1、第第8章章 脉冲波形的产生与整形脉冲波形的产生与整形 通常，把非正弦波称之为脉冲波。按脉冲通常，把非正弦波称之为脉冲波。按脉冲波形的形式分成矩形波、梯形波、阶梯波、锯波形的形式分成矩形波、梯形波、阶梯波、锯齿波等。本章主要介绍用多谐振荡器直接产生齿波等。本章主要介绍用多谐振荡器直接产生矩形波和利用整形电路获得矩形波的方法。矩形波和利用整形电路获得矩形波的方法。一些概念一些概念8.1 集成集成555定时器及应用定时器及应用8.2 门电路构成的矩形波发生器及整形电路门电路构成的矩形波发生器及整形电路矩形脉冲波常作为时钟信号。波形的好坏直接矩形脉冲波常作为时钟信号。波形的好坏直接关系到电路能否正常工
2、作。为了定量描述矩形关系到电路能否正常工作。为了定量描述矩形脉冲波，通常采用如图所示参数。脉冲波，通常采用如图所示参数。 trtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脉冲波形参数脉冲波形参数一些基本概念一些基本概念 脉冲宽度脉冲宽度Tw从脉冲波形上升沿上升到从脉冲波形上升沿上升到0.5Vm起起到下降沿下降到到下降沿下降到0.5Vm止的时间。止的时间。上升时间上升时间tr脉冲波形的上升沿从脉冲波形的上升沿从0.1Vm上升到上升到0.9Vm所需时间。所需时间。下降时间下降时间tf脉冲波形的下降沿从脉冲波形的下降沿从0.9Vm下降下降 到到0.1Vm所需时间。所需时间。占空比占空比q脉冲宽度脉冲
3、宽度Tw与脉冲周期与脉冲周期T之比即之比即 TTqwtrtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脉冲波形参数脉冲波形参数脉冲周期脉冲周期T周期性重复的脉冲序列中，周期性重复的脉冲序列中，相邻两个脉冲间的时间间隔。相邻两个脉冲间的时间间隔。脉冲频率脉冲频率f频率频率f表示单位时间内脉冲重表示单位时间内脉冲重复的次数，复的次数，脉冲幅度脉冲幅度Vm脉冲波形的电压最大变化脉冲波形的电压最大变化幅度。幅度。Tf1集成集成555定时器的用途很广，有双极型（型定时器的用途很广，有双极型（型号最后三位为号最后三位为555）和）和CMOS型（型号最后型（型号最后四位为四位为7555）两类电路。它们的功能、
4、外）两类电路。它们的功能、外引线排列完全相同。在测量与控制、家用引线排列完全相同。在测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域得到了广泛的电器和电子玩具等许多领域得到了广泛的应用。应用。 5G555定时器的电路组成及工作原理定时器的电路组成及工作原理集成集成555定时器的应用定时器的应用图图8-1为双极型为双极型5G555定时器的原理电路和引脚排列定时器的原理电路和引脚排列图。图。 V-C12348765+VCCD THGNDTLOUTR5G5553图图8-1集成集成5G555定时器原理图定时器原理图电阻分压器电阻分压器比较器比较器基本基本RS触发器触发器三极三极管开管开关关输出缓冲器输出缓冲器
5、555定时器基本结构定时器基本结构分压器分压器分压器由三个阻值均为分压器由三个阻值均为5k的电阻串联连接构成，的电阻串联连接构成，为比较器为比较器C1、C2提供参考电压提供参考电压VR1、VR2，C1的同相的同相输入端输入端V+=VR 1=2VC C/3。C2的反相输入端的反相输入端V-=VR2=VCC/3。如果在电压控制端。如果在电压控制端5另加控制电压，可另加控制电压，可以改变比较器以改变比较器C1、C2参考电压参考电压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时，则控制端时，则控制端5通过一个通过一个0.01F的电容接地，以旁路高频干扰。的电容接地，以旁路高频干
