第八章脉冲波形的产生与变换

会计学1第八章脉冲波形的产生与变换8.1概述数字系统中的脉冲信号通常由以下几种形式获得：⑴由信号发生器直接产生；⑵由传感器变换来的电信号经过整形或变换而得。脉冲波形产生与变换电路的组成

产生脉冲信号的电路主要由三部分组成。开关元件：正反馈电路：延迟电路：开关元件保证电路能输出高、低两种电平。

作用是当电路处于相对稳定状态时由它维持着这一稳定状态；当电路状态发生转变时，又能促进其状态的改变。

作用是控制电路从一个状态转换到另一个状态时所需的时间，通常延迟电路的输出又是促使电路状态发生转变的外界因素。第1页/共27页RC延迟电路由电路理论可知，对于一阶电路而言，用三要素法即可进行电路的暂态分析,其公式为

f(t)=f(∞)+[f(0+)-f(∞)]e-t/τ(8.1.1)式中f(0+)为初始值，f(∞)为正常情况下应达到的最终值，τ为时间常数。通常f(t)还未到达f(∞)时电路状态就已经发生改变，因此，常利用f(t)反过来求解状态转换所需时间，其公式为(8.1.2)第2页/共27页二.555定时器

555定时器是目前在信号产生和变换电路中应用得非常广泛的一种中规模集成电路。

电路结构原理它由分压器三个5KΩ电阻、两个比较器C1和C2、基本RS触发器以及输出缓冲级G2和开关放电管T组成。UCC第3页/共27页⒈分压器分压器上的两个分压点a和b的电平由电源UCC和电压控制端共同控制，为比较器提供基准电平。当⑤脚悬空时，Ua=2UCC/3，Ua=UCC/3

。如果改变⑤脚的输入，则可改变a、b的基准电平。⒉比较器及基本RS触发器比较器C1的反相输入端和C2的同相输入端分别作为高触发端TH和低触发端TL与外电路相连，输出与RS触发器相连。设⑤脚悬空。当TH的电平U6＞Ua，TL的电平U2＞Ub时，比较器C1端输出为低电平，比较器C2输出为高电平，基本RS触发器输出状态为10；当TH的电平U6＜Ua，TL的电平U2＜Ub时，比较器C1端输出为高电平，比较器C2输出为低电平，向基本RS触发器输出状态为1；当TH的电平U6＜Ua，TL的电平U2＞Ub时，比较器C1端和比较器C2输出均为高电平，基本RS触发器状态不变。第4页/共27页⒊输出缓冲级和放电管输出状态uo由RS触发器的输出端C点电平高低决定。而当复位端为低电平时，不管C点状态如何，输出uo均为低电平UOL。正常工作时应将复位端接高电平。由G2构成的缓冲级主要使电路有较大的输出电流。此外，缓冲级的存在还可以隔离负载对555定时器的影响。放电管T的状态由G1的状态控制，当G1输出高电平时T导通，当G1输出低电平时T截止，放电管的输出端通常外接延迟元件，用以控制暂态的维持时间。输入输出高触发端TH低触发端TL复位（RD）输出（uo）放电管T××00导通＞2UCC/3＞UCC/310导通＜2UCC/3＜UCC/311截止＜2UCC/3＞UCC/31不变不变第5页/共27页8.2多谐振荡器

多谐振荡器又称无稳态触发器。它没有稳定的输出状态，而只有两个暂稳态。当电路接通电源后就进入处于某一暂稳态，经过一段时间电路可以自动地触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列方波。因此，多谐振荡器又称为方波发生器。构成多谐振荡器主要器件有与非门组成、555定时器或石英晶体第6页/共27页一.由与非门组成的多谐振荡器

设与非门的开门电平与关门电平相等，均记为Uth。⒈从第一暂稳态自动翻转到第二暂稳态的过程设电路在t=0接入电源时uo为低电平UOL→G1输出uo1为高电平UOH→uo2为低电平UOL。由于此时电容器C两端的电压为0，故ui3也为高电平UOH→输出uo仍为UOL（R2值很小），电路进入第一暂稳态。CG1G2uO1R11G311uO2uOui3R2UOLUOHUOL+-iUOH以后，高电平uo1通过电阻R1对电容C正向充电→ui3↓，当其下降到与非门的关门电平Uth时→G3关闭→uo=UOH→uo1=UOL→uo2=UOH，电路进入第二稳态。跃变前瞬间电容器C两端的电压uC=UOH-Uth>0。UthUOHUOLUOH第7页/共27页CG1G2uO1R11G311uO2uOui3R2UthUOHUOLUOH⒉从第二暂稳态自动翻转到第一暂稳态的过程

