1、第第8章章 脈沖波形的產(chǎn)生與整形脈沖波形的產(chǎn)生與整形 通常，把非正弦波稱之為脈沖波。按脈沖通常，把非正弦波稱之為脈沖波。按脈沖波形的形式分成矩形波、梯形波、階梯波、鋸波形的形式分成矩形波、梯形波、階梯波、鋸齒波等。本章主要介紹用多諧振蕩器直接產(chǎn)生齒波等。本章主要介紹用多諧振蕩器直接產(chǎn)生矩形波和利用整形電路獲得矩形波的方法。矩形波和利用整形電路獲得矩形波的方法。一些概念一些概念8.1 集成集成555定時器及應用定時器及應用8.2 門電路構(gòu)成的矩形波發(fā)生器及整形電路門電路構(gòu)成的矩形波發(fā)生器及整形電路矩形脈沖波常作為時鐘信號。波形的好壞直接矩形脈沖波常作為時鐘信號。波形的好壞直接關(guān)系到電路能否正常工

2、作。為了定量描述矩形關(guān)系到電路能否正常工作。為了定量描述矩形脈沖波，通常采用如圖所示參數(shù)。脈沖波，通常采用如圖所示參數(shù)。 trtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脈沖波形參數(shù)脈沖波形參數(shù)一些基本概念一些基本概念 脈沖寬度脈沖寬度Tw從脈沖波形上升沿上升到從脈沖波形上升沿上升到0.5Vm起起到下降沿下降到到下降沿下降到0.5Vm止的時間。止的時間。上升時間上升時間tr脈沖波形的上升沿從脈沖波形的上升沿從0.1Vm上升到上升到0.9Vm所需時間。所需時間。下降時間下降時間tf脈沖波形的下降沿從脈沖波形的下降沿從0.9Vm下降下降 到到0.1Vm所需時間。所需時間。占空比占空比q脈沖寬度脈沖

3、寬度Tw與脈沖周期與脈沖周期T之比即之比即 TTqwtrtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脈沖波形參數(shù)脈沖波形參數(shù)脈沖周期脈沖周期T周期性重復的脈沖序列中，周期性重復的脈沖序列中，相鄰兩個脈沖間的時間間隔。相鄰兩個脈沖間的時間間隔。脈沖頻率脈沖頻率f頻率頻率f表示單位時間內(nèi)脈沖重表示單位時間內(nèi)脈沖重復的次數(shù)，復的次數(shù)，脈沖幅度脈沖幅度Vm脈沖波形的電壓最大變化脈沖波形的電壓最大變化幅度。幅度。Tf1集成集成555定時器的用途很廣，有雙極型（型定時器的用途很廣，有雙極型（型號最后三位為號最后三位為555）和）和CMOS型（型號最后型（型號最后四位為四位為7555）兩類電路。它們的功能、

4、外）兩類電路。它們的功能、外引線排列完全相同。在測量與控制、家用引線排列完全相同。在測量與控制、家用電器和電子玩具等許多領(lǐng)域得到了廣泛的電器和電子玩具等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。應用。 5G555定時器的電路組成及工作原理定時器的電路組成及工作原理集成集成555定時器的應用定時器的應用圖圖8-1為雙極型為雙極型5G555定時器的原理電路和引腳排列定時器的原理電路和引腳排列圖。圖。 V-C12348765+VCCD THGNDTLOUTR5G5553圖圖8-1集成集成5G555定時器原理圖定時器原理圖電阻分壓器電阻分壓器比較器比較器基本基本RS觸發(fā)器觸發(fā)器三極三極管開管開關(guān)關(guān)輸出緩沖器輸出緩沖器

5、555定時器基本結(jié)構(gòu)定時器基本結(jié)構(gòu)分壓器分壓器分壓器由三個阻值均為分壓器由三個阻值均為5k的電阻串聯(lián)連接構(gòu)成，的電阻串聯(lián)連接構(gòu)成，為比較器為比較器C1、C2提供參考電壓提供參考電壓VR1、VR2，C1的同相的同相輸入端輸入端V+=VR 1=2VC C/3。C2的反相輸入端的反相輸入端V-=VR2=VCC/3。如果在電壓控制端。如果在電壓控制端5另加控制電壓，可另加控制電壓，可以改變比較器以改變比較器C1、C2參考電壓參考電壓VR1、VR2的值。若工的值。若工作中不使用控制端作中不使用控制端5時，則控制端時，則控制端5通過一個通過一個0.01F的電容接地，以旁路高頻干擾。的電容接地，以旁路高頻干

