脉冲的产生与变换

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第8章,脉冲的产生与变换,第8章,脉冲的产生与变换,8.1 555定时器电路,8.3 单稳态触发器,退 出,8.2 施密特触发器,8.4,多谐振荡器,8.1 555,定时器电路,8.1.1 555,定时器电路的组成,8.1.2 555,定时器的工作原理,8.1.1 555定时器电路的组成,以下图(a)为555电路的内部结构图，图 (b)为其引脚图。,由图,(a),可看出，555电路由以下几部分组成：,1、,分压器,。,由,3,个,5k,的电阻组成，这也正是该电路称为,555,的原因，它将电源电压,V,CC,分为三等分，作用是为两个由集成运放构成的电压比较器,A,、,B,提供基准电平。若控制端,5,脚外加控制电压,V,M,，则可改变电压比较器,A,、,B,的基准电平，分别为,V,M,和,V,M,；,5,脚不加控制电压时，该引脚不可悬空，一般要通过一个小电容（如,0.01F,）接地，以防旁路高频干扰，此时基准电平分别为,V,CC,和,V,CC,（由,3,个,5k,的电阻对电源,V,cc,分压得到）；若,5,脚通过一个,10k,的电阻接地，则基准电平将分别为,V,CC,和,V,CC,（该,10k,的电阻与下面两个串联的,5k,电阻并联后的阻值为,5k,，然后再与上面那个,5k,电阻一起对电源,V,CC,进行串联分压）。由分析可知，,5,脚非常重要，它将影响整个由,555,构成的实用电路的各项指标。,2、,两个电压比较器A和B,。,这是两个高增益差分放大器（运算放大器）。当放大器的同相输入大于它的反相输入时，其输出为高电平,1,信号；反之，其输出为低电平,0,信号。,3、,基本RS触发器,。,由两个带反馈线的或非门构成的基本,RS,触发器显然是高电平触发，即,RS,=10,时，,Q,=0,，,=1,；当,RS,=01,时，,Q,=1,，,=0,；当,RS,= 00,时，触发器的状态不变。,4、,功能控制端 （4脚）,。,当,= 1,时，或门,H,正常工作；当,= 1,时，或门的输出恒为,1,，从而使,3,脚输出恒为低电平,0,。可见，正常工作时， 端应接高电平,1,，通常将它与,8,脚的电源接在一起。,5、,开关放电管VT,。,555,定时器在使用中大多与电容器的充放电有关，为了使充放电能够反复进行，电路特别设计了一个放电端,D,（,7,脚）。当基本,RS,触发器的,= 1,时，放电三极管,VT,导通，外接电容元件可通过,VT,放电。,8.1.2 555定时器的工作原理,分析如下：,在控制端,5,脚不外加控制电压和其他电阻且功能控制端,R,接高电平的情况下，电压比较器,A,的基准电压为,V,CC,，,B,的基准电压为,V,CC,。,1、,当,6,脚输入电平,V,i1,V,CC,时,，基本,RS,触发器的,R,=1,（因为电压比较器,A,的同相输入电压高于反相输入电压）；当,2,脚输入电平,V,i2,V,CC,时，基本,RS,触发器的,S,=0,（因为电压比较器,B,的反相输入电压高于同相输入电压），即此时,RS,=10,，基本,RS,触发器的,Q,= 0,，,Q,=1,，由于前提条件功能控制端接高电平，故或门,H,的输出仅取决于,Q,，,Q,为,1,则或门,H,输出也为,1,，再经反相器后使得,3,脚输出,V,o,为低电平,0,，同时三极管,VT,导通。概括地说就是，当,6,脚和,2,脚的输入电平与各自的基准电平相比较都高时，,3,脚输出,V,o,= 0,，三极管,VT,导通。