由于电容器两端的电压不能突变，当uo1（C的左端）从高电平UOH跃变到低电平UOL时，则ui3（C的右端）的电平从Uth跃变成Uth-(UOH-UOL)=Uth+UOL-UOH,此电平可保证输出uO维持在高电平UOH上。进入第二暂稳态以后，高电平uo2通过电阻R1对电容C反向充电→ui3↑=开门电平Uth→uo↓=UOL→uo1↑=UOH、uo2↓=UOL，电路返回第一暂稳态。返回前瞬间电容器两端的电压uC=UOL-Uth<0

UOLUOHUOL+-iUth以后过程周而复始，电路将不停地改变输出状态，输出一系列方波。第8页/共27页由与非门构成的多谐振荡器工作波形图

两个暂稳态的相互转换通过R1C的正、反向充电来实现，而ui3的电平对输出状态的改变起着决定作用。第一暂稳态维持时间和第二暂稳态维持时间的长短分别取决于ui3的电平由Uth+UOH-UOL下降至Uth和由Uth+UOL-UOH上升到Uth所需要的时间。UthUOLUOHuOui30ttUth+UOH-UOL0UOHUth+UOL-UOH第9页/共27页二.石英晶体时钟脉冲发生器石英晶体片由于具有非常稳定的频率特性而广泛地应用在对频率要求很高的场合中。

⒈石英晶体片的简介

石英晶体为各向异性的SiO2结晶体，存在压电效应现象。在石英晶体片的两极加交流电压时，晶片将产生机械变形振动；同时这一机械振动又产生交变电场。，当外加交变电压的频率与晶体固有机械谐振频率f0相等时，机械振动的幅值就急剧增加，而机械振动的幅值的急剧增加又反过来产生很大的交变电场，这样就可在石英晶片两端得到一个振幅较大的交变电压并能维持在一定的幅度上，这种现象称为压电谐振。从电的角度上看，可用RLC串联电路来模拟石英晶片，产生压电谐振时，相当于产生串联谐振，此时石英晶片相当一个纯电阻R0，阻值较小。电路图中的石英晶片就可用一个电阻元件代替。石英晶片的图形符号为：

第10页/共27页⒉石英晶体时钟脉冲发生器⑴从第一暂稳态自动翻转到第二暂稳态的过程

C1和C2同时充电，C2↑=Uth，uO=UOL

。

C1G1R11KΩ1uOG21AC20.001μFR21KΩC30.005μF8MHzC1R1uOAC2R2C310+-+-C1R1uOAC2R2C301++--+-⑵从第二暂稳态自动翻转到第一暂稳态的过程C1R1uOAC2R2C310+-+-+-0110C1和C2放电，C3反充电，C2↓=Uth，uO=UOH

。

C1、C2充电，C3放电，C2↑=Uth，uO=UOL

。

脉冲频率仅取决于石英晶体固有频率与电路其它参数无关。第11页/共27页

三.

由555定时器组成的多谐振荡器当uC＞2UCC/3时，C1输出为UOL，RS触发器置0；当uC＜UCC/3时，C2输出为UOL

，RS触发器置1；当2UCC/3

＞uC＞UCC/3时，C1和C2输出均为UOH

，触发器状态不变。⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻＆＆＆5KΩ5KΩ5KΩabTRRSCG1G2uO+-C1C2+-1R1R2D1D2CuC+-+UCC+UCC第12页/共27页⒈工作原理合上电源后，UCC通过R1、D1对电容C充电，当uC↑＞2UCC/3时，比较器C1输出端变成UOL，触发器置0，电路输出UOL，进入第一暂稳态。同时，与非门G1输出UOH，使得放电管T导通，电容C经过D2、R2和T放电，uC↓→uC＜UCC/3时，比较器C2的输出由UOH→UOL

，触发器置1，输出由UOL→UOH，电路进入第二暂稳态。电路进入第二暂稳态后，G1门输出UOL

，T管截止，电容器放电终止，电源UCC又通过R1、D1向C充电。以后过程周而复始，两个暂稳态自动交换，输出一系列方波。第13页/共27页工作波形UOLUOHuOuctt0T1T231UCC32UCC（a）（b）第14页/共27页⒉振荡周期的计算

