第8章脉冲波形的产生.

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集成555定时器及应用一些概念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。TTqwtrtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脉冲波形参数脉冲宽度脉冲幅度上升时间下降时间占空比q脉冲频率fTf1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。应用：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。本节主要介绍5G555定时器的电路组成及工作原理和集成555定时器的应用电压比较器：V+＞V－：VO=VOH；V+＜V－：VO=VOLV－V+VO－+A集成555定时器及应用图8-1为双极型5G555定时器的原理电路和引脚排列图。C1+-C2+-VC1(VR)VC2(VS)V-C5TH6TL21R4QQRS1233图8-1集成5G555定时器原理图RT7D5kΩR1R2R3VR1VR285kΩ5kΩVCC0.01μF12348765+VCCDTHV-CGNDTLOUTR5G555集成555定时器及应用双极型5G555定时器的工作原理：C1+-C2+-VC1(VR)VC2(VS)V-C5TH6TL21R4QQRS1233图8-1集成5G555定时器原理图RT7D5kΩR1R2R3VR1VR285kΩ5kΩVCC0101＞2VCC/3010×2VCC/3＞VCC/3不变不变112VCC/3VCC/31001×集成555定时器及应用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导通导通不变截止集成555定时器应用用5G555定时器可以构成多谐振荡器单稳态触发器施密特触发器多谐振荡器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。多谐振荡器用555定时器很容易构成多谐振荡器。如图8-2所示。VCC0.01μF765843215G555DTHTLdvC图8-2多谐振荡器CR1R2外接电阻和电容，定时元件外接电阻和电容，定时元件外接电阻和电容，定时元件多谐振荡器工作原理分析如下：VCC0.01μF765843215G555DTHTLdvC图8-2多谐振荡器CR1R2电路接通电源前，vC=0V，vTH=vTL=vd=vC=0V0V电路接通电源VCC开始时，由于电容器上的电压不能突变，则vTH＜VR1，vC1=1，vTL＜VR2，vC2=0。2VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图vo基本RS触发器处于1状态01QQ定时器输出vO=1三极管开关截止，电源VCC通过R1、R2给电容器充电，使TH、TL的电位逐渐升高。定时器暂稳态，输出vO高电平。多谐振荡器振荡周期T和振荡频率f的近似计算：tw1≈(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)Ctw2≈R2Cln2≈0.7R2CT=tw1+tw2≈0.7(R1+2R2)CCRRTf)2(43.11212VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCTvo输出脉冲幅度为：Vm≈VCC2121W12RRRRTtq多谐振荡器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。VCC0.01μF765843215G555DTHTLD2D1图8-4占空比可调多谐振荡器CR1R2RW充电电流放电电流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)C211211211)(7.07.0RRRCRRCRtttq[例8-1]试用555定时器设计一个每隔6秒振荡一秒的多谐振器。其振荡频率为500Hz。解：例题有两个要求是振荡1秒之后停振6秒，然后再振荡1秒，...。二是振荡频率为500Hz，即1秒之内输出500个矩形脉冲。只要在振荡频率为500Hz的多谐振荡器的复位R端，加入1秒的高电平，接下来是6秒的低电平，便可达到题目的要求。为此，需设计一个占空比q=1/7，周期T=7秒的多谐振荡器。由于占空比小于1/2，则应选择图8-4所示电路。[例8-1]根据71211RRRq求得：R2=6R1；根据T=0.7(R1+R2)C=0.7(R1+6R1)C，取C=10μF，算得：R1=143kΩ。R2=857kΩ。对于500Hz多谐振荡器的占空比，题目未提出要求，现选占空比等于2/3，根据算得：R3=R4根据T=0.7(R3+2R4)C，取C=1μF，算得：R3=R4=0.95kΩ，[例8-1]根据上述设计，画出[例8-1]的电路如图8-5所示。VCC0.01μF765843215G555DTHTLD2D1图8-5[例8-1]电路图C=10μFR1=143kR2=857kRW0.01μF765843215G555DTHTLdC1μFR19.5kR29.5k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。单稳态触发器具有如下特点：单稳态触发器有稳态：未加触发信号前的状态；暂稳态：加触发信号后的状态。外加触发脉冲，单稳态触发器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。单稳态触发器的构成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。VCC0.01μF765843215G555DTHTLdvI图8-6单稳态触发器CR1单稳态触发器的构成电路稳态时VC1=VC2=1，Q=0。C1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC2(VS)RR45TH6TL21T7D3QQRS1238图8-5’单稳态触发器5kΩ5kΩ5kΩVCC0.01μFvOvIR翻转过程：电路由稳态翻转到暂稳态；并且电路自动回到稳态。单稳态触发器的构成电路稳态时VC1=VC2=1，Q=0。翻转过程：电路由稳态翻转到暂稳态；并且电路自动回到稳态。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图8-7单稳态触发器工作波形单稳态触发器的构成如果忽略三极管的饱和压降，则电容C从零电平上升到2VCC/3的时间为暂稳态时间，即输出脉冲宽度Tw为：VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图8-7单稳态触发器工作波形RCRCVVVRCT1.13ln32lnCCCCCCw这种单稳态触发器电路要求输入触发脉冲宽度要小于Tw，而输入vI的周期要大于Tw，使vI的每一个负触发脉冲都起作用。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施密特触发器回差特性。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。施密特触发器的构成及工作原理将5G555定时器的高触发端TH和低触发端TL连接起来作为输入就构成了施密特触发器。如图8-7所示。vITHTLVCC31584625G555vO0.01μF图8-8施密特触发器Q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。Q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。施密特触发器的波形vOt02VCC30vItVCC3VT+VT-图8-9施密特触发器工作波形施密特触发器的电压传输特性图8-10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。VOHVOLVCC32VCC3vO0vI图8-9施密特触发器电压传输特性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8-11施密特触发器逻辑符号vOvI1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施密特触发器多谐振荡器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8-12(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111多谐振荡器最简单的环形振荡器工作原理vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3(a)电路原理图111tpd图8-11简单的环形振荡器(b)图工作波形图tvO(vI1)0vO1(vI2)0tvO2(vI3)0t振荡周期T=6tpd。多谐振荡器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电路为一、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。RC环形多谐振荡器电路结构及工作原理延时环节延时环节限流电阻vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3图8-12RC环形振荡器CRSR111100ΩvI3＞VT(1.4V)时，vO为低电平；vI3＜VT时，vO为高电平。ttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000暂态I暂态IIRC环形多谐振荡器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≈1.26RCT=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，电路的工作方式易受干扰，使电路状态转换提前或滞后；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。石英晶体多谐振荡器石英晶体特点：频率特性稳定，具有固有谐振频率f0；品质因数很高，有极好的选频特性。普遍采用在多谐振荡器中接入石