1、第6章 脉冲波形的产生与变换第第6章章 脉冲波形的产生与变换脉冲波形的产生与变换6.1 概述6.2 施密特触发器6.3 单稳态触发器6.4 多谐振荡器6.5 555定时器及其应用6.6 本章小结6.7 例题精选6.8 自我检测题第6章 脉冲波形的产生与变换6.1 概概 述述1.获取矩形脉冲波形的途径获取矩形脉冲波形的途径获取矩形脉冲波形的途径有两种：一种是直接产生所需要的矩形脉冲，另一种则是通过各种整形电路将已有的周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。2.时钟脉冲信号的主要指标时钟脉冲信号的主要指标 矩形脉冲常作为时钟信号，它控制和协调着整个系统的工作。为了定量描述矩形脉冲的特性，通常给出图
2、6.1.1中所标注的几个主要指标。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.1.1 矩形脉冲波形及主要参数第6章 脉冲波形的产生与变换3.脉冲波形产生的机理脉冲波形产生的机理脉冲波形是通过惰性电路(如RC电路)的充放电过程而形成的。图6.1.2给出了两种RC电路的工作情况，图中=RC为RC电路的时间常数，Ts为开关转换时间。当Ts时，图6.1.2(a)的输出端就得到一个尖脉冲；当Ts时，在图6.1.2(b)的输出端就得到一个矩形脉冲。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.1.2 RC暂稳态波形第6章 脉冲波形的产生与变换由上述可知，产生脉冲波形的电路必须由两大部分组成：一部分是惰性电路，另一部分是开关
3、电路。其中开关电路部分可用来使电路从稳态进入到暂态，惰性电路部分用来产生暂态的过程，由电路知识，不难得到暂稳态的时间(脉冲宽度tw)的计算公式。X(t)=X()+X(0+)X()et/(6.1.1)或(6.1.2)()()0()(lntXXXXt第6章 脉冲波形的产生与变换6.2.1 施密特触发器的特点施密特触发器的特点施密特触发器的主要特点如下：(1)施密特触发器具有两个稳定状态。(2)施密特触发器具有两个翻转电平，即对正向和反向增长的输入信号，电路的触发转换电平不同，电路具有回差特性，如图6.2.1所示。回差电压为U=U+U(6.2.1)6.2 施密特触发器施密特触发器第6章 脉冲波形的产
4、生与变换(3)在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出波形的边沿变得很陡。图 6.2.1 施密特触发器的回差特性第6章 脉冲波形的产生与变换6.2.2 门电路构成的施密特触发器门电路构成的施密特触发器1.结构及符号结构及符号图6.2.2(a)给出了一个用门电路构成的施密特触发器的电路。其结构特点是：(1)它是由两级反相器串接而成的。(2)电路通过分压电阻将输出端的电压反馈到输入端，即有一个正反馈电路。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.2.2 用CMOS反相器构成的施密特触发器的电路及符号(a)电路图；(b)符号第6章 脉冲波形的产生与变换2.工作原理及参数计算工作原理及参数计算假定反
5、相器G1和G2是CMOS电路，它们的阈值电压为 且R3R2。由图6.2.2可知：DDthUU2121i2o1RRURURUA第6章 脉冲波形的产生与变换当为低电位时，也为低电位，则为高电位，同时为低电位。所以，通过电阻R2反馈到G1的信号为低电位0，这时G1的输出为高电位，即=1。当从0逐渐升高，随之升高且达到时，由于 G1进入了电压传输特性的转折区(放大区)，因此，的增加将引发如下的正反馈过程：iUAUo1UoUo1UiUAUDDth21UUAU第6章 脉冲波形的产生与变换于是电路的状态就迅速地转换为Uo=UoHUDD。由此可以求出输入信号正向增长过程中，电路从低电平翻转到高电平时，对应的输
6、入电平U+为 所以，U+称为电路的正向阈值电压。当从高电平逐渐下降，随之下降并下降到时，由于的下降将引发如下的正反馈过程：(6.2.2)iUAUDDth21UUAUth21)1(URRU第6章 脉冲波形的产生与变换从而使电路的状态迅速翻转为低电平，即Uo=UoL0。由此可以求出输入信号反向增长过程中，电路从高电平翻转到低电平时，对应的输入电平为(6.2.3)UTH21DD21TH21)1()1(URRURRURRU第6章 脉冲波形的产生与变换由式(6.2.2)及式(6.2.3)就可以得到该电路的回差电压为(6.2.4)图6.2.3给出了图6.2.2所示电路的电压传输特性曲线。通过改变R1和R2
7、的比值，可以调节回差电压的大小。但是调节过程中必须保持R1R2，否则电路将进入自锁状态，不能正常工作。UUU第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.2.3 图6.2.2电路的电压传输特性(a)同相输出；(b)反相输出第6章 脉冲波形的产生与变换6.2.3 集成施密特触发器集成施密特触发器1.电路组成及符号电路组成及符号图6.2.4给出了TTL电路集成的施密特触发器7413的电路图及图形符号。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.2.4 带与非功能的TTL集成施密特触发器(a)电路图；(b)图形符号第6章 脉冲波形的产生与变换2.工作原理工作原理若三极管发射结的导通压降和二极管的正向导通压降均为0.7
