第八章 脉冲波形的产生与变换

f (∞ − f (0+ ) ) t =τ ln f (∞ − f (t) )
(8.1.2)
555定时器 二. 555定时器 555定时器是目前在信号产生和变换电路中应用得非常 广泛的一种中规模集成电路。 广泛的一种中规模集成电路。 电路结构原理 UVCC电源 RD复位 CC • 它由分压器 它由分压器 ⑻ ⑷ 三个5K 电 三个 5KΩ Ω 电压控制端⑸ 两个比 阻、两个比 高触发端TH a + C1 R ＆ 较器C 较器 1和C2、高触发端TH ⑹ 基本RS触发 基本 触发 5KΩ Ω G1 以及输出 低触发端TL 器以及输出 低触发端TL ＆ 缓冲级G 缓冲级 2和 + S ＆ ⑵ C2 C 开关放电管T 开关放电管 b 组成。 组成。 5KΩ Ω 放电端D ⑺ 放电端D T R
⑴
G2 1 ⑶uO
⒈分压器 • 分压器上的两个分压点 和b的电平由电源 CC和电压控制端 分压器上的两个分压点a和 的电平由电源 的电平由电源U 共同控制，为比较器提供基准电平。 脚悬空时， 共同控制，为比较器提供基准电平。当⑤脚悬空时， Ua=2UCC/3， Ua=UCC/3 。如果改变⑤脚的输入，则可改变 、 如果改变⑤脚的输入，则可改变a、 ， b的基准电平。 的基准电平。 的基准电平 比较器及基本RS触发器 ⒉比较器及基本 触发器 • 比较器 1的反相输入端和 2的同相输入端分别作为高触发端 比较器C 的反相输入端和C TH和低触发端 与外电路相连，输出与RS触发器相连 TH和低触发端TL与外电路相连，输出与RS触发器相连。 和低触发端TL与外电路相连 触发器相连。 • 设⑤脚悬空。当TH的电平 6＞Ua，TL的电平 2＞Ub时，比 脚悬空。 的电平U 的电平U 的电平 的电平 较器C 端输出为低电平，比较器C 输出为高电平，基本RS 较器 1 端输出为低电平 ， 比较器 2 输出为高电平 ， 基本 触发器输出状态为 输出状态为10； 触发器输出状态为 ； • 当TH的电平 6＜Ua，TL的电平 2＜Ub时，比较器 1端输出 的电平U 的电平U 比较器C 的电平 的电平 为高电平，比较器C 输出为低电平， 向基本RS触发器 触发器输出 为高电平 ， 比较器 2 输出为低电平 ， 向基本 触发器 输出 状态为1 状态为 ； • 当TH的电平 6＜Ua，TL的电平 2＞Ub时，比较器C1端和比 的电平U 的电平U 比较器 的电平 的电平 较器C 输出均为高电平，基本RS触发器 触发器状态不变 较器 2输出均为高电平，基本 触发器状态不变 。
输 高触发端TH 高触发端 × ＞2UCC/3 ＜2UCC/3 ＜2UCC/3 × ＞UCC/3 ＜UCC/3 ＞UCC/3 入 0 1 1 1 0 0 1 不变 输 出 导通 导通 截止 不变 低触发端TL 复位（RD） 输出（uo） 放电管 复位（ 输出（ 放电管T 低触发端
8.2 多谐振荡器
⒉从第二暂稳态自动翻转到第一暂稳态的过程
G1U UOH G2 UOH R1 Uth R2 OL OL uO2 uth u O1 i3 1 1 + Ci G3 1
UOH OL
uO
