第20章脉冲波形的产生和变换

1、1 1第20章 脉冲波形的产生和变换20.1单稳态触发器及多谐振荡器单稳态触发器及多谐振荡器20.2施密特触发器施密特触发器20.3555定时器及其应用定时器及其应用2 2第第20章章 脉冲波形的产生和变换脉冲波形的产生和变换在数字系统中，常常把各种频率的矩形脉冲作为时钟脉冲信号，用于控制和协调系统工作。矩形脉冲的获取方式可由脉冲振荡器产生，也可利用整形电路将已有的周期性信号变换为矩形脉冲。本节简要介绍脉冲波形的产生与变换。描述矩形脉冲波形的特性主要有以下几个主要参数(见图20.1): 脉冲周期T在周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔，有时也用频率f表示；3 3脉冲幅值Um脉冲电

2、压变化的最大幅值；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为止的一段时间；占空比q脉冲宽度与脉冲周期的比值，q=TW/T；上升时间tr脉冲从0.1Um上升到0.9Um所需的时间；下降时间tf脉冲从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。4 4图20.1 矩形脉冲的特性参数5 520.1 单稳态触发器及多谐振荡器单稳态触发器及多谐振荡器20.1.1 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器的工作特性具有如下特点：(1) 有稳态和暂态两个工作状态；(2) 在外界触发脉冲的作用下，可从稳态转到暂态，在暂态维持一段时间后，再自动返回到稳态；(3) 暂态维持时间的长短取决于电路本身

3、的参数，与触发脉冲的宽度无关。由于具有这些特点，因而单稳态触发器被广泛应用于脉冲整形、延时及定时电路中。6 61. 门电路组成的单稳态触发器门电路组成的单稳态触发器用CMOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器如图20.2所示。对于CMOS电路，可近似认为UoHUDD，UoL0， 故可以认为在稳态下Ui=0，Ui2=UDD，Uo=0，Uo1=UDD，电容上没有电压。当输入触发脉冲Ui加到输入端时，由Rd、Cd组成的微分电路的输出端得到一个很窄的正、负脉冲电压Ud，Ud上升到Uth以后，将引发如下的正反馈过程:7 7图 20.2 微分型单稳态触发器8 8使Uo1迅速跳变为低电平。由于电容

4、上的电压不能突变，因此Ui2也同时跳变为低电平，并使Uo跳变为高电平，电路进入暂态。此时即使Ud回到低电平，Uo仍将维持高电平。与此同时，电容C开始充电，且随着充电过程的进行，Ui2逐渐升高，当上升到Ui2=Uth时，将引发另一个正反馈过程：若此时触发脉冲消失(Ud回到低电平)，则Uo1、Ui2将迅速跳变到高电平，并使输出返回到Uo=0的状态。同时，电容C通过R和G2门的输入保护电路向UDD放电，直至电容C上的电压降为0 V时，电路又恢复到稳定状态。整个过程的波形变化如图20.3所示。9 9图 20.3 微分型单稳态触发器波形图1010各种参数的计算如下：当Uth=UDD/2时，脉冲宽度thD

5、DDDW0lnUUURCT输出脉冲幅度 Um=UoHUoLUDD为了保证单稳态触发器输出脉冲的宽度准确无误，输入触发脉冲的时间间隔T(重复周期)应满足：TTW+Tre其中， Tre表示电容C放电完毕所需要的时间，称为电路的恢复时间，一般可取Tre=(35)RC11112. 集成单稳态触发器集成单稳态触发器鉴于单稳态触发器的应用广泛，市场上有多种集成单稳态触发器可供选用，其特点是: 在TTL和CMOS电路产品内部具有上升沿与下降沿触发的控制和置0功能，连线较少，采取了温度补偿措施，可以通过改变外接电容和电阻的参数调节输出脉冲的宽度等。常见的集成单稳态触发器型号有74121(TTL型)、74221

6、(TTL型)、74123(TTL型)和CCL14528(CMOS型)等。12123. 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用(1) 用于脉冲整形。脉冲信号经过长距离传输后，脉冲波形会发生变化，经过单稳电路后， 可整形为符合要求的波形，如图20.4所示。脉冲的宽窄可以根据具体要求通过改变外接的R和C而改变。(2) 用于脉冲延时(展宽)。利用单稳态电路，可组成脉冲延时电路，使脉冲信号展宽，以满足有些数字系统的需求，如图20.5所示。1313图 20.4 脉冲整形示意图1414图 20.5 脉冲延时示意151520.1.2 多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，无需外加触发信号

