1第6章脈沖的產(chǎn)生與整形電路2

6.1概述

本章主要討論脈沖整形及產(chǎn)生脈沖信號的基本單元電路,如施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器及其相關(guān)的應(yīng)用電路。脈沖信號廣泛存在于數(shù)字電路或系統(tǒng)中,脈沖信號可以用來表示信息,也可以用來作為載波,比如計數(shù)器的計數(shù)脈沖、脈沖調(diào)制中的脈沖編碼調(diào)制(PCM)與脈沖寬度調(diào)制(PWM)等。所謂脈沖信號,狹義上講,是指物理量的變化在時間上和數(shù)值上都是不連續(xù)的信號;廣義上講,凡是不具有正弦波形狀的信號,幾乎都可以統(tǒng)稱為脈沖信號,如矩形波、方波、鋸齒波和尖頂波等都屬于脈沖信號。最常見的脈沖電壓波形是矩形波和方波。為了定量描述矩形脈沖的特性,通常給出如圖6-1所標注的幾個參數(shù)。3圖6-1描述矩形脈沖特性的主要參數(shù)456.2門電路構(gòu)成的脈沖產(chǎn)生與整形電路6.2.1施密特觸發(fā)器

1.門電路組成的施密特觸發(fā)器

1)電路組成將兩級CMOS反相器串接起來,同時通過兩個電阻分壓將輸出端的電壓反饋到輸入端,就構(gòu)成了施密特觸發(fā)器,如圖62(a)所示。圖(b)為施密特觸發(fā)器的圖形符號(上圖為同相施密特觸發(fā)器的圖形符號,下圖為反相施密特觸發(fā)器的圖形符號)。6789103)回差特性施密特觸發(fā)器由第一階段翻轉(zhuǎn)到第二階段的正向閾值電壓UT+與第二階段返回至第一階段的負向閾值電壓UT-是不同的,故形成了回差?；夭铍妷簽?6-4)112.集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器具有性能一致性好、觸發(fā)電平穩(wěn)定、使用方便等特點,故應(yīng)用廣泛。集成施密特觸發(fā)器主要有CMOS和TTL兩大類;按其邏輯功能不同又可分為施密特反相器和施密特與非門。CC40106是CMOS六施密特反相器,其中有6個相同的施密特反相器,引腳排列如圖6-5所示,邏輯功能同普通反相器,差異在于閾值電壓不同。74LS132為TTL四2輸入施密特與非門,即每片74LS132中有4個相同的具有2個輸入端的與非門,引腳排列如圖6-6所示,邏輯功能同普通與非門,差異在于閾值電壓不相同。1213143.施密特觸發(fā)器的應(yīng)用施密特觸發(fā)器應(yīng)用非常廣泛,例如波形變換、脈沖的整形、脈沖的鑒幅等。下面是幾個最常見的例子。(1)波形變換。利用反相施密特觸發(fā)器,將非矩形波信號(如三角波、正弦波等)變換成矩形脈沖。如圖6-7所示,將正弦波變換成矩形脈沖,輸出脈沖寬度可以由回差ΔUT=UT+-UT-

調(diào)節(jié)。15(2)脈沖的整形。利用反相施密特觸發(fā)器,將不規(guī)則的輸入信號整形成理想的矩形脈沖也是施密特觸發(fā)器的重要應(yīng)用,如圖6-8所示。166.2.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器前面講的施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定的狀態(tài):“0”狀態(tài)和“1”狀態(tài),所以觸發(fā)器又被稱為雙穩(wěn)態(tài)電路。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個穩(wěn)定狀態(tài),要么是“0”狀態(tài),要么是“1”狀態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特點如下:(1)沒有受到外界觸發(fā)脈沖作用的情況下,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器保持在穩(wěn)定狀態(tài)(簡稱穩(wěn)態(tài))。(2)在外界觸發(fā)脈沖的作用下,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),進入“暫穩(wěn)態(tài)”(此狀態(tài)不能穩(wěn)定存在,所以稱為暫穩(wěn)態(tài))。假設(shè)穩(wěn)態(tài)為“0”,則暫穩(wěn)態(tài)為“1”;若穩(wěn)態(tài)為“1”,則暫穩(wěn)態(tài)為“0”。(3)暫穩(wěn)態(tài)是不能長久保持的狀態(tài),經(jīng)過一段時間,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器從暫穩(wěn)態(tài)自動返回穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫態(tài)停留的時間與外加觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān),僅取決于電路17圖6-8脈沖的整形181.微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1)電路組成微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的基本電路通常由CMOS門電路及RC微分電路構(gòu)成。由或非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,如圖69所示。或非門作為開關(guān)元件,RC電路作為定時電路。1920圖6-10圖6-9電路的電壓波形2122

