第7章脉冲波形的产生与变换

1、第7章 脉冲波形产生与变换第第7章章 脉冲波形产生与变换脉冲波形产生与变换 时钟脉冲时钟脉冲是数字系统不可缺少的组成部分，本章学习应用广泛的555定时器定时器及用它构成施密特电路施密特电路、单稳态单稳态电路电路和多谐振荡器等波形产生与变换电路的方法。7.1 概概 述述 7.2 555定时电路定时电路7.3 单稳态电路单稳态电路7.4 多谐振荡器多谐振荡器7.5 施密特电路施密特电路第7章 脉冲波形产生与变换7.1 概概 述述 含有惰性元件C或L的电路存在暂态过程，即有充、放电现象。脉冲波形就是利用惰性电路的充放电充放电而形成的。以RC惰性电路为例，控制开关位置及电路时间常数RC，即可得到不同的

2、脉冲波形。 当时间常数RC大大小于开关转换时间TK（RCTK），则组成微分电路微分电路，在电阻电阻上可得窄脉冲输出。 第7章 脉冲波形产生与变换 积分电路积分电路：当RCTK时，在电容上又可得线性扫描的波形。 结论结论：脉冲形成电路由两大部分组成，惰性电路惰性电路和开关开关。开关是用来破坏稳态，使惰性电路产生暂态过程。开关可用不同的电子器件电子器件来完成，如运算放大器、晶体三极管运算放大器、晶体三极管或场效应管、逻辑门或场效应管、逻辑门等。目前用得较多的是555定时电路定时电路。第7章 脉冲波形产生与变换 一阶惰性电路的暂态过程，可用三要素法来描述，获得电压或电流随时间变化的方程方程，该方程是

3、脉冲波形计算的重要依据。三要素即起始值X(0+)、稳态值X()和时间常数数，若三要素已知，则得方程( )( )(0 )( )( )(0 )ln( )( )tX tXXXeXXtXX t 或 第7章 脉冲波形产生与变换7.2.1 基本组成基本组成7.2 555定时电路定时电路 111111AUSS(1)(7)DRTR(2)COTH(5)(6)R(8)UDDRUAUB(4)R（3）OUT12345678OUTRCOTHTRUSSUDDD（ b）（ a）VB 555定时电路是一种多用途的数字模拟定时电路是一种多用途的数字模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特施

4、密特电路电路、单稳态电路单稳态电路和多谐振荡器。由于使用灵和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以活、方便，所以555定时器在波形的产生与变定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中得到了应用。领域中得到了应用。第7章 脉冲波形产生与变换7.2.1 基本组成基本组成7.2 555定时电路定时电路 111111AUSS(1)(7)DRTR(2)COTH(5)(6)R(8)UDDRUAUB(4)R（3）OUT12345678OUTRCOTHTRUSSUDDD（ b）（ a）VB 分压器分压器 由由3个个5k电阻组成，它为电阻组成，它为

5、两个比较器提供基准电平。如两个比较器提供基准电平。如5脚悬空，则比较器脚悬空，则比较器A的基准电平的基准电平为为 ，比较器，比较器B的基准电的基准电平为平为 ，改变，改变5脚的接法可脚的接法可改变改变A、B的基准电平。的基准电平。23DDU13DDU第7章 脉冲波形产生与变换111111AUSS(1)(7)DRTR(2)COTH(5)(6)R(8)UDDRUAUB(4)R（3）OUT12345678OUTRCOTHTRUSSUDDD（ b）（ a）VB7.2 555定时电路定时电路 7.2.1 基本组成基本组成623DDUU623DDUU213DDUU213DDUUTHABTRDDU32DDU

6、31DDU32DDU31DDU31第7章 脉冲波形产生与变换111111AUSS(1)(7)DRTR(2)COTH(5)(6)R(8)UDDRUAUB(4)R（3）OUT12345678OUTRCOTHTRUSSUDDD（ b）（ a）VB7.2.1 基本组成基本组成7.2 555定时电路定时电路 基本基本RS触发器触发器第7章 脉冲波形产生与变换111111AUSS(1)(7)DRTR(2)COTH(5)(6)R(8)UDDRUAUB(4)R（3）OUT12345678OUTRCOTHTRUSSUDDD（ b）（ a）VB7.2.1 基本组成基本组成7.2 555定时电路定时电路 开关放电管

