脉冲波形的产生和变换

1、第20章 脉冲波形的产生和变换,20.1 单稳态及多谐振荡器,描述矩形脉冲波形的特性主要有以下几个主要参数（见图20.1,图20.1 矩形脉冲的特性参数,20.1.1 单稳态触发器 单稳态触发器的工作特性具有如下特点： (1) 有稳态和暂态两个工作状态； (2) 在外界触发脉冲的作用下， 可从稳态转到暂态， 在暂态维持一段时间后， 再自动返回到稳态； (3) 暂态维持时间的长短取决于电路本身的参数， 与触发脉冲的宽度无关,1. 门电路组成的单稳态触发器 用CMOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器如图20.2所示,图 20.2 微分型单稳态触发器,1. 门电路组成的单稳态触发器 用C

2、MOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器如图20.2所示。 对于CMOS电路， 可近似认为UOHVDD，UOL0， 在稳态下UI=0，UI2=VDD，UO=0，UO1=VDD，电容上没有电压。 当输入触发脉冲UI加到输入端时， 由Rd、Cd组成的微分电路的输出端得到一个很窄的正、 负脉冲电压Ud，当Ud上升到UTH以后， 将引发如下的正反馈过程: Ud UO1 UI2 UO,使UO1迅速跳变为低电平。 由于电容上的电压不能突变, 因此UI2也同时跳变为低电平，并使UO跳变为高电平， 电路进入暂态。 此时即使Ud回到低电平，UO仍将维持高电平。 与此同时， 电容C开始充电， 且随着充电

3、过程的进行， UI2逐渐升高， 当升到UI2 =UTH时， 将引发另一个正反馈过程： UI2UOUO1 整个过程的波形变化如图20.3所示,图20.3 微分型单稳态触发器波形图,各种参数的计算如下： 脉冲宽度 输出脉冲幅度 Um=UOH-UOLVDD 为了保证单稳态触发器脉冲的宽度准确无误， 输入触发脉冲的时间间隔T（重复周期）应满足： TTW+Tre 其中， 电路恢复时间 Tre =(35) RC,2. 集成单稳态触发器 集成单稳态触发器的特点是: 在TTL和CMOS电路产品内部具有上升沿与下降沿触发的控制和置零功能， 连线较少， 采取了温度补偿措施等。 常见的型号有74121（TTL型）、

4、 74221（TTL型）、 74123（TTL型)和CCL14528（CMOS型）等。 3. 单稳态触发器的应用 (1) 脉冲形态是指脉冲信号在经过长距离传输后， 脉冲波形发生变化， 经过单稳电路后， 使波形变为符合要求的波形， 如图20.4所示。 脉冲的宽窄根据具体要求而定,图20.4 整形示意图,2） 脉冲延时（展宽）如图20.5所示,图20.5 脉冲延时示意图,20.1.2 多谐振荡器 1. 对称式多谐振荡器 图20.6所示为对称式多谐振荡器的典型电路。 它由反相器G1、G2 和耦合电容C1、C2及电阻RF1、RF2组成。 其中G1、 G2与C1、 C2构正反馈电路。 RF1、RF2控制

5、G1、G2，使之工作在电压传输特性的转折点。 从图20.6可见，该电路是利用RC的充放电分别控制G1、 G2门的开通与关断来实现自激振荡,图20.6 对称式多谐振荡器,假如由于某种原因（例如电源或外界的干扰）使UI1有一个微小变化（正跃变）， 则必然会得到下列的正反馈过程: UI1UO1UI2UO2 使UO1迅速跳变为低电平，UO2跳变为高电平，电路进入第一个暂稳态。与此同时，UO2开始经RF2向C1充电， C2开始经RF1放电,随着C1的充电，UI2逐渐上升到G2的阈值电压UTH时，UO2开始下降， 并引起另一个正反馈过程： UI2UO2UI1UO1 从而使UO迅速跳变至低电平， 电路进入第

6、二个暂态。 同时C2开始充电， 而C1开始放电。 随着C2充电， UI1逐渐升高到G1的UTH后，电路又迅速返回到第一个暂态。 因此， 电路是不停地在两个暂态之间往复转换， 在输出端不断地发出矩形电压脉冲,如图20.7所示,图 20.7 矩形电压脉冲形成示意图,从上面的分析可知， 输出脉冲的周期等于两个暂态持续时间之和，每个暂态持续时间与C1、C2的充放电有关。 若取RF1=RF2=RF，C1=C2=C，UTH=1.4 V，UOL=0 V，UOH=3.6 V，则振荡周期为 T=2TW1.4RFC 由此可知， 改变R和C可改变T。 2. 石英晶体多谐振荡器 石英晶体的符号、电抗频率特性及石英晶体

7、多谐振荡器电路如图20.8所示,图 20.8 石英晶体符号、 电抗频率特性及多振荡器电路 (a) 符号； (b) 频率特性； (c) 电路,20.2 施密特触发器,1. CMOS门电路构成的施密特触发器 图20.9所示为CMOS门电路构成的施密特触发器,图20.9 CMOS门电路构成的施密特触发器,如图20.9所示，当UI从0 逐渐升高并达到UTH时，G1进入电压传输特性的转折区，引起正反馈，过程如下： UI UO1UO 这时电路的状态迅速转换为 UO=UOHVDD 由此可求出UI上升过程中电路状态发生转换所对应的输入电平为UT+（正向阈值电压,当UI从高电平逐渐下降并达到UTH时,又引发另一

