脉冲产生与整形电路

1、第十二章 脉冲产生与整形电路Umtrtf Ttw 脉 冲 幅 度 Um： 脉冲上升时间 tr：脉冲下降时间 tf：脉 冲 宽 度 tw ：脉 冲 周 期 T ：脉 冲 频 率 f ： 占 空 比 q ：脉冲电压变化的最大值 脉冲波形从 0.1Um 上升到 0.9Um 所需的时间 脉冲上升沿 0.5Um 到下降沿 0.5Um 所需的时间 脉冲波形从 0.9Um 下降到 0.1Um 所需的时间 周期脉冲中相邻两个波形重复出现所需的时间 1 秒内脉冲出现的次数 f = 1/T 脉冲宽度 tw 与脉冲周期 T 的比值 q = tw/T 一、脉冲波形的主要参数 12.112.1主要用以将缓慢变化或快速变

2、化的非矩形脉冲变换成陡峭的矩形脉冲。 常用的有施密特触发器和单稳态触发器。 获取脉冲信号的方法 脉冲信号产生与整形电路的实现是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便、灵活，应用广泛。 用多谐振荡器直接产生。 用整形电路对已有波形进行整形、变换。 施密特触发器单稳态触发器主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。用门电路构成。 用专用的集成电路。 用 555 定时器构成。 二、脉冲信号产生与整形的方法 12.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器 Schmitt Trigger一、电路结构 uIG1u

3、IuO1uO2G2R2由CMOS 反相器构成的施密特触发器R1uO1uI逻辑符号uO2uI12.212.2OOOuIuO2uO1tttUT+UOHUOLUOHUOLUT-工作波形二、工作原理 当输入电压 uI = 0 V 时，输出 uO1 = UOH VDD ，uO2 = UOL 0V。uIG1uIuO1uO2G2R2R1 1. 初始状态OOOuIuO2uO1tttUT+UOHUOLUOHUOLUT- uIG1uIuO1uO2G2R2R1 随着uI 从小逐渐增大， uI随之增大。由于 uO2 0V，所以 2. 电路状态第一次翻转 当 uI 上升到使uI=UTH =VDD/2时， G1工作在电压

4、传输特性的转折区，这时， uI 的微小增大，会使电路产生如下正反馈过程：IIuRRRu212 正反馈使电路状态在极短的时间内发生翻转， G1 开通， uO1= UOL 0V，G2关闭，uO2 = UOH VDD。 O2O1IIuuuu 输入电压 uI 上升到使电路状态发生翻转的值，称为正向阈值电压，用 UT+表示。OOOuIuO2uO1tttUT+UOHUOLUOHUOLUT- uIG1uIuO1uO2G2R2R1 随着uI 从小逐渐增大， uI随之增大。由于 uO2 0V，所以 2. 电路状态第一次翻转 当 uI 上升到使uI=UTH =VDD/2时， G1工作在电压传输特性的转折区，这时，

5、 uI 的微小增大，会使电路产生如下正反馈过程：IIuRRRu212 正反馈使电路状态在极短的时间内发生翻转， G1 开通， uO1= UOL 0V，G2关闭，uO2 = UOH VDD。 此后，uI 继续增大时，由于uI UTH ，电路状态保持不变。 O2O1IIuuuu T212THIURRRUuUT+=R1+R2R2UTH=(1+R1R2)UTHOOOuIuO2uO1tttUT+UOHUOLUOHUOLUT- uIG1uIuO1uO2G2R2R1 当uI 由高电平下降时， uI也随之下降。由于这时 uO2 =UOH=VDD，所以 3. 电路状态第二次翻转 当 uI 下降到 uI=UTH

6、时， 电路又产生了另一个正反馈过程： 正反馈使电路状态在极短的时间内又产生另一次翻转， G1 关闭，输出 uO1= UOH VDD ，G2开通，uO2 = UOL 0V 。 输入电压 uI 下降到使电路状态发生翻转时的值，称为负向阈值电压UT-。I121IDDIuRRRuVu O2O1IIuuuu T121THIURRRUVUuTDDUT-=(1-R1R2)UTHUOLUOH三、施密特触发器的传输特性UT = UT+ - UT-回差电压施密特触发器工作特点 (1)允许输入信号为缓慢变化的信号。 (2)有两个阈值电压。 (3)有两个稳态。 UT+OuOuI正向阈值电压负向阈值电压 当 uI 从小