,2、,当,6,脚输入电平,V,i1,V,CC,（即电压比较器,A,的同相输入电压低于反相输入电压），,2,脚输入电平,V,i2,V,CC,（即电压比较器,B,的同相输入电压高于反相输入电压）时，,RS,=01,，,Q,=1,，,Q,=0,，或门,H,输出为,0,，经反相器后使得,3,脚输出,V,o,为高电平,1,，同时三极管,VT,截止。概括地说就是，当,6,脚和,2,脚的输入电平与各自的基准电平相比较都低时，,3,脚输出,V,o,= 1,，三极管,VT,截止。,3、,当,6,脚输入电平,V,i1,V,CC,（即电压比较器,A,的同相输入电压低于反相输入电压），,2,脚输入电平,V,i2,V,CC,（即电压比较器,B,的同相输入电压低于反相输入电压）时，,RS,=00,，,Q,状态不变，,3,脚输出,V,o,也处于保持状态，三极管,VT,也保持原状态。,根据上述分析可总结出555定时器的功能见下表,TH(,V,i1,),(,V,i2,),V,o,三极管,VT,0,0,导通,V,CC,V,CC,1,0,导通,V,CC,V,CC,1,1,截止,V,CC,V,CC,1,原状态,原状态,即：都高出低、都低出高、中间保持,8.2 施密特触发器,8.2.1 施密特触发器的,电路组成,及工作原理,8.2.2 施密特触发器的主要应用,8.2.1 施密特触发器的电路组成及工作原理,施密特触发器具有两个稳定状态，即输出为高电平或低电平均可稳定，,由555定时器构成的施密特触发器电路如下图所示：,图中，,5,脚通过一个,0.01F,的电容接地，所以两个电压比较器,A,、,B,的基准电压分别为,V,CC,和,V,CC,。,555,已知输入,u,i,的波形，根据555定时器的功能“,都高出,0,、都低出,1,、中间保持,”,可画出输出,u,o,的波形。,施密特触发器电压传输特性：,V,TH,：上限电平（正向阈值电平）,V,TL：,下限电平（负向阈值电平）,此时,V,TH,=,V,CC,，,V,TL,=,V,CC,，把两者的差称为回差电压,U,T,，即,U,T,=,V,TH,-,V,TL,施密特触发器存在回差电压的现象称为电路传输的,滞后特性,。通常回差电压越大，施密特触发器的抗干扰性越强，但灵敏度也会相应降低。,8.2.2 施密特触发器的主要应用,1、波形变换,施密特触发器可以将任何符合特定条件的输入信号变换为矩形波输出。8.2.1中图就是一个将不规则的模拟信号波形转换为规则的矩形波的实例。施密特触发器还可以将正弦波、三角波等其他波形变换成矩形波，如左图所示。图中矩形波的脉冲宽度可以通过改变回差电压的大小加以调节。,2、波形整形,图,(a),中，若取,V,TL1,为下限电平，则整形后的波形如图,(b),所示，这样的结果显然不正确。原因是：由于回差电压较小，因而并未完全消除掉输入数字信号顶端的毛刺，只是通过整形使其在输出中表现为三个低电平矩形脉冲。若适当地增大回差电压，如图,(a),中取,V,TL2,为下限电平，则整形后的波形如图,(c),所示，显然干扰毛刺已被完全消除，此时只需在输出端接一个反相器，就可以把变了形的,数字信号,1,波形整形为整齐的正向矩形波了。,注意：回差电压的大小必须根据实际情况适当调整，此处如果回差电压选择过大，将会导致有效信号被湮没，同样起不到波形整形的目的。,3、幅度鉴别,施密特触发器的翻转取决于输入信号是否高于上限电平,V,TH,和是否低于下限电平,V,TL,。如果希望将幅度大于,V,TH,的波鉴别出来，这时施密特触发器就成为,幅度鉴别器（简称鉴幅器）,。如左图所示，当输入脉冲幅度大于,V,TH,时，,555,定时器的,6,脚和,2,脚电压都高于其基准电压，此时输出端就有负脉冲出现；而当输入脉冲幅度小于,V,TL,时，,555,定时器的,6,脚和,2,脚电压都低于其基准电压，输出端为高电平，相当于没有脉冲输出。