3)電路參數(shù)計算

(1)輸出脈沖寬度tW

。輸出脈沖的寬度等于暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間,即電容C

上電壓uC

由0充電開始,到使ui2上升到UTH

所需要的時間。23

2.集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路共同的缺點是:輸出的脈寬穩(wěn)定性差、調(diào)節(jié)范圍很小、觸發(fā)方式不夠靈活等。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,具有功能全、溫度特性好、抗干擾能力強等優(yōu)點,并且通過改變外接電阻和電容參數(shù),就可方便調(diào)節(jié)脈沖寬度,它在數(shù)字電子系統(tǒng)中應(yīng)用得非常廣泛。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器根據(jù)電路及工作狀態(tài)不同分為不可重復(fù)觸發(fā)和可重復(fù)觸發(fā)兩種,如圖6－11所示。24252627

3.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用

1)脈沖整形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以把不規(guī)則的輸入信號ui

整形成為幅度和寬度都相同的標準矩形脈沖uo。其幅度取決于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的高、低電平,寬度tW

取決于暫穩(wěn)態(tài)的時間,如圖6－13所示。圖6－13單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對脈沖整形2829

【例6－1】試用74LS121集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將頻率為50kHz、占空比為80%的矩形波變換成同頻率的占空比為50%的方波,輸入ui、輸出uo波形如圖6－15所示。試畫出實現(xiàn)的電路圖。3031326.2.3多諧振蕩器

1.用CMOS門電路構(gòu)成的多諧振蕩器用門電路構(gòu)成的多諧振蕩器,如圖6－17所示。圖(a)為邏輯圖,圖(b)為工作波形。多諧振蕩器根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)不同分為對稱式和非對稱式兩種。圖6－17(a)為非對稱多諧振蕩器。結(jié)合圖6－17(b)ui1

看,電路在T1

時刻,假設(shè)ui1

指數(shù)下降到G1

的閾值電壓UTH,將會產(chǎn)生如下正反饋:33343536

2.用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器前面已經(jīng)講過,施密特觸發(fā)器最突出的特點是它的電壓傳輸特性有一個回差區(qū)。由此我們想到,倘若能使它的輸入電壓在UT+與UT-之間不停地往復(fù)變化,那么在輸出端就可以得到矩形脈沖了。實現(xiàn)上述設(shè)想的方法很簡單,只要將施密特觸發(fā)器的反相輸出端經(jīng)RC積分電路接回輸入端即可,如圖6－18所示。37383940416.3555定時器及其組成的脈沖產(chǎn)生與整形電路6.3.1555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能

555定時器是一種將模擬電路和數(shù)字電路混合集成于一體的多用途電子器件,其國產(chǎn)雙極型定時器CB555的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)與引腳排列,如圖6－20所示。42434445466.3.2555定時器的應(yīng)用

1.用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器將555定時器的2腳和6腳接在一起,可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器,如圖621(a)所示。我們簡記為“二六一搭”。為了提高比較器參考電壓UR1和UR2的穩(wěn)定性,通常在控制電壓輸入CON端(5腳)接0.01μF左右的濾波電容。47484950515253545556575859

6.4實驗:555定時器的實踐應(yīng)用1.實驗?zāi)康?1)了解集成555定時器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理及特點。(2)掌握集成555定時器的基本應(yīng)用。(3)熟悉集成555定時器應(yīng)用電路的測試方法。2.實驗儀器(1)直流穩(wěn)壓電源。(2)雙蹤示波器。(3)數(shù)字電路實驗箱(能提供連續(xù)脈沖、單脈沖等)。(4)信號發(fā)生器。(5)555定時器。(6)二極管等。60

3.實驗內(nèi)容集成555定時器是一種模擬和數(shù)字邏輯功能結(jié)合在一起的中規(guī)模集成電路。其中我們常用到的555定時器的引腳排列如圖620(b)所示。其功能表如表6－2所示。

555定時器功能靈活、應(yīng)用方便,常用來構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、脈沖整形電路等。

1)構(gòu)成施密特觸發(fā)器由集成555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如圖629所示。6162

(1)按電路圖連線,輸入信號ui

為正弦波(由信號發(fā)生器提供、頻率調(diào)為1kHz),直流穩(wěn)壓電源調(diào)成5V,接通電源,逐漸加大ui

的幅度,觀察輸出波形,并繪出輸入、輸出波形,計算出回差電壓ΔU。

(2)將輸入信號ui調(diào)為三角波,其他條件不變,觀察并繪出波形。632)構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器64

(1)按電路連線,其中R=100kΩ,C=47μF,輸入信號ui

由實驗箱中的單脈沖源提供,用雙蹤示波器觀測ui、uo

的波形,測量幅度和暫態(tài)時間,并完成表6－3。