7、就能自动产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳定状态，工作时在两个暂态之间不停地转换。1. 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器图20.6所示为对称式多谐振荡器的典型电路。它由反相器G1、G2 和耦合电容C1、C2及电阻RF1、RF2组成。其中G1、G2与C1、C2构成正反馈电路。RF1、RF2控制G1、G2，使之工作在电压传输特性的转折点。1616图20.6 对称式多谐振荡器1717从图20.6可见，该电路是利用RC的充放电分别控制G1、G2门的开通与关断来实现自激振荡的。假如由于某种原因(例如电源或外界的干扰)使Ui1有一个微小变化(正跃变)，则必

8、然会得到下列的正反馈过程:使Uo1迅速跳变为低电平，Uo2跳变为高电平，电路进入第一个暂稳态。与此同时，Uo2开始经RF2向C1充电，C2开始经RF1放电。随着C1的充电，Ui2逐渐上升到G2的阈值电压Uth时，Uo2开始下降，并引起另一个正反馈过程：1818从而使Uo2迅速跳变至低电平，电路进入第二个暂态。同时C2开始充电，而C1开始放电。随着C2充电，Ui1逐渐升高到G1的Uth后，电路又迅速返回到第一个暂态。因此，电路不停地在两个暂态之间往复转换，在输出端不断地发出矩形电压脉冲，如图20.7所示。1919图 20.7 矩形电压脉冲形成示意图20202. 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡

9、器对称式多谐振荡器的振荡频率主要取决于门电路的输入电压在充、放电过程中达到转换电平所需要的时间。由于电阻、电容的数值在使用过程中会发生变化，因而严重影响振荡频率的稳定性。目前普遍采用的稳频方法是，在多谐振荡器电路中接入石英晶体，构成石英晶体多谐振荡器。石英晶体的符号、电抗频率特性及石英晶体多谐振荡器电路如图20.8所示。2121图 20.8 石英晶体符号、电抗频率特性及多谐振荡器电路(a) 符号； (b) 频率特性； (c) 电路2222由石英晶体的电抗特性可知，当外加电压的频率为f0时，电抗最小，电压信号最容易通过并在电路中形成正反馈，其它频率的信号经过石英晶体将被衰减。因此，石英晶体多谐振

10、荡器的频率取决于石英晶体的固有谐振频率f0，与外接电阻、电容无关，适用于对信号频率稳定性要求较高的场合。232320.2 施密特触发器施密特触发器施密特触发器是脉冲波形变换中常用的一种电路，它具有两个重要特性：一是输入信号从低电平上升的过程中、电路状态发生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；二是在电路状态发生转换时，电路内部的正反馈过程使得输出电压波形的边沿变得很陡。利用以上两个特性，不仅可以将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可有效地清除叠加在矩形脉冲高、低电平上的干扰波，起到脉冲整形的作用。24241. CMOS门电路构成的施密特触发器

11、门电路构成的施密特触发器图20.9所示为由CMOS门电路构成的施密特触发器。当Ui从0 逐渐升高并达到Uth时，G1进入电压传输特性的转折区，引起正反馈，过程如下：这时电路的状态迅速转换为Uo=UoHUDD由此可求出Ui上升过程中电路状态发生转换所对应的输入电平为UT+(正向阈值电压)：th21T1URRU2525图20.9 CMOS门电路构成的施密特触发器2626当Ui从高电平逐渐下降并达到Uth时，又引发另一个正反馈过程：电路状态迅速转换为Uo=UoL0由此可求出Ui下降过程中电路状态发生转换时所对应的输入电平为UT(反向阈值电压)： DD21th21T1URRURRUth21T1URRU

12、若UDD=2Uth，则2727将UT+与UT之差定义为回差电压UT：UT=UT+UT由此可画出施密特触发器的电压传输特性，称为施密特滞回曲线，如图20.10所示。施密特触发器应用广泛，无论是CMOS电路还是TTL电路，均有大量的集成施密特触发器，其特性与分立门组成的施密特触发器相同，这里不再介绍。常见的集成施密特触发器有74132、CC40106、74LS132等型号，它们的逻辑符号如图20.11所示。2828图 20.10 施密特滞回曲线(a) 同相输出；(b) 反相输出2929图20.11 施密特触发器的逻辑符号30302. 施密特触发器的应用施密特触发器的应用1) 用于波形变换施密特触发

