第7章 脉冲波形的产生与变换

1、第七章 脉冲信号的产生于变换第七章第七章 脉冲波形的产生与变换脉冲波形的产生与变换 7.1 概述概述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 第七章 脉冲信号的产生于变换v预备知识预备知识（电容充放电）（电容充放电）(1) 电容两端的电压不能突变，电容两端的电压不能突变，VC(0+) VC(0-) ，电容充放电需，电容充放电需要时间，有过渡过程，其时间长短只与要时间，有过渡过程，其时间长短只与RC有关；有关；(2) 开始充放电（换路）瞬间开始充放电（换路）瞬间，阻抗很小，相当，阻抗很小，相当短路短路；充放电结；充放

2、电结束，束，电路处于稳态电路处于稳态，C支路电流为支路电流为0，阻抗很大，相当，阻抗很大，相当开路开路； (3) 简单简单RC电路中，各处电压、电流均按指数规律变化。电路中，各处电压、电流均按指数规律变化。7.1 概概 述述 第七章 脉冲信号的产生于变换（4）三要素公式）三要素公式texxxtx)()0()()(终止值终止值初始值初始值时间常数时间常数 计算信号从某个计算信号从某个初始值初始值 x (0+)变化到某个变化到某个特定值特定值 x (t) 所需所需要的时间：要的时间：)()()0()(lntxxxxt 三要素即起始值三要素即起始值x (0+)、趋向值、趋向值x ()和时间常数和时间

3、常数，若三要，若三要素已知，则得方程素已知，则得方程 第七章 脉冲信号的产生于变换 常用的有施密特触发器和单稳态触发器。常用的有施密特触发器和单稳态触发器。 获取脉冲信获取脉冲信号的方法号的方法 脉冲信号产生与脉冲信号产生与整形电路整形电路的实现的实现是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便、灵活，应用广泛。谐振荡器等，使用方便、灵活，应用广泛。 用多谐振荡器直接产生。用多谐振荡器直接产生。 用用整形电路整形电路对已有波形进行整形、变换。对已有波形进行整形

4、、变换。 施密特触发器施密特触发器主要用以主要用以将缓慢变化将缓慢变化或快速变化的或快速变化的非矩形脉冲变换非矩形脉冲变换成陡峭的矩形脉冲。成陡峭的矩形脉冲。单稳态触发器单稳态触发器 主要用以将宽度不符合要求的脉主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。冲变换成符合要求的矩形脉冲。用门电路构成。用门电路构成。 用专用的集成电路。用专用的集成电路。 用用 555 定时器定时器构成。构成。 第七章 脉冲信号的产生于变换7.2 555定时电路定时电路 7.2.1 基本组成基本组成 图 7 2 CC7555集成定时电路 它有两个它有两个比较比较器器A和和B，每个，每个比较器的一个输比较器

5、的一个输入端接到三个入端接到三个R电阻组成的分压电阻组成的分压器上，输出分别器上，输出分别接接S、R触发器输触发器输入端。入端。RSUR1UR25K5K5K第七章 脉冲信号的产生于变换RSUR1UR25K5K5K 集成集成555电路的八个电路的八个引脚的作用及名称为：引脚的作用及名称为：脚脚1接地端接地端 USS脚脚2触发器输入端触发器输入端 TR脚脚3输出端输出端 OUT脚脚4复位端复位端 R脚脚5控制端控制端 CO脚脚6阈值输入端阈值输入端 TH脚脚7放电端放电端 D脚脚8电源端电源端 UDD第七章 脉冲信号的产生于变换7.2.2 工作原理工作原理 555定时器的功能主要定时器的功能主要由

6、上下两个比较器由上下两个比较器A、B的的工作状况决定的。工作状况决定的。 比较器比较器A的反相端的反相端“”加上的参考电压加上的参考电压UR1=23UDD，比，比较器较器B的同相端的同相端“+”加上的参考电压加上的参考电压UR2= 13UDD。 若触发端若触发端TR的输入电压的输入电压(2脚脚)U213UDD，则比较器，则比较器B输出输出为为“1”，否则为，否则为“0”。1、比较器的参考电压由比较器的参考电压由分压器提供，在电源与地分压器提供，在电源与地端之间加上端之间加上UDD电压，且电压，且控制端控制端CO悬空。悬空。 若阈值端若阈值端TH的输入电压的输入电压(6脚脚) U123UDD时，

7、则比较器时，则比较器A输输出为出为“1”，否则为，否则为“0”。RSUR1UR25K5K5K第七章 脉冲信号的产生于变换 若复位端若复位端R加加低电平低电平或接地，可使电路强制复位，不管或接地，可使电路强制复位，不管555电路原处于什么状态，均可使它的输出为电路原处于什么状态，均可使它的输出为“0”电平。电平。 2、控制电压端控制电压端CO (5脚脚)外加电压可改变外加电压可改变两个比较器的参考电两个比较器的参考电压，压，UR1=UCO ;UR2= 12Uco。 若若CO不用时，通常将它通过电容（不用时，通常将它通过电容（0.01uf左右）接地。而左右）接地。而不是悬空，以免引入干扰。不是悬空

