脉冲波形的产生和变换

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1、第 20章 脉 冲 波 形 的 产 生 和 变 换 20.1 单 稳 态 及 多 谐 振 荡 器描 述 矩 形 脉 冲 波 形 的 特 性 主 要 有 以 下 几 个 主 要 参数 （ 见 图 20.1） 图 20.1 矩 形 脉 冲 的 特 性 参 数0.5 Um Ttr tfUmTW0.9 Um0.1 Um0.5 Um Ttr tfUmTW0.9 Um0.1 Um 20.1.1 单 稳 态 触 发 器单 稳 态 触 发 器 的 工 作 特 性 具 有 如 下 特 点 ： (1) 有 稳 态 和 暂 态 两 个 工 作 状 态 ； (2) 在 外 界 触 发 脉 冲 的 作 用 下 ， 可

2、从 稳 态 转 到 暂态 ， 在 暂 态 维 持 一 段 时 间 后 ， 再 自 动 返 回 到 稳 态 ； (3) 暂 态 维 持 时 间 的 长 短 取 决 于 电 路 本 身 的 参 数 ， 与 触 发 脉 冲 的 宽 度 无 关 。 1. 门 电 路 组 成 的 单 稳 态 触 发 器 用 CMOS门 电 路 和 RC微 分 电 路 构 成 的 微 分 型 单 稳态 触 发 器 如 图 20.2所 示 。 图 20.2 微 分 型 单 稳 态 触 发 器UI Cd Ud UO1 R G2 UOVDDRd C1 1UI2G1 1. 门 电 路 组 成 的 单 稳 态 触 发 器 用 CM

3、OS门 电 路 和 RC微 分 电 路 构 成 的 微 分 型 单 稳 态 触发 器 如 图 20.2所 示 。 对 于 CMOS电 路 ， 可 近 似 认 为 UOHVDD， UOL0， 在稳 态 下 UI=0， UI2=VDD， UO=0， UO1=VDD， 电 容 上 没 有 电压 。 当 输 入 触 发 脉 冲 UI加 到 输 入 端 时 ， 由 Rd、 Cd组 成 的 微分 电 路 的 输 出 端 得 到 一 个 很 窄 的 正 、 负 脉 冲 电 压 U d， 当Ud上 升 到 UTH以 后 ， 将 引 发 如 下 的 正 反 馈 过 程 : Ud UO1 UI2 UO 使 UO1

4、迅 速 跳 变 为 低 电 平 。 由 于 电 容 上 的 电 压 不 能突 变 , 因 此 UI2也 同 时 跳 变 为 低 电 平 ， 并 使 UO跳 变 为 高电 平 ， 电 路 进 入 暂 态 。 此 时 即 使 Ud回 到 低 电 平 ， UO仍将 维 持 高 电 平 。 与 此 同 时 ， 电 容 C开 始 充 电 ， 且 随 着充 电 过 程 的 进 行 ， UI2逐 渐 升 高 ， 当 升 到 UI2 =UTH时 ， 将 引 发 另 一 个 正 反 馈 过 程 ： UI2 UO UO1 整 个 过 程 的 波 形 变 化 如 图 20.3所 示 。 图 20.3 微 分 型 单

5、 稳 态 触 发 器 波 形 图UIUdUO1 TW0000UI2UTH0UO ttttt 各 种 参 数 的 计 算 如 下 ： 脉 冲 宽 度输 出 脉 冲 幅 度 Um=UOH-UOL VDD 为 了 保 证 单 稳 态 触 发 器 脉 冲 的 宽 度 准 确 无 误 ， 输 入 触 发脉 冲 的 时 间 间 隔 T（ 重 复 周 期 ） 应 满 足 ： TT W+Tre其 中 ， 电 路 恢 复 时 间 Tre =(35) RC RCRCUVVRCT THDDDDW 69.02ln0ln 2. 集 成 单 稳 态 触 发 器 集 成 单 稳 态 触 发 器 的 特 点 是 : 在 TT

6、L和 CMOS电 路产 品 内 部 具 有 上 升 沿 与 下 降 沿 触 发 的 控 制 和 置 零 功 能 ， 连 线 较 少 ， 采 取 了 温 度 补 偿 措 施 等 。 常 见 的 型 号 有74121（ TTL型 ） 、 74221（ TTL型 ） 、 74123（ TTL型 )和 CCL14528（ CMOS型 ） 等 。 3. 单 稳 态 触 发 器 的 应 用 (1) 脉 冲 形 态 是 指 脉 冲 信 号 在 经 过 长 距 离 传 输 后 ， 脉 冲 波 形 发 生 变 化 ， 经 过 单 稳 电 路 后 ， 使 波 形 变 为 符合 要 求 的 波 形 ， 如 图 20

