脉冲波形的产生与变换

脉冲波形的产生与变换第1页，共32页，2023年，2月20日，星期四6.1概述含有惰性元件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而形成的。第2页，共32页，2023年，2月20日，星期四用控制开关位置及时间常数RC的方法，可得到不同的脉冲波形。如下图（a）所示，当时间常数RC远小于开关转换时间TS时，便组成微分电路，在电阻上可获得窄脉冲输出。图(b)组成积分电路，当RC<<TS时。在电容上可得矩形波；而当RC>>TS时，在电容上又可得线性扫描的波形。（a）（b）第3页，共32页，2023年，2月20日，星期四脉冲形成电路的组成应有两大部分：惰性电路和开关。开关是用来破坏稳态，使惰性电路产生暂态的。开关可用不同的电子器件来完成，如可用运算放大器，分立器件晶体三极管或场效应管，也可以用逻辑门。目前用得较多的是555定时电路。第4页，共32页，2023年，2月20日，星期四惰性电路产生的暂态过程，对一阶问题而言，可用三要素法来描述，获得电压或电流随时间变化的方程第5页，共32页，2023年，2月20日，星期四6.2555定时电路6.2.1基本组成555集成电路主要由3个5kΩ电阻组成的分压器、两个高精度电压比较器A和B、一个基本RS触发器、一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成。

第6页，共32页，2023年，2月20日，星期四1．分压器

分压器由3个5kΩ电阻R组成，它为两个电压比较器提供基准电平。2．比较器

比较器A、B是两个结构完全相同的高精度电压比较器。3．基本RS触发器

RS触发器由两个或非门组成，它的状态由两个比较器输出控制，根据基本RS触发器的工作原理，就可以决定触发器输出端的状态。4．开关放电管和输出缓冲级放电管V是N沟道增强型的MOS管，其控制栅为0电平时截止，为1电平时导通。两级反相器构成输出缓冲级，反相器的设计考虑了有较大的电流驱动能力，一般可驱动两个TTL门电路。同时，输出级还起隔离负载对定时器影响的作用。第7页，共32页，2023年，2月20日，星期四6.2.2工作原理及特点THROUTDXX低（L）低（L）接通>2/3UDD>1/3UDD高（H）低（L）接通<2/3UDD>1/3UDD高（H）低（L）原状态X<1/3UDD高（H）高（H）关断第8页，共32页，2023年，2月20日，星期四6.3单稳态电路6.3.1由CC7555构成的电路

单稳态触发器只有一个稳定状态和一个暂稳态，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。我们通常把TW称为脉冲宽度。图6-3CC7555构成的单稳态触发器第9页，共32页，2023年，2月20日，星期四6.3.2工作原理静止期：触发信号处于高电平，电路处于稳态，根据555工作原理可知为低电平，放电管V导通，定时电容C两端电压为0。工作期：外界触发信号加进来，要求为负脉冲且低电平应小于，比较器输出UB为高电平，UA为低电平，使为高电平，且放电管截止，电源通过定时电阻R对定时电容充电，这是一个暂态问题，只要写出三要素即可。三要素如下：

第10页，共32页，2023年，2月20日，星期四为了使电路能正常工作，要求外加触发脉冲的宽度TIW<TW，且负脉冲的数值一定要低。为此，常在输入信号和触发电路之间加一微分电路，如图6-4所示。第11页，共32页，2023年，2月20日，星期四恢复期：TR由下式决定：

TR=(3～5)rd·C

其中rd为放电管导通时呈现的电阻。一般R>>rd，所以恢复期很短。图6-4具有微分环节的单稳态触发器第12页，共32页，2023年，2月20日，星期四6.3.3由门电路构成的单稳态电路1.微分型单稳电路(1)电路组成

门1、门2是CMOS或非门，R、C组成微分延时环节。第13页，共32页，2023年，2月20日，星期四

稳态时，门1输出高电平，门2输出低电平，vi1=vi＝0，v01＝VDD、vi2＝VDD、vO2＝0。当vi由0上升到VTH

(CMOS或非门的开启电压)时，将引起下列正反馈过程使电路快速翻转到门1输出低电平时，门2输出高电平的暂稳状态。随之VDD通过R及门1的输出电阻(驱动管导通电阻)对电容C充电，vi2逐渐升高，当vi2上升到VTH时，又会产生下列反馈过程(假设此时vi已回到低电平)(2)工作原理第14页，共32页，2023年，2月20日，星期四TW估算公式如下：