8、，以免引入干扰。RSUR1UR25K5K5K第七章 脉冲信号的产生于变换表表 7 1 555定时器功能表定时器功能表 DDU32第七章 脉冲信号的产生于变换一、单稳态触发器的工作特点与电路符号一、单稳态触发器的工作特点与电路符号 有有一个稳态一个稳态和和一个暂稳态一个暂稳态。无外触发脉冲。无外触发脉冲输入时，电路处于稳态；在外触发脉冲作用下，输入时，电路处于稳态；在外触发脉冲作用下，电路将从稳态翻转到电路将从稳态翻转到暂稳态，暂稳态，经一段时间后，经一段时间后，电路又自动返回到原来的稳态。电路又自动返回到原来的稳态。工工作作特特点点所谓所谓暂稳态暂稳态，是一个不能长久保持的状态，在暂稳态期间，

9、是一个不能长久保持的状态，在暂稳态期间，电路中一些电压和电流会随着电容器的充电和放电发生变化。电路中一些电压和电流会随着电容器的充电和放电发生变化。而稳态中，电路中电流及电压是不变的。而稳态中，电路中电流及电压是不变的。 单稳态触发器处于暂稳态的时间通常取决于电容充电和放单稳态触发器处于暂稳态的时间通常取决于电容充电和放电的时间，这个时间等于单稳态触发器的输出脉冲的宽度。电的时间，这个时间等于单稳态触发器的输出脉冲的宽度。7.3 单单 稳稳 态态 电电 路路 第七章 脉冲信号的产生于变换单单稳稳态态触触发发器器暂稳态期间如再次被触发，对原暂稳时间无暂稳态期间如再次被触发，对原暂稳时间无影响，输

10、出脉冲宽度影响，输出脉冲宽度 TW 仍从第一次触发开始计仍从第一次触发开始计算。算。 暂稳态期间如再次被触发，输出脉冲宽暂稳态期间如再次被触发，输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽 TW 。 可可重重触触发发型型 非非重重复复触触发发型型 uOuI1uOuI限定符号限定符号“1 ”表示非重触发型单稳态触表示非重触发型单稳态触发器。发器。限定符号限定符号“ ”“ ”表表示可重触发型单稳态触示可重触发型单稳态触发器。发器。 第七章 脉冲信号的产生于变换 下面通过工作波形的分析来说明可下面通过工作波形的分析来说明可重复触发型和不可重复触发型触发器的重复触发型

11、和不可重复触发型触发器的区别。区别。单单稳稳工工作作波波形形举举例例非重触发型非重触发型 单稳输出波形单稳输出波形可重触发型可重触发型 单稳输出波形单稳输出波形输入波形输入波形OuItOuOtOuOtTWTWTWTW暂稳态期间暂稳态期间不能再次触发。不能再次触发。暂稳态期间能再暂稳态期间能再次触发。其输出脉宽次触发。其输出脉宽将在原暂稳态时间基将在原暂稳态时间基础上再展宽础上再展宽 TW 。触发脉冲到来触发脉冲到来时，输出翻转为暂时，输出翻转为暂稳态，经暂稳态持稳态，经暂稳态持续时间续时间 TW 后重新自后重新自动回到稳态。动回到稳态。外触发脉冲未来外触发脉冲未来时，输出为稳态。时，输出为稳态

12、。第七章 脉冲信号的产生于变换二、由二、由555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器 外加触发信号为输入脉冲外加触发信号为输入脉冲的下降沿的下降沿(负脉冲负脉冲)62751THTR(b) 若以若以555定时器的定时器的TR端端(2脚脚)作为触发信号的输入端，并将由作为触发信号的输入端，并将由V和和R组成的反相器输出电压组成的反相器输出电压o,接至接至TH端端(6脚脚) ，同时在，同时在TH对地对地接入电容，就构成了如图所示的单稳态触发器。接入电容，就构成了如图所示的单稳态触发器。VO第七章 脉冲信号的产生于变换 1. 稳定状态稳定状态 接通电源后接通电源后 VCC 经经 R 向向

13、C 充电，充电，使使 uC 上升。上升。 uCOtOuOtUOLUOHtWOCC32VOtUIHCC31VuItWIVCC该电路该电路触发信号为负脉冲触发信号为负脉冲，不加，不加触发信号时，触发信号时，uI = UIH ( (应应 1/3 VCC) )。 当当 uC 2/3 VCC 时，满足时，满足TR = uI 1/3 VCC，TH = uI 2/3 VCC,因因此此 uO 为低电平，为低电平，V 导通，电容导通，电容 C 经放经放电管电管 V 迅速放电完毕，迅速放电完毕，uC 0 V。这时这时TR = UIH 1/3 VCC，TH = uC 0 2/3 VCC，uO 保持保持低电平不变。因