8、个正反馈过程： UIUO1UO 电路状态迅速转换为 UO=UOL0 由此可求出UI下降过程中电路状态发生转换时所对应的输入电平为UT- (反向阈值电压,若DD=2UTH,则 将UT+与UT-之差定义为回差电压UT： UT=UT+-UT- 由此,可画出施密特触发器的电压传输特性,称为施密特滞回曲线,如图20.10所示,图 20.10 施密特滞回曲线 (a) 同相输出； (b) 反相输出,常见的集成施密特触发器有： 74132、 CC40106、 74LS132等,它们的逻辑符号如图20.11所示,图20.11 施密特触发器的逻辑符号,2. 施密特触发器的应用 1) 用于波形变换 施密特触发器可用

9、于将三角波、正弦波等一些不规则波形转换为矩形波,如图20.12所示,图 20.12 波形变换示意图,2) 用于脉冲整形 当传输信号受到干扰时,施密特触发器的滞回特性将受到干扰的信号整形成较好的矩形脉冲,如图20.13所示,图20.13 脉冲整形示意图,3) 用于脉冲幅度鉴别 当输入信号为一组幅度不等的脉冲,而要求将幅度大于UTH的脉冲信号选出时，可采用施密特触发器的输入信号进行鉴别,如图20.14所示,图20.14 脉冲幅度鉴别,4） 由施密特触发器组成多谐振荡器 多谐振荡器最突出的特点是它的电压传输特性具有滞回特性。 据此可以使其输入信号在UT+UT-之间不停地往复变化,在输出端就可得到矩形

10、脉冲波形。其电路及波形如图20.15所示,图20.15 多谐振荡器电路及波形,20.3 555定时器及其应用,图20.16所示为国产双极型定时器NE555的电路结构图,它由比较器C1、C2、 基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。 NE555定时器的功能如表20.1所示,图 20.16 NE555双极型定时器,表20.1 NE555功能表,20.3.2 555定时器的应用 1. 接成施密特触发器 图20.17是将UI1和UI2连在一起作为信号输入端(UI),就可得到施密特触发器,图 20.17 由555定时器构成的施密特触发器 (a) 外部接线图； (b) 内部电路图,电路工作

11、的原理如下： 当UI VCC时,UC1=1, UC2=0, Q=1, UO=UOH; 当 VCCUI VCC时,UC1=UC2=1, UO=UOH; 当UI VCC时,UC1=0, UC2=1, Q=0, UO=UOL。 由此可见 UT+= VCC,当VCCUI VCC时,UC1= UC2=1, UO=UOL; 当UI UCC时，UC1 =1, UC2 =0,Q=1,UO=UOH=1。 由此可见 UT-= VCC 则 U=UT+-UT-= VCC 施密特触发器的特性如图20.18所示,图20.18 施密特触发器特性图,2. 接成单稳态电路 如果将555定时器的UI2（TR）作触发器的信号输入端

12、,同时把输出DISC（7脚）接回到UI1端,在UI1端与VCC之间接电阻R, 在UR1和地之间接电容C,就可构成单稳态电路,如图20.19所示,图 20.19 由555定时器构成的单稳态触发器 (a) 外部接线图； (b) 内部电路图,3. 接成多谐振荡器 将放电管TD的集电极(DISC)经R1接到VCC上,同时经R2、UI1、UI2和电容C连接,其中TD和R1组成反相器,使输出端DISC（7脚）经R2、C组成积分电路,积分电容C接到UI1（TH）和UI2（TR）端,便组成了如图20.20所示的多谐振荡器,其中R1、R2、C为定时元件。 由555定时器构成的多谐振荡器的输出波形如图20.21所

13、示,图 20.20 由555定时器构成多谐振荡器 (a) 外部接线图； (b) 内部电路图,图 20.21 由555构成多谐振荡器的输出波形图,多谐振荡器的振荡周期为 T=TW1+TW20.7(R1+R2)C,习题20,1 电路和输入波形如题图20.1（a）、 （b）所示。 （1） 该电路是何种电路？ （2） 已知TTL门的UOH=3.6 V, UOL=0.3 V, 门的输出电阻R=25 ,在给定参数下,求输出脉冲幅度Um, 宽度TW及最高工作频率fmax。 （3） 对应于输入信号UI画出UO的波形,题图 20.1,2 现有一个5G1555,一个串电阻R=500 k、一个电容C=10 F, V

14、CC=5 V。 试解下列问题： （1）用上面给出的元器件组成一个单稳触发器,画出其电路图。 （2）已知触发脉冲UI波形,画出相应的UO 的波形。 （3）求输出脉冲UO的宽度TW。 （4）若将电源电压VCC由5 V增至10 V, 则TW是增加, 减小, 还是不变? （5）若其它参数不变, 减小电阻R的值, 则TW是增加, 减小, 还是不变? （6）若输入负脉冲的宽度TWI TW时, 单稳态触发器能否正常工作?为什么? 若不能正常工作,应怎样解决,3. RC环形振荡器电路如题图20.2所示, UOH=3 V,UOL=0 V, R=470 , RZ=100 , C=3800 pF。 (1) 开关S1、 S2断开时, 定性地给出UA、UB、UO的波形。 (2) 计算振荡频率。 (3) S1断开, S2闭合时, UO的波形如何? (4) S1闭合, S2闭合时, UO的波形如何? (5) S1闭合, S2断开时, UO的波形如何,题图 20.2,4. 题图20.3所示的施密特触发器中, 若电路参数R1=R2, UTH=1.4 V, UD=0.7 V, 试求上下限电平UT+、UT-及差电压UT,题图 20.3,5. 如题图20.4所示的单稳态电路, 若其5脚不接0.01 F的电容, 则必接直流正电源UR, 当UR变大和变小时, 单稳态电路的输出脉冲宽度如何变化?若5脚通过10 k的电