多谐振荡器输出维持高电平的时间T1即为uc从UCC/3充电到2UCC/3所需的时间，此暂态过程中，时间常数τ=R1C，初始值uc(0+)=UCC/3

，最终值uc(∞)=UCC，uc(T1)=2UCC/3，由式（8.1.2）得T1=R1Cln2≈0.7R1C(8.2.1)多谐振荡器输出维持低电平时间T2的暂态过程为：时间常数τ=R2C，初始值uc(0+)=2UCC/3

，最终值uc(∞)=0。当uc=UCC/3，维持低电平时间T2为T1=R1Cln2≈0.7R1C(8.2.1)第15页/共27页⒉振荡周期的计算

输出方波的周期T=T1+T2≈0.7(R1+R2)C(8.2.3)振荡频率为(8.2.4)输出波形的占空比（即输出高电平的时间在整个周期中占的比例）为(8.2.5)当R1=R2=R时，T1=T2≈0.7RC，T=2T1≈1.4RC振荡频率为第16页/共27页⒊占空比可调的多谐振荡器在原电路中的两个电阻R1和R2之间加一个电位器，便构成了占空比可调的多谐振荡器。⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻＆＆＆5KΩ5KΩ5KΩabTRRSCG1G2+-C1C2+-1R1R3D1D2CuC+-+UCC+UCCR2RARB{{输出波形的占空比为第17页/共27页8.3

单稳态触发器⒈合上电源电路进入稳定状态ui一般情况下为UOL

，ui

＞2U/3，C2输出UOH

。合上电源后，UCC通过R对C充电，uC＜2UCC/3时，C1输出UOH，uC=2UCC/3时，C1输出UOL，RS触发器置0→G1输出⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻＆＆＆5KΩ5KΩ5KΩabTRRSCG1G2uO+-C1C2+-1RCuC+-+UCC+UCCTHuiTLUOH→T饱和导通→C经T管放电→uC↓＜2UCC/3时，C1输出UOH，触发器保持0态，uC↓至T管的饱和电压，单稳态触发器处于稳定0状态。第18页/共27页8.3

单稳态触发器⒉输入负脉冲电路进入暂稳态当输入负脉冲ui

＜2UCC/3时→C2输出0，RS触发器置1，电路输出1，进入暂稳态。负脉冲过后，C2输出转为1，电路保持一段时间的暂稳态不变。⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻＆＆＆5KΩ5KΩ5KΩabTRRSCG1G2uO+-C1C2+-1RCuC+-+UCC+UCCTHuiTL⒊电路自动返回到稳态电路输出1→G1输出0→T立即截止→UCC又对C充电，当uC=2UCC/3→C1输出0→RS触发器置0→电路输出0，返回稳态，直到输入下一个负脉冲。第19页/共27页=ln3·RC≈1.1RC(8.3.2)8.3

单稳态触发器⒋电容器两端电压恢复过程当u0=1→0，G1输出1，T饱和导通→C经T管放电。从C放电开始到其两端的电压降到T管的饱和电压所需的时间即为恢复时间TR，因τ很小，TR≈0。⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻＆＆＆5KΩ5KΩ5KΩabTRRSCG1G2uO+-C1C2+-1RCuC+-+UCC+UCCTHuiTL⒌暂稳态维持时间uC从0充电到2UCC/3所需的时间TP

。TP=RC第20页/共27页单稳态触发器的工作波形

改变R和C的数值可达到调节TP的目的。为保证单稳态触发器的每一个输入负脉冲都能起到触发作用，触发时ui的电平应小于UCC/3，且宽度小于暂稳态的维持时间TP。重复周期T必须大于暂稳态的维持时间TP和电容器C的电压放电恢复时间TR之和。由于恢复时间很短，故重复周期T只要略大于暂态维持时间即可。ui0tuC0tUOLUOHuO0tTPTUCC23第21页/共27页⒍单稳态触发器的应用单稳态触发器除了对脉冲进行整形，把不规则的脉冲变换成宽度、幅值为给定值的脉冲外，还可以起定时作用。即改变R、C参数，从而调节暂态维持时间的长短。如利用单稳态输出脉冲宽度TP可将输入信号的下降沿延时TP。利用单稳输出控制与门输入端，那么在TP时间与门工作，UB的信号可以通过，实现脉冲的定时选通。第22页/共27页8.4施密特触发器

施密特触发器是一种双稳态触发器，属于电平触发，当输入信号达到某一定电平值时，输出电平会发生跃变。由555工作原理可知，当⑥端的电平＞Ua=2UCC/3电平时，C1输出0（负脉冲），基本RS触发器置0，电路输出为0，而当②端的电平＜