典型情况下第15页，共32页，2023年，2月20日，星期四2.积分型单稳态电路(1)电路组成门1、门2是COMS或非门，R、C构成积分型延时环节。第16页，共32页，2023年，2月20日，星期四(2)工作原理稳态时门1、门2输出低电平。vi=1、vO1=0、vi2=0、vO=0。当vi负跳变到0时，vO1随之跳变到高电平，但由于电容上电压不能突变，vi2仍为0，故门2也截止，vO正跳变到高电平VDD，进入暂态；此时，电容通过R0(门1的输出电阻)和R充电，vi2逐渐上升，当上升到VT时，门2导通，vO变成低电平，回到稳态；当vi回到高电平后，门1导通，电容放电，电路保持稳状态不变。第17页，共32页，2023年，2月20日，星期四

脉冲宽度TW的估算公式和微分型电路相同，但这种电路要求输入信号vi的脉冲宽度大于输出脉冲vO

的宽度TW

，否则就成了反相器。第18页，共32页，2023年，2月20日，星期四6.4多谐振荡器多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源后，不需要外加触发信号，电路状态能够自动地不断变换，产生矩形波的输出。由于矩形波中的谐波分量很多，因此这种振荡器冠以“多谐”二字。第19页，共32页，2023年，2月20日，星期四脉冲周期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Um：脉冲电压的最大变化幅度。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tr：脉冲前沿从0．1Um上升到0．9Um所需的时间。下降时间tf：脉冲后沿从0．9Um下降到0．1Um所需的时间。第20页，共32页，2023年，2月20日，星期四6.4.1电路组成图(a)是用CC7555构成的多谐振荡器。除将A的高电平触发端TH和B的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均是定时元件。图(b)为工作波形。第21页，共32页，2023年，2月20日，星期四6.4.2工作原理

自由多谐振荡器不具有稳态，只具有两个暂稳态，暂稳态的时间长短由电路的定时元件确定，电路工作就在两个暂稳态之间来回转换。其具体工作过程如下：第一暂稳态期第二暂稳态期第22页，共32页，2023年，2月20日，星期四该电路的振荡周期计算如下：第23页，共32页，2023年，2月20日，星期四在实际中常常需要调节T1和T2。于是引进了占空比D的概念。图6-11占空比可调振荡器第24页，共32页，2023年，2月20日，星期四6.4.3与非门对称多谐振荡器（1）电路组成当与非门工作在转折区时，对输入信号有很强的放大作用，因此，只要把静态时工作在转折区的两个与非门用电容耦合起来，就可以组成多谐振荡器。图中vK是控制端，当vK为高电平时，振荡器振荡；vK为低电平时，振荡器停止振荡。第25页，共32页，2023年，2月20日，星期四（2）工作原理假定接通电源后，门Ⅰ、门Ⅱ都工作在转折区，那么只要有一点小的干扰，就会引起振荡。例如，由于某种原因使vI1增加了一点点，就会引起下列正反馈过程从而使门Ⅰ迅速饱和导通，门Ⅱ迅速截止，电路进入一个暂稳态。同时，电容C1开始充电，C2开始放电。由于C1同时通过R1和RF2两个支路充电，充电速度很快，所以vI2首先升高到阈值电压VT,从而引起下列正反馈过程­¯®¯®­®vvvv1OI12O2I第26页，共32页，2023年，2月20日，星期四因而门Ⅰ迅速截止，门Ⅱ迅速导通，电路进入另一个暂稳状态。这时电容C2，C1放电。根据同样的理由，C2充电较快，所以vI1较快地升高到阈值电压VT,并引起下次正反馈过程，使电路重新回到门Ⅰ导通、门Ⅱ截止的暂稳态。因此，电路将不停地振荡。据此，可画出振荡器各点电压的近似波形，如右图所示。第27页，共32页，2023年，2月20日，星期四振荡器周期的计算：假设C1=C2=C，RO<<RF1=RF2=RF<<Ri，可估算得振荡周期如果取VOH=3.4V、VOL=0.2V，VT=1.1V代入上式，则可得第28页，共32页，2023年，2月20日，星期四6.4.4石英晶体多谐振荡器在对称多谐振荡器的C1支路串联一个石英晶体就构成石英晶体多谐振荡器，其振荡频率为石英晶体的固有频率，具有很高的频率稳定性。第29页，共32页，2023年，2月20日，星期四6.5施密特电路施密特电路具有两个稳定状态，其最主要的应用是，将变化缓慢的输入波形，整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲。由于该电路具有滞回特性，因此抗干扰能力较强。

6.5.1电路组成将555时基电路2、6端连接，即构成施密特电路。电压传输特性如图（c）。第30页，共32页，2023年，2月20日，星期四6.5.2工作原理回差电压

回差电压可通过改变5管脚电压达到。一般来讲，5管脚电压越高，回差电压△UT越大，抗干扰能力越强，但是降低了触发灵敏度。6.5.3