第10章脉冲波形的产生

1、 获取矩形脉冲波形的途径不外乎有两种获取矩形脉冲波形的途径不外乎有两种:用多谐振用多谐振荡器产生荡器产生;通过整形电路把已有的周期性变化的波通过整形电路把已有的周期性变化的波形变换为符合要求的矩形脉冲。形变换为符合要求的矩形脉冲。第十章脉冲波形的产生与整形第十章脉冲波形的产生与整形10.1 概述概述脉冲周期脉冲周期T周期性重复周期性重复的脉冲序列中，两个相邻的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。脉冲之间的时间间隔。脉冲幅度脉冲幅度VM脉冲电压脉冲电压的最大变化幅度。的最大变化幅度。脉冲宽度脉冲宽度tw从脉冲前沿从脉冲前沿到达到达0.5VM起，到脉冲后沿起，到脉冲后沿到达到达0.5VM为止的

2、一段时间。为止的一段时间。占空比占空比q脉冲宽度与脉脉冲宽度与脉冲周期的比值，即冲周期的比值，即q=tw/T上升时间上升时间tr脉冲前沿从脉冲前沿从0.1VM上升到上升到0.9VM所需要所需要的时间。的时间。下降时间下降时间tf脉冲后沿从脉冲后沿从0.9VM下降到下降到0.1VM所需要所需要的时间。的时间。电压传输特性电压传输特性10.2施密特触发器（施密特触发器（Schmitt Trigger） 它是脉冲波形变换中经常使用的一种电路具有下述特点它是脉冲波形变换中经常使用的一种电路具有下述特点: (1) 属于电平触发属于电平触发,当输入信号达到某一定当输入信号达到某一定电压值时电压值时,输出电

3、压会发生突变输出电压会发生突变;（2）输入信号增加和减少时，电路有不同）输入信号增加和减少时，电路有不同的阈值电压。的阈值电压。V0VIVT-VT+VOH0假定电路中假定电路中CMOS反相器的阈值电压反相器的阈值电压Vth=VDD/2,R1R2,输入信输入信号号VI为三角波为三角波,分析工作过程分析工作过程:根据叠加原根据叠加原理可写出理可写出:Vi1=R2R1+R2VI +R1R1+R2V0 利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在脉冲信号高低电平上的噪且可以将叠加在脉冲信号高低

4、电平上的噪声有效地清除。声有效地清除。10.2.1门电路组成的施密特触发器门电路组成的施密特触发器vi1当当Vi=0V时，时，G1门截止，门截止，G2门导通，输出端门导通，输出端V0=0V。此时。此时Vi1=0V。输入从。输入从0V电压逐渐增加，只要电压逐渐增加，只要Vi1Vth时时,电路状态维持电路状态维持VO=VDD不变。不变。Vit0VT+VT-tVO0VOH工作波形工作波形Vi继续上升至最大值后开始下降继续上升至最大值后开始下降,当当Vi1=Vth时时,电路产生如电路产生如下正反馈过程下正反馈过程:Vi1VO1VO结果结果VO迅速回迅速回0Vi1=Vth=R2R1+R2.VT-+R1R

5、1+R2.VDD将将VDD=2Vth代入可得代入可得VT-=(1 -R1R2)VthVIt0VT+VT-tVO0VOH工作波形工作波形VOVI0VT+VT-传输特性传输特性回差电压：回差电压：VT=VT+-VT-*10.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器由于施密特触发器的应用非常广泛，所以无论是在由于施密特触发器的应用非常广泛，所以无论是在TTL电路电路中还是在中还是在MOS电路中，都有单片集成的施密特触发器产品。电路中，都有单片集成的施密特触发器产品。 因为在电路的输入部分附加了与的逻辑功能，同时因为在电路的输入部分附加了与的逻辑功能，同时输出端附加了反相器，所以它也叫施密特触发的与非

6、输出端附加了反相器，所以它也叫施密特触发的与非门，集成电路手册中将其归入与非门类。门，集成电路手册中将其归入与非门类。10.2.3施密特触发器的应用施密特触发器的应用一、用于波形变换一、用于波形变换 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用,可可以把边沿缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉以把边沿缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。冲信号。V0VIVT-VT+VOH0二、用于脉冲波形的整形二、用于脉冲波形的整形三、用于脉冲鉴幅三、用于脉冲鉴幅10.3单稳态触发器单稳态触发器 (Monostable Multivibrator)具有下述特点

