医学专题—第8篇脉冲波形的产生与整形3360

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1、第第8章章 脉冲波形脉冲波形(b xn)的产生与整形的产生与整形 通通常常，把把非非正正弦弦波波称称之之为为脉脉冲冲波波。按按脉脉冲冲波波形形的的形形式式分分成成矩矩形形波波、梯梯形形波波、阶阶梯梯波波、锯锯齿齿波波等等。本本章章(bn zhn)主主要要介介绍绍用用多多谐谐振振荡荡器器直直接接产产生生矩矩形形波波和和利利用用整整形形电电路路获获得得矩矩形形波波的的方方法。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第一页，共七十九页。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

2、。波形的好坏直接关系到电路能否正常工作。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，通常脉冲波，通常(tngchng)采用如图所示参数。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一些(yxi)基本概念基本概念第二页，共七十九页。 脉脉 冲冲 宽宽 度度Tw从从 脉脉 冲冲 波波 形形 上上 升升(shngshng)沿沿 上上 升升(shngshng)到到0.5Vm起到下降沿下降到起到下降沿下降到0.5Vm止的时间。止的时间。上上升升时时间间tr脉脉冲冲波波形形的的上上升升沿沿从从0.1Vm上上升升到到0.9Vm所所需时间

3、。需时间。下下降降时时间间tf脉脉冲冲波波形形的的下下降降沿沿从从0.9Vm下下降降 到到0.1Vm所需时间。所需时间。占空比占空比q脉冲宽度脉冲宽度Tw与脉冲周期与脉冲周期T之比即之比即 trtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脉冲波形参数脉冲波形参数第三页，共七十九页。脉脉冲冲周周期期T周周期期性性重重复复的的脉脉冲冲序序列列中中，相邻两个脉冲间的时间间隔。相邻两个脉冲间的时间间隔。脉脉冲冲频频率率f频频率率f表表示示单单位位时时间间内内脉脉冲冲重重复的次数复的次数脉脉冲冲幅幅度度Vm脉脉冲冲波波形形(b xn)的的电电压压最最大大变化幅度。变化幅度。第四页，共七十九页。8.1 集

4、成(j chn)(j chn)555定时器及应用集成集成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、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电器和电子玩具等许多领域得到(d do)(d do)了广了广泛的应用。泛的应用。 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第五页，共七十九页。8.1.1 电路电路(dinl)(

5、dinl)组成组成图图8-1为双极型为双极型5G555定时器的原理定时器的原理(yunl)(yunl)电路和引脚排列电路和引脚排列图。图。 V-C12348765+VCCD THGNDTLOUTR5G5553图图8-1集集成成(j chn)5G555定定时时器器原原理图理图第六页，共七十九页。电阻电阻(dinz)分压分压器器比较比较(bjio)器器基本基本(jbn)RS触发器触发器三极管三极管开关开关输出缓冲器输出缓冲器555定时器基本结构定时器基本结构第七页，共七十九页。分压器分压器分分压压器器由由三三个个阻阻值值均均为为5k的的电电阻阻串串联联连连接接构构成成，为为比比较较器器C1、C2提

6、提 供供 参参 考考 电电 压压 VR1、VR2， C1的的 同同 相相 输输 入入 端端V+=VR1=2VCC/3。C2的的反反相相输输入入端端V-=VR2=VCC/3。如如果果在在电电压压控控制制端端5另另加加控控制制电电压压，可可以以改改变变比比较较器器C1、C2参参考考电电压压VR1、VR2的的值值。若若工工作作中中不不使使用用(shyng)控控制制端端5时时，则则控控制端制端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，以旁路高频干扰。分压器上端分压器上端8接接VCC，下端，下端1接地。接地。第八页，共七十九页。比较比较(bjio)(bjio)器器 C1和和C2

7、是是两两个个比比较较器器。分分别别由由集集成成运运算算(yn sun)放放大大器器构构成成。C1的的同同相相输输入入端端“+”接接到到参参考考电电压压VR1端端上上，即即电电压压控控制制端端5，反反相相控控制制端端“-”用用TH表表示示，称称为为高高触触发发端端6；C2的的反反相相输输入入端端“-”接接参参考考电电压压端端VR2端端上上，同同相相输输入入端端“+”用用TL表表示示，称为低触发端称为低触发端2。当当同同相相输输入入端端电电压压V+大大于于反反相相输输入入端端电电压压V-(V+V-)时时，比比较较器器输输出出为为高高电电平平；若若同同相相输输入入端端电电压压V+小小于于反反相相输输

