东北大学数电第八章脉冲波形的产生与整形教材

1、第第8章章 脉冲波形的产生与整形脉冲波形的产生与整形 脉冲是脉冲是脉动脉动和和短促短促的意思，凡是具有不连的意思，凡是具有不连续波形的信号均可称为续波形的信号均可称为脉冲信号脉冲信号。广义讲，各。广义讲，各种非正弦信号都是种非正弦信号都是脉冲信号脉冲信号。 按脉冲波形的形式按脉冲波形的形式分成矩形波、梯形波、分成矩形波、梯形波、阶梯波、锯齿波阶梯波、锯齿波等。等。 矩形脉冲波常作为时钟信号矩形脉冲波常作为时钟信号。波形的好坏直接。波形的好坏直接关系到电路能否正常工作。为了定量描述矩形关系到电路能否正常工作。为了定量描述矩形脉冲波，通常采用如图所示参数。脉冲波，通常采用如图所示参数。 trtf0

2、.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脉冲波形参数脉冲波形参数一些基本概念一些基本概念脉冲宽度脉冲宽度Tw上升时间上升时间tr下降时间下降时间tf占空比占空比q脉冲周期脉冲周期T脉冲频率脉冲频率f脉冲幅度脉冲幅度Vm集成集成555定时器的用途很广，有定时器的用途很广，有双极型双极型和和CMOS型型两类电路。它们的功能、外引线两类电路。它们的功能、外引线排列完全相同。排列完全相同。CMOS型型7555：电源电压范围为电源电压范围为318V，最大负载电流在最大负载电流在4mA以下以下双极型双极型555电源电压范围：电源电压范围：4.5V 16V最大负载电流最大负载电流: 200mA图图8-1为双极

3、型为双极型5G555定时器的原理电路定时器的原理电路和引脚排列图。和引脚排列图。 12348765+VCCD TH V-CGNDTLOUTR5G5553图图8-1集成集成5G555定时器原理图定时器原理图C1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQRS12385k5k5kC1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQ12385k5k5k电阻分压器电阻分压器比较器比较器基本基本RS触发器触发器三极三极管开管开关关输出缓冲器输出缓冲器555定时器基本结构定时器基本结构 5G55

4、5定时器的功能表定时器的功能表TH TLRVO T 2VCC/32VCC/32VCC/3VCC/3VCC/30111 0 0不变不变 1导通导通导通导通不变不变截止截止C1+-C2+-R1R2R3VR1VR2VC1(VR)VC1(VS)RR4V-C5TH6TL21T7DQQ12385k5k5kvo8.1.2 工作原理工作原理 8.1.3 集成集成555定时器的应用定时器的应用多谐振荡器多谐振荡器单稳态触发器单稳态触发器施密特触发器施密特触发器 (一一) 多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器是一种产生矩形脉冲波的自激是一种产生矩形脉冲波的自激振荡器。由于矩形波含有丰富的高次谐波，振荡器。由于

5、矩形波含有丰富的高次谐波，所以所以矩形波振荡器又称为多谐振荡器矩形波振荡器又称为多谐振荡器。特点：多谐振荡器没有稳态，不需外加触特点：多谐振荡器没有稳态，不需外加触发信号。发信号。电路构成：图中的电路构成：图中的R1、R2和和C是外接电阻和是外接电阻和电容，是定时元件。电容，是定时元件。工作原理：工作原理：VCC0.01F584376215G555DTHTLdvC图图8-2多谐振荡器多谐振荡器CR1R2工作原理分析如下：工作原理分析如下：电路接通电源前，电路接通电源前，vTH=vTL=vd=vC=0V。电路接通电源电路接通电源VCC开始开始时，时，TH、TL均处于低均处于低电位。电位。VCC0

