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1、第 7 章 波形的产生与变换,7.1 概述,7.3 集成555定时器,7.2 RC正弦波振荡器,7.4 施密特触发器,7.5 单稳态触发器,7.6 多谐振荡器,7.1概述,理想脉冲信号,脉冲幅度Um：脉冲电压的最大幅度值。,脉冲宽度tw：从脉冲前沿的0.5Um起到脉冲后沿的0.5Um为止的一段时间。,上升时间tr：脉冲上升沿从0.1 Um上升到 0.9 Um所 需的时间。,下降时间tf：脉冲下降沿从0.9Um下降到 0.1 Um所需的时间。,脉冲周期T：在周期性重复的脉冲系列中，两个相邻脉冲间的间隔时间。,脉冲频率f：单位时间内脉冲重复的次数 f=1/T,占空比D：脉冲宽度与脉冲周期的比值D=
2、tw/T,如何获得脉冲信号？,1、利用整形电路对不符合要求的脉冲信 号进行整形,2、利用脉冲振荡器直接产生脉冲信号,主要介绍三种脉冲电路：,1.施密特触发器 2.单稳态触发器 3.多谐振荡器,7.2 RC正弦波振荡器,正弦波振荡器一般用来产生zz的低频信号。,一、自激振荡,概念：正反馈可使电路在没有外加输入信号的情况下，有交流信号输出，这种现象在放大电路中称为自激振荡。,A,F,自激振荡平衡条件 AF=1,A=|A|a F=|F|f 则AF=|AF|(a+f) |AF|=1 幅度平衡条件 a+f=2n 相位平衡条件,起始时必须使|AF|1 自起振条件,振荡器必须包含有 放大电路、正反馈电路和选
3、频电路,假设Ui=10mV，A=100，F=0.01，Uo=1V, Uf=10mV,若F=0.02， Uf=20mV，Uo=2V,二、集成运算放大器组成的正弦波振荡器,构成：同相放大电路和 串并联网络,选频特性：,满足a+f=2n 相位平衡条件,放大器为同相比例运算电路，其电压放大倍数A=1+R2/R1 要满足幅度平衡条件|AF|=1就必须使 A=1+R2/R1=3，即应使R2=2R1 为使电路能够起振，要求略大于两倍的,桥式振荡器的振荡频率为f0=1/2RC,7.3 集成555定时器,7.3.1 555定时器的电路结构与工作原理,555定时器是一种多用途的单片集成电路。在外部配上少许阻容元件
4、，便能构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等电路。,组成：1 电阻分压器，2 电压比较器， 3 RS触发器， 4 场效应管。,当控制端5脚悬空时：UR1= UR2=,1/3VDD,2/3VDD,当控制端5脚接ECC时：UR1= UR2=,1/2ECC,ECC,工作原理,7.3.2 555定时器功能,555定时器功能表,UTH UTR RD UO T,f f 0 0 导通,输 入 输 出,UTH， UTR两者都小于各自的参考电压时UO=1，放电管截止,UTH， UTR两者都大于各自的参考电压时UO=0，放电管导通,7.4.1 由门电路构成的施密特触发器,施密特触发器是一种能够把输入波形整形
5、成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。,0,0,1,1,7.4 施密特触发器,0,1,1,1,1,1,0,0,0,1,1,0,0,0,1,1,下限阈值电压,上限阈值电压,回差电压（滞后电压）： UT UTUT,前面介绍的施密特触发器的回差电压为： UTUTUTUT(UTUD)UD 0.7V 缺点是回差太小，且不能调整。,7.4.2 由555定时器构成的施密特触发器,7.4.3 施密特触发器的应用,1 波形变换,2 脉冲波的整形 数字系统中的矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变。经施密特触发器整形后便可获得较理想的矩形脉冲波。,在传输的信号上出现附加噪声，经整形后仍会得到较理想的矩形脉冲波。,3
6、脉冲鉴幅 将幅度不同、不规则的脉冲信号加到施密特触发器的输入端时，能选择幅度大于U+的脉冲信号进行输出，具有脉冲鉴幅的功能。,本节小结：,施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。 施密特触发器可以由分立元件构成，也可以由门电路及555定时器构成。 施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。,7.5 单稳态触发器,单稳态触发器的工作特点是：有一个稳定状态和一个暂稳态。在触发脉冲作用下，电路将从稳态翻转到暂稳态，然后在贮能元件的作用下，暂稳态停留一段时间tw后，又能自动返回到稳定状态，并在其输出端产生一个宽度为tW
7、的矩形脉冲。 通常把单稳态的暂稳态停留时间称作延迟时间，延迟时间的长短仅取决于电路的有关参数，而与触发脉冲的宽度无关。,7.5.1 用555定时器构成的单稳态触发器,（1）没有触发信号时电路工作在稳态 当没有触发信号时，ui为低电平。因为门G2的输入端经电阻R接至VDD，VA为高电平，因此uo2为低电平；门G1的两个输入均为0，其输出uo1为高电平，电容C两端的电压接近为0。这是电路的稳态，在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：uo11，uo20。,0,0,1,1,7.5.2 用门电路构成的单稳态触发器,1,1,0,（2）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态 当正触发脉冲ui到来时，门G1
8、输出uo1由1变为0。由于电容电压不能跃变，uA也随之跳变到低电平，使门G2的输出uO2变为1。这个高电平反馈到门G1的输入端，此时即使ui的触发信号撤除，仍能维持门G1的低电平输出。但是电路的这种状态是不能长久保持的，所以称为暂稳态。暂稳态时，uo10，uo21。,0,0,1,1,（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态 在暂稳态期间，VDD经R和G1的导通工作管对C充电，随着充电的进行，C上的电荷逐渐增多，使uA升高。当uA上升到阈值电压UT时，G2的输出uo2由1变为0。由于这时G1输入触发信号已经过去，G1的输出状态只由uo2决定，所以G1又返回到稳定的高电平输出。uA随之向正方向跳