13、器可用于将三角波、正弦波及一些不规则波形转换为矩形波，如图20.12所示。图 20.12 波形变换示意图31312) 用于脉冲整形当传输信号受到干扰时，施密特触发器的滞回特性会把受到干扰的信号整形成较好的矩形脉冲，如图20.13所示。图 20.13 脉冲整形示意图32323) 用于脉冲幅度鉴别当输入信号为一组幅度不等的脉冲，而要求将幅度大于Uth的脉冲信号选出时，可采用施密特触发器的输入信号进行鉴别。方法是：将信号加入施密特触发器，使它的正向阈值电平UT+大于干扰信号的幅度，而小于信号的幅度，就可以滤除干扰。因为，只有大于UT+的信号才能使电路翻转而产生输出脉冲，干扰信号不能触发电路，所以不能

14、形成输出脉冲。如图20.14所示。3333图 20.14 脉冲幅度鉴别34344) 由施密特触发器组成多谐振荡器多谐振荡器最突出的特点是它的电压传输特性具有滞回特性。据此可以使其输入信号在UT+UT之间不停地往复变化，在输出端就可得到矩形脉冲波形。其电路及波形如图20.15所示。3535图 20.15 多谐振荡器电路及波形363620.3 555定时器及其应用定时器及其应用20.3.1 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能555定时器是一种多用途的数字/模拟混合集成电路，只要外加几个阻容元件便可组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。555定时器的电源电压范围宽，双极型555

15、定时器为516 V，CMOS 555定时器为318 V。它可提高与TTL、CMOS数字电路兼容的接口电平。555定时器可输出一定的功率，可驱动微电机、指示灯、扬声器等，在脉冲波形的产生与变换、仪器与仪表、测量与控制等领域中应用广泛。3737图20.16所示为国产双极型定时器NE555的电路结构图虚线框是内部电路，它由比较器端C1、C2、基本RS触发器和集电极开路的放电三极管V等部分组成。基本RS触发器的状态受比较器C1和C2输出端的控制，若C1输出低电平，触发器置0；若C2输出低电平，则触发器置1。与非门G3接在基本RS触发器的输出端，它的输出就是整个定时器的输出。其作用是隔离负载对定时器的影

16、响，起到缓冲的作用，提高定时器带负载的能力。NE555定时器的功能表如表20.1所示。3838图 20.16 NE555双极型定时器电路结构图39394040555定时器能在较宽的电压范围内工作，输出高电平不低于90%电源电压，带拉电流负载和灌电流负载能力可达200 mA。414120.3.2 555定时器的应用定时器的应用1. 接成施密特触发器接成施密特触发器如图20.17所示，将Ui1和Ui2连在一起作为信号输入端(Ui)，就可得到施密特触发器。为提高比较器参考电压UR1和UR2的稳定性，通常在UCC端与地之间接0.01 F的电容。电路工作的原理如下。首先，讨论Ui从0开始升高：当UiUC

17、C/3时，UC1=1，UC2=0，Q=1，Uo=UoH；当UCC/3Ui2/3UCC时，UC1= UC2=1，Uo=UoH；当Ui2/3UCC时，UC1=0，UC2=1，Q=0，Uo=UoL。4242图 20.17 由555定时器构成的施密特触发器(a) 外部接线图；(b) 内部电路图4343由此可见，电路的正向阈值电压CCT32UU。时，当时当1, 1, 0, 131;, 1,3231oHo2C1CCCioLo2C1CCCiCCUUQUUUUUUUUUUU其次，讨论Ui从高于(2/3)UCC开始下降：由此可见，电路的负向阈值电压CCTTCCT3131UUUUUU则回差电压4444从以上讨论的

18、结果可画出施密特触发器的电压传输特性如图20.18所示。图 20.18 施密特触发器的电压传输特性45452. 接成单稳态电路接成单稳态电路如果将555定时器的Ui2(TR)作为触发器的信号输入端，同时把输出DISC(7脚)接回到Ui1端，在Ui1 端与UCC之间接电阻R，在UR1和地之间接电容C，就可构成单稳态电路，如图20.19所示。其中R、C为定时元件，改变其参数可以改变输出脉冲的宽度，范围可从几微秒到几分钟，精度可达0.1%。此电路的工作波形如图20.20所示，工作原理如下。4646图 20.19 由555定时器构成的单稳态触发器(a) 外部接线图； (b) 内部电路图 4747图20.20 由555定时器构成的单稳态触发器工作波形图48483. 接成多谐振荡器接成多谐振荡器将放电管V的