6、.01F584376215G555DTHTLdvC图图8-2多谐振荡器多谐振荡器CR1R2VCC0.01F584376215G555DTHTLdvC图图8-2多谐振荡器多谐振荡器CR1R2VCC30tw1tw2VCCT图图8-3多谐振荡器工作波形图多谐振荡器工作波形图0TH TLRVO T 2VCC/32VCC/32VCC/3VCC/3VCC/30111 0 0不变不变 1导通导通导通导通不变不变截止截止2VCC3VCCVCC0.01F584376215G555DTHTLdvC图图8-2多谐振荡器多谐振荡器CR1R2VCC30tw1tw2VCCT图图8-3多谐振荡器工作波形图多谐振荡器工作波形

7、图0根据三要素方程：根据三要素方程：-cccc)e()0()()(tuuutu充电：充电：uC (0) =1/3VCC、 uC () =VCC、 =（R1+R2）C， tw1(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C2VCC3VCCVCC0.01F584376215G555DTHTLdvC图图8-2多谐振荡器多谐振荡器CR1R2VCC30tw1tw2VCCT图图8-3多谐振荡器工作波形图多谐振荡器工作波形图0根据三要素方程：根据三要素方程：-cccc)e()0()()(tuuutu放电：放电：uC (0) =2/3VCC、 uC () =0、 =R2C， tw2R2Cln20.7R2C2VC

8、C3VCC振荡周期振荡周期T和振荡频率和振荡频率f的近似计算的近似计算公式如下：公式如下：tw1(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C tw2R2Cln20.7R2CT= tw1+tw20.7(R1+2R2)CCRRTf)2(43. 1121输出脉冲幅度为：输出脉冲幅度为：VmVCC脉冲宽度脉冲宽度tw10.7R1C脉 冲 间 隔 时 间脉 冲 间 隔 时 间tw20.7R2C振荡周期振荡周期T0.7(R1+R2)C VCC0.01F584376215G555DTHTLD1vC图图8-4占空比可调多谐振荡器占空比可调多谐振荡器D2CR1R2RwVCC0.01F584376215G555D

9、THTLD1vC图图8-4占空比可调多谐振荡器占空比可调多谐振荡器D2CR1R2Rw211211211)(7 . 07 . 0RRRCRRCRtttqwww当调节当调节Rw时，就改变了时，就改变了R1、R2的阻值，也就改变了占的阻值，也就改变了占空比，而振荡周期保持不空比，而振荡周期保持不变。变。 占空比占空比例例8-1 试用试用555定时器设计一个每隔定时器设计一个每隔6秒振荡一秒的多谐振秒振荡一秒的多谐振器。其振荡频率为器。其振荡频率为500Hz。 解：分析解：分析-只要在振荡频率为只要在振荡频率为500Hz的多谐振荡器的多谐振荡器的复位的复位R端，加入端，加入1秒的高电平，接下来是秒的高

10、电平，接下来是6秒的低秒的低电平，便可达到题目的要求。电平，便可达到题目的要求。 因此有两个设计要求因此有两个设计要求 高电平高电平1秒秒 低电平低电平6秒的秒的振荡器。振荡器。 频率为频率为500Hz的振荡。的振荡。 为此，需设计一个占空比为此，需设计一个占空比q=1/7，周期，周期T=7秒的多谐秒的多谐振荡器。由于占空比小于振荡器。由于占空比小于1/2，则应选择占空比可，则应选择占空比可调的电路。调的电路。例例8-1 根据根据求得：求得：R2=6R1；根据根据T=0.7(R1+R2)C= 0.7(R1+6R1)C，取取C=10F，算得：，算得：R1=143k。 R2=857k。对于对于50

11、0Hz多谐振荡器的占空比，题目未提出要求，多谐振荡器的占空比，题目未提出要求，现选占空比等于现选占空比等于2/3，根据，根据 算得：算得：R3=R4根据根据T=0.7(R3+2R4)C，取，取C=1F，算得：，算得：R3=R4=0.95k，71211RRRq例例8-1 根据上述设计，画出根据上述设计，画出例例8-1的电路如图的电路如图8-5所示。所示。VCC0.01F765843215G555DTHTLD2D1图图8-5 例例8-1电路图电路图C=10FR1=143kR2=857kRW0.01F765843215G555DTHTLdC1FR1 9.5kR2 9.5k(二二) 单稳态触发器单稳态