8、入入端端电压电压V-(V+2VCC/3时时，即即V-V+，vC1=0， =1，vo=0，T导导通通；若若THVCC/3时时 ， 则则vC1=1、vC2=1， 基基 本本(jbn)RS触触发发器器保保持持原原来来状状态态不不变变，因因此此输输出出vo和和三三极极管管T保保持持原原来来状状态态；当当TH2VCC/3,TLR时，时， 振荡周期振荡周期为：为：T2.2RC上式可用于近似估计振荡上式可用于近似估计振荡周期周期.使用时应注意它的假使用时应注意它的假定条件是否满足定条件是否满足,否则否则(fuz),计算结果会有较大的计算结果会有较大的误差。误差。ttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(V

9、OH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000图图8-13 RC环环形形振振荡荡器器理理想想工工作作(gngzu)波波形形第五十五页，共七十九页。(三三) 石英石英(shyng)晶体多谐振荡器晶体多谐振荡器在许多应用场合在许多应用场合(chng h)都对多谐振荡器的振荡频率稳定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性有严格的要求。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输入电压上述多谐振荡器中，振荡频率主要取决于门电路的输入电压上升到转换

10、电平（阈值电压）所需要的时间，所以频率的稳上升到转换电平（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，转换电平本身就不够稳定，容易受定性不可能很高。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；第二，电路的工作方式容易受干扰，电源和温度变化的影响；第二，电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态转换的提前或滞后；第三，在电路状态临近转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，电容的充、放电已经比较缓慢，转换电平的微小变化换时，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。因此在对频率要求很或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。

11、因此在对频率要求很高时，必须采取稳频措施。高时，必须采取稳频措施。第五十六页，共七十九页。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(zkng)频率特性和符号。频率特性和符号。石英晶体不但频率特性石英晶体不但频率特性稳定，而且品质因数很稳定，而且品质因数很高，有极好的选频特性。高，有极好的选频特性。ff0x0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第五十七页，共七十九页。vI1

12、vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3图图8-15 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体把石英晶体与与RC多谐多谐振荡器中的振荡器中的电容电容(dinrng)串联起来就串联起来就构成了石英构成了石英晶体多谐振晶体多谐振荡器。荡器。第五十八页，共七十九页。由石英晶体的电抗频率特性可知，当外加电压的频率为由石英晶体的电抗频率特性可知，当外加电压的频率为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的电压信号最容易通的电压信号最容易通过，并在电路中形成正反馈。因此振荡器的工作频率为过，并在电路中形成正反馈。因此振荡器的工作频率为f0。石英晶体

13、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(gyu)谐谐振频率振频率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环形环形多谐振荡器基本相同。多谐振荡器基本相同。第五十九页，共七十九页。(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态触发器为例说明其工作(gn

14、gzu)原理。原理。第六十页，共七十九页。1. TTL与非门微分与非门微分(wi fn)型单稳态触发器型单稳态触发器在基本在基本RS触发器触发器中插入中插入(ch r)一个一个RC微分电路环节微分电路环节就构成了单稳态就构成了单稳态触发器，如图触发器，如图8-16所示。所示。图图8-16 单稳态触发器单稳态触发器0.47kvIvO1vOvI2C0.01FRG1G2第六十一页，共七十九页。电路接通电源后电路接通电源后,无脉冲无脉冲(michng)触发信号触发信号(vI=1)输入时输入时,电路处于稳态。电路处于稳态。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

15、，在输入端加入负脉冲信号后，vO1=1。由于。由于C上电压不能突上电压不能突跳，则跳，则vI2随随vO1上跳并大于上跳并大于VT (VT=1.4V)值，使值，使G2门开通，门开通，vO=0。电路由稳态翻转到暂稳态。电路由稳态翻转到暂稳态。第六十二页，共七十九页。在暂稳态期间，由于在暂稳态期间，由于vO1不断不断(bdun)地给电容器地给电容器C充电，电容充电，电容器上的电压器上的电压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下降到小下降到小于阈值电压于阈值电压VT时，时，G2门又关闭，门又关闭，vO=1。此时输入负触发。此时输入负触发脉冲早已消失，脉冲早已消失，vI为

16、高电平。则为高电平。则G1又开始导通，又开始导通，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。恢复到正常的低电平。电路处于稳态。其工作波形如图电路处于稳态。其工作波形如图8-17所示。所示。第六十三页，共七十九页。tttt0000vOVTvI2vO1vI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输出(shch)脉冲宽度脉冲宽度Tw近似计算：近似计算：Tw0.8(RO+R)C公式中的公式中的RO为与非为与非门的输出电阻，门的输出电阻，RO100。第六十四页，共七十九页。2.单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用(yng

17、yng)脉冲整形脉冲整形(zhng xng)脉冲定时脉冲定时 脉冲延时脉冲延时第六十五页，共七十九页。脉冲脉冲(michng)整形整形 单稳态触发器输出单稳态触发器输出(shch)脉冲的幅度和宽脉冲的幅度和宽度是确定的，利用这度是确定的，利用这一性质，可将宽度和一性质，可将宽度和幅度不规则的脉冲串，幅度不规则的脉冲串，整形为宽度和幅度一整形为宽度和幅度一定的脉冲串，如图定的脉冲串，如图8-18所示。所示。 tvI0tvO0图图8-18 脉冲波形脉冲波形第六十六页，共七十九页。脉冲脉冲(michng)定时定时 由由于于单单稳稳态态触触发发器器能能产产生生一一定定宽宽度度Tw的的矩矩形形输输出出脉

