常州大学吴志敏数电ch9脉冲波形的产生与变换

1、矩形脉冲的基本特性矩形脉冲的基本特性1. 矩形脉冲的二值性矩形脉冲的二值性矩形脉冲矩形脉冲二进制数字信号二进制数字信号高、低电平高、低电平1、02. 矩形脉冲的特性参数矩形脉冲的特性参数TT 脉冲周期脉冲周期UmUm 脉冲幅度脉冲幅度0.5UmtWtW 脉冲宽度脉冲宽度0.1Um0.9Umtrtr 上升时间上升时间tftf 下降时间下降时间3. 获得脉冲的方法：获得脉冲的方法：1） 自激振荡电路直接产生矩形脉冲。自激振荡电路直接产生矩形脉冲。由由多谐振荡器多谐振荡器来实现来实现 555 定时器定时器是构成多谐振荡器、施密特触发器和单是构成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器的既经济又简单实用

2、的器件。稳态触发器的既经济又简单实用的器件。2） 将已有波形将已有波形（正弦波、锯齿波正弦波、锯齿波等等）整形为矩整形为矩形脉冲。形脉冲。 由由施密特触发器施密特触发器和和单稳态触发器单稳态触发器来实现来实现9.1 集成集成555定时器定时器 555定时器是将模拟电路和数字电路集定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。它使用方便成于一体的电子器件。它使用方便, ,带负载带负载能力较强能力较强, , 目前得到了非常广泛的应用。目前得到了非常广泛的应用。单定时器单定时器双极型双极型最后最后3 3位数位数555555单极型单极型最后最后4 4位数位数75557555双定时器双定时器双极型双

3、极型最后最后3 3位数位数556556单极型单极型最后最后4 4位数位数75567556型号：型号：9.1.1 5559.1.1 555定时器的电路组成和基本功能定时器的电路组成和基本功能 555555定时器的内部电路包括以下几部分定时器的内部电路包括以下几部分 : : 两个电压比较器两个电压比较器: : C1C1、C2C2 ; ;一个基本一个基本RSRS 触发器触发器; ; 一个晶体管一个晶体管T T；由三个相等电阻组成的分压器由三个相等电阻组成的分压器; ;一个反相器一个反相器等等。电路结构电路结构电平电平触发端触发端电平电平触发端触发端电压电压控制端控制端复位端复位端电平有效电平有效放电

4、端放电端4.54.518V18V输出端输出端地地v vo o+ + +- - -8 84 45 56 62 27 71 13 31 1R RR RR RRbRbTHTHCOCOTRTRD DQ QQ Q+Vcc+VccR RD D C C1 1C C2 2T T电源电压范围电源电压范围:4.5V 18V555定时器的管脚图定时器的管脚图12345678555VCCD TH COGND TRVoRD电电源源放放电电阈阈值值电控电控压制压制地地触触发发输输出出复复位位9.1.2 5559.1.2 555定时器的基本功能定时器的基本功能vo+-845627131RRRRbTHCOTRDQQ+VccR

5、D C1C2TVcc32Vcc31 三个电阻构成的分压器给两个比较器提供三个电阻构成的分压器给两个比较器提供基基准电压准电压: : 分别为分别为 和和 。Vcc32Vcc31001导通,01时0 T ， VoQ： R vo+-845627131RRRRbTHCOTRDQQ+VccRD C1C2TbTHCOTRD+VccRDvo+-845627131RRRRQQC1C22/3VCC1/3 VCC00011导通,01时0 T ， VoQ： RD 。、，导通,001101时 31 ,321 T VoQQ： RD C2C VVVV CCTRCCTHTHCOTRD+VccRDvo+-845627131R

6、RRRQQC1C22VCC/3VCC/311010b状状态态不不变变。不不变变不不变变、， T VoQQ： RD ,;111时 31 ,321 C2C VVVV CCTRCCTHTHCOTRD+VccRDuo+-845627131RRRRQQC1C22VCC/32VCC/3 111UOLVCC/3 饱和饱和VCC/3 不变不变不变不变2VCC/3VCC/3 UOH截止截止UTHuoTD的状态的状态URTR一、一、普通反相器和施密特反相器的比较普通反相器和施密特反相器的比较AY1普通反相器普通反相器uAUTHuYTTL：1.4 VCMOS：DD21V施密特反相器施密特反相器AYuAUT+UT上限