6、扰。分压器上端分压器上端8接接VCC，下端，下端1接地。接地。比较器比较器 C1和和C2是两个比较器。分别由集成运算放大器构成。是两个比较器。分别由集成运算放大器构成。C1的同相输入端的同相输入端“+”接到参考电压接到参考电压VR1端上，即电压端上，即电压控制端控制端5，反相控制端，反相控制端“-”用用TH表示，称为高触发表示，称为高触发端端6；C2的反相输入端的反相输入端“-”接参考电压端接参考电压端VR2端上，端上，同相输入端同相输入端“+”用用TL表示，称为低触发端表示，称为低触发端2。当同相输入端电压当同相输入端电压V+大于反相输入端电压大于反相输入端电压V-(V+V-)时，比较器输出
7、为高电平；若同相输入端电压时，比较器输出为高电平；若同相输入端电压V+小小于反相输入端电压于反相输入端电压V-(V+2VCC/3时，即时，即V-V+，vC1=0， =1，vo=0，T导导通；若通；若THVCC/3时，则时，则vC1=1、vC2=1，基本基本RS触发器保持原来状态不变，因此输出触发器保持原来状态不变，因此输出vo和三和三极管极管T保持原来状态；当保持原来状态；当TH2VCC/3,TLR时，时， 振振荡周期为：荡周期为：T2.2RC上式可用于近似估计上式可用于近似估计振荡周期振荡周期.使用时应注使用时应注意它的假定条件是否意它的假定条件是否满足满足,否则否则,计算结果会计算结果会有
8、较大的误差。有较大的误差。ttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000图图8-13 RC环形振荡器理想工作波形环形振荡器理想工作波形(三三) 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器在许多应用场合都对多谐振荡器的振荡频率稳定性在许多应用场合都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。例如多谐振荡器作为数字钟的脉冲有严格的要求。例如多谐振荡器作为数字钟的脉冲源使用时，要求频率十分稳定。源使用时，要求频率十分稳定。 上述多谐振荡器中，振荡频率主要取决于门电路的上述多谐振荡器中，振荡频率主要取决于门电路的输入电压上升到转换电平
9、（阈值电压）所需要的时输入电压上升到转换电平（阈值电压）所需要的时间，所以频率的稳定性不可能很高。第一，转换电间，所以频率的稳定性不可能很高。第一，转换电平本身就不够稳定，容易受电源和温度变化的影响；平本身就不够稳定，容易受电源和温度变化的影响；第二，电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态第二，电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态转换的提前或滞后；第三，在电路状态临近转换时，转换的提前或滞后；第三，在电路状态临近转换时，电容的充、放电已经比较缓慢，转换电平的微小变电容的充、放电已经比较缓慢，转换电平的微小变化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。因此在对化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。因此在
10、对频率要求很高时，必须采取稳频措施。频率要求很高时，必须采取稳频措施。目前，普遍采用的稳频目前，普遍采用的稳频方法是在多谐振荡器中方法是在多谐振荡器中接入石英晶体组成石英接入石英晶体组成石英晶体多谐振荡器。图晶体多谐振荡器。图8-14 为石英晶体的阻抗为石英晶体的阻抗频率特性和符号。石英频率特性和符号。石英晶体不但频率特性稳定，晶体不但频率特性稳定，而且品质因数很高，有而且品质因数很高，有极好的选频特性。极好的选频特性。ff0 x0电电感感性性电电容容性性符号符号图图8-14 石英晶体的阻抗频率石英晶体的阻抗频率 特性与符号特性与符号vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3图图8-15
