第七章 脉冲波形的产生与整形

第七章脉冲波形的产生与整形第1页，课件共53页，创作于2023年2月

数字电路区别于模拟电路的主要特点之一是：它的工作信号是离散的脉冲信号。最常用的脉冲信号是方波(矩形波)。如何产生方波以及对不理想的方波如何整形，是本章讨论的重点。第2页，课件共53页，创作于2023年2月脉冲电路分类：脉冲电路作用：脉冲波形的产生和整形。脉冲电路构成：开关电路+RC电路破坏电路的稳态，产生暂态。控制暂稳态时间的长短。脉冲电路与数字电路的比较：单稳态电路（单稳态触发器）多谐振荡（无稳态）电路施密特电路（施密特触发器）★数字电路的信号波形也是一种脉冲波形。★脉冲电路侧重波形，数字电路侧重逻辑关系。第3页，课件共53页，创作于2023年2月电容充放电知识复习：(1)电容两端的电压不能突变，Vc（0＋）＝Vc（0－），电容充放电需要时间，有过渡过程，其时间长短只与τ＝RC有关,工程上取3τ；（2）开始充放电（换路）瞬间，阻抗很小，相当短路；充放电结束，电路处于稳态，C支路电流为0，阻抗很大，相当开路；（3）简单RC电路中，各处电压、电流均按指数规律变化；（4）在简单RC电路中)(tvC＋=)(vC

∞-)(vC∞)0(vC+［］eτt)()()0()(lntvvvvτtCCCC-

-∞=+∞或第4页，课件共53页，创作于2023年2月本章讲授§1

555定时器的原理和应用学习要求第5页，课件共53页，创作于2023年2月§1555定时器的原理和应用

555定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。它使用方便,带负载能力较强,目前得到了非常广泛的应用。单定时器双极型——最后3位数555单极型——最后4位数7555双定时器双极型——最后3位数556单极型——最后4位数7556型号：第6页，课件共53页，创作于2023年2月一、555定时器的电路结构和基本功能

555定时器的内部电路包括以下几部分:①两个电压比较器:C1、C2;②一个基本RS触发器;③一个晶体管T；④由三个相等电阻组成的分压器;⑤一个反相器等。1.电路结构第7页，课件共53页，创作于2023年2月由三个相等电阻组成的分压器一个基本RS触发器一个晶体管T一个反相器两个电压比较器:C1、C2vo++--84562713＆＆1RRRRbDQQ+VccRDC1C2T第8页，课件共53页，创作于2023年2月触发输入端阈值输入端电压控制端复位端低电平有效放电端4.5～18V输出端地vo++--84562713＆＆1RRRRbDQQ+VccRDC1C2T第9页，课件共53页，创作于2023年2月电源电压范围:4.5V~18V555定时器的管脚图12345678555VCCDTHCOGNDTRVoRD电源放电阈值电控压制地触发输出复位第10页，课件共53页，创作于2023年2月2.基本功能vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2T

三个电阻构成的分压器给两个比较器提供基准电压:分别为和。第11页，课件共53页，创作于2023年2月vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2T001第12页，课件共53页，创作于2023年2月vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2T＞2/3VCC＞1/3VCC00011第13页，课件共53页，创作于2023年2月vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2T＜2VCC/3＞VCC/311010第14页，课件共53页，创作于2023年2月＜2VCC/3<VCC/310110×vo++--84562713＆＆1RRRRbTHCOTRDQQ+VccRDC1C2T第15页，课件共53页，创作于2023年2月2VCC/3VCC

/3大于小于保持保持1大于2VCC/3VCC/3大于10导通00导通2VCC

/3VCC

/3小于小于11截止阈值端触发端THTRRD晶体管Tvo综合以上的分析结果,便可得到555的功能表:第16页，课件共53页，创作于2023年2月555定时器应用范围非常广泛，可构成多种电路形式，但最基本的电路为：单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器。其它电路基本是这3种电路的变形。二、555定时器的基本应用1.单稳态触发器2.多谐振荡器3.施密特触发器第17页，课件共53页，创作于2023年2月⒈单稳态触发器单稳态触发器的特点①电路有一个稳态和一个暂稳态。②在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。③暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数（主要为RC参数）。稳定状态稳定状态暂稳态由外界触发自动返回学习的重点:为什么会自动返回?需多少时间?第18页，课件共53页，创作于2023年2月RC⑴电路：外接RC+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2vITb⒈单稳态触发器第19页，课件共53页，创作于2023年2月+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvI⑵工作原理：VTHVCbTV6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0导通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止Vo＝0，T导通，Vc＝0，C1＝C2＝1电路处于稳定状态。★上电过程（VI＝1，C2＝1）①假设Vo＝0第20页，课件共53页，创作于2023年2月+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvI⑵工作原理：VTHVCbTV6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0导通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止T截止，C充电，Vc上升。充电到2VCC/3时:→比较器C1=0，将触发器置0，→Vo＝0。→T导通,C放电,