8、 V，当ui为低电位时，0.7 V时，则V1进入导通，且有如下的正反馈过程：be1Ube1U第6章 脉冲波形的产生与变换当ui从高电平逐渐下降，并且降到只有0.7 V左右时，iC1开始减小，于是又出现了另一个正反馈过程：从而使电路迅速返回V1截止、V2饱和导通的状态。第6章 脉冲波形的产生与变换同时，由于R3R2，因而就使得施密特触发器存在回差电压。如果用及分别表示V1由截止变为导通时的输入电压及V1由导通变为截止时的输入电压，则可得到电路的回差电压为(6.2.5)图6.2.5给出了7413的电压传输特性。UUUUU第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.2.5 集成施密特7413的电压传输特性第
9、6章 脉冲波形的产生与变换6.2.4 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 施密特触发器的主要应用有以下几个方面。1.用于波形变换用于波形变换图6.2.6给出了这样一个转换例子，输入信号是按周期变化的正弦波，通过施密特触发器的作用将其转换为同频率的矩形脉冲信号。其中及分别表示施密特触发器的两个翻转电平。UU第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.2.6 用施密特触发器实现波形的变换第6章 脉冲波形的产生与变换2.用于脉冲整形用于脉冲整形 图6.2.7中给出了几种常见的情况。从图中不难发现无论出现上述的哪一种情况，都可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。第6章 脉冲波形的产生与变换
10、图 6.2.7 用施密特触发器对脉冲整形第6章 脉冲波形的产生与变换3.用于脉冲鉴幅用于脉冲鉴幅 若输入信号是一系列幅度各异的随机脉冲信号，则通过施密特触发器就可以将幅值大于某值的输入脉冲检测出来。因此，施密特触发器具有脉冲鉴幅的能力。图6.2.8给出了用施密特触发器鉴别脉冲幅度的实例。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.2.8 用施密特触发器鉴别脉冲幅度第6章 脉冲波形的产生与变换4.构成多谐振荡器构成多谐振荡器利用施密特触发器的滞回特性还能构成多谐振荡器，如图6.2.9所示。具体内容将在本章的6.4节中介绍。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.2.9 施密特构成的多谐振荡器及输入、输出波形
11、(a)多谐振荡器；(b)输入、输出波形第6章 脉冲波形的产生与变换6.3.1 单稳态触发器的特点及应用单稳态触发器的特点及应用 1.单稳态触发器的特点单稳态触发器的特点(1)电路仅有一个稳态，另一个是暂稳态。(2)在外加触发信号的作用下，电路可从稳态翻转到暂稳态。(3)暂稳态维持一段时间后会自动返回稳态，其持续时间取决于电路本身的参数，与外加触发信号无关。2.单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用利用单稳态触发器可实现脉冲整形、脉冲定时及延时等功能。6.3 单稳态触发器单稳态触发器第6章 脉冲波形的产生与变换6.3.2 门电路构成的单稳态触发器门电路构成的单稳态触发器 常见的门电路构成的单稳态触
12、发器分为微分型和积分型两种。1.微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器图6.3.1给出了用CMOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器。1)微分型单稳态触发器的结构2)工作原理第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.3.1 微分型单稳态触发器第6章 脉冲波形的产生与变换当有出发脉冲ui加到输入端时(即ui有个上跳时)，ud随之上跳同样的值(因为Cd两端的电压不能突变)，所以在Rd及Cd的作用下，ud得到一个窄的正(负)脉冲，当ud上升到G1门的开启电压UTH时，电路将进入以下的正反馈过程。第6章 脉冲波形的产生与变换这个过程使得uo1迅速跳变为低电平。由于电容上的电压不能发生突跳，因此ui2
13、也同时下跳至低电平，并使uo跳变为高电平，此时电路进入暂稳态。这时即使ud回到低电平，uo的高电平仍将维持。与此同时，电容C开始充电(充电过程如图6.3.2所示)。随着充电过程的进行ui2逐渐升高，当ui2升至G2门的开启电压UTH，同时ud又处在低电平时，电路又将进入到另一个正反馈过程。第6章 脉冲波形的产生与变换这个过程使uo1 迅速跳变为高电平，uo迅速返回低电平。同时，电容C通过电阻R和G2门的输入保护电路VD1进行放电(放电过程如图6.3.3所示)，直至电容上的电压为0，电路恢复到稳定状态。其工作过程如图6.3.4所示。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.3.2 图6.3.1电路中电
14、容C充电等效电路第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.3.3 图6.3.1电路中电容C放电等效电路第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.3.4 图6.3.1电路的电压波形图第6章 脉冲波形的产生与变换3)参数计算(1)输出脉冲的宽度tw。由图6.3.4可见，输出脉冲的宽度tw等于从电容C开始充电到ui2上升至G2门的开启电压UTH时的这段时间，则uC(0)=0、uC()=UDD，由电路知识可得：(6.3.1)RCRCUUURCt69.02ln0lnTHDDDDW第6章 脉冲波形的产生与变换(2)输出脉冲的幅度。输出脉冲的幅度是指输出电压的最小值与最大值之间的范围。由图6.3.4可知其值为(6.3.