7、增大时，经过 UT+ 处才能使输出发生跃变。UT- 当uI从大减小时，经过UT-处才能使输出发生跃变。四2输入施密特与非门逻辑符号1ACT74LS1323A4A3B4B1Y2Y3Y4Y2B1B2A六施密特反相器逻辑符号1A2A3A4A5A6A1Y2Y3Y4Y5Y6YCT7414输出逻辑表达式为Y=A输出逻辑表达式为Y=AB12.2.2 集成施密特触发集成施密特触发器器常用集成施密特触发门电路一些重要参数的典型值 tPHL8.7542.5典型延迟时间/ns8.825.58.625.5典型UT+ /V典型每门功耗/mW双 4 输入与非门四 2 输入与非门六反相器电路名称CT74LS13CT7413

8、CT74LS132CT74132CT74LS14CT7414型号tPLH典型UT- /V典型UT /V1.61.71.61.71.61.70.80.90.80.90.80.90.80.80.80.80.80.8181515151515151815151515OuItuOUT+UT-Ot一、脉冲波形变换 将三角波、正弦波和其它不规则信号变换成矩形脉冲。 UOHUOL 当 uI UT+ 后，uO = UOL ；当 uI下降到小于 UT- 时，uO 才跃变到 UOH。 当 uI UT-后，uO = UOH ；当 uI 上升到大于 UT+时，uO 才跃变到UOL。 uOuI12.2.3 施密特触发器的

9、应用施密特触发器的应用二、脉冲整形 将受到干扰的或不符合边沿要求的信号整形成较好的矩形脉冲。 uOuIOuItOuOtUT+UT-UOHUOLOuItuOUT+UT-Ot三、脉冲幅度鉴别 鉴别并取出幅度大于 UT+ 的脉冲。UOLUOHuOuI有一个稳态和一个暂稳态。无外触发脉冲输入时，电路处于稳态；在外触发脉冲作用下，电路将从稳态翻转到暂稳态，经一段时间后，电路又自动返回到原来的稳态。工作特点暂稳态时间长短取决于电路本身的参数，与外加触发脉冲无关。monostable flip-flop12.312.3一、电路组成 uIG1uI2uO1uO2G2VDD微分型单稳态触发器RC uC+ -12.

10、3.1 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器OOuO2tVDD工作波形uI2tUTHOuO1tVDDOuItUOLUOL二、工作原理 稳定状态: 当输入电压 uI 为低电平时，由于 G2 输入通过电阻 R接 VDD ，因此 uI2 也为高电平，G2 输出 uO2 为低电平 UOL 0V ，G1 输入全 0 ，输出 uO1 为高电平 UOH VDD。电容 C上的电压 uC 0V。电路处于稳定状态。uIG1uI2uO1uO2G2VDDRC uC + -OOuO2tVDD工作波形uI2tUTHOuO1tVDDOuItUOLUOL二、工作原理 触发进入暂稳态: 当输入电压uI 由低电平正跃到大于 G1

11、 的阈值电压 UTH 时，G1 开通，输出 uO1 负跃到UOL，G2 输出电压 uO2 由低电平跃到高电平 VDD，使 G1 维持开通，电源VDD 对电容 C 充电，电路进入暂稳态。在暂稳态期间输入电压 uI 回到低电平。 uIG1uI2uO1uO2G2VDDRC uC + -OOuO2tVDD工作波形uI2tUTHOuO1tVDDOuItUOLUOL二、工作原理 自动翻转: 随着电容 C 的充电，电压 uI2 也逐渐升高，当 uI2 上升到 G2 的阈值电压 UTH 时， G2 开通，输出 uO2 跃到低电平 UOL， G1 关闭，输出电压 uO1 跃到高电平VDD ，电路返回到初始的稳态

12、状态。uIG1uI2uO1uO2G2VDDRC uC - +OOuO2tVDD工作波形uI2tUTHOuO1tVDDOuItUOLUOL二、工作原理 恢复过程: 暂稳态结束后，电容 C 通过电阻 R 、G2 的输入保护回路放电，使电容 C 上的电压恢复到初始的 0 状态。uIG1uI2uO1uO2G2VDDRC uC + -OOuO2tVDD工作波形uI2tUTHOuO1tVDDOuIt三、输出脉冲宽度的计算 单稳态触发器输出脉冲的宽度实际上是暂稳态维持的时间，用t w 表示，它为电容 C 上的电压由低电平 0 V 充到 G2 的 UTH 所需的时间。tw 将uC(0+) =0V，uC ()=