11、石英晶体环形振荡器石英晶体环形振荡器CRSR石英晶体石英晶体把石英晶把石英晶体与体与RC多多谐振荡器谐振荡器中的电容中的电容串联起来串联起来就构成了就构成了石英晶体石英晶体多谐振荡多谐振荡器。器。由石英晶体的电抗频率特性可知，当外加电压的频由石英晶体的电抗频率特性可知，当外加电压的频率为率为f0时，其等效阻抗最小，所以频率为时，其等效阻抗最小，所以频率为f0的电压信的电压信号最容易通过，并在电路中形成正反馈。因此振荡器号最容易通过，并在电路中形成正反馈。因此振荡器的工作频率为的工作频率为f0。石英晶体振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有石英晶体振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率谐振频
12、率f0，与外接电阻、电容无关。其工作原理与，与外接电阻、电容无关。其工作原理与RC环形多谐振荡器基本相同。环形多谐振荡器基本相同。(四四) 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器的暂稳态是靠单稳态触发器的暂稳态是靠RC电路的充电路的充放电过程来维持的，根据放电过程来维持的，根据RC电路的不同电路的不同接法，可分为微分型和积分型。接法，可分为微分型和积分型。以以TTL与非门、与非门、RC微分电路构成的单稳微分电路构成的单稳态触发器为例说明其工作原理。态触发器为例说明其工作原理。1. TTL与非门微分型单稳态触发器与非门微分型单稳态触发器在基本在基本RS触发器触发器中插入一个中插入一个RC微微分电路
13、环节就构分电路环节就构成了单稳态触发成了单稳态触发器，如图器，如图8-16所所示。示。图图8-16 单稳态触发器单稳态触发器0.47kvIvO1vOvI2C0.01FRG1G2电路接通电源后电路接通电源后,无脉冲触发信号无脉冲触发信号(vI=1)输入时输入时,电路电路处于稳态。处于稳态。G1门开通，门开通，vO1=0，G2门关闭门关闭vO=1。在输入端加入负脉冲信号后，在输入端加入负脉冲信号后，vO1=1。由于。由于C上电压上电压不能突跳，则不能突跳，则vI2随随vO1上跳并大于上跳并大于VT (VT=1.4V)值，值，使使G2门开通，门开通，vO=0。电路由稳态翻转到暂稳态。电路由稳态翻转到
14、暂稳态。在暂稳态期间，由于在暂稳态期间，由于vO1不断地给电容器不断地给电容器C充电，电充电，电容器上的电压容器上的电压vC不断升高，而使不断升高，而使vI2逐渐下降。当逐渐下降。当vI2下下降到小于阈值电压降到小于阈值电压VT时，时，G2门又关闭，门又关闭，vO=1。此时输。此时输入负触发脉冲早已消失，入负触发脉冲早已消失，vI为高电平。则为高电平。则G1又开始导又开始导通，通，vO1=0，vI2随之下跳为负值，然后随之下跳为负值，然后C开始放电，使开始放电，使vI2恢复到正常的低电平。电路处于稳态。其工作波形恢复到正常的低电平。电路处于稳态。其工作波形如图如图8-17所示。所示。tttt0
15、000vOVTvI2vO1vI图图8-17单稳态触发器工作波形单稳态触发器工作波形输出脉冲宽度输出脉冲宽度Tw近似计算：近似计算：Tw0.8(RO+R)C公式中的公式中的RO为与为与非门的输出电阻，非门的输出电阻，RO100。2.单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用脉冲整形脉冲整形脉冲定时脉冲定时 脉冲延时脉冲延时脉冲整形脉冲整形 单稳态触发器输出单稳态触发器输出脉冲的幅度和宽度脉冲的幅度和宽度是确定的，利用这是确定的，利用这一性质，可将宽度一性质，可将宽度和幅度不规则的脉和幅度不规则的脉冲串，整形为宽度冲串，整形为宽度和幅度一定的脉冲和幅度一定的脉冲串，如图串，如图8-18所示。所示。 tv