15、2)(3)恢复时间tre。恢复时间tre是指从输出电压返回到低电平开始一直到电容C放电完毕后电路恢复到起始的稳态时所需要的时间。通常为tre(35)RONC(6.3.3)DDoLoHmUUUU第6章 脉冲波形的产生与变换(4)分辨时间td。分辨时间td是指在保证电路能正常工作的前提下，允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔，故有：td=tw+tre(6.3.4)第6章 脉冲波形的产生与变换2.积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器 1)电路的组成 图6.3.5是用TTL与非门和反相器以及RC积分电路组成的积分型单稳触发器。为了确保uo1为低电平时，第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.3.5 积分
16、型单稳态触发器第6章 脉冲波形的产生与变换2)工作原理图6.3.6给出了电路中各点的电压波形。图 6.3.6 图6.3.5电路的电压波形图第6章 脉冲波形的产生与变换3)参数计算(1)输出脉冲的宽度。由图6.3.6可知，输出脉冲的宽度等于从电容C开始放电到uA下降至uA=UTH的时间，图6.3.7(a)给出了电容C放电的等效电路。当uA为高电平时，由于G2的输入电流非常小(此时G2的输入级处于倒置状态)，可以忽略不计，因而电容C放电的等效电路可以简化为如图6.3.7(b)所示，其中Ro为G1输出低电平时的输出电阻。图6.3.7(c)给出了uA的放电曲线。第6章 脉冲波形的产生与变换由图6.3.
17、7(c)可得到uA(0)=UoH，uA()=UoLuA(t)=UTH，则由电路中三要素公式可得到(6.3.5)THoLoHoL0wln)(UUUUCRRt第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.3.7 图6.3.5电路中电容C的放电回路及uA变化曲线(a)电容C的放电回路；(b)等效的放电回路；(c)电容C放电时uA变化的曲线第6章 脉冲波形的产生与变换(2)输出脉冲的幅度：Um=U0HUoL(6.3.6)(3)恢复时间tre。恢复时间等于跳变为高电平后电容C充电至UoH所经过的时间。若取充电时间常数的35倍时间为恢复时间，则得(6.3.7)CRRt）（/0re)53(第6章 脉冲波形的产生与变换
18、(4)分辨时间td。电路的分辨时间应为触发脉冲的宽度tTR和恢复时间之和，即td=tTR+tre(6.3.8)第6章 脉冲波形的产生与变换6.3.3 集成单稳态触发器目前，经常使用的集成单稳态触发器有不可重复触发型和可重复触发型两种。可重复触发型的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲也不会影响电路的工作过程，但必须在暂稳态结束以后，它才能接受下一个触发脉冲而转入暂稳态，如图6.3.8(a)所示。而可重复触发型的单稳态触发器就不同了，电路被触发而进入暂稳态以后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，输出脉冲再继续维持一个tw宽度，如图6.3.8(b)所示。第6章 脉冲波形的产生
19、与变换图 6.3.8 不可重复触发型与可重复触发型的单稳态触发器的工作波形(a)不可重复触发器型；(b)可重复触发器型第6章 脉冲波形的产生与变换图6.3.9是TTL集成单稳态触发器74121简化的原理性逻辑图。图 6.3.9 集成单稳态触发器74121简化的逻辑图第6章 脉冲波形的产生与变换1)电路的组成 2)工作原理表6.3.1给出了74121的功能表，图6.3.10给出了74121在触发脉冲作用下的工作过程波形图。第6章 脉冲波形的产生与变换表表6.3.1 集成单稳态触发器集成单稳态触发器74121的功能表的功能表第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.3.10 集成单稳态触发器74121的
20、工作波形第6章 脉冲波形的产生与变换3)参数计算由门电路单稳态触发器的计算公式可以得到74121输出脉冲宽度的公式为twRextCext ln2=0.69RextCext(6.3.9)通常Rext的取值在230 k之间，Cext的取值在10 pF10 F之间，得到的tw的值为20 ns200 ms。第6章 脉冲波形的产生与变换图6.3.11给出了这两种外部连接的方式。图 6.3.11 集成单稳态触发器74121的两种外部连接方式(a)使用Rext(下降沿触发)；(b)使用Rint(上升沿触发)第6章 脉冲波形的产生与变换6.4.1 多谐振荡器的特点多谐振荡器的特点多谐振荡器具有以下特点：(1)