18、脉冲冲，利利用用这这个个脉脉冲冲去去控控制制某某电电路路，使使其其在在Tw时时间间内内动动作作(dngzu)（或或不不动动作作(dngzu)），起起到到了了定定时时作作用用。例例如如，利利用用脉脉冲冲宽宽度度为为Tw的的正正矩矩形形脉脉冲冲作作为为门门输输入入的的信信号号vB，而而与与门门的的另另一一个个输输入入端端信信号号为为vA。只只有有当当矩矩形形波波vB为为1的的Tw时时间间内内，信信号号vA才才能能通通过过与与门门，输输出出才才有有脉脉冲冲，如如图图8-19所示。所示。第六十七页，共七十九页。 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、-19 脉冲定时电路脉冲定时电路Tw第六十八页，共七十九页。脉冲脉冲(michng)延延时时Tw时时 间间(shjin)，称称这这个个时时间间为为延延时时。逻逻辑辑图图和和波波形形图图如如图图8-20所示。所示。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)波波 形形图图第六十九页，共七十九页。3. 施密特触发器施密特触发器 TTL与非门构成的施密与非门构成的施密特触发器特触发器图图8-21是三个是三个TTL与非与非门和一个二极管构成的门和一个二极管构成的施密特触发器门施密特触发器门G1为反为反相器相器,门门G2、G3组成基组成基本

20、本(jbn)RS触发器，二触发器，二极管极管D起电平偏移作用。起电平偏移作用。RSQQG1G2G3vIvOD图图8-21 施密特电路施密特电路第七十页，共七十九页。下下图图是是vI为为三三角角波波时时输输出出(shch)vO随随vI变变化化的的波波形形图。图。VOHVOLVT+=1.4VVT-=0.7VvOtt00图图8-22 工作波形图工作波形图第七十一页，共七十九页。4. 施密特触发器的应用施密特触发器的应用(yngyng)波形波形(b xn)的变换与整的变换与整形形幅度鉴别幅度鉴别脉冲展宽电路脉冲展宽电路第七十二页，共七十九页。波形的变换波形的变换(binhun)与整与整形形 利用施密特

21、触发器可以将正弦波、三角波变换利用施密特触发器可以将正弦波、三角波变换(binhun)成矩形波。如图成矩形波。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第七十三页，共七十九页。幅度幅度(fd)鉴别鉴别 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鉴的幅度，因此它可以用来作为幅度鉴别电路别电路(dinl)。只有当脉冲信号。只有当脉冲信号vI的幅度大的幅度大于于VT+的脉冲，电路才输出一个脉冲，而的脉冲，电路才输出一个脉冲，而幅度小于幅度小于VT+的脉冲，电路无输出脉冲，的脉冲，电路无输出脉冲，其

22、工作波形图如图其工作波形图如图8-24所示。所示。第七十四页，共七十九页。vIvOVT+VT-图图8-24幅度鉴别波形幅度鉴别波形幅度幅度(fd)鉴别鉴别 第七十五页，共七十九页。脉冲展宽脉冲展宽(zhn kun)电路电路 脉冲脉冲(michng)展宽电路原理图、工作波形图展宽电路原理图、工作波形图如图如图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第七十六页，共七十九页。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到施密特触发器的

23、输入(shr)端。当端。当vI为高电平为高电平时，门时，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为为低电平时，门低电平时，门G1输出为应为高电平，输出为应为高电平，第七十七页，共七十九页。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按指数按指数(zhsh)曲线上升，当曲线上升，当vC上升到略大于上升到略大于VT+时，施密特时，施密特触发器由高电平下跳为低电平。从而使触发器由高电平下跳为低电平。从而使vO的波的波形展宽。形展宽。RC决定展宽大小。改变决定展宽大小。改变RC值的大小就值的大小就可以改变施密特触发器的输出脉冲宽度。可以改变施密特触发器的输出脉冲宽度。第七十八页，共七十九页。内容(nirng)总结第8章 脉冲波形的产生与整形。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。脉冲幅度Vm脉冲波形的电压最大变化幅度。图8-1为双极型5G555定时(dn sh)器的原理电路和引脚排列图。单稳态触发器在外加触发脉冲的作用下，可以从稳态翻转到暂稳态。图8-5是5G555定时(dn sh)器构成的单稳态触发器，图中R、C是定时(dn sh)元件。单稳态触发器在负脉冲触发作用下，由稳态翻转到暂稳态。当R1R时， 振荡周期为：第七十九页，共七十九页。