第8章 脉冲波形的产生和整形

20:15数字电子技术基础教材：数字电子技术黄瑞祥主编8.1概述8.2555定时器8.5单稳态触发器8.4施密特触发器第八章脉冲的产生和整形电路8.3多谐振荡器20:15•学时分配：共6学时•教学目标：通过本章的学习掌握555电路的工作原理；掌握脉冲波形变换电路和脉冲波产生电路。8.1概述一、什么叫脉冲波形广义上：非正弦波信号。本课程只讨论矩形脉冲信号。二、矩形脉冲的主要参数周期T高电平持续时间：宽度Tw宽度Tw幅度Vm上升时间tr下降时间tf占空比q：q=Tw/T脉冲产生和脉冲波形变换的电路称为脉冲电路。施密特触发器：单稳态触发器：多谐振荡器（无稳态）：双稳态触发器：三、什么叫脉冲电路与产生模拟信号要用模拟振荡器一样，产生脉冲信号要用脉冲振荡器。脉冲波形变换则包括改变脉冲周期、宽度、幅度、上升和下降时间参数，使这些特性符合要求。四、脉冲电路分类RS、JK、D、T，主要用于变换脉冲周期主要用于整形，将非矩形波转为矩形波主要用于变换脉冲宽度，改变占空比脉冲振荡器：产生矩形脉冲•五、脉冲电路的基本结构：电子开关+惰性系统–惰性系统：带储能元件的线性电路R、L、C。•六、脉冲电路基础–阶跃开关信号作用下的一阶电路暂态分析—三要素法。te)](x)0(x[)(x)t(x补充一：一价线性电路的暂态分析一、什么叫一价电路？一个独立的储能元件的电路。即经串、并联可化简为RC（或RL）电路。例：R1R2C2C1EKR1+R22121CCCC一价电路R1R2C2C1EKR1R2C2C1高价电路一个独立的储能元件多个独立的储能元件电压源短路电压源短路基础知识二、一价电路的分析解微分方程法三要素法有前提的？阶跃信号（1）三要素时间常数τ：初始值x(0+)：趋向（稳态）值x(∞)：,LRCR)0(i)0(i),0(v)0(vLLcc•电容不再充放电，ic=0。此时，电容可视为开路。•电感电流不再变化，vL=0。此时，电感可视为短路。te)](x)0(x[)(x)t(x方法•电容上的电压不能突变•电感中的电流不能突变一、脉冲波形变换和形成电路•脉冲波形变换：将输入的波形某些部分削去（限幅器）；或保持输入波形形状不变，但移动一个直流电平（钳位器）。•脉冲波形形成：用矩形脉冲作开关方波，控制晶体管开关的工作状态进而控制惰性系统充放电而得到预期的脉冲波形，如锯齿波、尖脉冲等。–波形变换电路有：限幅器，钳位器；–波形形成电路有：微分电路，积分电路。补充二：RC积分与微分电路补充二：RC积分与微分电路二、RC积分电路电路条件：τ=RCtW，大时间常数tW——输入脉冲宽度tW1LAdtRC=ò三、RC微分电路电路条件：τ=RCtW，小时间常数，R小tW——输入脉冲宽度tWdALRCdt=（a）（b）（c）（d）几种常见脉冲波形（a）方波（b）梯形波（c）锯齿波（d）三角波RVcVcSEE12CG0t0t（a）（b）（c）电容充放电电路和充放电曲线（a）电容充放电电路；（b）充电曲线；（c）放电曲线RC微分电路及波形RC积分电路及波形图（a）微分电路；（b）波形图（a）积分电路；（b）波形图RVoVIVc0Vmt0t1VcVcm0Vom-VomViVimVot2t3t4ttVcVoVI0VmRCt0t10VcVcmVcVcmtt2t3t4（a）（b）（b）（a）II020:15下面主要讨论几种常用脉冲波形的产生与变换电路：（功能、特点及其主要应用简介）1、施密特触发器：主要用以将非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲；2、单稳态触发器：主要用以将脉冲宽度不符合要求的脉冲变换成脉冲宽度符合要求的矩形脉冲；3、多谐振荡器：产生矩形脉冲；4、555定时器。