6、擾。分壓器上端分壓器上端8接接VCC，下端，下端1接地。接地。比較器比較器 C1和和C2是兩個比較器。分別由集成運算放大器構(gòu)成。是兩個比較器。分別由集成運算放大器構(gòu)成。C1的同相輸入端的同相輸入端“+”接到參考電壓接到參考電壓VR1端上，即電壓端上，即電壓控制端控制端5，反相控制端，反相控制端“-”用用TH表示，稱為高觸發(fā)表示，稱為高觸發(fā)端端6；C2的反相輸入端的反相輸入端“-”接參考電壓端接參考電壓端VR2端上，端上，同相輸入端同相輸入端“+”用用TL表示，稱為低觸發(fā)端表示，稱為低觸發(fā)端2。當同相輸入端電壓當同相輸入端電壓V+大于反相輸入端電壓大于反相輸入端電壓V-(V+V-)時，比較器輸出

7、為高電平；若同相輸入端電壓時，比較器輸出為高電平；若同相輸入端電壓V+小小于反相輸入端電壓于反相輸入端電壓V-(V+2VCC/3時，即時，即V-V+，vC1=0， =1，vo=0，T導導通；若通；若THVCC/3時，則時，則vC1=1、vC2=1，基本基本RS觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變，因此輸出觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變，因此輸出vo和三和三極管極管T保持原來狀態(tài)；當保持原來狀態(tài)；當TH2VCC/3,TLR時，時， 振振蕩周期為：蕩周期為：T2.2RC上式可用于近似估計上式可用于近似估計振蕩周期振蕩周期.使用時應注使用時應注意它的假定條件是否意它的假定條件是否滿足滿足,否則否則,計算結(jié)果會計算結(jié)果會有

8、較大的誤差。有較大的誤差。ttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000圖圖8-13 RC環(huán)形振蕩器理想工作波形環(huán)形振蕩器理想工作波形(三三) 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器在許多應用場合都對多諧振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定性在許多應用場合都對多諧振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定性有嚴格的要求。例如多諧振蕩器作為數(shù)字鐘的脈沖有嚴格的要求。例如多諧振蕩器作為數(shù)字鐘的脈沖源使用時，要求頻率十分穩(wěn)定。源使用時，要求頻率十分穩(wěn)定。 上述多諧振蕩器中，振蕩頻率主要取決于門電路的上述多諧振蕩器中，振蕩頻率主要取決于門電路的輸入電壓上升到轉(zhuǎn)換電平

9、（閾值電壓）所需要的時輸入電壓上升到轉(zhuǎn)換電平（閾值電壓）所需要的時間，所以頻率的穩(wěn)定性不可能很高。第一，轉(zhuǎn)換電間，所以頻率的穩(wěn)定性不可能很高。第一，轉(zhuǎn)換電平本身就不夠穩(wěn)定，容易受電源和溫度變化的影響；平本身就不夠穩(wěn)定，容易受電源和溫度變化的影響；第二，電路的工作方式容易受干擾，造成電路狀態(tài)第二，電路的工作方式容易受干擾，造成電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換的提前或滯后；第三，在電路狀態(tài)臨近轉(zhuǎn)換時，轉(zhuǎn)換的提前或滯后；第三，在電路狀態(tài)臨近轉(zhuǎn)換時，電容的充、放電已經(jīng)比較緩慢，轉(zhuǎn)換電平的微小變電容的充、放電已經(jīng)比較緩慢，轉(zhuǎn)換電平的微小變化或輕微的干擾都會嚴重影響振蕩周期。因此在對化或輕微的干擾都會嚴重影響振蕩周期。因此在