14、此，低电平不变。因此，稳态时稳态时 uC 0 V，uO 为低电平。为低电平。充电充电工作原理工作原理 导通导通放电放电VuCOtOuOtUOLUOHtWOCC32VOtUIHCC31VuItWIVCC0VUOLUIH第七章 脉冲信号的产生于变换 2. 触发进入暂稳态触发进入暂稳态 uCOtOuOtUOLUOHTWCC32VOtUIHCC31VuItWIVCC当输入当输入 uI 由高电平跃变为低电平由高电平跃变为低电平( (应应 1/3 VCC ) )时，使时，使 TR = UIL1/3 VCC而而TH = uC 0 V 2/3 VCC，因此，因此 uO 跃变为跃变为高电平，进入暂稳态高电平，进

15、入暂稳态，这时放电管，这时放电管 V截止，截止，VCC 又经又经 R 向向 C 充电，充电，uC 上升上升。在暂稳态期内输入电压在暂稳态期内输入电压uI回到高电平回到高电平UIH。UILUOH充电充电第七章 脉冲信号的产生于变换 3. 自动返回稳定状态自动返回稳定状态 uCOtOuOtUOLUOHTWCC32VOtUIHCC31VuItWIVCC 2. 触发进入暂稳态触发进入暂稳态 UIHUOL TH2/3 VCC放电放电V当输入当输入 uI 由高电平跃变为低电平由高电平跃变为低电平( (应应 1/3 VCC) )时，使时，使 TR = UIL1/3 VCC 而而TH = uC 0 V 1/3

16、 VCC ) )，因此，因此 uO 重新跃变重新跃变为低电平。为低电平。同时，放电管导通，同时，放电管导通，C 经经 V 迅速放电迅速放电 uC 0 V，放电完毕放电完毕后，电路返回稳态。后，电路返回稳态。第七章 脉冲信号的产生于变换 TW等于暂稳态的持续时间，持续时间取决于外接电阻等于暂稳态的持续时间，持续时间取决于外接电阻R和和电容电容C的大小。的大小。TW等于电容电压在充电过程中从等于电容电压在充电过程中从0上升到上升到2/3Vcc所需要的时间：所需要的时间： 通常通常的取值在几百欧姆到的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范围几兆欧姆之间，电容的取值范围为几百皮法到几百微法，为几百

17、皮法到几百微法，TW的的范围为几微秒到几分钟。但必须范围为几微秒到几分钟。但必须注意，随着注意，随着TW的宽度增加它的的宽度增加它的精度和稳定度也将下降。精度和稳定度也将下降。RCRCVccVVRCTccccw1 .13ln320ln )()()0()(lntxxxxt ccVx )( 4. 输出脉冲的宽度输出脉冲的宽度TW第七章 脉冲信号的产生于变换84763152uIuOUDD0.01 FCuCReRb2Rb1(a)uIuCuO(b)V图图 7 5 线性锯齿波电路线性锯齿波电路 tCCtCIdtiCu001 用恒流源代替用恒流源代替R即可组成现行锯齿波电路，图即可组成现行锯齿波电路，图7-

18、5(a)中晶体中晶体三极管三极管V及电阻及电阻Re、Rb1、Rb2组成恒流充电。电流两端电压随时组成恒流充电。电流两端电压随时间间线性增长线性增长其中，其中，I0为恒定电流为恒定电流。线性增长线性增长第七章 脉冲信号的产生于变换作业：作业：书书 P194 2第七章 脉冲信号的产生于变换Umtrtf Ttw 脉脉 冲冲 幅幅 度度 Um： 脉冲上升时间脉冲上升时间 tr：脉冲下降时间脉冲下降时间 tf：脉脉 冲冲 宽宽 度度 tw ：脉脉 冲冲 周周 期期 T ：脉脉 冲冲 频频 率率 f ： 占占 空空 比比 q ：脉冲电压变化的最大值脉冲电压变化的最大值 脉冲波形从脉冲波形从 0.1Um 上

19、升到上升到 0.9Um 所需的时间所需的时间 脉冲上升沿脉冲上升沿 0.5Um 到下降沿到下降沿 0.5Um 所需的时间所需的时间 脉冲波形从脉冲波形从 0.9Um 下降到下降到 0.1Um 所需的时间所需的时间 周期脉冲中相邻两个波形重复出现所需的时间周期脉冲中相邻两个波形重复出现所需的时间 1 秒内脉冲出现的次数秒内脉冲出现的次数 f = 1/T 脉冲宽度脉冲宽度 tw 与脉冲周期与脉冲周期 T 的比值的比值 q = tw/T 7.4 多多 谐谐 振振 荡荡 器器 第七章 脉冲信号的产生于变换即距形脉冲产生电路，由于距形脉冲中即距形脉冲产生电路，由于距形脉冲中含有丰富的谐波分量，故常称多谐