7、.4所 示 。 脉 冲 的 宽 窄 根 据 具 体要 求 而 定 。 图 20.4 整 形 示 意 图单稳电路UI UO UO ttUI （ 2） 脉 冲 延 时 （ 展 宽 ） 如 图 20.5所 示 。 图 20.5 脉 冲 延 时 示 意 图 UI TW74121 单 稳 UI UO UO tt 20.1.2 多 谐 振 荡 器1. 对 称 式 多 谐 振 荡 器 图 20.6所 示 为 对 称 式 多 谐 振 荡 器 的 典 型 电 路 。 它由 反 相 器 G1、 G2 和 耦 合 电 容 C1、 C2及 电 阻 RF1、 RF2组成 。 其 中 G1、 G2与 C1、 C2构 正

8、反 馈 电 路 。 RF1、 RF2控 制 G1、 G2， 使 之 工 作 在 电 压 传 输 特 性 的 转 折 点 。 从 图 20.6可 见 ， 该 电 路 是 利 用 RC的 充 放 电 分 别 控制 G 1、 G2门 的 开 通 与 关 断 来 实 现 自 激 振 荡 。 图 20.6 对 称 式 多 谐 振 荡 器C1G1 G2UI2UI1 UO2RF21UO11RF1 C2 假 如 由 于 某 种 原 因 （ 例 如 电 源 或 外 界 的 干 扰 ） 使UI1有 一 个 微 小 变 化 （ 正 跃 变 ） ， 则 必 然 会 得 到 下 列 的正 反 馈 过 程 : UI1UO

9、1UI2UO2使 UO1迅 速 跳 变 为 低 电 平 ， UO2跳 变 为 高 电 平 ， 电路 进 入 第 一 个 暂 稳 态 。 与 此 同 时 ， U O2开 始 经 RF2向 C1充 电 ， C2开 始 经 RF1放 电 。 随 着 C1的 充 电 ， UI2逐 渐 上 升 到 G2的 阈 值 电 压 UTH时 ，UO2开 始 下 降 ， 并 引 起 另 一 个 正 反 馈 过 程 ： UI2UO2UI1UO1从 而 使 UO迅 速 跳 变 至 低 电 平 ， 电 路 进 入 第 二 个 暂态 。 同 时 C2开 始 充 电 ， 而 C1开 始 放 电 。 随 着 C2充 电 ， U

10、I1逐 渐 升 高 到 G1的 UTH后 ， 电 路 又 迅 速 返 回 到 第 一 个暂 态 。 因 此 ， 电 路 是 不 停 地 在 两 个 暂 态 之 间 往 复 转 换 ， 在 输 出 端 不 断 地 发 出 矩 形 电 压 脉 冲 ,如 图 20.7所 示 。 图 20.7 矩 形 电 压 脉 冲 形 成 示 意 图00UI1UTHUO1 ttUTH0UI2 tUO20 t 从 上 面 的 分 析 可 知 ， 输 出 脉 冲 的 周 期 等 于 两 个 暂态 持 续 时 间 之 和 ， 每 个 暂 态 持 续 时 间 与 C1、 C2的 充 放电 有 关 。 若 取 RF1=RF2

11、=RF， C1=C2=C， UTH=1.4 V，UOL=0 V， UOH=3.6 V， 则 振 荡 周 期 为T=2TW1.4RFC 由 此 可 知 ， 改 变 R和 C可 改 变 T。 2. 石 英 晶 体 多 谐 振 荡 器 石 英 晶 体 的 符 号 、 电 抗 频 率 特 性 及 石 英 晶 体 多 谐振 荡 器 电 路 如 图 20.8所 示 。 图 20.8 石 英 晶 体 符 号 、 电 抗 频 率 特 性 及 多 振 荡 器 电 路 (a) 符 号 ； (b) 频 率 特 性 ； (c) 电 路电感电容电容 f0符号 fX(a) (b) (c)C1 UORF211RF1 C2

12、20.2 施 密 特 触 发 器1. CMOS门 电 路 构 成 的 施 密 特 触 发 器图 20.9所 示 为 CMOS门 电 路 构 成 的 施 密 特 触 发 器 。 图 20.9 CMOS门 电 路 构 成 的 施 密 特 触 发 器UI UO1UO11R1 G1 G2R2 如 图 20.9所 示 ， 当 UI从 0 逐 渐 升 高 并 达 到 UTH时 ，G1进 入 电 压 传 输 特 性 的 转 折 区 ， 引 起 正 反 馈 ， 过 程 如下 ： UI UO1UO这 时 电 路 的 状 态 迅 速 转 换 为UO=UOH VDD由 此 可 求 出 U I上 升 过 程 中 电

13、路 状 态 发 生 转 换 所 对应 的 输 入 电 平 为 UT+（ 正 向 阈 值 电 压 ） ： THT URRU )1( 21 当 UI从 高 电 平 逐 渐 下 降 并 达 到 UTH时 ,又 引 发 另 一 个正 反 馈 过 程 ：UIUO1UO电 路 状 态 迅 速 转 换 为UO=UOL0由 此 可 求 出 UI下 降 过 程 中 电 路 状 态 发 生 转 换 时 所对 应 的 输 入 电 平 为 U T- (反 向 阈 值 电 压 )： DDTHT VRRURRU 2121)1( 若 DD=2UTH,则将 UT+与 UT-之 差 定 义 为 回 差 电 压 UT： UT=U