Vc≈0→比较器C1=C2=1,

→电路状态不变。→电路进入稳态。结论：上电后输出处于稳定状态，Vo＝0，T导通，Vc＝0。上电过程（VI＝1，C2＝1）②假设Vo＝1第21页，课件共53页，创作于2023年2月+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvI⑵工作原理（续1）：可以在5脚外接控制电压，以改变放电阀值。VTHVCbTT截止时，对C充电，电路进入暂态，直到Vc>2/3VCC。充电时间决定于RC的大小。V6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0导通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止触发:VI＝0→Vo＝1，→T截止。★触发翻转（VI＝0，C2＝0）结论：Vi＝0触发后，电路进入暂态，Vo＝1，T截止，Vc→逐渐上升。第22页，课件共53页，创作于2023年2月+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvIT导通时，C放电。⑵工作原理（续2）：VTHVCbTVC>2/3VCC时，Vo＝0，T导通，C放电。V6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0导通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止VI＝1★自动返回（VI＝1，C2＝1）结论：Vc充电到2/3VCC后，电路返回到Vo＝0，T导通，Vc开始放电。第23页，课件共53页，创作于2023年2月+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvIT导通，C放电。⑵工作原理（续2）：VTHVCbTV6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0导通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止VI＝1★恢复过程（VI＝1，C2＝1）结论：当电容C放电到Vc＝0是恢复过程。第24页，课件共53页，创作于2023年2月2/3VCCtvi00vCt0vot①上电后进入稳态（VI＝1，Vc=0，Vo=0）vIvOVCCRCvC0.01uF12348765V6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0导通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止工作波形：第25页，课件共53页，创作于2023年2月2/3VCCvIvOVCCRCvC0.01uF12348765

②外触发:ViVi＜1/3VCC，→比较器C2＝0，触发器置1，→Vo＝1→T截止，C充电→电路进入暂稳态。tvi00vCt0votV6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0导通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止=V2=V6第26页，课件共53页，创作于2023年2月T截止，C充电，当vc上升到2/3VCC时:→比较器C1=0，触发器置0，→Vo＝0→T导通，C放电,vc≈0电路→电路返回稳态。vIvOVCCRCvC0.01uF12348765V6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0导通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止2/3VCCtvi00vCt0vot

③自动返回（VI＝1）:第27页，课件共53页，创作于2023年2月由以上过程可以看出:每来一次负脉冲,vo便输出一个正脉冲,其宽度tW

由RC决定。vIvOVCCRCvC0.01uF123487652/3VCCtvi00vC0votttW第28页，课件共53页，创作于2023年2月

⑶输出脉冲宽度twtw是Vc从0指数上升到2VCC/3时所需的时间注意:tw宽度的增加，将降低定时精度和稳度。

tw的范围为几秒到几分钟。2/3VCCtvi00vC0votttWtw＝1.1RC第29页，课件共53页，创作于2023年2月⑸单稳态触发器的应用一般用于定时（产生一定宽度的矩形波）整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）延时（把输入信号延迟一定时间后输出）第30页，课件共53页，创作于2023年2月1)定时3)整形单稳态微分限幅twtwtwacbd2)延时第31页，课件共53页，创作于2023年2月2/3VccvCvI(S)vO在充电过程中（C1=1）,如VI再次触发,C2=1→0,Q仍保持为1，电路状态不变（T截止，C保持充电状态）。多次触发时的情况：故该电路为不可重复触发型单稳态触发器：vIvOVCCRCvC0.01uF12348765第32页，课件共53页，创作于2023年2月①电路图：⑷可重复触发的单稳态触发器+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvITbT1第33页，课件共53页，创作于2023年2月⑷可重复触发的单稳态触发器（续）+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvITbT1②工作过程b.触发时:a.稳态时:VI=1,T1截止,电路状态同普通单稳。VI=0，电路触发翻转，Vo＝1VI=0期间,T1导通,电容不能充电。VI=1后，T1截止,电容开始充电。第34页，课件共53页，创作于2023年2月⑷可重复触发的单稳态触发器（续）+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2RCvITbT1②工作过程（续）c.重复触发时:当Vc<2/3VCC(电路仍处暂态)时，若VI又进行触发(VI=0),则C通过T1放电,电路将维持在暂态,直到在tW时间内没有新的触发,电路回到稳态。a.稳态时:b.触发时:VI=1,T1截止,电路状态同普通单稳。电路翻转。第35页，课件共53页，创作于2023年2月vI③可重复触发的单稳态触发器的波形图：vCvOVTHVCC失落脉冲检测仪触发过程：c.VI=1

→电容开始充电e.重复触发：电容充电过程中VI=0,电容放电，VI=1后，再次充电→→实现可重复触发。a.