13、 VDD，uC (tw)= VDD/2 和=RC 代入上式得)()()0()(ln)0()()()(tuuuuteuuutucccccccct即RCVVVRCtDDDDDDW7 . 0210ln 在使用微分型单稳态触发器时，输入触发脉冲 uI 的宽度 tWI 应小于输出脉冲的宽度 tW，即 tWI tW 的情况，可在触发信号源 uI 和 G1 输入端之间接入一个 Rd Cd 微分电路。uIG1uOG2VDDRCCdRd集成单稳态触发器暂稳态期间如再次被触发，对原暂稳时间无影响，输出脉冲宽度 tW 仍从第一次触发开始计算。 暂稳态期间如再次被触发，输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽 t

14、W 。 可重复触发型 非重复触发型 uOuI1uOuI限定符号“1 ”表示不可重复触发型单稳态触发器。限定符号“ ”表示可重复触发型单稳态触发器。 12.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器单稳工作波形举例单稳输出波形不可重复触发型 单稳输出波形可重复触发型 输入波形OuItOuOtOuOttWtWtWtW暂稳态期间不能再次触发。暂稳态期间能再次触发。其输出脉宽将在原暂稳态时间基础上再展宽 tW 。触发脉冲到来时，输出翻转为暂稳态，经暂稳态持续时间 tW 后自动回到稳态。外触发脉冲未来时，输出为稳态。单稳态触发器 CT74121 的逻辑图一、非重复触发单稳态触发器1. 电路组成与逻辑符号输

15、入触发脉冲控制电路输出缓冲级微分型单稳态触发器一、非重复触发单稳态触发器1. 电路组成与逻辑符号有 3 个触发信号输入端，TR-A和 TR-B 用负脉冲触发， TR+ 用正脉冲触发。 有 2 个互补输出端TR+TR-BTR-AQQRI CX RX/CXRintCextRext/CextRI CX RX/CX不可重复触发型单稳的限定符号 外接定时元件端 “”号表示非逻辑连接，即没有任何逻辑信息的连接，例如外接 R、C 和 VCC 等。 如何使用 Rint、Cext 和 Rext / Cext 端？RI CX RX/CXTR+TR-BTR-AQQ悬空不接CextRextVCC一般接法tW 0.7

16、RextCext通常取：Rext = 2 40 k，Cext = 10 pF 10 F。当输出脉宽不大时，可用内部电阻 Rint = 2 k取代 Rext ，接法如下：RI CX RX/CXTR+TR-BTR-AQQCext+VCCtW 0.7 RintCext负脉冲触发应用举例RI CX RX/CXTR+TR-BTR-AQQ+VCC+VCC 欲负脉冲触发，则将触发脉冲从 TR-A 或 TR-B 加入，而 TR+ 接 1。 CT74121 可正脉冲触发，也可负脉冲触发。QTR-B2. 逻辑功能与应用方法 CT74121 的功能表 0011111101110010101010QQTR+TR-BT

17、R-A输 出输 入正脉冲触发应用举例RI CX RX/CXuO+VCCuITR+ 欲正脉冲触发，则将触发脉冲从 TR+ 加入，而 TR-A 和 TR-B 至少有一接 0。uIuO2. 逻辑功能与应用方法CT74121 的功能表 0011111101110010101010QQTR+TR-BTR-A输 出输 入1RD1TR-1TR+1Q1Q1Cext1Rext /Cext2TR-2TR+2RD2Cext2Rext /Cext2Q2Q二、可重复触发单稳态触发器1. 逻辑符号 有两个触发信号输入端，1TR-用负脉冲触发，1TR+ 用正脉冲触发。 可重复触发型单稳的限定符号 互补输出 直接复位端为1R

18、D，低电平有效。 CT74HC123由两个独立的可重复触发单稳组成。 2. 逻辑功能CT74HC123 的功能表 11010110011011100QQTR+TR-RD输 出输 入下降沿触发上升沿触发稳 定状 态复 位说 明uAuBuCuOG单稳态触发器组成的定时电路和工作波形uAuCuBuOuB经过长距离传输后，脉冲信号的边沿会变差或波形上叠加某些干扰，利用整形可使其变成符合要求的波形。 二、脉冲定时 一、脉冲整形 利用单稳态触发器可以控制门开通与否以及开通多长时间。 uCtW12.3.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用若已知 Rext = 10 k，Cext = 1 F则可得 tW