21、电路没有稳定状态，电路的两个状态均为暂稳态。(2)电路状态的变化无需触发信号的作用。6.4 多多 谐谐 振振 荡荡 器器第6章 脉冲波形的产生与变换6.4.2 门电路构成的多谐振荡器门电路构成的多谐振荡器1.对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器1)结构特点图6.4.1给出了一种典型的对称式多谐振荡器的电路，它是由反相器G1、G2，耦合电容C1、C2及反馈电阻Rf1、Rf2组成的正反馈振荡电路。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.4.1 对称式多谐振荡器第6章 脉冲波形的产生与变换2)工作原理为了使电路产生振荡，反相器的静态工作点必须设置在放大区。图6.4.1中的反馈电阻Rf1、Rf2就是用来给G1
22、、G2提供合适的静态偏置而设置的。图6.4.2给出了计算G1静态工作点的等效电路。若忽略门电路的输出电阻，那么由图6.4.2可以得到：(6.4.1)o1211BECC211i)(uRRRUURRRufff第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.4.2 计算G1静态工作点的等效电路第6章 脉冲波形的产生与变换静态时，uo=0，式(6.4.1)可写为(6.4.2)式(6.4.1)所确定的直线与G1门电压传输曲线的交点P就为G1门的静态工作点，如图6.4.3所示。对74系列的反相器来说，当R为0.50.9 k时，就可使该门的静态工作点设置在它的电压传输曲线的转折区或是线性区。)(BECC111iUURR
23、Ruff第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.4.3 TTL反相器的电压传输特性第6章 脉冲波形的产生与变换若电源波动或外界干扰使ui1有微小的正跳变，则电路将会引起如下的正反馈过程：从而使uo1迅速跳变为低电平、uo2迅速跳变为高电平，电路进入第一个暂稳态。同时电容C1开始充电而C2开始放电。图6.4.4给出了C1充电和C2放电的等效电路。图6.4.4(a)中的RE1和UE1分别是由戴维宁定理求得的等效电阻和等效电压源，它们分别为第6章 脉冲波形的产生与变换(6.4.4)21212E1/fffRRRRRRR)(BEoH2CC212oH2E1UUURRRUUff(6.4.3)第6章 脉冲波形的产
24、生与变换图 6.4.4 图6.4.1电路中电容的充、放电等效电路(a)C1充电等效电路；(b)C2放电等效电路第6章 脉冲波形的产生与变换由于UCC和UoH2同时给C1充电，因此C1首先上升到G2门的开启电压Uth，同时引起如下的正反馈过程：从而使uo2迅速跳变至低电平而uo1迅速跳变至高电平，电路进入第二个暂稳态。同时，C2开始充电而C1开始放电。如此周而复始，电路便不停地振荡。图6.4.5 给出了电路中各点电压的波形。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.4.5 图6.4.1电路中各点的电压波形第6章 脉冲波形的产生与变换3)参数计算 由上面的分析可以看到，第一个暂稳态的持续时间T1等于ui
25、2从UH1开始上升至UTH的时间。即电容C1由UiL开始充电直到ui2上升至UTH的时间。根据电路中的有关公式可以得到：(6.4.5)式中，UE1为uC1()的值，UiL为uC1(0)的值。THE1iLE11E11lnUUUUCRT第6章 脉冲波形的产生与变换由电路的对称性可得总的振荡周期T应该等于T1的两倍。即(6.4.6)THE1iLE11E11ln22UUUUCRTT第6章 脉冲波形的产生与变换当Rf1=Rf2=Rf，C1=C2=C时，如图6.4.1所示电路的振荡周期为(6.4.7)THEiLEE1ln22UUUUCRTT第6章 脉冲波形的产生与变换若G1、G2均为74系列，且当RfR1
26、、UoH=3.4 V、UiL=1 V、Uth=1.1 V时，则可得到(6.4.8)CRUUUUCRTff3.1ln2THoHiLoH第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.4.6 非对称式多谐振荡器第6章 脉冲波形的产生与变换2.非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器1)结构特点图6.4.6给出了用CMOS反相器构成的非对称式多谐振荡器。它是由反相器G1、G2，耦合电容C及反馈电阻Rf组成的正反馈振荡电路。2)工作原理 (1)静态分析。静态时，由于CMOS门电路的输入电阻非常大，其输入电流在正常的输入高、低电平范围内几乎等于零，Rf两端无电压，故G1工作在uo1=ui1，在CMOS反相器的电压传输特
27、性上作直线uo1=ui1，两直线的交点就是G1的静态工作点，如图6.4.7所示。又因为uo1=ui2，所以G2的静态工作点与G1的重合，均在CMOS反相器转折区的中点。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.4.7 图6.4.6电路中CMOS反相器静态工作点的确定第6章 脉冲波形的产生与变换(2)动态分析。如果由于某些原因使ui1发生极微小的正跳变，则电路将引起如下的正反馈过程：从而使uo1迅速跳变为低电平，而uo2迅速跳变为高电平，电路进入第一个暂稳态。同时电容C开始放电，放电的等效电路如图6.4.8(a)所示。图中的RON(N)和RON(P)分别为N沟道MOS管和P沟道MOS管的导通内阻，随着