20:158.2555定时器CCV31CCV32阈值端触发端放电端RS触发器RS时，123ICCvV0R213ICCvV时，0S20:15RS二、功能表：（控制端VCO悬空）输入输出VI1VI2Q/V0TD状态0××1DRCCV32CCV31CCV32CCV31CCV31CCV32CCV31CCV320导通0导通不变不变1截止1截止1S,0R1S,1R0S,1R0S,0R20:158.3多谐振荡器•8.3.1555定时器构成的多谐振荡器•8.3.2石英晶体振荡器•8.3.3环形振荡器•8.3.4多谐振荡器的应用20:158.3.1555定时器构成的多谐振荡器1××0TDVOVI2VI1DRCCV32CCV31CCV32CCV31CCV31CCV32CCV31CCV320导通0导通不变不变1截止1截止OvtOVCC0VCvtO2/3VCC1/3VCCT1T2求周期？C)RR(V)(vV31)0(v21CCCCCC求T2：CC1CV32)T(V112()ln2TRRCC)R(0)(vV32)0(v2CCCCCC2CV31)T(V22ln2TRC12(2)ln2TRRC求T1：开机瞬间VC(0+)=0；VO=1，TD止，充电。1、电路组成：20:152、振荡频率的估算：（1）电路振荡频率f•振荡周期T：(8-2-1)•振荡频率f：(8-2-2)（2）占空比q•定义：，脉冲宽度与重复周期之比，称为占空比。•(8-2-3)555+VCC84537621R1R2CC10.01µFuCPuO12(2)ln2TRRCln221121CRRTf112122TRRqTRR1TqT图8-3用555定时器构成的多谐振荡器20:15例8-1：试用国产双极型定时器CB555设计一个多谐振荡器，要求振荡周期为1秒，输出脉冲幅度大于3V而小于5V，输出脉冲的占空比q=2/3。解：由CB555的特性参数可知，当电源电压取为5V时，在100mA的输出电流下输出电压的典型值为3.3V，所以取VCC=5V可以满足对输出脉冲幅度的要求。若采用图8-3电路，则根据公式（8-2-3）可知：•故得到：R1=R2•由式(8-2-1)可知：•若取，则代入上式得到•因R1=R2，所以取两只47KΩ的电阻与一只2KΩ的电位器串联，即得到图8-5所示的设计结果。3222121RRRRq1ln2221CRRTFC1012ln31CRKCR4869.010312ln315120:1512345678CB555+5V47KΩ47210µF0.01µFuoKΩKΩ图8-5例8-1设计的多谐振荡器20:15例8-2：指出图8-6中控制扬声器鸣响与否和调节音调高低的分别是哪个电位器？若原来无声，如何调节才能鸣响？欲提高音调，又该如何调节？解：调节RW1可控制为0或1，从而控制振荡器工作与否，因此能控制扬声器鸣响与否。•调节RW1使触头左移至适当位置，可使=1，使扬声器鸣响。•R1、R2、RW2和C共同构成定时元件，因此调节RW2可调节音调高低。•欲提高音调，则应减小RW2，因此触头应下移。555+VCC84537621R1R2CC10.01µFuCPuO+Rw1Rw2R图8-6例8-2的电路RR20:153、占空比可调电路：•在图8-3所示电路中，由于电容C的充电时间常数τ1=(R1+R2)C，•放电时间常数τ2=R2C，所以总是tW1tW2，v0的波形不仅不可能对称，而且占空比不易调节。•实际应用中常常需要频率固定而占空比可调的多谐振荡器。•图8-7所示的电路就是占空比可调的多谐振荡器。利用半导体二极管的单向导电特性，电容C的充放电回路分别被二极管D1和D2隔离。RW为可调电位器。•电容C的充电路径为：VCC→R1→D1→C→地，因而tW1=R1C㏑2；•电容C的放电路径为：C→D2→R2→TD→地，因而tW2=R2C㏑2；•振荡周期T=tW1+tW2=(R1+R2)C㏑2•占空比（8-2-5）212112RRRRTtqw2111RRRTtqw20:15•只要改变电位器活动端的位置，就可以方便地调节占空比q。•当R1=R2时，q=0.5，v0端将输出对称的矩形脉冲。