7、开关放电管 放电管放电管V是是N沟道沟道增强型的增强型的MOS管，其控管，其控制栅为制栅为0电平时截止，为电平时截止，为1电平时导通。电平时导通。第7章 脉冲波形产生与变换111111AUSS(1)(7)DRTR(2)COTH(5)(6)R(8)UDDRUAUB(4)R（3）OUT12345678OUTRCOTHTRUSSUDDD（ b）（ a）VB7.2.1 基本组成基本组成7.2 555定时电路定时电路 输出缓冲级输出缓冲级 两级反相器构成输出两级反相器构成输出缓冲级，反相器的设计考缓冲级，反相器的设计考虑了有较大的电流驱动能虑了有较大的电流驱动能力，一般可驱动两个力，一般可驱动两个TTL

8、门电路。同时，输出级还门电路。同时，输出级还起隔离负载对定时器影响起隔离负载对定时器影响的作用。的作用。第7章 脉冲波形产生与变换7.2.2 工作原理及特点工作原理及特点 表7-1 555定时器功能表 第7章 脉冲波形产生与变换7.2.2 工作原理及特点工作原理及特点CC7555 静态电流较小(80A左右)； 输入阻抗极高(输入电流仅为0.1A左右)； 电源电压范围较宽(在3V18V内均正常工作)； 最大功耗为300mW； 输入电压uI应确保在安全范围之内，即满足下式条件： USS-0.5VUIUDD+0.5V TTL型555定时电路如5G555(NE555)，其工作原理与CC7555没有本质

9、区别，但其驱动电流可达200mA。第7章 脉冲波形产生与变换7.3 单稳态电路单稳态电路 工作特性：工作特性： 有稳定状态和暂稳态两个不同的工作状态； 在外界触发脉冲的作用下，电路从稳态翻转到暂态，然后在暂稳态停留一段时间TW后又自动返回到稳态，并在输出端产生一个宽度为TW的矩形脉冲； TW只与电路本身的参数有关，而与触发脉冲无关。应用领域：应用领域： 广泛应用于脉冲整形、延时（产生滞后于触发脉冲的输出脉冲）以及定时（产生固定时间宽度的脉冲信号）等电路中。第7章 脉冲波形产生与变换电路组成电路组成CC7555构成的单稳态电路：构成的单稳态电路： R、C为外接定时元件，输入触发信号uI加至低触发

10、 端，由OUT端给出输出信号，控制端CO不用时一般均通过0.01F接地，以防干扰。TR第7章 脉冲波形产生与变换脉冲宽度脉冲宽度TW( )(0 )ln( )()0ln23ln31.1CCWCCWDDDDDDuuTRCuuTURCUURCRC 第7章 脉冲波形产生与变换 为了使电路能正常工作，要求外加触发脉冲的宽度CP小于TW。且负脉冲的数值一定要低于 。为此常在输入信号uI和触发电路之间加一微分电路，如图7-4所示。13DDU图7-4 具有微分环节的单稳态电路15762843CUDDuO0.01FRRpuICp第7章 脉冲波形产生与变换 利用单稳态触发器获得线性锯齿波线性锯齿波：输出波形为电容

11、C两端按指数规律上升的电压，为获得线性锯齿波，只要对电容C恒流充电即可。故用恒流源代替R即可组成线性锯齿波电路。第7章 脉冲波形产生与变换 外接电阻R的范围为2k20M，定时电容C为100pF1000F，因此其单稳态电路的延迟时间TW可由几微秒到几小时。精度可达0.1%，增大TW ，电路稳定度下降。15762843CUDDuO0.01FRRpuICp( )(0 )ln( )()0ln23ln31.1CCWCCWDDDDDDuuTRCuuTURCUURCRC 第7章 脉冲波形产生与变换7.4 多谐振荡器多谐振荡器 多谐振荡器是一种多谐振荡器是一种无稳态自激振荡电路无稳态自激振荡电路，它在接通，它