12、触发器单稳态触发器是一种用于整形、延时、定时的脉冲单稳态触发器是一种用于整形、延时、定时的脉冲电路。电路。整形：整形：把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的矩形脉冲。的矩形脉冲。延时：延时：将输入信号延迟一定时间之后输出。将输入信号延迟一定时间之后输出。定时：定时：产生一定宽度的方波。产生一定宽度的方波。单稳态触发器电路的功能：每触发一次，电路输出单稳态触发器电路的功能：每触发一次，电路输出一个宽度一定、幅度一定的矩形波。一个宽度一定、幅度一定的矩形波。单稳态触发器特点：单稳态触发器特点：单稳态触发器有两个工作状态，一个为单稳态触发器有两个工作状态，一个为稳

13、态稳态，而另，而另一个为一个为暂稳态暂稳态。加触发信号前的状态为加触发信号前的状态为稳态稳态，加触发信号后的状态，加触发信号后的状态为为暂稳态暂稳态。单稳态触发器在单稳态触发器在外加触发脉冲外加触发脉冲的作用下，可以的作用下，可以从稳从稳态翻转到暂稳态。态翻转到暂稳态。暂稳态维持一段时间后，暂稳态维持一段时间后，自动返自动返回到稳态回到稳态。暂稳态持续的时间暂稳态持续的时间就是单稳态触发器的就是单稳态触发器的脉冲宽度脉冲宽度的的大小。只取决于电路本身的参数，而与触发脉冲无大小。只取决于电路本身的参数，而与触发脉冲无关。关。电路构成：图中电路构成：图中R、C是是定时元件定时元件；单稳态触发；单稳

14、态触发器的输入信号器的输入信号vI加在低加在低触发端触发端TL端。端。工作原理：工作原理：VCC0.01F584376215G555DTHTLdvO图图8-5单稳态触发器单稳态触发器CRvITH TLRVO T 2VCC/32VCC/32VCC/3VCC/3VCC/30111 0 0不变不变 1导通导通导通导通不变不变截止截止VCC0.01F584376215G555DTHTLdvO图图8-5单稳态触发器单稳态触发器CRvIVCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图图8-6单稳态触发器工作波形单稳态触发器工作波形一个工作周期：一个工作周期：单稳态单稳态触发器在负脉冲触发作触发器在负脉冲触发

15、作用下，用下，由稳态翻转到暂由稳态翻转到暂稳态稳态。由于电容器充电，。由于电容器充电，暂稳态自动返回稳态。暂稳态自动返回稳态。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图图8-6单稳态触发器工作波形单稳态触发器工作波形输出脉冲宽度输出脉冲宽度Tw为：为：Tw=RCln3=1.1RC 单稳态触发器电路要求单稳态触发器电路要求输输入触发脉冲宽度入触发脉冲宽度要小于要小于Tw，而输入而输入vI的周期要大于的周期要大于Tw。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图图8-6单稳态触发器工作波形单稳态触发器工作波形如果如果输入负触发脉冲宽输入负触发脉冲宽度大于输出脉冲宽度度大于输出脉冲宽度Tw时，

16、时，接一个接一个RC微分微分电路电路。即。即vI通过通过RC微微分电路接到低触发端分电路接到低触发端TL上。上。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图图8-6单稳态触发器工作波形单稳态触发器工作波形可重复触发的单稳态触发器：可重复触发的单稳态触发器：VCCCC123567555iuuoR485可作为失落脉冲检出电路，对机器的转速或人体的心可作为失落脉冲检出电路，对机器的转速或人体的心律（呼吸）进行监视，当机器的转速降到一定限度或律（呼吸）进行监视，当机器的转速降到一定限度或人体的心律不齐时就发出报警信号。人体的心律不齐时就发出报警信号。该电路有何作用？该电路有何作用？PNP管管简易曝光