这样，,可以从输出端是否出现负脉冲来判断输入信号幅度是否超过一定值。,8.3 单稳态触发器,8.3.1 单稳态触发器的,电路组成,及工作原理,8.3.2 单稳态触发器的主要应用,8.3.1 单稳态触发器的电路组成及工作原理,单稳态触发器是输出只有一个稳定状态的电路。它在无外加触发信号时处于,稳态,，在外加触发信号作用下，电路从稳态进入到,暂态,。暂态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路又会自动返回到稳态。,由555定时器构成的单稳态触发器电路如右图所示：,下面是单稳态电路内部详图，图中,R,、,C,是外接定时元件，,R,p,、,C,p,构成了输入回路的微分环节，其作用是使输入信号,u,i,的负脉冲宽度,t,p,限制在允许的范围内，即经过微分电路后变成尖脉冲信号，如果输入,u,i,的宽度小于输出,u,o,的宽度,T,W,，则,R,p,、,C,p,可以省略。,工作过程,1、,稳态（未加触发信号之前）。,当单稳态触发器无触发信号时，,u,i,=1,。接通电源,V,CC,的瞬间，电路有一个稳定的过程，即电源,V,CC,通过电阻,R,对电容,C,充电，当,u,C,上升到,V,CC,时，比较器,A,的输出为,1,（因为其同相输入电压高于反相输入电压），也就是基本,RS,触发器的,R,= 1,，而比较器,B,的输出为,0,（因为,u,i,V,CC,，则其同相输入电压低于反相输入电压），即,S,=0,，此时,RS,=10,，,这使得基本,RS,触发器的,Q,=1,，输出,u,o,=0,（都高出低），同时三极管,VT,导通，这时电容,C,开始通过,VT,放电，直至放电到,6,脚的电平,V,i1,=0,V,CC,，而由于仍没有触发信号,u,i,，故,2,脚电平,u,i,仍大于,V,CC,，即电路处于中间保持状态，故输出,u,o,仍保持低电平，电路进入稳定状态。这说明此时单稳态触发器的稳定状态是低电平,0,。,工作过程,2、,暂态（充电过程）。,当触发信号,u,i,（负脉冲）到来时，,R,p,、,C,p,微分后的负尖脉冲使得,2,脚的电平,V,i2,低于比较器,B,的基准电平，同时由于,u,C,为,0,（前面已放电结束），故,6,脚的电平,V,i1,也低于比较器,A,的基准电平，所以输出,u,o,=1,（都低出高），三极管,VT,截止。此时电源,V,CC,开始通过电阻,R,向电容,C,充电，在,u,C,未达到,V,CC,前，输出,u,o,始终为,1,，这个充电过程为电路的暂态过程。,3、,恢复稳态（放电过程）。,随着充电的不断进行，当,u,C,略大于,V,CC,时，,6,脚的电平,V,i1,高于比较器,A,的基准电平；而此时由于,2,脚的负尖脉冲早已过去，即,V,i2,也高于比较器,B,的基准电平，故输出,u,o,为,0,（都高出低），三极管,VT,导通，电容,C,通过,VT,迅速放电，直至,V,i1,=0,，使得输出仍保持为,0,（中间保持），即电路又回到了原先的稳定状态，直到又有负脉冲,u,i,到来。,单稳态触发器工作波形,(a),输入波形；,(b),V,i2,波形；,(c),输出波形；,(d),电容,C,的充放电波形,T,W,：,暂态持续时间,由以上分析可以看出，暂态持续的时间（也就是输出正脉冲,T,W,的宽度）仅取决于电阻,R,和电容,C,的大小，根据三要素公式,u,(,t,) =,u,() + ,u,(0,+,) -,u,()e ，可求出时间,t,（即暂态持续时间,T,W,）的表达式为,t,=,RC,ln,三要素公式中的,为时间常数，它等于,RC。