20、振荡器。含有丰富的谐波分量，故常称多谐振荡器。 ( (1) )不需输入信号。不需输入信号。( (2) )无稳定状态，只有两个无稳定状态，只有两个暂稳态暂稳态。 一、多谐振荡器的工作特点与逻辑符号一、多谐振荡器的工作特点与逻辑符号 通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。 GuO工作特点工作特点第七章 脉冲信号的产生于变换二、用二、用 555 定时器组成多谐振荡器定时器组成多谐振荡器 ( (一一) )电路结构电路结构 THTRRSD第七章 脉冲信号的产生于变换U

21、SSUDDROUTCO555THTRDUDD0.01 FR1CuOuC- -+R2DUDDR1THTRUSSUDDRCO0.01 FOUTuOCuC- -+R2第七章 脉冲信号的产生于变换( (二二) )工作原理、工作波形与周期估算工作原理、工作波形与周期估算 uCOtOuOtUOLUOHT1T2CC32VCC31V 充电充电UOHTH = TR = uC 很小很小接通接通 VCC 后后，开始时，开始时 TH = TR = uC 0 0，uO 为高电平，为高电平，放电管截止，放电管截止，VCC 经经 R1、R2 向向 C 充电，充电，uC 上升上升，这时，这时电电路路处于暂稳态处于暂稳态。 工

22、作原理工作原理 第七章 脉冲信号的产生于变换( (二二) )工作原理、工作波形与周期估算工作原理、工作波形与周期估算 uCOtOuOtUOLUOHT1T2CC32VCC31V UOLTH = TR 2/3 VCC当当 uC 上升到上升到 TH = TR = uC 2/3 VCC 时，时，uO 跃变为低电平，跃变为低电平，同时放电管同时放电管 V 导通，导通，C 经经 R2 和和 V 放电，放电，uC 下降下降，电路进入电路进入暂稳态暂稳态 。工作原理工作原理 接通接通 VCC 后后，开始时，开始时 TH = TR = uC 0，uO 为高电平，为高电平，放电管截止，放电管截止，VCC经经 R1

23、、R2 向向 C 充电，充电，uC 上升上升，这时，这时电电路路处于暂稳态处于暂稳态。 放电放电第七章 脉冲信号的产生于变换当当 uC 下降到下降到 TH = TR = uC 1/3 VCC 时，时， uO 重新跃变为高电平重新跃变为高电平，同时，同时放电管放电管 V 截止，截止，C 又被又被充电，充电，uC 上升上升，电路又电路又返回到暂稳态返回到暂稳态。( (二二) )工作原理、工作波形与周期估算工作原理、工作波形与周期估算uCOtOuOtUOLUOHT1T2CC32VCC31V TH=TR1/3VCC工作原理工作原理 当当 uC 上升到上升到 TH = TR = uC 2/3 VCC时，

24、时，uO 跃变为低电平，跃变为低电平，同时放电管同时放电管 V 导通，导通，C 经经 R2 和和 V 放电，放电，uC 下降下降，电路进入电路进入暂稳态暂稳态 。接通接通 VCC 后后，开始时，开始时 TH = TR = uC 0 0，uO 为高电平，为高电平，放电管截止，放电管截止，VCC 经经 R1、R2 向向 C 充电，充电，uC 上升上升，这时，这时电电路路处于暂稳态处于暂稳态。 第七章 脉冲信号的产生于变换( (二二) )工作原理、工作波形与周期估算工作原理、工作波形与周期估算 电容电容 C 如此循环充电和放电，如此循环充电和放电，使电路产生振荡，输出矩形脉冲。使电路产生振荡，输出矩

25、形脉冲。uCOtOuOtUOLUOHT1T2CC32VCC31V 周期与占空比估算周期与占空比估算T1 0.7 (R1 + R2)C T2 0.7 R2CT = T1 + T2 0.7 (R1 + 2R2)C212112RRRRTTqCRRTf)2(7 . 01121第七章 脉冲信号的产生于变换占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器 t充充 0.7 R1 C t放放 0.7 R2CT = t充充 + t放放 0.7 (R1 + R2)C211 RRRTtq充第七章 脉冲信号的产生于变换温度报警电路温度报警电路 三、应用举例三、应用举例第七章 脉冲信号的产生于变换模拟声响电路模拟声响电路 第七章 脉冲信号的产生于变换UOLUOH一、施密特触发器的特性和逻辑符号一、施密特触发器的特性和逻辑符号 UT = UT