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文档简介
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
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