19、0.7 RextCext = 7 msRI CX RX/CXQ+VCCuIRextCextQOuItOuOt脉冲展宽电路和工作波形三、脉冲展宽 tW接成正脉冲触发方式将窄脉冲展宽成宽度为 tW 的脉冲即矩形脉冲产生电路，由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，故常称多谐振荡器。 (1)不需输入信号。(2)无稳定状态，只有两个暂稳态。 通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。 工作特点Astable MultivibratorGuO逻辑符号12.412.41. 要求CMOS 非门 G1 和 G2 都工作在电压传输特性的转折区。2. 静态时 uO1 = uI

20、1 = UTH = VDD / 2 uI2 = uO1 = VDD / 2一、电路组成 静态工作点uI1G1uI2uO1uOuO2CG2RF电路图12.4.1 不对称多谐振荡器 uI1G1uI2uO1uOuO2CG2RFVDDUOL+ - 工作波形OuO1tOuO2tVDDUOLVDDUOLuI1UTHtOt1t2t3t4二、工作原理 输出波形设电路已当开始振荡。 t t1 时，uI1UTH，G1 关闭，uO1=VDD，G2 开通，uO2 = UOL。uO1=VDD 经 RF 对 C 充电，uI1增大。在 t t1 时，uI1 上升到G1 的UTH时，电路产生正反馈过程：O22IO1I1)(u

21、uuu箭头表示正反馈路径uI1G1uI2uO1uOuO2CG2RFVDDUOL+ - 工作波形OuO1tOuO2tVDDUOLVDDUOLuI1UTHtOt1t2t3t4二、工作原理 设电路已当开始振荡。 t t1 时，uI1UTH，G1 关闭，uO1=VDD，G2 开通，uO2 = UOL。uO1=VDD 经 RF 对 C 充电，uI1增大。在 t t1 时，uI1 上升到G1 的UTH时，电路产生正反馈过程。最终G1开通，uO1由高电平VDD跃到低电平，使G2关闭，uO2则由低电平跃到高电平VDD。电路进入第 1 个暂稳态。uI1G1uI2uO1uOuO2CG2RFVDDUOL+ - 工作

22、波形OuO1tOuO2tVDDUOLVDDUOLuI1UTHtOt1t2t3t4二、工作原理 输出波形 uO2的高电平经 C、 RF和G1的输出电阻对C 进行反向充电，uI1随之下降。在 t t2 时，uI1 下降到G1 的UTH时，电路又产生另一个正反馈过程： O22IO1I1)(uuuuuI1G1uI2uO1uOuO2CG2RFVDDUOL+ - 工作波形OuO1tOuO2tVDDUOLVDDUOLuI1UTHtOt1t2t3t4二、工作原理 输出波形最终G1关闭，uO1由低电平跃到高电平VDD ，G2开通，uO2则由高电平VDD跃到低电平。经电容耦合，使uI1负跃到小于G1的UTH，电路

23、进入另一个暂稳态。uO2的高电平经 C、 RF和G1的输出电阻对C 进行反向充电，uI1随之下降。在 t t2 时，uI1 下降到G1 的UTH时，电路又产生另一个正反馈过程。箭头表示正反馈路径工作波形OuO1tOuO2tVDDUOLVDDUOLuI1UTHtOt1t2t3t4二、工作原理 输出波形uO1的高电平又经 C、 RF和G2的输出电阻对C进行充电，uI1随之升高。在 t t3 时，uI1上升到G1的UTH，G1开通，G2关闭，电路返回到第一个暂稳态。 由于电容 C 周而复始地进行充、放电，使两个暂稳态相互交替，从而输出周期性的矩形脉冲 。uI1G1uI2uO1uOuO2CG2RFVD

24、DUOL+ - uI1G1uI2uO1uOuO2CG2RF三、振荡周期的估算 振荡周期的估算当 UTH = VDD / 2 时，T 1.4 RFC工作波形OuO1tOuO2tVDDUOLVDDUOLuI1UTHtOt1t2t3t4工作波形OuO2tOuO1tUOHUOLUOHUOLuI2UTHOtUTHuI1tOt1t2t3t4uI1C1G1uI2uO1uOuO2C2G2RF1RF2RF1RF2输出波形 RF1 和 RF2 取值合理，使 G1和G2 门工作在电压传输特性的转折区放大区。12.4.2 对称多谐振荡器 uI1C1G1uI2uO1uOuO2C2G2RF1RF2UOHUOL二、工作原理