图8-7占空比可调的多谐振荡器2111RRRTtqwtW1=R1C㏑2tW2=R2C㏑2T=tW1+tW2=(R1+R2)C㏑220:158.3.2石英晶体多谐振荡器一、RC振荡器的缺点•频率稳定性差•原因•f与VT有关，因此频率受温度、电源电压影响。•易受干扰。•RC参数本身也不稳定。•解决方法：石英晶体多谐振荡器20:15二、石英晶体特性曲线工作区（很窄）：并联型振荡电路串联型振荡电路短路区：晶体作短路线用感性区：晶体作电感用20:151.对称式晶体振荡器电路三、电路结构•TTL串联型2.非对称式晶体振荡器电路•TTL（或CMOS）串联型3.CMOS并联型晶体振荡器电路1CC1C2原理说明图：ACC2C120:15四、常用的几种石英晶体振荡器图8-9几种常用的石英晶体振荡器20:15•图(a)是将对称多谐振荡器中的耦合电容C与晶体串接构成的晶体多谐振荡器。•图(b)是将图(a)中的耦合电容改换成耦合电阻，晶体振荡频率可在1MHz~20MHz内选择。20:15•图(c)、(d)为两种实用晶体多谐振荡器。•图(c)中C2的作用是防止寄生振荡，R1和R2可在0.7～2kΩ之间选择。•实际应用中，为了改善输出波形和增强带负载能力，通常还在输出端再加一级反相器。20:15•图(e)所示电路中，G1、G2是两个CMOS反相器，G1与RF、晶体、C1、C2构成电容三点式振荡电路。•RF是偏置电阻，取值常在10～100MΩ之间，它的作用是保证在静态时G1能工作在其电压传输特性的转折区——线性的放大状态。•C1、晶体、C2组成π形选频反馈网络，电路只能在晶体谐振频率f0处产生自激振荡，反馈系数由C1、C2之比决定，改变C1可以微调振荡频率，C2是温度补偿电容。•G2是整形缓冲用反相器，因为振荡电路输出接近于正弦波，经G2整形之后才会变成矩形脉冲，同时G2也可以隔离负载对振荡电路工作的影响。20:158.3.3环形振荡器1.电路组成：2.波形分析：以VO从0变为1开始O)v(vO1ItO2IvtO3Ivttpdtpdtpd3.周期：pdt6T4.推广：其中：n为奇数，且n≥3pdnt2T20:15•频率高，获取低频脉冲困难。•频率不稳定，且频率不易调节。5.特点：6.带RC延时的环形振荡器：目的：获取较低振荡频率（1）原理性电路RC延时电路20:15（2）实用电路本电路振荡原理同非对称式多谐振荡器？两点电平一致整理振荡周期：CMOSRC2.23RCLn2TTTL（估算）RC2.2T与R、RS及TTL类型有关对于TTL要求：RROFF,RSROFF20:158.3.4多谐振荡器的应用•一、模拟声响电路•用两个多谐振荡器可以组成如图8-11(a)所示的模拟声响电路。适当选择定时元件R1A、R2A、CA和R1B、R2B、CB，使振荡器A的振荡频率fA=1Hz，振荡器B的振荡频率fB=2kHz。•由于低频振荡器A的输出接至高频振荡器B的复位端(4脚)，当V01输出高电平时，B振荡器才能振荡，V01输出低电平时，B振荡器被复位，停止振荡，因此使扬声器发出2kHz的间歇声响。其工作波形如图8-11(b)所示。20:15•二、秒脉冲发生器•图8-12所示是一个秒脉冲发生器的逻辑电路图。对称式石英晶体多谐振荡器产生f=32768Hz的基准信号（215），经由T＇触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒脉冲信号。这种秒脉冲信号发生器可作为各种计时系统的基准信号源。20:15主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿陡峭的矩形波。特点：⑴电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持和转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平触发。⑵电压传输特性特殊，电路有两个转换电平（上限触发转换电平VT+和下限触发转换电平VT－）。⑶状态翻转时有正反馈过程，从