10、對頻率要求很高時，必須采取穩(wěn)頻措施。頻率要求很高時，必須采取穩(wěn)頻措施。目前，普遍采用的穩(wěn)頻目前，普遍采用的穩(wěn)頻方法是在多諧振蕩器中方法是在多諧振蕩器中接入石英晶體組成石英接入石英晶體組成石英晶體多諧振蕩器。圖晶體多諧振蕩器。圖8-14 為石英晶體的阻抗為石英晶體的阻抗頻率特性和符號。石英頻率特性和符號。石英晶體不但頻率特性穩(wěn)定，晶體不但頻率特性穩(wěn)定，而且品質(zhì)因數(shù)很高，有而且品質(zhì)因數(shù)很高，有極好的選頻特性。極好的選頻特性。ff0 x0電電感感性性電電容容性性符號符號圖圖8-14 石英晶體的阻抗頻率石英晶體的阻抗頻率 特性與符號特性與符號vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3圖圖8-15

11、石英晶體環(huán)形振蕩器石英晶體環(huán)形振蕩器CRSR石英晶體石英晶體把石英晶把石英晶體與體與RC多多諧振蕩器諧振蕩器中的電容中的電容串聯(lián)起來串聯(lián)起來就構(gòu)成了就構(gòu)成了石英晶體石英晶體多諧振蕩多諧振蕩器。器。由石英晶體的電抗頻率特性可知，當外加電壓的頻由石英晶體的電抗頻率特性可知，當外加電壓的頻率為率為f0時，其等效阻抗最小，所以頻率為時，其等效阻抗最小，所以頻率為f0的電壓信的電壓信號最容易通過，并在電路中形成正反饋。因此振蕩器號最容易通過，并在電路中形成正反饋。因此振蕩器的工作頻率為的工作頻率為f0。石英晶體振蕩器的振蕩頻率取決于石英晶體的固有石英晶體振蕩器的振蕩頻率取決于石英晶體的固有諧振頻率諧振頻

12、率f0，與外接電阻、電容無關(guān)。其工作原理與，與外接電阻、電容無關(guān)。其工作原理與RC環(huán)形多諧振蕩器基本相同。環(huán)形多諧振蕩器基本相同。(四四) 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)是靠單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)是靠RC電路的充電路的充放電過程來維持的，根據(jù)放電過程來維持的，根據(jù)RC電路的不同電路的不同接法，可分為微分型和積分型。接法，可分為微分型和積分型。以以TTL與非門、與非門、RC微分電路構(gòu)成的單穩(wěn)微分電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為例說明其工作原理。態(tài)觸發(fā)器為例說明其工作原理。1. TTL與非門微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器與非門微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在基本在基本RS觸發(fā)器觸發(fā)器中插入一個中插入一個RC微微分電路

13、環(huán)節(jié)就構(gòu)分電路環(huán)節(jié)就構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如圖器，如圖8-16所所示。示。圖圖8-16 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器0.47kvIvO1vOvI2C0.01FRG1G2電路接通電源后電路接通電源后,無脈沖觸發(fā)信號無脈沖觸發(fā)信號(vI=1)輸入時輸入時,電路電路處于穩(wěn)態(tài)。處于穩(wěn)態(tài)。G1門開通，門開通，vO1=0，G2門關(guān)閉門關(guān)閉vO=1。在輸入端加入負脈沖信號后，在輸入端加入負脈沖信號后，vO1=1。由于。由于C上電壓上電壓不能突跳，則不能突跳，則vI2隨隨vO1上跳并大于上跳并大于VT (VT=1.4V)值，值，使使G2門開通，門開通，vO=0。電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到

14、暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)期間，由于在暫穩(wěn)態(tài)期間，由于vO1不斷地給電容器不斷地給電容器C充電，電充電，電容器上的電壓容器上的電壓vC不斷升高，而使不斷升高，而使vI2逐漸下降。當逐漸下降。當vI2下下降到小于閾值電壓降到小于閾值電壓VT時，時，G2門又關(guān)閉，門又關(guān)閉，vO=1。此時輸。此時輸入負觸發(fā)脈沖早已消失，入負觸發(fā)脈沖早已消失，vI為高電平。則為高電平。則G1又開始導又開始導通，通，vO1=0，vI2隨之下跳為負值，然后隨之下跳為負值，然后C開始放電，使開始放電，使vI2恢復到正常的低電平。電路處于穩(wěn)態(tài)。其工作波形恢復到正常的低電平。電路處于穩(wěn)態(tài)。其工作波形如圖如圖8-17所示。所示。tttt0