9、变，加速了G2的输出向低电平变化。最后使电路退出暂稳态而进入稳态，此时uo11，uo20。,脉冲宽度：tp=0.7RC,电路的改进,当ui的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个RC微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门G1被ui封住了，会使uo2的下降沿变缓。,稳态时，ui1，G1、G2均导通。uo10，uA0，uo20。ui负跳变到0时，G1截止，uo1随之跳变到1。由于电容电压不能跃变，uA仍为0，故门G2截止，uo2跳变到1。在G1、G2截止时，C通过R和G1的导通管放电，使uA逐渐上升。当uA上升到管子的开启电压UT时，如果ui仍为低电平，G2导通，uo2变为0。当u
10、i回到高电平后，G1导通，C又通过R和G1的导通管充电，电路恢复到稳定状态。,7.5.3 单稳态触发器的应用,1定时 由于单稳态触发器能产生一定宽度的矩形输出脉冲，若利用这个矩形脉冲去控制某一个电路，就可使它在tw 时间内动作或不动作。,2整形 由于单稳触发器一经触发，电路就进入暂稳态，在暂稳态期间输出电平的高低与此时输入信号状态无关，其输出就成为具有一定宽度、一定幅度、边沿陡峭的矩形波，如图所示。,本节小结：,单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成的单稳态触发器和基本RS触发器在结构上也极为相似，只有用于反馈的耦合网络不同。,单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由555定时器构成。在单稳态触
11、发器中，由一个暂稳态过渡到稳态，其“触发”信号也是由电路内部电容充（放）电提供的，暂稳态的持续时间即脉冲宽度也由电路的阻容元件决定。,单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途很广。,1、由555定时器构成的多谐振荡器,接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。,7.6 多谐振荡器,2、RC环形多谐振荡器,在t1时刻，ui1（uo）由0变为1，于是u
12、o1（ui2）由1变为0，uo2由0变为1。由于电容电压不能跃变，故ui3必定跟随ui2发生负跳变。这个低电平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。 在这个暂稳态期间，uo2（高电平）通过电阻R对电容C充电，使ui3逐渐上升。在t2时刻，ui3上升到门电路的阈值电压UT，使uo（ui1）由1变为0，uo1（ui2）由0变为1，uo2由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故ui3跟随ui2发生正跳变。这个高电平保持uo为0。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。,第一暂稳态及其自动翻转的工作过程,第二暂稳态及其自动翻转的工作过程,在t2时刻，uo2变为低电平，电容C开始通过电阻R放电。
13、随着放电的进行，ui3逐渐下降。在t3时刻，ui3下降到UT，使uo（ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。,3、CMOS多谐振荡器,在t1时刻， uo由0变为1，由于电容电压不能跃变，故ui1必定跟随uo发生正跳变，于是ui2（uo1）由1变为0。这个低电平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，电容C通过电阻R放电，使ui1逐渐下降。在t2时刻，ui1下降到门电路的开启电压UT，使uo1（ui2）由0变为1，uo由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故ui1跟随uo发生负跳变，于是ui2（uo1）由0变为1。这个高电平保持u
14、o为0。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。,第一暂稳态及其自动翻转的工作过程,第二暂稳态及其自动翻转的工作过程,在t2时刻，uo1变为高电平，这个高电平通过电阻R对电容C充电。随着充电的进行，ui1逐渐上升。在t3时刻，ui1上升到UT，使uo（ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。,4、石英晶体多谐振荡器,电阻R1、R2的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对TTL反相器，常取R1R2R0.7 k2k，而对于CMOS门，则常取R1R2R10k100k；C1C2C是耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率f0时可以忽略不计
15、；石英晶体构成选频环节。,振荡频率等于石英晶体的谐振频率f0。,本节小结：,多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。,多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由555定时器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本RS触发器在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。RS触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以又称为无稳电路。 在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。,555定时器是一种应用广泛、使用灵活的集成器件，多用于脉冲产生、整形及定时等。,
