第8章脉冲波形.

第8章脉冲波形的产生与整形通常，把非正弦波称之为脉冲波。按脉冲波形的形式分成矩形波、梯形波、阶梯波、锯齿波等。本章主要介绍用多谐振荡器直接产生矩形波和利用整形电路获得矩形波的方法。一些概念8.1集成555定时器及应用8.2门电路构成的矩形波发生器及整形电路矩形脉冲波常作为时钟信号。波形的好坏直接关系到电路能否正常工作。为了定量描述矩形脉冲波，通常采用如图所示参数。trtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脉冲波形参数一些基本概念脉冲宽度Tw——从脉冲波形上升沿上升到0.5Vm起到下降沿下降到0.5Vm止的时间。上升时间tr——脉冲波形的上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需时间。下降时间tf——脉冲波形的下降沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需时间。占空比q——脉冲宽度Tw与脉冲周期T之比即TTqwtrtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脉冲波形参数脉冲周期T——周期性重复的脉冲序列中，相邻两个脉冲间的时间间隔。脉冲频率f——频率f表示单位时间内脉冲重复的次数，脉冲幅度Vm——脉冲波形的电压最大变化幅度。Tf18.1集成555定时器及应用集成555定时器的用途很广，有双极型（型号最后三位为555）和CMOS型（型号最后四位为7555）两类电路。它们的功能、外引线排列完全相同。在测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域得到了广泛的应用。5G555定时器的电路组成及工作原理集成555定时器的应用8.1.1电路组成图8-1为双极型5G555定时器的原理电路和引脚排列图。V-C12348765+VCCDTHGNDTLOUTR5G5553图8-1集成5G555定时器原理图C1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQRS12385kΩ5kΩ5kΩC1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQRS12385kΩ5kΩ5kΩ电阻分压器比较器基本RS触发器三极管开关输出缓冲器555定时器基本结构C1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQRS12385kΩ5kΩ5kΩC1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQRS12385kΩ5kΩ5kΩ8.1.2工作原理分析图8-1所示原理图，便可以得到5G555定时器的功能表。如表8-1所示。表8-15G555定时器的功能表THTLRVOT×＞2VCC/3＜2VCC/3＜2VCC/3××＞VCC/3＜VCC/3011100不变1导通导通不变截止8.1.3集成555定时器的应用多谐振荡器单稳态触发器施密特触发器(一)多谐振荡器多谐振荡器是一种产生矩形脉冲波的自激振荡器。由于矩形波含有丰富的高次谐波，所以矩形波振荡器又称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，不需外加触发信号，当接通电源后，便可以自动地周而复始地产生矩形波输出。用555定时器很容易构成多谐振荡器。如图8-2所示。图中的R1、R2和C是外接电阻和电容，是定时元件。VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvC图8-2多谐振荡器CR1R22VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvC图8-2多谐振荡器CR1R2振荡周期T和振荡频率f的近似计算公式如下：tw1≈(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)Ctw2≈R2Cln2≈0.7R2CT=tw1+tw2≈0.7(R1+2R2)CCRRTf)2(43.1121输出脉冲幅度为：Vm≈VCC图8-4是用5G555定时器构成的占空比(脉冲宽度与周期之比)可调的多谐振荡器。该电路比图8-2多两个二极管D1、D2和一个电位器Rw。VCC0.01μF584376215G555DTHTLD1vC图8-4占空比可调多谐振荡器D2CR1R2Rw当三极管T截止时，VCC通过R1、D1给电容器C充电；若三极管T导通时，电容器C通过R2、D2放电。因此有：脉冲宽度tw1≈0.7R1C脉冲间隔时间tw2≈0.7R2C振荡周期T≈0.7(R1+R2)CVCC0.01μF584376215G555DTHTLD1vC图8-4占空比可调多谐振荡器D2CR1R2RwVCC0.01μF584376215G555DTHTLD1vC图8-4占空比可调多谐振荡器D2CR1R2Rw211211211)(7.07.0RRRCRRCRtttq当调节Rw时，就改变了R1、R2的阻值，也就改变了占空比，而振荡周期保持不变。占空比(二)单稳态触发器单稳态触发器是一种用于整形、延时、定时的脉冲电路。整形：把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的矩形脉冲。延时：将输入信号延迟一定时间之后输出。定时：产生一定宽度的方波。单稳态触发器特点单稳态触发器电路的功能：每触发一次，电路输出一个宽度一定、幅度一定的矩形波。单稳态触发器特点：单稳态触发器虽然有两个工作状态，但其中一个为稳态，而另一个为暂稳态。未加触发信号前的状态为稳态，加触发信号后的状态为暂稳态。单稳态触发器在外加触发脉冲的作用下，可以从稳态翻转到暂稳态。暂稳态维持一段时间后，自动返回到稳态，无需外加触发脉冲。暂稳态持续的时间就是单稳态触发器的脉冲宽度的大小。只取决于电路本身的参数，而与触发脉冲无关。图8-5是5G555定时器构成的单稳态触发器，图中R、C是定时元件；单稳态触发器的输入信号vI加在低触发端TL端，3端是单稳态触发器输出脉冲端(vO)。高触发端TH(6)和放电端D(7)连接到C与R的连接处d。VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvO图8-5单稳态触发器CRvI单稳态触发器在负脉冲触发作用下，由稳态翻转到暂稳态。