• 由于电容器两端的电压不能突变，当uo1（C的左端）从高电 由于电容器两端的电压不能突变， 的左端） 的左端 平 UOH 跃变到低电平UOL 时 ， 则 ui3 （ C的右端 ） 的电平从Uth 跃变到低电平 的右端） 的电平从 的右端 跃变成U 此电平可保证输出u 跃变成 th-(UOH-UOL)=Uth+UOL-UOH, 此电平可保证输出 O维 持在高电平U 持在高电平 OH上。 • 进入第二暂稳态以后，高电平 o2通过电阻 1对电容 反向充 进入第二暂稳态以后，高电平u 通过电阻R 对电容C反向充 开门电平U 电→ ui3↑=开门电平 th → uo↓=UOL → uo1 ↑= UOH、 uo2 ↓= UOL， 开门电平 电路返回第一暂稳态。 返回前瞬间电容器两端的电压u 电路返回第一暂稳态 。 返回前瞬间电容器两端的电压 C= UOL - Uth<0 • 以后过程周而复始，电路将不停地改变输出状态，输出一系 以后过程周而复始，电路将不停地改变输出状态， 列方波。 列方波。
⒉石英晶体时钟脉冲发生器 ⑴从第一暂稳态自动翻转到第 二暂稳态的过程 • C1和C2同时充电，C2↑=Uth， 同时充电， uO=UOL 。 C3
1 uO R1 C1
+ + -C2
8MHz R11KΩ uO 1 0 G1 C1
C3 0.005μF R21KΩ A 1
• 多谐振荡器又称无稳态触发器。 它没有稳定的输出状态， 多谐振荡器又称无稳态触发器。它没有稳定的输出状态， 而只有两个暂稳态。 而只有两个暂稳态。 • 当电路接通电源后就进入处于某一暂稳态， 经过一段时 当电路接通电源后就进入处于某一暂稳态， 间电路可以自动地触发翻转到另一暂稳态。 间电路可以自动地触发翻转到另一暂稳态。 两个暂稳态 自行相互转换而输出一系列方波。因此， 自行相互转换而输出一系列方波。 因此 ， 多谐振荡器又 称为方波发生器。 称为方波发生器。 • 构成多谐振荡器主要器件有与非门组成、555定时器或石 构成多谐振荡器主要器件有与非门组成、555定时器或石 英晶体
第八章
8.1 概述
脉冲波形的产生与变换
• 本章主要讨论几种脉冲 信号产生及脉冲信号变 换的基本单元电路： 换的基本单元电路：多 谐振荡器、 谐振荡器、施密特触发 单稳态触发器。 器、单稳态触发器。 • 重点介绍用 重点介绍用555定时器 定时器 组成的各类脉冲产生与 变换电路。 变换电路。
8.2 多谐振荡器 8.3 单稳态触发器
⒊输出缓冲级和放电管 • 输出状态 o由RS触发器的输出端 点电平高低决定。而当复 输出状态u 触发器的输出端C点电平高低决定 触发器的输出端 点电平高低决定。 位端为低电平时， 不管C点状态如何 输出u 点状态如何， 位端为低电平时 ， 不管 点状态如何 ， 输出 o 均为低电平 UOL。正常工作时应将复位端接高电平。 正常工作时应将复位端接高电平。 • 由G2构成的缓冲级主要使电路有较大的输出电流。此外，缓 构成的缓冲级主要使电路有较大的输出电流。此外， 冲级的存在还可以隔离负载对555定时器的影响。 定时器的影响。 冲级的存在还可以隔离负载对 定时器的影响 • 放电管 的状态由 1的状态控制，当G1输出高电平时 导通， 放电管T的状态由 的状态控制， 的状态由G 输出高电平时T导通 导通， 输出低电平时T截止 截止， 当G1输出低电平时 截止，放电管的输出端通常外接延迟元 用以控制暂态的维持时间。 件，用以控制暂态的维持时间。
t
二. 石英晶体时钟脉冲发生器