28、电容C的放电，ui1逐渐下降，当ui1=Uth时，电路又进入到另一个正反馈过程：第6章 脉冲波形的产生与变换从而使uo1迅速跳变为高电平，而uo2迅速跳变为低电平，电路进入第二个暂稳态。同时电容C开始充电，充电的等效电路如图6.4.8(b)所示。随着电容C的充电，ui1不断升高，当升至ui1=Uth时，电路又重新转换为第一个暂稳态。因此，电路便不停地在两个暂稳态之间振荡。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.4.8 图6.4.6电路中电容C的充、放电等效电路(a)电容C放电等效电路；(b)电容C充电等效电路第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.4.9 图6.4.6电路中各点电压波形第6章 脉冲波形
29、的产生与变换3)参数计算 由图6.4.9可得电路的振荡周期为T=T1+T2。若G1的输入端的保护电阻Rp很大，G1的输入电流就可忽略不计，当RfRON(N)及RfRON(P)时，电容C充、放电的时间T1、T2可以近似为(6.4.9)3ln)(lnthDDDDthDD1CRUUUUUCRTff第6章 脉冲波形的产生与变换及(6.4.10)则电路的振荡周期为T=T1+T22RfC ln3=2.2RfC(6.4.11)3ln0)(0lnthDDth2CRUUUCRTff第6章 脉冲波形的产生与变换3.环形振荡器环形振荡器 环形振荡器是将奇数个反相器首尾相接构成的，图6.4.10所示的电路是一个最简单
30、的环形振荡器，它由三个反相器首尾相连组成。若由于某种原因使ui1产生了微小的正跳变，则电路将引发如下的循环：ui1ui2ui3uo1(ui1)如果假设各逻辑门的传输延迟时间均为tpd，则电路经过3tpd的时间以后，ui1又自动跳变为低电平，可以推想，再经过3tpd以后，ui1又将跳变为高电平。如此周而复始，就产生了振荡。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.4.10 由反相器组成的环形振荡器第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.4.11 图6.4.10电路的工作波形第6章 脉冲波形的产生与变换图6.4.11给出了图6.4.10电路的工作波形图。其电路的振荡周期为T=6tpd(6.4.12)将任何n
31、3的奇数个反相器首尾相接构成环形电路，都能产生自激振荡，而且振荡周期为T=2ntpd(6.4.13)其中n为串联反相器的个数。第6章 脉冲波形的产生与变换4.石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器在前面所讲的几种多谐振荡器电路中，由于它们的振荡频率主要取决于门电路输入电压在充、放电过程中达到转换电平所需要的时间，如果这些振荡器中门电路的转换电平自身易受电源电压和温度变化的影响，那么将会严重影响这些振荡器振荡频率的稳定度。为了提高多谐振荡器的稳定度，目前普遍采用的一种方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。图6.4.12给出了一种石英晶体多谐振荡器。第6章 脉冲波形的产生与变
32、换图 6.4.12 石英晶体多谐振荡器第6章 脉冲波形的产生与变换1)电路组成石英晶体多谐振荡器是由石英晶体与对称式多谐振荡器中的耦合电容串联起来构成的。第6章 脉冲波形的产生与变换2)工作原理图6.4.13给出了石英晶体的阻抗特性及符号。由石英晶体的阻抗频率特性可知，当外加电压的频率为f0或fs时，它的阻抗最小，所以把它接入多谐振荡器的正反馈环路中后，频率为f0或fs的电压信号最容易通过，并在电路中形成正反馈，而其他频率信号经过石英晶体时被衰减。因此，振荡器的工作频率就为f0或fs，而与外接电阻、电容无关。由于石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率，因此石英晶体多谐振荡器具
33、有极高的频率稳定性，它的频率稳定度可达10101011。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.4.13 石英晶体的符号及阻抗特性(a)符号；(b)阻抗特性第6章 脉冲波形的产生与变换6.4.3 施密特触发器构成的多谐振荡器施密特触发器构成的多谐振荡器由于施密特触发器有两个翻转电压，因此利用施密特触发器的这个特点就可以很方便地得到矩形脉冲波。图6.4.14给出了由施密特触发器构成的多谐振荡器的电路。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.4.14 用施密特触发器构成的多谐振荡器第6章 脉冲波形的产生与变换1.电路的结构电路的结构 图6.4.14是由施密特触发器及RC积分电路构成的，其中RC积分电路用于