7、阈值电压上限阈值电压下限阈值电压下限阈值电压uY回差电压：回差电压： TTTUUU 电路：电路：2 2，6 6端连在端连在一起作为信一起作为信号输入端号输入端+VccRDvo+-84562713RRRRQQC1C2vIVcc1 vo1V VI I1/3V2/3V2/3VCCCC时，时，C1C1输出低电平，输出低电平，C2C2输出高电平，输出高电平，V VO O=0=0构成构成集电集电极开极开路型路型输出输出端。端。9.2.9.2. 555 555定时器做施密特触发器定时器做施密特触发器Rvi8 46 7 555 3 2 5 1vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压控制电压调节回差调节回差v

8、ivott00UT+UT2VCC/3VCC/3工作原理：工作原理：（a a）当）当V Vi i 0 0 时，由于比较器时，由于比较器 C C1 1=1=1、C C2 2=0=0，触发器置，触发器置 1 1，即，即Q Q1 1、0 0= =Q Q，。升高时，在未到达升高时，在未到达 2V2Vcccc/3/3以前，以前，的状态不会改变。的状态不会改变。V VO O 1 1V Vi iV VO O 1 1Rvi8 46 7 555 3 2 5 1vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压控制电压调节回差调节回差vivott00UT+UT2VCC/3VCC/3（b）vi升高到升高到 2VCC/3 时，

9、比较器时，比较器 C1输出为输出为 0、C2输出为输出为 1，触发器置，触发器置 0，即，即Q0、1 Q， vo=0。此后，。此后， vi上升到上升到 VCC，然后再降低，但在未到达，然后再降低，但在未到达VCC/3以前，以前，vo0 的状态不会改变。的状态不会改变。（a）当）当 vi0 时，由于比较器时，由于比较器 C1=1、C2=0，触发器置，触发器置 1，即，即 Q1、0 Q，vo1。vi升高时，在未到达升高时，在未到达 2VCC/3 以前，以前， vo1 的状态不会改变。的状态不会改变。Rvi8 46 7 555 3 2 5 1vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压控制电压调节回差

10、调节回差vivott00UT+UT2VCC/3VCC/3（c）vi下降到下降到 VCC/3 时，比较器时，比较器 C1输出为输出为 1、C2输出为输出为 0，触发器置，触发器置 1，即即 Q1、0 Q，vo=1。此后，。此后，vi继续下降到继续下降到 0，但，但 vo1 的状态的状态不会改变。不会改变。（b）vi升高到升高到 2VCC/3 时，比较器时，比较器 C1输出为输出为 0、C2输出为输出为 1，触发器置，触发器置 0，即，即Q0、1 Q， vo=0。此后，。此后， vi上升到上升到 VCC，然后再降低，但在未到达，然后再降低，但在未到达VCC/3以前，以前，vo0 的状态不会改变。的

11、状态不会改变。（a）当）当 vi0 时，由于比较器时，由于比较器 C1=1、C2=0，触发器置，触发器置 1，即，即 Q1、0 Q，vo1。vi升高时，在未到达升高时，在未到达 2VCC/3 以前，以前， vo1 的状态不会改变。的状态不会改变。下限阈值电压下限阈值电压vovi(b)(b)逻辑符号逻辑符号(a)(a)传输特性传输特性VTVT+上限阈值电压上限阈值电压回差电压（滞后电压）回差电压（滞后电压）： VT+=2/3VCC; VT-=1/3VCCVT VTVT =1/3VCCvIvO在在7 7脚外接一电阻，并与脚外接一电阻，并与V VCC1CC1 相连，相连， v vO O=1=1时，时