7、：具有下述特点：1、电路有一个稳态、一个暂稳态；、电路有一个稳态、一个暂稳态；2、在外来触发信号作用下，电路由稳态转到暂、在外来触发信号作用下，电路由稳态转到暂稳态；经过一段时间后，电路会自动返回稳态。稳态；经过一段时间后，电路会自动返回稳态。3、暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参、暂稳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。数，与触发脉冲的宽度无关。6.3.1门电路组成的单稳态触发器门电路组成的单稳态触发器图为用图为用CMOS门电路和门电路和RC微分电微分电路构成的微分型单稳态触发器。路构成的微分型单稳态触发器。一、微分型单稳态触发器一、微分型单稳态触发器CMOS门电

8、路可门电路可以近似认为；以近似认为；VOH=VDD、VOL=0，Vth=（1/2 ）VDD 。（1）在稳态下）在稳态下vi=0，vi2= VDD，故故vO=0， vO1= 1没有触发时，电路处于稳态，电容没有触发时，电路处于稳态，电容C上没有电压。上没有电压。当当Vi正跳变来时，在正跳变来时，在Rd、Cd组成的微分电路输出端得到很窄的组成的微分电路输出端得到很窄的正脉冲，使正脉冲，使 G1输出输出V01由高变为低电平，经电容由高变为低电平，经电容C耦合，使耦合，使Vi2为为D低电平，于是低电平，于是G2的输出变为高电平。即，的输出变为高电平。即，VO1=0，VO=1。由于由于G2的输出与的输出

9、与G1的输入端相连，这时即使触发信号再变为的输入端相连，这时即使触发信号再变为低电平，低电平，G1输出暂时也不会变回高电平。即，维持暂态。输出暂时也不会变回高电平。即，维持暂态。（3）电容）电容C充电，电路由暂态自动返回稳态充电，电路由暂态自动返回稳态在暂稳期间，电源经在暂稳期间，电源经G1的导通管及电阻的导通管及电阻R对电容充电。随着电对电容充电。随着电容两端的电压的增长，当容两端的电压的增长，当Vi2上升到上升到G2的阈值电压的阈值电压Vth时，电路时，电路发生下述正反馈过程：发生下述正反馈过程：结果使结果使G1迅速截止，迅速截止，G2很快导通，电路回到稳态。很快导通，电路回到稳态。C充电

10、充电Vi2VOVi1VO1 VO1=1，VO=0 （2）当外加触发信号时，电路由稳态翻转到暂态）当外加触发信号时，电路由稳态翻转到暂态暂暂假设输入波形已知，根据以上的分析可画出图假设输入波形已知，根据以上的分析可画出图10.3.1电路电路中各点的电压波形，如下：中各点的电压波形，如下：为了定量描述单稳态触发器为了定量描述单稳态触发器的性能，经常使用输出脉冲的性能，经常使用输出脉冲宽度宽度tW 、输出脉冲幅度输出脉冲幅度VM、恢复时间恢复时间tre和分辨时间和分辨时间td等参等参数。数。 在在RONR的情况下，等效电路可简化为简单的的情况下，等效电路可简化为简单的RC串联电路。该电路的过度过程可

11、用三要素法求串联电路。该电路的过度过程可用三要素法求解。解。主要参数的计算主要参数的计算三要素：三要素：VC（0）=0，VC（ ）=VDD， =RC，VC（tw）=Vth=1/2（VDD）=VDD -VDDe-tw/RCtw=RCln2=0.7RCVC(t)=VC （ ）- VC（ ） -VC （0）e-t/ （1）输出脉冲宽度）输出脉冲宽度tw输出脉冲宽度输出脉冲宽度tw等于从电容等于从电容C开始开始充电到充电到vi2上升至上升至VTH的这段时间。的这段时间。(3).恢复时间恢复时间tre 暂稳态结束后暂稳态结束后,还需要一段恢复时间还需要一段恢复时间,以便电容以便电容C在暂稳期间在暂稳期间

12、所充的电荷释放完所充的电荷释放完,使电路恢复初始状态。一般要经过使电路恢复初始状态。一般要经过3 d（ d=RONC为放电时间常数）的时间。为放电时间常数）的时间。C 放电的等效电路如放电的等效电路如上。上。(4).分辨时间分辨时间td 是指在保证电路正常工作的前提下，允许两个相邻触发脉是指在保证电路正常工作的前提下，允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔，冲之间的最小时间间隔，td=tw+tre ，即最高工作频率，即最高工作频率fMAX=1/td1fMAX=td23VCC，VI213VCC时，比较器时，比较器C1输出低电平，输出低电平，比较器比较器C2输出低电平，基本输出低电平，基本RS触发