12、在接通电源后，不需要外加触发信号，电路状态能够自动地不电源后，不需要外加触发信号，电路状态能够自动地不断变换，产生矩形波的输出。由于矩形波中的断变换，产生矩形波的输出。由于矩形波中的谐波分量谐波分量很多，因此又常称为多谐振荡器。很多，因此又常称为多谐振荡器。 在数字电路中，为了定量地描述多谐振荡器所产生在数字电路中，为了定量地描述多谐振荡器所产生的的矩形脉冲矩形脉冲波形的特性，经常使用如图波形的特性，经常使用如图7-6所示的几个指所示的几个指标。标。第7章 脉冲波形产生与变换描述矩形脉冲特性的指标描述矩形脉冲特性的指标 脉冲周期脉冲周期T：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲的时间间隔。有时也

13、用频率f=1/T表示，f表示单位时间里脉冲重复的次数。脉冲幅度脉冲幅度Um：脉冲电压的最大变化幅度。第7章 脉冲波形产生与变换描述矩形脉冲特性的指标描述矩形脉冲特性的指标 脉冲宽度脉冲宽度TW：从脉冲前沿上升到0.5Um起，到脉冲后沿下降到0.5Um止的一段时间。上升时间上升时间tr：脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。下降时间下降时间tf：脉冲后沿从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。第7章 脉冲波形产生与变换电路组成电路组成 除将高电平触发端高电平触发端TH和低电平触发端低电平触发端 短接外，在放电回路中还串接一个电阻R2。电路中R1、R2、C均是定定时时元件。TR第7章 脉

14、冲波形产生与变换 由于比较器A、B的存在，电容C不可能充电至UDD。当电容充电至 时，UA=UB=0，RS触发器处于维持状态，输出也不变；但当C继续充电至 时，UB=0、UA=1，则RS触发器状态变为Q=0，输出uO为低电平，放电管V导通，开始放电开始放电。1233DDCDDUuU工作原理工作原理充电过程充电过程第一暂稳态第一暂稳态第7章 脉冲波形产生与变换 由于比较器A、B的存在，电容器不可能放电至0。当电容放电 时，UA=UB=0，RS触发器处于维持状态，输出也不变；但当C继续放电 至 时，UB=1、UA=0，则Q=1、 ，输出uO为高电平，放电管截止，UDD再次对电容充电，如此反复，则输

15、出可得矩形波形。1233DDCDDUuU13CDDuU0Q 工作原理工作原理放电过程放电过程第二暂稳态第二暂稳态第7章 脉冲波形产生与变换电路的振荡周期电路的振荡周期 T=T1+T2 而T1和T2分别为所以 11212222121213()ln23()ln 2203lnln 2103(2)ln 20.7(2)DDDDDDDDDDDDUUTRRCUURRCUTR CR CUTRRCRRC第7章 脉冲波形产生与变换占空比可调多谐振荡器占空比可调多谐振荡器11212122TRRDTTRR51762483UDDuO0.01FV1RWV2CR2R1第7章 脉冲波形产生与变换占空比可调多谐振荡器占空比可调

16、多谐振荡器11212122TRRDTTRR51762483UDDuO0.01FV1RWV2CR2R1 将充放电回路分开，充电回路为R1、V1、C，放电回路为C、V2、R2和放电管。 改变RW不改变R1+R2值。所以该电路振荡周期为 T=(充+放) ln2=(R1+R2)C0.7 占空比D为111212TRDTTRR第7章 脉冲波形产生与变换7.5 施密特电路施密特电路 施密特触发器（schmitt Trigger）是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它在性能上具有两个主要特点两个主要特点： 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转换电平不同； 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变得很陡。 利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。第7章 脉冲波形产生与变换电路组成、波形图与电压传输特性电路组成、波形图与电压传输特性 将555时基电路2、6端连接，即构成施密特电路施密特电路。第7章 脉冲波形产生与变换施密特电路主要应用施密特电路主要应用