脉冲电路.docx

脉冲电路.docx

《脉冲电路.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《脉冲电路.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

脉冲电路

第6章脉冲产生及整形电路

在数字电路或系统中，常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、控制过程的定时信号等。

这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：

一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种则是通过对已有信号进行变换，使之满足系统的要求。

本章以中规模集成电路555定时器为典型电路，主要讨论555定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器以及555定时器的典型应用。

概述

一、矩形脉冲的基本特性

非正弦波都可称为脉冲波，如矩形波、三角波、锯齿波、阶梯波、梯形波等。

CP信号是矩形波，用来协调整个系统工作，波形质量对系统有直接影响。

描述矩形波的主要参数有

①脉冲幅度Um：

脉冲电压的最大幅度。

②脉冲宽度tw：

脉冲前沿的0.5Um到脉冲后沿的0.5Um所对应的一段时间。

③上升时间tr：

脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需要的时间。

④下降时间tf：

脉冲后沿从0.9Um下降到0.1Um所需要的时间。

⑤脉冲周期T：

在周期性脉冲而言，两个相邻的间隔时间。

⑥脉冲频率f：

单位时间内重复脉冲的次数。

（f=1∕T）

⑦占空比D：

脉冲宽度tw与脉冲周期T之比。

（0～100%）

理想矩形波的tr=tf=0；

tw、Um、T应稳定不变。

（本节可自学）

二、集成555定时器

555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。

1972年由美国西格奈蒂克（SIGNETICS）公司开发出来后，以其成本低廉、容易使用，稳定性高、适应面广等特点而赢得了市场。

该电路在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。

目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。

通常，双极型产品型号最后的三位数码都是555，CMOS产品型号的最后四位数码都是7555，它们的结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。

一般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时电路具有低功耗、输入阻抗高等优点。

555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。

双极型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压变化范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下。

