡器多谐振荡器。自动触发自动触发自动返回自动返回暂稳态暂稳态0暂稳态暂稳态1暂稳态暂稳态08.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器一、一、555555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器1.1.电路结构电路结构48762315CUCCR1R2555uo0.01FuC8.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器uC13UCCuo0T123UCCttUCCT202.2.工作原理工作原理 接通电源后，电容接通电源后，电容C C来不及充电，来不及充电，u uc c0 0，则，则u uO O1(1(第一个第一个暂稳态暂稳态)，VTVT截止。这时截止。这时UccUcc经经R R1 1和和R R2 2向向C C充电，当充至充电，当充至u uc c2/3Ucc2/3Ucc时，输出翻转时，输出翻转u uO O0(0(第二个暂稳态第二个暂稳态)，VTVT导通；这时电导通；这时电容容C C经经R R2 2和和VTVT放电，当降至放电，当降至u uc c1/3Ucc1/3Ucc时，输出翻转时，输出翻转u uO O1 1。8.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器3.3.参数的估算参数的估算电容充电时间电容充电时间T T1 1：电容放电时间电容放电时间T T2 2：电路振荡周期电路振荡周期T T：uC13UCCuo0T123UCCttUCCT20T电路振荡频率电路振荡频率f f：通过改变通过改变R R、C C的参数可改变振荡周期和振荡频率。的参数可改变振荡周期和振荡频率。输出波形占空比输出波形占空比D D：8.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器若若R R2 2RR1 1，则，则D D1/21/2，即输出为对称方波。，即输出为对称方波。（D50）8.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器4.4.改进电路占空比可调的多谐振荡器改进电路占空比可调的多谐振荡器 利用二极管的利用二极管的单向导电性单向导电性，把电容，把电容C C充电和放电回路充电和放电回路隔离隔离开来，再加上一个开来，再加上一个可调电位器可调电位器R RW W，便可构成占空比，便可构成占空比可调的多谐振荡器。可调的多谐振荡器。电容充电时间电容充电时间T T1 1：T T1 10.7R0.7R1 1C C电容放电时间电容放电时间T T2 2：T T2 20.7R0.7R2 2C C输出波形占空比输出波形占空比D D：电路振荡周期电路振荡周期T T：T TT T1 1+T+T2 20.7(R0.7(R1 1+R+R2 2)C)C若若R R1 1=R=R2 2，则，则D=50%D=50%。847623UCCR1R2555RWuo0.01FCVD2VD1518.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器5.5555.555定时器构成的振荡器应用实例模拟声响发生器定时器构成的振荡器应用实例模拟声响发生器 将振荡器将振荡器A A的输出电压的输出电压u uo1o1，接到振荡器接到振荡器B B中中555555定时器的定时器的复位端复位端（4 4脚）。当脚）。当u uo1o1为高电平时振荡器为高电平时振荡器B B振荡，当振荡，当u uo1o1为低为低电平时电平时555555定时器复位，振荡器定时器复位，振荡器B B停止振荡。这样，停止振荡。这样，扬声器扬声器便发出便发出“呜呜呜呜”的间歇声响的间歇声响。84762351555A0.01FCR1AR2A847623155550.01FCR1BR2BRduo18uo25FUCCuo1uo2(a)(b)B 当频率为谐振频率当频率为谐振频率f f0 0时，时，石英晶体的等效阻抗最小，石英晶体的等效阻抗最小，信号最容易通过，而其它频信号最容易通过，而其它频率信号均被衰减掉。率信号均被衰减掉。晶体的晶体的选频特性极好选频特性极好。为为了了提提高高振振荡荡器器的的频频率率稳稳定定度度，往往往往使使用用石石英英晶晶体体多谐振荡器。多谐振荡器。8.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器二、石英晶体多谐振荡器二、石英晶体多谐振荡器555555构成的多谐振荡器的特点：构成的多谐振荡器的特点：优点：工作可靠，调节方便。优点：工作可靠，调节方便。缺点：振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫；缺点：振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫；受电源波动、温度变化等影响，受电源波动、温度变化等影响，频率稳定性较差频率稳定性较差。f f0 0只与晶体的材料、几只与晶体的材料、几何形状和尺寸大小有关，何形状和尺寸大小有关，而与电路中的而与电路中的R R、C C数值无数值无关。关。输出频率稳态性很高输出频率稳态性很高。X0f0f石英晶体的石英晶体的图形符号和电抗频率特性图形符号和电抗频率特性石英晶体的固有石英晶体的固有频率或谐振频率频率或谐振频率8.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器电电阻阻R R1 1、R R2 2的的作作用用：保保证证两两个个反反相相器器在在静静态态时时都都能能工工作作在在线线性性放放大大区区。对对TTLTTL反反相相器器，常常取取R R0.7k0.7k2k2k，而而对对于于CMOSCMOS门，则常取门，则常取R R10M10M；C C1 1是耦合电容；是耦合电容；C C2 2的作用：抑制高次谐波。的作用：抑制高次谐波。电路的振荡频率等于石英晶体的谐振频率电路的振荡频率等于石英晶体的谐振频率f f0 0。11RRC1f0G1G2C28.5 8.5 多谐振荡器多谐振荡器秒脉冲发生器秒脉冲发生器CMOSCMOS石英晶体多谐振荡器产生石英晶体多谐振荡器产生f f=32768Hz=32768Hz的基准信号；的基准信号；经经TT触发器构成的触发器构成的1515级级异步计数器异步计数器分频分频后，便可得到稳后，便可得到稳定度极高的定度极高的秒脉冲信号秒脉冲信号。这种秒脉冲发生器可做为各种这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源计时系统的基准信号源。第第8 8章章 小结小结1.1.熟练掌握熟练掌握555555定时器的工作原理及应用定时器的工作原理及应用；2.2.正确理解单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器正确理解单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器的工作原理及应用。的工作原理及应用。