12、，v vO1O1=0; =0; v vO O=0=0时，时，v vO1O1=V=VCC1CC1， 可以实现电平移动。可以实现电平移动。在在5 5脚上加控制电压脚上加控制电压V VCOCO可以改变可以改变V VT+T+,V,VT- T- ， 以调节回差电压的大小以调节回差电压的大小Rvi8 46 7 555 3 2 5 1vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压控制电压调节回差调节回差说明：说明：9.2.4 施密特触发器的应用施密特触发器的应用1.波形变换波形变换三角波、正弦波变换成方波三角波、正弦波变换成方波vItvOtVT+VT-VT+VT-vItvOt正弦波正弦波方波方波三角波三角波方波

13、方波调节调节V VT+T+,V,VT-T-可以改变宽度可以改变宽度2.波形整形波形整形消除噪声干扰消除噪声干扰vItvOtVT+VT-vItvOtVT+VT-回差电压比较小回差电压比较小回差电压比较大回差电压比较大3.3. 幅度鉴别幅度鉴别vItvOtVT+VT-可以调节可以调节V VT+T+作为鉴别门限作为鉴别门限4.构成脉冲源构成脉冲源1vIvO9.39.3 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器的特点单稳态触发器的特点电路有一个稳态和一个暂稳态。电路有一个稳态和一个暂稳态。在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。稳态。暂稳态是一个不能长久保持的

14、状态，经过一段暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电时间后，电 路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，发脉冲无关， 仅决定于电路本身的参数。仅决定于电路本身的参数。稳定状态稳定状态稳定状态稳定状态暂稳态暂稳态由外界触发由外界触发自动返回自动返回学习的重点学习的重点:为什么为什么会自动返回会自动返回?需需多少时间多少时间?图示暂稳态：图示暂稳态：RC9.3.5 由由555定时器组成的定时器组成的单稳态触发器单稳态触发器外外接接RCRC+VccRDvo+-84562713RRRRQQC1C2vITb+VccRDvo+-8456271

15、3RRRRQQC1C2RCvIT T截止时，截止时，对对C C充电充电T T导通时，导通时，C C放电放电（1）工作原理：）工作原理：可以在可以在5 5脚外接控制电压，脚外接控制电压，以改变放电阀值。以改变放电阀值。VTHVCbTV VC C2/3V2/3VCCCC时，时，VoVo0 0，T T导导通，通，C C放电。放电。V6=VV6=VTHTHV2=VV2=VTRTRVoVoT T2/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC0 0导通导通2/3 1/31/3 VCC VCC保持保持保持保持2/3 2/3 VCCVCC1/32/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC

16、0 0导通导通2/3 1/31/3 VCC VCC保持保持保持保持2/3 2/3 VCCVCC1/32/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC0 0导通导通2/3 1/31/3 VCC VCC保持保持保持保持2/3 2/3 VCCVCC1/32/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC0 0导通导通2/3 1/31/3 VCC VCC保持保持保持保持2/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC1 1截止截止2/3VCC tvi00vCt0vot 自动返回自动返回（V VI I1 1）: : 由以上过程可以由以上过程可以看出看出 : 每来一次负每来一次负脉冲

17、脉冲 , vo 便输出一便输出一个正脉冲个正脉冲,其宽度其宽度 tW 由由 R C 决定决定 。vIvOVCCRCvC0.01uF123487652/3VCCtvi00vC0votttW （2 2）输出脉冲宽度输出脉冲宽度t tw wt tw w是是VcVc从从0 0指数上升到指数上升到2V2VCCCC/3/3时所需的时间时所需的时间注意注意: :t tw w宽度的增加，将降低定时精度和稳度。宽度的增加，将降低定时精度和稳度。 t tw w 的范围为几秒到几分钟。的范围为几秒到几分钟。2/3VCCtvi00vC0votttW0)0(cvCCcVv)(CCcVtv32)(t tw wCCCCCC

18、CCCCVVVRCtVVVVRC320ln)()()0()(ln1.1RC1.1RC2/3VccvCvI(S)vO 在充电过程中在充电过程中v vI I 0 011变化变化,C1=1,C2=0/1,Q,C1=1,C2=0/1,Q保持保持为为1 1，电路状态不变（，电路状态不变（T T截止，截止，C C保持充电状态）。保持充电状态）。多次触发时的情况：多次触发时的情况：故该电路为故该电路为不可重复触发不可重复触发型单稳态触发器：型单稳态触发器：电路图：电路图：（3）可重复触发的单稳态触发）可重复触发的单稳态触发器器+VccRDvo+-84562713RRRRQQC1C2RCvITbT1可重复触发