归纳起来有三种使用模式：

只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和双稳态触发器（施密特触发器）。

1555定时器的电路结构与工作原理

1）．电路结构与引脚功能

①脚为接地端，②脚为低电平触发端，③脚为输出端（AD方式），④脚为强制复位端，⑤脚为电压控制端，⑥脚为高电平触发端，⑦脚为放电端，⑧脚为电源端。

（1）三个5kΩ的电阻组成的分压器。

提供两个参考电压：

当⑧接电源，①接地，

⑤脚悬空时，UR1=

VDD，UR2=

VDD；若⑤脚接电压，则UR1=

UCO，UR2=VCO。

（2）电压比较器C1、C2。

若⑥脚电压UTH＞UR2，则比较器C2输出高电平，即R=1。

否则，R=0；

若②脚电压UTR＜UR1，则比较器C1输出高电平，即S=1。

否则，S=0。

（3）基本RS触发器。

由或非门构成（也可以是与非门），根据比较器的输出结果决定Q、Q的状态。

（4）NMOS放电管T。

T导通时，①与⑦相当于开关闭合，若有外接电容，则放电。

T截止时，①与⑦相当于开关断开。

⑦脚也可以视为OD方式的输出端，逻辑电平与③脚一致。

④脚强制复位端。

当④脚为0，③脚输出为0，①与⑦经T接通。

当然也使RS触发器的Q=0。

不用时应接高电平，通常接正电源。

2．555的功能

输入

输出

④脚

⑥脚

②脚

③脚

⑦对①

L

×

×

L

ON

H

×（注）

＜VDD∕3

H

OFF

H

＞2VDD∕3

＞VDD∕3

L

ON

H

＜2VDD∕3

＞VDD∕3

保持原状态

注：

三个输入端的优先顺序为4，2，6。

（也有4，6，2的产品）

6.1施密特触发器

一、用555定时器组成的施密特触发器

具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。

　　1.电路组成

2．工作原理（根据功能表）

（1）uI=0V时，②脚电平＜VDD∕3，输出uO为高电平。

uI上升到＞VDD∕3，且＜2VDD∕3时，输出仍保持高电平。

（2）当uI上升到（使⑥脚电平）≥2VDD∕3时，uO输出低电平。

uI继续上升，uO保持不变。

uI重新下降时，到等于VDD∕3之前，uO都保持不变。

（3）当uI下降到VDD∕3时，输出uO跳变为高电平。

而且在uI继续下降到0V时，电路的这种状态不变。

3.电压滞回特性

从上述分析看出：

ui从低到高变化，使电路改变状

态对应的电压是

，用U+表示；

ui从高到低变化，使电路改变状

态对应的电压是

，用U-表示。

两者的差值称回差电压ΔU。

ΔU=U+-U-

ΔU越大，电路的抗干扰能力

越强，但灵敏度降低。

施密特触发器有专用的集成电路，TTL

系列的有74LS14、74LS132等产品，CMOS

系列的有CC40106、CC14093等产品。

内部

还增加了温度补偿、缓冲输出等电路，性能

优良，应用广泛。

一般电子产品应用时，可选555构成的

施密特触发器，价格低廉。

在要求较高

的场合应选专用的集成施密特触发器。

用当555当基本RS触发器。

6．1．2集成施密特触发器

一、CMOS集成施密特触发器——CC40106、CC4093

1．引出端功能图P403

2．主要静态参数

二、TTL集成施密特触发器

1．引出端功能图P404

7414（74LS14）——六反相缓冲器

74132（74LS132）——四2输入与非门

7413（74LS13）——双4输入与非门

2．主要参数典型值

6.1.3施密特触发器的应用

1．波形变换

可将三角波、正弦波变换成矩形波。

2．脉冲波的整形

脉冲波在传输过程中可能发生畸变、

附加噪声，整形后可获得较理想的矩形

脉冲波

3．脉冲鉴别

将幅度不同、不规则的脉冲信号输

入到施密特触发器，能选择幅度大于U+

的脉冲信号输出。

6.3多谐振荡器

多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。

多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。

6.3.1用555定时器构成的多谐振荡器

一.电路组成和工作原理

1.电路组成

由555定时器构成的多谐振荡器如图所示，R1、R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1、R2的连接处。

2.工作原理

由于接通电源瞬间,电容C来不及充电，电容器两端电压uC为低电平小于（1/3）VCC，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管V截止。

这时，电源经R1、R2对电容C充电，使电压uC按指数规律上升，当uC上升到（2/3）VCC时，输出uo为低电平，放电管V导通，我们把uC从（1/3）VCC上升到（2/3）VCC这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。

充电时间常数τ充=（R1+R2）C。

由于放电管V导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二暂稳态。

其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关,放电时间常数τ放=R2C。

随着C的放电,uC下降，当uC下降到（1/3）VCC时，输出uo为高电平，放电管V截止，VCC再次对电容C充电，电路又翻转到第一暂稳态。

不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。

电路一旦起振后，uC电压总是在（1/3～2/3）VCC之间变化。

图为工作波形。

二、参数的估算

首先计算电路的振荡周期T

根据uC（t）的波形图可以确定振荡周期，T=Tw1+Tw2

1.充电时间tw1

Tw1时间的求取可以通过过渡过程公式，Tw1对应充电时间，时间常数τ=（R1+R2）C，初始值为uC（0+）=（1/3）VCC，无穷大值uC（∞）=VCC，当t=Tw1时，uC（Tw1）=（2/3）VCC，代入过渡过程公式，可得

2.放电时间tw2

tw2对应放电时间，时间常数τ=R2C，初始值为uC（0+）=（2/3）VCC，无穷大值uC（∞）=0V，当t=tw2时，uC（tw2）=（1/3）VCC，代入过渡过程公式

3.振荡频率

周期T=tw1+tw2=0.7（R1+2R2）C

振荡频率f=1/T

显然，改变R1、R2和C的值，就可以改变振荡器的频率。

如果利用外接电路改变5号端的电位，则可以改变多谐振荡器触发端的电平，从而改变振荡周期T。

图所示的多谐振荡器电路，由于电容充、放电途径不同，因而C的充电和放电时间常数不同，使输出脉冲的宽度tw1和tw1也不同，在实际应用中，常常需要调节tw1和tw1。

在此，引进占空比的概念。

4．占空比

输出脉冲的占空比为

由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响较小。

上述电路的TPH≠TPL，而且占空比固定不变。

5.占空比可调的多谐振荡器

如果将电路改成如图所示的形式，电路利用VD1、VD2单向导电特性将电容C充、放电回路分开，再加上电位器调节，便构成了占空比可调的多谐振荡器。

图中，VCC通过RA、VD1向电容C充电，充电时间为tw1=0.7RAC

电容C通过VD2、RB及555中的晶体管V放电，放电时间为

tw2=0.7RBC

因而振荡频率为

可见，这种振荡器输出波形的占空比为

图占空比可调的方波发生器

如果调节电位器使RA=RB，可以获得50%的占空比,即输出对称的矩形波。

6.3.2石英晶体多谐振荡器

在许多数字系统中，都要求时钟脉冲频率十分稳定，例如在数字钟表里，计数脉冲频率的稳定性，就直接决定着计时的精度。

上述的多谐振荡器，由于其工作频率取决于电容C在充、放电过程中，电压到达转换值的时间，因此稳定度不够高。

原因有三：

①转换电平易受温度变化和电源波动的影响；

②电路的工作方式易受干扰，从而使电路状态转换提前或滞后；

③电路状态转换时，电容充、放电的过程已经比较缓慢，转换电平的微小变化或者干扰，对振荡周期影响都比较大。

一般在对振荡器频率稳定度要求很高的场合，都需要采取稳频措施，其中最常用的一种方法，就是利用石英谐振器（简称石英晶体或晶体），构成石英晶体多谐振荡器（石英晶体的选频特性已在模拟电子技术中介绍过）。