14、T+-UT-由 此 ,可 画 出 施 密 特 触 发 器 的 电 压 传 输 特 性 ,称 为 施密 特 滞 回 曲 线 ,如 图 20.10所 示 。 THT URRU )1( 21 图 20.10 施 密 特 滞 回 曲 线(a) 同 相 输 出 ； (b) 反 相 输 出uIuO UT u uI uUT UTUTuO(a) (b) 常 见 的 集 成 施 密 特 触 发 器 有 ： 74132、 CC40106、 74LS132等 ,它 们 的 逻 辑 符 号 如 图 20.11所 示 。 图 20.11 施 密 特 触 发 器 的 逻 辑 符 号uOuI 2. 施 密 特 触 发 器

15、的 应 用 1) 用 于 波 形 变 换施 密 特 触 发 器 可 用 于 将 三 角 波 、 正 弦 波 等 一 些 不规 则 波 形 转 换 为 矩 形 波 ,如 图 20.12所 示 。 图 20.12 波 形 变 换 示 意 图UIUT t 00tUT0UO UIUTUTUO tt0 2) 用 于 脉 冲 整 形当 传 输 信 号 受 到 干 扰 时 ,施 密 特 触 发 器 的 滞 回 特 性 将受 到 干 扰 的 信 号 整 形 成 较 好 的 矩 形 脉 冲 ,如 图 20.13所 示 。 图 20.13 脉 冲 整 形 示 意 图UI00 00ttUO UI tt(a) (b)

16、UO 3) 用 于 脉 冲 幅 度 鉴 别当 输 入 信 号 为 一 组 幅 度 不 等 的 脉 冲 ,而 要 求 将 幅 度大 于 UTH的 脉 冲 信 号 选 出 时 ， 可 采 用 施 密 特 触 发 器 的 输入 信 号 进 行 鉴 别 ,如 图 20.14所 示 。 图 20.14 脉 冲 幅 度 鉴 别0UIUTUO0 tt 4） 由 施 密 特 触 发 器 组 成 多 谐 振 荡 器多 谐 振 荡 器 最 突 出 的 特 点 是 它 的 电 压 传 输 特 性 具有 滞 回 特 性 。 据 此 可 以 使 其 输 入 信 号 在 UT+UT-之 间 不停 地 往 复 变 化 ,在

17、 输 出 端 就 可 得 到 矩 形 脉 冲 波 形 。 其 电路 及 波 形 如 图 20.15所 示 。 图 20.15 多 谐 振 荡 器 电 路 及 波 形CUI UOR(a)UI0 ttUO0(b) 20.3 555定 时 器 及 其 应 用 图 20.16所 示 为 国 产 双 极 型 定 时 器 NE555的 电 路 结构 图 ,它 由 比 较 器 C1、 C2、 基 本 RS触 发 器 和 集 电 极 开 路的 放 电 三 极 管 TD三 部 分 组 成 。 NE555定 时 器 的 功 能 如 表 20.1所 示 。 图 20.16 NE555双 极 型 定 时 器 1G3

18、3 UOOUTQ当 VCCUI VCC时 ,UC1=UC2=1, UO=UOH;当 UI VCC时 ,UC1=0, UC2=1, Q=0, UO=UOL。由 此 可 见UT+= VCC 3131 323232 当 VCCUI VCC时 ,UC1= UC2=1, UO=UOL;当 UI TW时 , 单 稳 态 触 发 器 能否 正 常 工 作 ?为 什 么 ? 若 不 能 正 常 工 作 ,应 怎 样 解 决 ? 3. RC环 形 振 荡 器 电 路 如 题 图 20.2所 示 , UOH=3 V,UOL=0 V, R=470 , RZ=100 , C=3800 pF。(1) 开 关 S1、 S

19、2断 开 时 , 定 性 地 给 出 UA、 UB、 UO的波 形 。(2) 计 算 振 荡 频 率 。(3) S1断 开 , S2闭 合 时 , UO的 波 形 如 何 ?(4) S1闭 合 , S2闭 合 时 , UO的 波 形 如 何 ?(5) S 1闭 合 , S2断 开 时 , UO的 波 形 如 何 ? 题 图 20.2C200 UOR2 R3UBRUAG1 G3S2 (2) 画 出 该 施 密 特 触 发 器 的 电 压 传 输 特 性 ；(3) 若 电 源 电 压 VCC为 6 V, 输 入 电 压 是 以 ui=6 sint V包 络 线 的 单 相 脉 动 波 形 , 试 画 出 相 应 的 输 出 电 压 波 形 。7. 试 用 555设 计 一 个 多 谐 振 荡 器 , 要 求 输 出 振 荡 频率 f0=20 kHz, 占 空 比 为 25%。 8. 试 用 555设 计 一 个 单 稳 态 触 发 器 , 要 求 输 出 脉 宽在 110 s范 围 内 连 续 可 调 。