34、实现电路的充电、放电过程。2.工作原理工作原理由于电容C上的初始电压为零，因此电路的初始输出值为高电平，当电源接通后，输出的高电平将通过电阻R向电容C充电，直至输入电压为ui=U+，此时输出电位就从原来的高电平跳变为低电平。输出电位跳变为低电平后，电容C又经过电阻R开始放电，直至放电至ui=U，输出电位再次从低电平跳变成高电平，同时电阻R通过电容C重新开始充电。如此周而复始，电路便不停地输出矩形波。图6.4.15给出了电路中ui和uo的波形。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.4.15 施密特触发器构成的多谐振荡器的波形第6章 脉冲波形的产生与变换3.参数计算参数计算 若电路的UoH=UDD，
35、UoL=0，则根据图6.4.15的电压波形可以得到电路的振荡周期为(6.4.14)ln(lnlnDDDDDDDD21UUUUUURCUURCUUUURCTTT第6章 脉冲波形的产生与变换由于图6.4.14电路中电容C的充、放电的回路都相同，故电路输出波形的占空比是固定的，无法调节，若要想调节电路的振荡周期，就只有通过改变电路中的R和C才能实现。即将电路的充、放电回路分开，图6.4.16给出了脉冲占空比可调的电路。当输出为高电平时，由于VD1截止，VD2导通，输出的高电平将通过电阻R2向电容C充电直至ui=U+时，输出电位就从原来的高电平跳变为低电平。同时，由于VD1导通，VD2截止，电容C通过
36、R1开始放电，因此通过改变电阻R1和R2就能改变电路的占空比。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.4.16 脉冲占空比可调的多谐振荡器第6章 脉冲波形的产生与变换6.5.1 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能1.电路结构电路结构 图6.5.1给出了国产双极型定时器CB555电路的结构框图。CB555集成电路主要由分压器、两个高精度电压比较器、一个RS触发器及一个集电极开路的放电三极管VD四部分组成，它是一种模拟电路和数字电路相结合的器件。6.5 555定时器及其应用定时器及其应用第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.5.1 CB555电路的结构框图第6章 脉冲波形的产生与变换1)
37、分压器2)比较器3)基本RS触发器4)集电极开路的放电三极管VD第6章 脉冲波形的产生与变换2.工作原理及特点工作原理及特点1)工作原理根据图6.5.1所示的结构图可以得到CB555定时器的功能表，如表6.5.1所示。2)特点第6章 脉冲波形的产生与变换表表6.5.1 CB555定时器的功能表定时器的功能表第6章 脉冲波形的产生与变换6.5.2 555定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器1.电路的组成电路的组成 图6.5.2(a)给出了由CB555定时器构成的施密特触发器的电路图。若将CB555中的2、6端连接作为电路的输入，将4、8端同时接高电平，即可得到施密特触发器。图中的电容
38、C=0.01 F，它可以提高两个比较器参考电压的稳定性。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.5.2 由555构成的施密特电路、施密特电路的工作波形及其传输特性(a)施密特触发器；(b)施密特电路的工作波形；(c)施密特电路的传输特性第6章 脉冲波形的产生与变换2.工作原理工作原理电路的工作波形如图6.5.2(b)所示。由上可看出，当ui从低电平逐渐升高时，引起电路状态改变，即电路由高电平变为低电平，此时，输入电压为；当ui从高电平逐渐下降为低电平时，引起电路状态改变，即电路由低电平变为高电平，此时输入电压为。这两个电压之差则为电路的回差电压，即UT=U+U(6.5.1)CC32UUCC31UU
39、第6章 脉冲波形的产生与变换6.5.3 555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器1.电路组成电路组成图6.5.3(a)给出了由CB555定时器构成的单稳态触发器的电路图。若将CB555定时器的ui2端作为触发信号的输入端，将CB555定时器的6、7端相连且在7、8端接电阻R，在7、1端接电容C，就构成了单稳态触发器。当5端不用时，一般均用0.01 F的电容接地，以防干扰。2.工作原理工作原理第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.5.3 由555构成的单稳触发器的电路图及电压波形(a)单稳态触发器；(b)单稳触发器的电压波形第6章 脉冲波形的产生与变换3.参数计算参数计算由图6.5.