16、I0tvO0图图8-18 脉冲波形脉冲波形脉冲定时脉冲定时 由于单稳态触发器能产生一定宽度由于单稳态触发器能产生一定宽度Tw的矩形输出的矩形输出脉冲，利用这个脉冲去控制某电路，使其在脉冲，利用这个脉冲去控制某电路，使其在Tw时时间内动作（或不动作），起到了定时作用。例如，间内动作（或不动作），起到了定时作用。例如，利用脉冲宽度为利用脉冲宽度为Tw的正矩形脉冲作为门输入的信的正矩形脉冲作为门输入的信号号vB，而与门的另一个输入端信号为，而与门的另一个输入端信号为vA。只有当矩。只有当矩形波形波vB为为1的的Tw时间内，信号时间内，信号vA才能通过与门，输才能通过与门，输出才有脉冲，如图出才有脉冲
17、，如图8-19所示。所示。 单稳电路单稳电路vAvBvOvI(a)逻辑图逻辑图vOvIvBvA(b)波形图波形图图图8-19 脉冲定时电路脉冲定时电路Tw脉冲延时脉冲延时Tw时间时间，称，称这 个 时 间 为这 个 时 间 为延 时 。 逻 辑延 时 。 逻 辑图 和 波 形 图图 和 波 形 图如图如图8-20所所示。示。单稳电路单稳电路TwvIvOTwvIvO00t1t2tt图图8-20脉冲延时脉冲延时(a)逻辑图逻辑图(b)波形图波形图3. 施密特触发器施密特触发器 TTL与非门构成的施与非门构成的施密特触发器密特触发器图图8-21是三个是三个TTL与与非门和一个二极管构非门和一个二极管
18、构成的施密特触发器门成的施密特触发器门G1为反相器为反相器,门门G2、G3组成基本组成基本RS触发触发器，二极管器，二极管D起电平起电平偏移作用。偏移作用。RSQQG1G2G3vIvOD图图8-21 施密特电路施密特电路下图是下图是vI为三角波时输出为三角波时输出vO随随vI变化的波形图。变化的波形图。VOHVOLVT+=1.4VVT-=0.7VvOtt00图图8-22 工作波形图工作波形图4. 施密特触发器的应用施密特触发器的应用波形的变换与整形波形的变换与整形幅度鉴别幅度鉴别脉冲展宽电路脉冲展宽电路波形的变换与整形波形的变换与整形 利用施密特触发器可以将正弦波、三角波变换成利用施密特触发器
19、可以将正弦波、三角波变换成矩形波。如图矩形波。如图8-23所示所示 vIvOVT+VT-图图8-23波形变换和整形波形变换和整形幅度鉴别幅度鉴别 施密特触发器的输出状态取决于输入信施密特触发器的输出状态取决于输入信号号vI的幅度，因此它可以用来作为幅度的幅度，因此它可以用来作为幅度鉴别电路。只有当脉冲信号鉴别电路。只有当脉冲信号vI的幅度大于的幅度大于VT+的脉冲，电路才输出一个脉冲，而幅的脉冲，电路才输出一个脉冲，而幅度小于度小于VT+的脉冲，电路无输出脉冲，其的脉冲，电路无输出脉冲，其工作波形图如图工作波形图如图8-24所示。所示。vIvOVT+VT-图图8-24幅度鉴别波形幅度鉴别波形幅
20、度鉴别幅度鉴别 脉冲展宽电路脉冲展宽电路 脉冲展宽电路原理图、工作波形图如图脉冲展宽电路原理图、工作波形图如图8-25(a)、(b)图所示。图所示。VCCvIvOG1RCvC (a) 原理图原理图vIvOvCVT+(b)波形图波形图图图8-25脉冲展开电路脉冲展开电路电容器电容器C与集电极开路反相器的输出端并联与集电极开路反相器的输出端并联到施密特触发器的输入端。当到施密特触发器的输入端。当vI为高电平时，为高电平时，门门G1输出为低电平，电容器不能充电，输出为低电平，电容器不能充电，vC0，施密特触发器输出为高电平。当施密特触发器输出为高电平。当vI为低电平为低电平时，门时，门G1输出为应为高电平，输出为应为高电平，而而vC不能跳变，不能跳变，VCC通过通过R给给C充电，充电，vC按按指数曲线上升，当指数曲线上升，当vC上升到略大于上升到略大于VT+时，时，施密特触发器由高电平下跳为低电平。从而施密特触发器由高电平下跳为低电平。从而使使vO的波形展宽。的波形展宽。RC决定展宽大小。改变决定展宽大小。改变RC值的大小就可以改变施密特触发器的输出值的大小就可以改变施密特触发器的输出脉冲宽度。脉冲宽度。