,根据前面对单稳态触发器工作过程的分析，可以得到，,u,C,(0,+,) = 0V,，,u,C,(,) = V,CC,，,u,C,(t) = V,CC,（即,u,C,(T,W,) = V,CC,），将这些数据带入上式中可得,T,W,=,RC,ln =,RC,ln3 = 1.1,RC,即单稳态触发器的暂态正脉冲宽度为,T,W,= 1.1,RC,8.3.2 单稳态触发器的主要应用,1、波形整形,在数字信号的采集、传输过程中，经常会遇到不规则的脉冲信号。这时，可将不规则的脉冲信号作为触发信号,u,i,加到单稳态触发器的输入端，合理选择定时元件,R,和,C,的参数，即可在其输出端产生标准的脉冲信号，从而实现了波形整形。,2、定时,由于单稳态触发器能根据需要产生一定宽度,T,W,的正脉冲输出，因此常用作定时电路使用。即用计时开始信号去触发单稳态触发器，经,T,W,时间后，单稳态触发器便可给出到时信号，从而实现,T,W,时间的定时。例如用单稳态触发器去控制某个照明电路的通电时间或控制某个加热电路的加热时间等。,3、延时,单稳态触发器的输出脉冲宽度,T,W,也称为延迟时间。如在单稳态触发器的输入端加一个负尖脉冲，输出接一微分电路（其作用是将输出脉冲变为尖脉冲），则根据前面对单稳态触发器工作原理的分析，可知，该输入负尖脉冲经过,T,W,时间的延迟后，从单稳态触发器的输出端输出，即实现了延时功能。,8.4 多谐振荡器,8.4.1 多谐振荡器的,电路组成,及工作原理,8.4.2 石英晶体振荡器（晶振）,8.4.1,多谐振荡器,的电路组成及工作原理,多谐振荡器是一种,无稳态电路,，即其输出状态不断在,1,和,0,之间变换，因而它无需外加触发信号，便可自动产生一定频率的矩形波。它内含丰富的高次谐波分量，故称为多谐振荡器。由555定时器构成的多谐振荡器右如图所示。,多谐振荡器工作波形图,多谐振荡器工作原理：,在电路接通的瞬间，,u,C,=0,，,6,脚和,2,脚的电位都低于两个电压比较器的基准电平，所以输出,u,o,=1,（都低出高），三极管,VT,截止，此时电源,V,CC,开始通过电阻,R,1,和,R,2,向电容,C,充电。,当,C,充电到,u,C,略大于,V,CC,时，,6,脚和,2,脚的电位都高于两个电压比较器的基准电平，此时输出,u,o,=0,（都高出低），三极管导通，电容,C,将通过,R,2,和,VT,进行放电。在,u,C,低于,V,CC,之前，输出,u,o,始终为,0,（中间保持），若这段放电时间（即,u,C,从,V,CC,下降到,V,CC,所需时间）用,T,2,表示，则有,T,2,=,R,2,C,ln,将,u,C,(0,+,)=,V,CC,，,u,C,( ) =0，,u,C,(,t,) =,V,CC,（即,u,C,(,T,2,) ），带入上式可求得,放电时间,T,2,=,R,2,C,ln =,R,2,C,ln2 = 0.7,R,2,C,当,C,放电到,u,C,略小于,V,CC,时，,6,脚和,2,脚的电位都低于两个电压比较器的基准电平，输出,u,o,=1,，三极管截止，此时电源,V,CC,又通过电阻,R,1,和,R,2,向电容,C,充电。当充电到,u,C,略大于,V,CC,时，,6,脚和,2,脚的电位都高于两个电压比较器的基准电平，使得输出,u,o,=0,，三极管导通，又开始重复上述放电过程，如此反复在输出端输出矩形波。若,充电时间,（即,u,C,从,V,CC,上升到,V,CC,所需时间）用,T,1,表示，同理可近似求得,T,1,= 0.7(,R,1,+,R,2,),C,综上所述，可求得多谐振荡器的,振荡周期,为,T = T,1,+ T,2,= 0.7(R,1,+2R,2,)C,占空比：,是指一个周期内高电平所占的比值,。