40、3(b)不难看出，输出脉冲的宽度tw等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻R和电容C的大小。它等于电容电压在充电过程中从0开始直至上升到所需要的时间，因此可得到：(6.5.2)RCRCUUURCtuuuut1.13ln320ln)()()0()(lnCCCCCCwCCCCWCC32U第6章 脉冲波形的产生与变换通常R的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容C的取值范围为几百皮法到几百微法，tw的范围为几微秒到几分钟。从式(6.5.2)可知，通过改变比较器的参考电压或是改变定时元件R及C均能改变tw的大小，但必须注意，随着tw的增加，电路的精度和稳定度将会下降。为了使电路能正常工作，
41、要求外加触发脉冲的宽度一定要小于tw，且负脉冲的数值一定要小于，为此，常在电路的输入端加入一微分电路，如图6.5.4所示。CC31U第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.5.4 具有微分环节的单稳电路第6章 脉冲波形的产生与变换6.5.4 555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器1.电路组成电路组成 图6.5.5给出了用CB555构成的多谐振荡器。第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.5.5 由555构成的多谐振荡器第6章 脉冲波形的产生与变换2.工作原理工作原理图6.5.6给出了电路中ui和uo的波形。图 6.5.6 555多谐振荡器的工作波形第6章 脉冲波形的产生与变换3.参数计算由
42、图6.5.6可知，电路处在第一个暂稳态时，UCC通过R1、R2向电容C充电，其暂稳态过程为(6.5.3)CRRUuu）（充电21CCCC)(0)0(第6章 脉冲波形的产生与变换则有(6.5.4)2ln)(3231ln)(21CCCCCCCC211CRRUUUUCRRT第6章 脉冲波形的产生与变换当充电到时，即电路进入第二个暂稳态时，VD导通，电容C开始通过R2和VD放电，放电过程为(6.5.5)则有(6.5.6)CCC32UuCRuUu2CCCC0)(32)0(放电2ln3100ln2CCCC22CRUUCET第6章 脉冲波形的产生与变换电路的振荡周期为T=T1+T2=(R1+2R2)C ln
43、2=0.7(R1+2R2)C(6.5.7)由式(6.5.7)可以发现，通过改变电阻R1、R2和C值即可改变振荡频率，当然也可通过改变5脚电压uC0来改变比较器C1及C2的参考电压，从而达到改变振荡频率的目的。为了能确切地反映输出波形的形状，我们引进占空比的概念q，即第6章 脉冲波形的产生与变换(6.5.8)若要调节占空比，则还需对图6.5.5的电路略加改进，图6.5.7给出了一种占空比可调的多谐振荡器。%100221211RRRRTTq第6章 脉冲波形的产生与变换图 6.5.7 占空比可调振荡器第6章 脉冲波形的产生与变换该电路的充放电回路不同，充电回路为R1、VD1及C1，放电回路为R2、V
44、D2、C1和VD。通过改变RP的位置就可以改变输出波形的占空比，并且还不会改变R1+R2的值。所以该电路的振荡周期为(6.5.9)占空比q为(6.5.10)CRRT）（放电充电217.02ln)(2111RRRTTq第6章 脉冲波形的产生与变换1.本章重点内容本章重点内容本章重点介绍了用于产生矩形脉冲的两类电路。一类是脉冲整形电路，该电路是将输入的其他形状的周期性信号变换为矩形脉冲信号，从而达到整形的目的。施密特触发器和单稳态触发器是最常用的两种脉冲整形电路。6.6 本章小结本章小结第6章 脉冲波形的产生与变换另一类是利用闭合回路的反馈网络产生自激振荡的脉冲振荡器，其中对称式多谐振荡器、非对称