13、器被置触发器被置1，放电三极管，放电三极管T截止，输出端截止，输出端V0为高电平。为高电平。当当VI123VCC，VI213VCC时，比较器时，比较器C1输出高电平，输出高电平，比较器比较器C2输出高电平，基本输出高电平，基本RS触发器被置触发器被置0，放电三极管，放电三极管T导导通，输出端通，输出端V0为低电平。为低电平。当当VI113VCC时，比较器时，比较器C1输出高电平，输出高电平，比较器比较器C2输出高电平，基本输出高电平，基本RS触发器状态不变。触发器状态不变。 T 导通 截止 导通 不变 V0 0 1 0 不变 RD 0 1 1 1 VI1 VI2 X X 输 出 输 入23VC

14、C13VCC23VCC13VCC23VCC13VCC6.5.2定时器应用举例定时器应用举例1.单稳态触发器单稳态触发器R&1+-+-C1C25k 5k 5k STVCCRCVIV0t0twVC(0)=0, VC( )=VCC, =RCVC(tw)=23VCC=VCC+(0 VCC)e-tw/RCtw=RCln3=1.1RC23VCt0VCCtVI0这种电路产生的脉冲这种电路产生的脉冲宽度可从几个微妙到宽度可从几个微妙到数分钟数分钟,精度可达精度可达0.1%。由由555定时器构成定时器构成可重复触发可重复触发单稳电路单稳电路tw报警报警8 476352 10.01 FCTVIVCCV0R

15、放电放电该电路与前面的电路不同的地方就该电路与前面的电路不同的地方就是在电容两端并接了一个三极管是在电容两端并接了一个三极管T。这样，当这样，当VI在单稳暂态期间连续触发时，由于在单稳暂态期间连续触发时，由于T导通能将导通能将电容电容C上的电荷放掉，使上的电荷放掉，使6端电压达不到端电压达不到2/3VCC，从而实现，从而实现重复触发。该电路，只有两次触发时间大于重复触发。该电路，只有两次触发时间大于tw时，电路才时，电路才会回到稳态。会回到稳态。t0Vt0Vt0VVIVCV02.由由555定时器构成定时器构成多谐振荡器多谐振荡器0.01 FC8 4762351VcVccVoR1R2tVc Ot

16、Vo OTphTpl当电源接通时，电容当电源接通时，电容C上初始电压为上初始电压为0，电源，电源VCC通过通过R1和和R2对电容对电容C充电，充电，VC上升，在上升，在VC 时，由于时，由于2端、端、6端相连，定时器处于置端相连，定时器处于置1状态，内部放电管状态，内部放电管T截止。当截止。当VC上升到：上升到：13VCC3VCC123VCC3VCC123VCCVC时，电路状态保持，仍为时，电路状态保持，仍为1。当当VC上升到上升到23VCC时，定时器状态翻转为时，定时器状态翻转为0，内部放电管，内部放电管T导通，电容导通，电容C通过通过R2、T放电，放电，VC下降，至下降，至3VCC1VO回

17、到回到1。振荡频率的计算：振荡频率的计算：矩形波高电平时间矩形波高电平时间Tph，即充电时间，即充电时间Tph=（R1+R2）Cln2=0.7 （R1+R2）C矩形波低电平时间矩形波低电平时间Tpl，即放电时间，即放电时间Tpl=R2Cln2=0.7R2Cf=1Tph+Tpl1.43(R1+2R2)C占空比占空比: 脉冲高电平时间与周期的百分比。脉冲高电平时间与周期的百分比。q=Tph/(Tph+Tpl） 100%占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器放电放电充电充电R1R2R3C 3.由由555定时器组成施密特触发器定时器组成施密特触发器5558 4762351VIVoVcctVI023VCC13VCC231VCCVCC3VIVo0电压传输特性电压传输特性tVo0输入与输出工作波形输入与输出工作波形施密特触发器的应用：施密特触发器的应用：（1）波形的整形及变换（如上图）波形的整形及变换（如上图）（2）幅度鉴别）幅度鉴别例如，输入信号为幅度不等的一串例如，输入信号为幅度不等的一串脉冲，需要消除幅度较小的脉冲，脉冲，需要消除幅度较小的脉冲，而保留幅度大于而保留幅度大于Vth的脉冲，只要的脉冲，只要将施密特触发器的正向阈值电压将施密特触发器的正向阈值