有两种形式：

（1）串联式振荡器

R1、R2的作用：

使两个反相器在静态时都工作在转折区，成为具有很强放大能力的放大电路。

对于TTL门，常取R1=R2=R=0.7～2kΩ，若是CMOS门则常取R1=R2=10～100MΩ；C1=C2=C是耦合电容。

石英晶体工作在串联谐振频率f0下，只有频率为f0的信号才能通过，满足振荡条件。

因此，电路的振荡频率=f0，与外接元件R、C无关，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。

（2）并联式振荡器

RF是偏置电阻，保证在静态时使G1工作

在转折区，构成一个反相放大器。

晶体工作在fS与fP之间，相当于电感，与

C1、C2共同构成电容三点式振荡电路。

电路的振荡频率=f0。

反相器G2起整形缓冲作用，同时G2还可

以隔离负载对振荡电路工作的影响。

6.3.3多谐振荡器应用举例

模拟声响电路等电路

例题:

电路如图所示，其中R1=47kΩ;R2=39kΩ,C=12μf

1.画出Q0;Q1;的波形

2.求输出波形Q2的频率

6.2单稳态触发器

单稳态触发器的特点是电路有一个稳定状态和一个暂稳状态。

在触发信号作用下，电路将由稳态翻转到暂稳态，暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态，并在输出端获得一个脉冲宽度为tw的矩形波。

在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw就是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路的参数值。

6.2.1用555定时器构成的单稳态触发器

一、电路组成及工作原理

由555构成的单稳态触发器电路及工作波形如图所示。

图中R、C为外接定时元件，输入的触发信号ui接在低电平触发端（2脚）。

稳态时，输出uo为低电平,即无触发器信号（ui为高电平）时，电路处于稳定状态—输出低电平。

在ui 负脉冲作用下，低电平触发端得到低于（1/3）VCC触发信号，输出uo为高电平，放电管T截止，电路进入暂稳态，定时开始。

在暂稳态期间，电源+VCC→R→C→地，对电容充电，充电时间常数τ=RC，uC按指数规律上升。

当电容两端电压uC上升到（2/3）VCC后，6端为高电平,输出uo变为低电平，放电管V导通，定时电容C充电结束，即暂稳态结束。

电路恢复到稳态uo为低电平的状态。

当第二个触发脉冲到来时，又重复上述过程。

工作波形图如图所示。

二、参数计算

1．输出脉冲宽度tW

输入一个负脉冲，就可以得到一个宽度一定的正脉冲输出，其脉冲宽度tw取决于电容器由0充电到（2/3）VCC所需要的时间。

可得

uC（0+）≈0V，uC（∞）=VDD，uC（tW）=

VDD，代入一阶电路的三要素公式，可得

tW=

＝τ1ln3≈1.1RC

上式说明，单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅取决于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便地调节tW。

通常R的取值在几百欧至几兆欧之间，电容取值为几百皮法到几百微法。

2．恢复时间tre

一般取tre=（3～5）τ2，即认为经过3～5倍的时间常数，由于放电管的饱和电阻非常小，tre非常小。

需要指出的是，上图中输入触发信号uI的脉冲宽度（低电平的保持时间），必须小于电路输出uO的脉冲宽度（暂稳态维持时间tW），否则电路将不能正常工作。

因为当单稳态触发器被触发翻转到暂稳态后，如果uI端的低电平一直保持不变，那么555定时器的输出端将一直保持高电平不变。

6.2.2集成单稳态触发器

74121、74221、74LS221都是不可重复触发的单稳态触发器。

属于可重复触发的触发器有74122、74LS122、74123、74LS123等。

有些集成单稳态触发器上还设有复位端，通过复位端加入低电平信号能立即终止暂稳态过程，使输出端返回低电平。

例如74221、74122、74123等。

一、非重复触发单稳态触发器74121

非重复触发—只能在稳态接受输入信号。

1．符号

2.功能表

3.主要参数

1）输出脉宽tw:

2）输入触发脉冲最小周期Tmin

二、可重复触发单稳态触发器74122

可重复触发—在暂稳态期间,能够接受新的触发信号

2.功能表

当定时电容C>1000pF时

6.2.3单稳态触发器应用

1．触摸定时控制开关

利用555定时器构成单稳态触发器，只要用手触摸一下金属片P，人体感应电压相当于在触发输入端（②脚）加入一个负脉冲，555输出端（③脚）输出高电平，灯泡（RL）发光，当暂稳态时间（tW）结束时，555输出端恢复低电平，灯泡熄灭。

该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由RC参数调节。

图中，单稳态触发器的输出电压uO，用做与门的输入定时控制信号。

当uO为高电平时，与门打开，uFO=uF；当uO为低电平时，与门关闭，uFO为低电平。

显然与门打开的时间就是单稳态触发器输出脉冲uO的宽度tW，是恒定不变的。

2．整形

单稳态触发器能够把不规则的输入信号uI，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲uO。

uO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于暂稳态时间。

整形的例子见下图。