19、的单可重复触发的单稳态触发器（续）稳态触发器（续）+VccRDvo+-84562713RRRRQQC1C2RCvITbT1工作过程工作过程b.b.触发时触发时: :a.a.稳态时稳态时: :V VI I=1,T1=1,T1截止截止, ,电路状态同电路状态同普通单稳。普通单稳。V VI I=0=0，电路触发翻转，电路触发翻转，VoVo1 1V VI I=0=0期间期间,T1,T1导通导通, ,电容不能充电。电容不能充电。V VI I=1=1后，后， T1T1截止截止, ,电容开始充电。电容开始充电。可重复触发的单可重复触发的单稳态触发器（续）稳态触发器（续）+VccRDvo+-84562713R

20、RRRQQC1C2RCvITbT1工作过程工作过程（续）（续）c.c.重复触发时重复触发时: :当当Vc2/3VVc2/3Vcc 2/3Vcc Q=0, Q=0, V VO O=0,=0,恢复稳态，恢复稳态， T T导通导通, ,电容放电电容放电9.3.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用一般用于一般用于（产生一定宽度的矩形波）（产生一定宽度的矩形波）（把不规则的波形转换成宽度、（把不规则的波形转换成宽度、 幅度都相等的波形）幅度都相等的波形）（把输入信号延迟一定时间后输出）（把输入信号延迟一定时间后输出）uo&uiuAuo(a) 电路示意图(b) 波形图单稳态触发器uououiu

21、Atpuiuotp9.4 9.4 多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器的特点：多谐振荡器的特点： （1 1）不需外触发的自激振荡器；）不需外触发的自激振荡器； （2 2）无稳定状态，均为暂稳态；）无稳定状态，均为暂稳态； （3 3）矩形波中含有丰富的高次谐波，习惯称多谐）矩形波中含有丰富的高次谐波，习惯称多谐振荡器。振荡器。9.4.1. 9.4.1. 由门电路构成多谐振荡器由门电路构成多谐振荡器1. 1. 用用TTLTTL门构成对称式多谐振荡器门构成对称式多谐振荡器2. 2. 环形振荡器环形振荡器9.4.2. 9.4.2. 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 石英晶体振荡器常用石英晶体振荡器常用

22、作数字系统的基准信号作数字系统的基准信号. 为获得稳定的振荡频率为获得稳定的振荡频率, 可在振荡电路可在振荡电路中串接石英晶体中串接石英晶体,组成组成石英晶体振荡器石英晶体振荡器f石英晶体阻抗频率特性石英晶体阻抗频率特性0Xfs电容性电感性fp(1)石英晶体石英晶体阻抗频率特性阻抗频率特性 在固有频率在固有频率fsfs上上, ,阻抗阻抗X=0X=0。 内部电路内部电路(2)石英晶体石英晶体振荡器振荡器石英晶体石英晶体振荡频率等于石英晶体的谐振频率振荡频率等于石英晶体的谐振频率fs11R1R2C2C1voTTL门门R1， R2：0.72KKC C :0.1F:0.1F1RC2C1vo1CMOS门

23、门R：1010100100MMC: 30PfC: 30Pf常见的常见的外接振外接振荡电路荡电路9.4.3. 9.4.3. 用施密特触发器构成多谐振荡器用施密特触发器构成多谐振荡器外接外接R1,R2,C电路：电路：+VccRDvo+-84562713RRRRbQQC1C2TR1CR29.4.4 9.4.4 由由555555定时器构成多谐振荡器定时器构成多谐振荡器vOVCCR1CvC0.01uF12348765R2 Vcc Vcc通过通过R1R1、R2R2向向C C充电充电, ,在在V VC C 没有充电到没有充电到 2 2V VCCCC/3 /3 之之前前, ,V Vo o 保持保持 1 1 不变。不变。 当当V VC C2 2V VCCCC /3 /3时时 V Vo o由由1 1翻转为翻转为 0 0 。 T T 导通导