由于电容器充电，暂稳态自动返回稳态。这一转换过程为单稳态触发器的一个工作周期。其工作波形图如图8-6所示。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图8-6单稳态触发器工作波形施密特触发器施密特触发器是一种具有回差特性的脉冲波形变换电路。它有如下特点：施密特触发器有两个稳定输出状态，属电位触发。当输入触发信号电平达到阈值电压时（所加电位信号不得撤去），输出电平会发生突变。突变的原因是电路内部正反馈所致。这样施密特触发器便可以将缓慢变化的输入信号，变换成矩形波输出。施密特触发器具有回差特性。输入信号电平增加时，引起输出电平突变的转换电平称为上限阈值电压，用VT+表示。输入信号电平减小时，引起输出电平突变的转换电平称为下限阈值电压，用VT-表示。VT+和VT-不等称作回差。回差电压△VT=VT+-VT-。使其抗干扰能力较强。vITHTLVCC84623155G555vO0.01μF图8-7施密特触发器将5G555定时器的高触发端TH和低触发端TL连接起来就构成了施密特触发器。如图8-7所示。vITHTLVCC84623155G555vO0.01μF图8-7施密特触发器如果输入信号电压vI是三角波，当vI＜VCC/3时比较器C2输出vC2=0，基本RS触发器置1，Q=1，=0，输出vO=1。当vI上升到2VCC/3时，比较器C1输出vC1=0，此时基本RS触发器复0，Q=0，=1，输出vO=0。vI由高电位下降到稍小于VCC/3后，比较器C2输出vC2=0，基本RS触发器又置1，Q=1，=0，输出vO又跳变为高电平vO=1。如此连续变化，在输出端得到矩形波输出，其工作波形如图8-8所示。QQQvIvOtt002VCC3VCC3VT+VT-图8-8施密特触发器工作波形vOVOHVOL0VCC32VCC3vI图8-9施密特触发器电压传输特性图8-9所示为vO=f(vI)的关系曲线，是施密特触发器的电压传输特性。施密特触发器状态的转换由输入信号vI来触发，同时输出的高、低电平依赖于vI的高、低电平来维持。输出对输入的这种依赖关系与门电路相同，因此用图8-10所示的符号表示施密特触发器(施密特触发的反相器)。vOvI图8-10施密特触发器逻辑符号回差电压△V越大，电路的动作电压就越高，抗干扰能力越强。施密特触发器常用于进行波形变换及脉冲波形的整形。8.2门电路构成的矩形波发生器及整形电路多谐振荡器单稳态触发器施密特触发器8.2.1多谐振荡器(一)最简单的环形振荡器环形振荡器是利用门电路固有的传输延迟时间，将奇数个反相器首尾相接而形成的。图8-11(a)所示的电路是一个最简单的环形振荡器，它由三个反相器首尾相接组成。这个电路没有稳定状态。vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3(a)电路原理图t图8-11简单的环形振荡器vO(vI1)vO1(vI2)vO2(vI3)tpd000(b)图工作波形图tt(一)最简单的环形振荡器例如由于某种原因使vI1发生了微小的负跳变以后，经过G1的传输延迟时间tpd之后，vI2产生一个正跳变，再经过G2的传输延迟时间tpd又使vI3产生一个负跳变，经过G3的传输延迟时间tpd之后，vO产生一个正跳变。所以经过3tpd的传输延迟时间之后在vI1又出现了一个反方向的电压跳变。经过3tpd之后，又将跳变成低电平，如此周而复始，便产生了自激振荡，输出矩形波。图8-11(b)就是根据以上分析得到的工作波形图。由图可见，振荡周期T=6tpd。结论根据上述原理，将任何大于、等于3的奇数个反相器首尾相连地串接在一起均可构成环形振荡器，而且振荡频率为T=2ntpd其中n为串联门的个数。这种振荡器的突出优点是电路极为简单。但是由于门电路的传输延迟时间极短，TTL电路只有几十纳秒，CMOS电路也不过一、二百纳秒，所以难于获得稍低一些的频率，而且频率不易调节。为了克服这些缺点，引入了一些改进电路。(二)RC环形多谐振荡器在简单环形振荡电路中引进RC电路作为延时环节，形成RC环形多谐振荡器。如图8-12所示。图中RC构成延时环节，RS为限流电阻，对门3起限流保护作用。vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3图8-12RC环形振荡器CRSRttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000图8-13RC环形振荡器理想工作波形振荡器的暂态时间和周期的近似计算公式为：tw1≈0.98(R∥R1)Ctw2≈1.26RCT=tw1+tw2≈0.98(R∥R1)C+1.26RC式中的R、C是外接，R1是TTL与非门中的R1。当R1R时，振荡周期为：T≈2.2RC上式可用于近似估计振荡周期.使用时应注意它的假定条件是否满足,否则,计算结果会有较大的误差。ttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000图8-13RC环形振荡器理想工作波形(三)石英晶体多谐振荡器在许多应用场合都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。例如多谐振荡器作为数字钟的脉冲源使用时，要求频率十分稳定。上述多谐振荡器中，振荡频率主要取决于门电路的输入电压上升到转换电平（阈值电压）所需要的时间，所以频率的稳定性不可能很高。第一，转换电平本身就不够稳定，容易受电源和温度变化的影响；第二，电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态转换的提前或滞后；第三，在电路状态临近转换时，电容的充、放电已经比较缓慢，转换电平的微小变化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。因此在对频率要求很高时，必须采取稳频措施。目前，普遍采用的稳频方法是在多谐振荡器中接入石英晶体组成石英晶体多谐振荡器。图8-14为石英晶体的阻抗频率特性和符号。石英晶体不但频率特性稳定，而且品质因数很高，有极好的选频特性。ff0x0电感性电容性符号图8-14石英晶体的阻抗频率特性与符号vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3图8