由前面分析知道，充电时间,T,1,对应输出为高电平的时间，所以多谐振荡器输出矩形波的占空比,D,为,D,= = （,只能产生占空比大于,50%,的矩形波,）,改进后的右图所示电路通过调节电位器,R,W,可以产生占空比处于0,1的任意矩形波，其占空比可计算为,D,=,多谐振荡器的应用,多谐振荡器可以产生具有一定占空比的矩形方波，这个方波可用作时序电路中的时钟脉冲,CP,，这是多谐振荡器最基本的用途。在实际中，多谐振荡器还有很多用处，例如下图所示的模拟声响发生器。,8.4.2 石英晶体振荡器（晶振）,由,555,定时器构成的方波发生器虽然工作可靠、调节方便，但振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫兹，且这种电路是靠电容的充放电形成振荡的，易受温度、电源电压等外界条件的影响，因而所产生振荡信号的频率稳定性较差。在频率要求高、且对频率稳定性要求也较高的场合，常采用由石英晶体构成的振荡电路（简称晶振电路）来生成振荡信号。石英晶体的符号如图(a)所示，它是将切成薄片的石英晶体置于两平板之间构成的，这种特殊的物质结构使它具有图 (b)所示的频率特性（图中,f,0,是石英晶体的,固有谐振频率,，,X,指石英晶体的阻抗）。,由频率特性图可以看出，当外加电压信号的频率等于石英晶体的,固有谐振频率,f,0,时，石英晶体的阻抗最小，也就是说频率为,f,0,的电压信号最容易通过石英晶体，而其他频率的信号则被大大衰减，因而由石英晶体构成的振荡电路所产生的振荡信号的频率主要取决于石英晶体本身的谐振频率,f,0,，而与外接的电阻、电容无关，从而使振荡信号具有很高的频率稳定性，不易受温度、电源电压等外界条件的影响。一般将石英晶体接入振荡电路的反馈回路中，构成正反馈，以形成自激振荡。,图,(c),图,(f),所示的是一些比较典型的石英晶体振荡电路，可作为了解性内容。,不论石英晶体振荡电路采用哪种电路形式，通常选择输出信号频率为32768Hz，因为32768 = 2,15,，因而将此频率的输出信号经15分频后可得到1Hz的时钟脉冲信号，作为计时或测量的基准信号。分频器可利用D触发器来构成。,典型石英晶体振荡电路,本章,小结,555,定时器主要由分压器、电压比较器、基本,RS,触发器、门电路构成。,555,定时器的功能可归结为三种情况，将,6,脚和,2,脚电平与各自的基准电平相比较：都高出低，三级管,VT,导通；都低出高，三级管,VT,截止；中间保持。,555,定时器是一种多用途电路，只需外接少量阻容元件便可组成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器及其他实用电路。,施密特触发器有两个稳定状态，这两个稳态要靠输入电平来维持，因此具有回差特性。施密特触发器能够将不规则的输入波形变成良好的矩形波，调节回差电压的大小，可改变输出脉冲的宽度。,单稳态触发器只有一个稳定状态。在外加触发信号的作用下，电路进入暂态，暂态的持续时间只取决于,R,、,C,定时元件的参数，而与输入信号无关。改变,R,、,C,定时元件的参数值可调节输出脉冲的宽度。单稳态触发器和施密特触发器主要用于对波形进行整形和变换。,多谐振荡器没有稳定状态，其接通电源后就能输出周期性的矩形脉冲。由于其振荡完全靠电路本身电容的充放电来完成，因而振荡频率的稳定性不高。在对振荡频率稳定度要求很高的情况下，可采用石英晶体振荡器，它有多种电路形式，应用非常广泛。,