25、 工作波形OuO2tOuO1tUOHUOLUOHUOLuI2UTHOtUTHuI1tOt1t2t3t4设电路已开始振荡。当 t = t1 时，uI2 = UTH，G2开通，uO2 = UOL，使 uI1 t1 后，uO1=UOH 经 RF2 、 G2的输出电阻对 C1反向充电，uI2下降；同 时，uO1= UOH 经 RF1 、G2的输出电阻对C2 充电， uI1 增大。uI1C1G1uI2uO1uOuO2C2G2RF1RF2UOHUOL二、工作原理 工作波形OuO2tOuO1tUOHUOLUOHUOLuI2UTHOtUTHuI1tOt1t2t3t4箭头表示正反馈路径 使G1开通，uO1 =

26、UOL， uI2 t2 后，uO2 = UOH 经 RF1 、 G1的输出电阻对 C2 充电，使 uI1下降；同 时，uO2 = UOH 经 RF2 、 G1的输出电阻对 C1 充电， 使 uI2 增大。uI1C1G1uI2uO1uOuO2C2G2RF1RF2UOLUOH二、工作原理 工作波形OuO2tOuO1tUOHUOLUOHUOLuI2UTHOtUTHuI1tOt1t2t3t4使G2开通， uO2 =UOL，uI1 (1/3) VDD，TH = uI (2/3) VDD，因此 uO 为低电平，V 导通，电容 C 经放电管 V 迅速放电完毕，uC 0 V。这时TR = UIH (1/3)

27、VDD，TH = uC 0 (2/3) VDD，uO 保持低电平不变。因此，稳态时 uC 0 V，uO 为低电平。充电放电VuCOtOuOtUOLUOH tWDD32VOtUIHDD31VuIVDD0VUOLUIH 2. 触发进入暂稳态 二、工作原理uCOtOuOtUOLUOH tWDD32VOtUIHDD31VuIVDD当输入 uI 由高电平跃变为低电平(应小于 (1/3) VDD )时，使 TR=UIL(1/3) VDD ，而TH = uC 0 V (2/3)VDD，因此 uO 跃变为高电平，进入暂稳态，这时放电管 V截止，VDD 又经 R 向 C 充电，uC 上升。UILUOH充电 3.

28、 自动返回稳定状态 二、工作原理uCOtOuOtUOLUOH tWDD32VOtUIHDD31VuIVDDUOL TH（2/3）VDDUIH放电V这时 uI 必须已恢复为高电平当 uC 上升到 uC （2/3）VDD时， TH = uC （2/3）VDD，而 TR = uI = UIH (大于（ 1/3）VDD )，因此 uO 重新跃变为低电平。同时，放电管导通，C 经 V 迅速放电 uC 0 V，放电完毕后，电路返回稳态。例 用上述单稳态电路输出定时时间为1 s 的正脉冲，R = 27 k，试确定定时元件 C 的取值。 二、工作原理uCOtOuOtUOLUOH tWDD32VOtUIHDD3

29、1VuIVDD输出脉冲宽度 tW 即为暂稳态维持时间，主要取决于充放电元件 R、C。 该电路为不可重复触发单稳，且要求输入负脉宽 小于输出脉宽 tW 。解：因为 tW 1.1 RC故可取标称值 33 F。F33.7k271 . 1S11 . 1WO RtC估算公式 tW 1.1 RCGNDVDDRDOUTCO555THTRDISVDD0.01 FRCuIuOCdRd三、具有 RC 输入微分电路的单稳态触发器当输入 uI 负脉冲宽度大于输出脉冲宽度 t W 时，需在 TR 端和输入触发信号 uI 之间接入 RdCd 微分电路后，电路才能正常工作。VDDRdCdGNDVDDRDOUTCO555THTRDISVDD0.01 FR1CuOuC-+R212.5.4 用 555 定时器组成多谐振荡器 一、电路组成 DISVDDR1CuC-+R2GNDVDDRDCO0.01 FOUTuOTHTR 二、工作原理 uCOtOuOtUOLUOHtWHtWLDD32VDD31V 充电UOHTH = TR = uC 很小接通 VDD 后，开始时 TH = TR = uC 0，uO 为高电平，电路处于暂稳态。 这时放电管截止，VDD 经 R1、R2 向 C 充电，uC 上升。 二、工作原理 uCOtOuOtUOLUO