VI=1,稳态→VO=0tWtWb.

VI=0,触发→VO=1

→进入暂态，C不能充电。d.VC>2/3Vcc→Q=0,→VO=0,恢复稳态，

→T导通,电容放电第36页，课件共53页，创作于2023年2月⒉555定时器做多谐振荡器多谐振荡器的特点：（1）不需外触发的自激振荡器；（2）无稳定状态，均为暂稳态；（3）矩形波中含有丰富的高次谐波，习惯称多谐振荡器。第37页，课件共53页，创作于2023年2月外接R1,R2,C⑴电路：+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRbQQC1C2TR1CR2V6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0导通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止第38页，课件共53页，创作于2023年2月vOVCCR1CvC0.01uF12348765R2

①Vcc通过R1、R2向C充电,在

VC没有充电到2VCC/3之前,Vo

保持

1不变。②

当VC＝2VCC/3时→Vo由1翻转为

0。→T导通→电容C经R2、T放电。vC0t0tvoVCC/32VCC/3t1t2t3③当Vc降至VCC

/3时，使得→Vo回到1

→T截止

→电容C再充电，进入循环...⑵原理第39页，课件共53页，创作于2023年2月VCC/32VCC/3所需的时间：3/1VCC3/2ln2VCRtCCw2=≈0.7R2C第一个暂稳态的脉冲宽度tw1，Vc从VCC/3充电上升到2VCC/3所需的时间：第二个暂稳态的脉冲宽度tw2，Vc从2VCC/3放电下降到VCC/33/23/1ln)(21VVVVCRRtCCCCCCCCw1--+=≈0.7(R+R)C21vOtW2tW1vc)()()0()(lntvvvvτtCCCC-

-∞=+∞第40页，课件共53页，创作于2023年2月占空比：q=tw1/T=(R2+R1)/(2R2+R1)频率：f＝≈1.43/1TR1＋2R2)C(振荡周期：T＝tw1＋tw2≈0.7(R1＋2R2)C第41页，课件共53页，创作于2023年2月电路特点：充放电电路各自独立。充电回路：tw1=RACln2放电回路：tw2=RBCln2占空比：q=tw1/(tw1+tw2)=RA/(RA+RB)

通过调节R2来调节占空比vOVCCR1C0.01uF12348765R2R3RARB⑶占空比可调多谐振荡器:第42页，课件共53页，创作于2023年2月⒊555定时器做施密特触发器施密特触发器的特点：（1）双稳态触发器，有两个稳定的状态；（2）电平触发——电压达到某个值时电路状态翻转；（3）具有滞后电压传输特性——回差特性（两次翻转输入电平不同）；第43页，课件共53页，创作于2023年2月

⑴电路：2，6端连在一起作为信号输入端+VccRDvo++--84562713＆＆＆RRRRQQC1C2vIVcc1

vo1VI<1/3VCC时，C1＝1，C2＝0，VO=1VI>2/3VCC时，C1＝0，C2＝1，VO=0构成集电极开路型输出端。第44页，课件共53页，创作于2023年2月Rvi8467

5553251vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压调节回差vivott00UT+UT－2VCC/3VCC/3⑵工作原理：（a）当Vi＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q＝1、0=Q，。升高时，在未到达2Vcc/3以前，的状态不会改变。VO＝1ViVO＝1V6=VTHV2=VTRVoT>2/3VCC>1/3VCC0导通<2/3VCC>1/3VCC保持保持<2/3VCC<1/3VCC1截止第45页，课件共53页，创作于2023年2月Rvi8467

5553251vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压调节回差vivott00UT+UT－2VCC/3VCC/3（b）vi升高到2VCC/3时，比较器C1输出为0、C2输出为1，触发器置0，即Q＝0、1=Q，vo=0。此后，vi上升到VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3以前，vo＝0的状态不会改变。（a）当vi＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q＝1、0=Q，vo＝1。vi升高时，在未到达2VCC/3以前，vo＝1的状态不会改变。第46页，课件共53页，创作于2023年2月Rvi8467

5553251vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压调节回差vivott00UT+UT－2VCC/3VCC/3（c）vi下降到VCC/3时，比较器C1输出为1、C2输出为0，触发器置1，即Q＝1、0=Q，vo=1。此后，vi继续下降到0，但vo＝1的状态不会改变。（b）vi升高到2VCC/3时，比较器C1输出为0、C2输出为1，触发器置0，即Q＝0、1=Q，vo=