• 石英晶体片由于具有非常稳定的频率特性而广泛地应用在对 频率要求很高的场合中。 频率要求很高的场合中。 ⒈石英晶体片的简介 • 石英晶体为各向异性的SiO2结晶体，存在压电效应现象。 石英晶体为各向异性的SiO 结晶体，存在压电效应现象。 • 在石英晶体片的两极加交流电压时，晶片将产生机械变形振 在石英晶体片的两极加交流电压时， 同时这一机械振动又产生交变电场。， 。，当外加交变电压 动；同时这一机械振动又产生交变电场。，当外加交变电压 的频率与晶体固有机械谐振频率f 相等时， 的频率与晶体固有机械谐振频率f0相等时，机械振动的幅值 就急剧增加， 就急剧增加，而机械振动的幅值的急剧增加又反过来产生很 大的交变电场， 大的交变电场，这样就可在石英晶片两端得到一个振幅较大 的交变电压并能维持在一定的幅度上， 的交变电压并能维持在一定的幅度上，这种现象称为压电谐 振。 • 从电的角度上看，可用 从电的角度上看，可用RLC串联电路来模拟石英晶片，产生 串联电路来模拟石英晶片， 串联电路来模拟石英晶片 压电谐振时，相当于产生串联谐振， 压电谐振时，相当于产生串联谐振，此时石英晶片相当一个 纯电阻R0，阻值较小。电路图中的石英晶片就可用一个电阻 纯电阻 阻值较小。 元件代替。石英晶片的图形符号为： 元件代替。石英晶片的图形符号为：
•
RC延迟电路 延迟电路 • 由电路理论可知，对于一阶电路而言，用三要素法即可进行 由电路理论可知，对于一阶电路而言， 电路的暂态分析,其公式为 电路的暂态分析 其公式为 f(t)=f(∞)+[f(0+)-f(∞)]e-t/τ (8.1.1) 式中f(0 为初始值 为初始值， 为正常情况下应达到的最终值， 式中 +)为初始值，f(∞)为正常情况下应达到的最终值，τ为时 为正常情况下应达到的最终值 为时 间常数。 间常数。 • 通常 还未到达 通常f(t)还未到达 还未到达f(∞)时电路状态就已经发生改变，因此，常 时电路状态就已经发生改变， 时电路状态就已经发生改变 因此， 利用f(t)反过来求解状态转换所需时间 反过来求解状态转换所需时间， 利用f(t)反过来求解状态转换所需时间，其 Uth+UOH-UOL UOH Uth 0 0 t
Uth+UOL-UOH • 两个暂稳态的相互转换通过 1C的正、 反向充电来实现， 而 两个暂稳态的相互转换通过R 的正 反向充电来实现， 的正、 ui3的电平对输出状态的改变起着决定作用。 的电平对输出状态的改变起着决定作用。 • 第一暂稳态维持时间和第二暂稳态维持时间的长短分别取决 的电平由U 下降至U 和由U 于 ui3 的电平由 th+UOH-UOL 下降至 th 和由 th+UOL-UOH 上升 所需要的时间。 到Uth所需要的时间。
8.4
施密特触发器
8.1 概述
• 数字系统中的脉冲信号通常由以下几种形式获得： 数字系统中的脉冲信号通常由以下几种形式获得： • ⑴由信号发生器直接产生； 由信号发生器直接产生； • ⑵由传感器变换来的电信号经过整形或变换而得。 由传感器变换来的电信号经过整形或变换而得。 一. 脉冲波形产生与变换电路的组成 • 产生脉冲信号的电路主要由三部分组成。 产生脉冲信号的电路主要由三部分组成。 • 开关元件：开关元件保证电路能输出高、低两种电平。 开关元件： 开关元件保证电路能输出高、低两种电平。 • 作用是当电路处于相对稳定状态时由它维持 正反馈电路： 着这一稳定状态；当电路状态发生转变时， 正反馈电路： 着这一稳定状态；当电路状态发生转变时， 又能促进其状态的改变。 又能促进其状态的改变。 作用是控制电路从一个状态转换到另一个状态时 延迟电路： 所需的时间， 延迟电路： 所需的时间，通常延迟电路的输出又是促使电路 状态发生转变的外界因素。 状态发生转变的外界因素。