15、000vOVTvI2vO1vI圖圖8-17單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形輸出脈沖寬度輸出脈沖寬度Tw近似計算：近似計算：Tw0.8(RO+R)C公式中的公式中的RO為與為與非門的輸出電阻，非門的輸出電阻，RO100。2.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用脈沖整形脈沖整形脈沖定時脈沖定時 脈沖延時脈沖延時脈沖整形脈沖整形 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖的幅度和寬度脈沖的幅度和寬度是確定的，利用這是確定的，利用這一性質(zhì)，可將寬度一性質(zhì)，可將寬度和幅度不規(guī)則的脈和幅度不規(guī)則的脈沖串，整形為寬度沖串，整形為寬度和幅度一定的脈沖和幅度一定的脈沖串，如圖串，如圖8-18所示。所示。 tv

16、I0tvO0圖圖8-18 脈沖波形脈沖波形脈沖定時脈沖定時 由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能產(chǎn)生一定寬度由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能產(chǎn)生一定寬度Tw的矩形輸出的矩形輸出脈沖，利用這個脈沖去控制某電路，使其在脈沖，利用這個脈沖去控制某電路，使其在Tw時時間內(nèi)動作（或不動作），起到了定時作用。例如，間內(nèi)動作（或不動作），起到了定時作用。例如，利用脈沖寬度為利用脈沖寬度為Tw的正矩形脈沖作為門輸入的信的正矩形脈沖作為門輸入的信號號vB，而與門的另一個輸入端信號為，而與門的另一個輸入端信號為vA。只有當矩。只有當矩形波形波vB為為1的的Tw時間內(nèi)，信號時間內(nèi)，信號vA才能通過與門，輸才能通過與門，輸出才有脈沖，如圖出才有脈沖

17、，如圖8-19所示。所示。 單穩(wěn)電路單穩(wěn)電路vAvBvOvI(a)邏輯圖邏輯圖vOvIvBvA(b)波形圖波形圖圖圖8-19 脈沖定時電路脈沖定時電路Tw脈沖延時脈沖延時Tw時間時間，稱，稱這 個 時 間 為這 個 時 間 為延 時 。 邏 輯延 時 。 邏 輯圖 和 波 形 圖圖 和 波 形 圖如圖如圖8-20所所示。示。單穩(wěn)電路單穩(wěn)電路TwvIvOTwvIvO00t1t2tt圖圖8-20脈沖延時脈沖延時(a)邏輯圖邏輯圖(b)波形圖波形圖3. 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器 TTL與非門構(gòu)成的施與非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器密特觸發(fā)器圖圖8-21是三個是三個TTL與與非門和一個二極管構(gòu)非門和一個二極管

18、構(gòu)成的施密特觸發(fā)器門成的施密特觸發(fā)器門G1為反相器為反相器,門門G2、G3組成基本組成基本RS觸發(fā)觸發(fā)器，二極管器，二極管D起電平起電平偏移作用。偏移作用。RSQQG1G2G3vIvOD圖圖8-21 施密特電路施密特電路下圖是下圖是vI為三角波時輸出為三角波時輸出vO隨隨vI變化的波形圖。變化的波形圖。VOHVOLVT+=1.4VVT-=0.7VvOtt00圖圖8-22 工作波形圖工作波形圖4. 施密特觸發(fā)器的應用施密特觸發(fā)器的應用波形的變換與整形波形的變換與整形幅度鑒別幅度鑒別脈沖展寬電路脈沖展寬電路波形的變換與整形波形的變換與整形 利用施密特觸發(fā)器可以將正弦波、三角波變換成利用施密特觸發(fā)器可以將正弦波、三角波變換成矩形波。如圖矩形波。如圖8-23所示所示 vIvOVT+VT-圖圖8-23波形變換和整形波形變換和整形幅度鑒別幅度鑒別 施密特觸發(fā)器的輸出狀態(tài)取決于輸入信施密特觸發(fā)器的輸出狀態(tài)取決于輸入信號號vI的幅度，因此它可以用來作為幅度的幅度，因此它可以用來作為幅度鑒別電路。只有當脈沖信號鑒別電路。只有當脈沖信號vI的幅度大于的幅度大于VT+的脈沖，電路才