45、式多谐振荡器以及石英晶体多谐振荡器是通过正反馈网络实现振荡的，而环形振荡器和用施密特触发器组成的振荡器是通过负反馈网络实现振荡的，它们不需要外加输入信号，只要接通供电电源，就自动产生矩形脉冲信号。555定时器是一种用途很广的集成电路，除了能组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器以外，还可以组成其他各种应用电路。第6章 脉冲波形的产生与变换2.本章难点内容本章难点内容 由门电路构成的单稳态触发器和多谐振荡器的工作原理的分析及有关参数的计算是本章的难点，主要存在的问题是对电路的暂稳态过程不够清楚，针对这种情况我们给出了分析这类电路的一般方法，即第6章 脉冲波形的产生与变换 (1)仔细分析电路的
46、结构特点，搞清电路的工作过程，找到电路状态变化的原因。(2)画出控制电压充、放电的等效电路，并化简电路。(3)定性地画出电路中各点电压的波形，找出电路的翻转电压。(4)确定充、放电回路中电容两端电压的起始值、终止值和转换值。(5)计算充、放电时间，求出所需的计算结果。第6章 脉冲波形的产生与变换3.本章需注意的问题本章需注意的问题(1)本章所说的触发器和第4章中所讲的触发器是性质完全不同的两种电路。这很容易令初学者产生误解，错误地认为本章所涉及的触发器和通常所说的触发器是同一类电路。(2)由于施密特触发器输出的高、低电平随输入信号的电平变化而改变，因此它的输出脉冲的宽度是由输入信号决定的。而单
47、稳态触发器由于其脉冲宽度是由电路的充、放电过程决定的，因此其输出脉冲的宽度由其自身的参数决定而与输入信号无关。所以单稳态触发器可以产生脉冲宽度固定的脉冲信号。第6章 脉冲波形的产生与变换(3)为了保证单稳态电路能够正常工作，要求触发信号必须足够窄，所以通常在单稳态电路的输入端加上微分电路。在图6.5.4中，若没有Cp、Rp将ui直接接到比较器C2的同相输入端，当ui的负脉宽较宽时，则在触发脉冲到达时，锁存器RS被置“1”态，电路的输出由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态，三极管VD截止，电容C开始充电。当充电至时，若此时触发脉冲仍为低电平，则输出将保持高电平不变，一直到ui跳变为高电平时，输出
48、才回到低电平。CC32U第6章 脉冲波形的产生与变换上述过程说明电路已不能正常工作，输出脉冲的宽度将不再由电路本身的参数决定，而由触发脉冲的低电平持续时间决定。除此之外，为了保证单稳态电路能够正常工作，对于触发信号的幅度也有要求，触发信号的幅度必须能将触发输入端(2脚)的电压降到UR2以下，电路才能被触发。(4)用TTL门电路组成微分型单稳态触发器时，其定时电阻R不能过大，通常应选R0.7 k。第6章 脉冲波形的产生与变换(5)在555定时器组成的电路中，为了稳定5脚的输出电压及滤除干扰信号，通常在5 脚与地之间接一个0.01 F的电容。若5脚的电压不稳定，将直接影响单稳态电路的暂稳态时间、多
49、谐或施密特触发器的U+及U值，使电路特性参数的计算结果不准确。在555组成的多谐电路中，在电源与地之间也接一个电容，可以滤除干扰信号。第6章 脉冲波形的产生与变换例例6.7.1 如图6.4.1所示的对称多谐振荡器中，已知Rf1=Rf2=1 k，C1=C2=0.1 F。设G1、G2的UoH=3.4 V，UiL=1 V，Uth=1.1 V，R1=20 k，UCC=5 V，试计算电路的振荡频率。解解 由式(6.4.3)和式(6.4.4)可知：6.7 例题精选例题精选V44.3)(k95.0BEoHCC1oHE11EUUURRRUURRRRRffff第6章 脉冲波形的产生与变换由式(5.4.6)可知：
50、故振荡频率为s1022.1ln24thEiLE1UUUUCRTkHz2.81Tf第6章 脉冲波形的产生与变换例例6.7.2 试用CB555定时器设计一个多谐振荡器，要求振荡周期为1 s，输出脉冲幅度为34 V，输出脉冲的占空比q=2/3。解解 由CB555的特性参数可知，当电源电压为5 V时，在100 mA的输出电流下输出电压的典型值为3.3 V，所以取UCC=5 V，就可以满足对输出脉冲的要求。根据，则得到R1=R2。由周期的计算公式得：T=(R1+2R2)C ln2=1若取C=10 F，则可得到k。设计结果如图6.7.1所示。3222121RRRRq482ln311CR第6章 脉冲波形的产