17、定时器简易曝光定时器思考：当按一下开关思考：当按一下开关AN以后，电路是如何工作的？以后，电路是如何工作的？电容放电电容放电555置位置位J吸合吸合电灯电灯HL亮亮电容充电到电容充电到2/3VDD555复位复位J释放释放电灯电灯HL熄熄施密特触发器施密特触发器施密特触发器施密特触发器是一种具有回差特性的脉冲波是一种具有回差特性的脉冲波形变换电路。它有如下特点：形变换电路。它有如下特点：l施密特触发器有两个稳定输出状态施密特触发器有两个稳定输出状态，属电位触发。属电位触发。当输入触发信号电平当输入触发信号电平达到阈值电压时达到阈值电压时（所加电位（所加电位信号不得撤去），信号不得撤去），输出电平

18、会发生突变输出电平会发生突变。l上限阈值电压上限阈值电压，用，用VT+表表示。示。l下限阈值电压下限阈值电压，用，用VT-表表示。示。VT+和和VT-不等称作回不等称作回差。差。l回差电压回差电压VT=VT+-VT-使其抗干扰能力较强。使其抗干扰能力较强。vITHTLVCC84623155G555vO0.01F图图8-7施密特触发器施密特触发器电 路 构 成 ：电 路 构 成 ： 将将5G555定时器的高定时器的高触发端触发端TH和低触和低触发端发端TL连接起来连接起来就构成了施密特触就构成了施密特触发器。如图发器。如图8-7所所示。示。工作原理：工作原理：vITHTLVCC84623155G

19、555vO0.01F图图8-7施密特触发器施密特触发器vIvOtt002VCC3VCC3VT+VT-图图8-8施密特触发器工作波形施密特触发器工作波形vITHTLVCC84623155G555vO0.01图图8-7施密特触发器施密特触发器TH TLRVO T 2VCC/32VCC/32VCC/3VCC/3VCC/30111 0 0不变不变 1导通导通导通导通不变不变截止截止vOVOHVOL0VCC32VCC3vI图图8-9施密特触发器电压传输特性施密特触发器电压传输特性图图8-9所示为所示为vO=f(vI)的关系曲的关系曲线，是施密特触线，是施密特触发器的发器的电压传输电压传输特性特性。vOv

20、I图图8-10施密特触发器逻辑符号施密特触发器逻辑符号回差电压回差电压V越大，越大，电路的动作电压就电路的动作电压就越高，抗干扰能力越高，抗干扰能力越强。越强。施密特触发器常用施密特触发器常用于进行波形变换及于进行波形变换及脉冲波形的整形。脉冲波形的整形。简易灯光控制电路简易灯光控制电路什么元件？什么元件？光敏管：光弱时，光敏管：光弱时， C-E间电阻极大；光间电阻极大；光强时，电阻很小。强时，电阻很小。思考：灯思考：灯L什么时候亮？光强？光弱？什么时候亮？光强？光弱？4. 施密特触发器的应用施密特触发器的应用波形的变换与整形波形的变换与整形幅度鉴别幅度鉴别脉冲展宽电路脉冲展宽电路波形的变换与

21、整形波形的变换与整形 利用施密特触发器可以将正弦波、三角波变换成利用施密特触发器可以将正弦波、三角波变换成矩形波。矩形波。 vIvOVT+VT-图图8-23波形变换和整形波形变换和整形幅度鉴别幅度鉴别 施密特触发器的输出状态取决于输入信号施密特触发器的输出状态取决于输入信号vI的的幅度，因此它可以用来作为幅度鉴别电路。幅度，因此它可以用来作为幅度鉴别电路。只有当脉冲信号只有当脉冲信号vI的幅度大于的幅度大于VT+的脉冲，电路的脉冲，电路才输出一个脉冲才输出一个脉冲，而幅度小于，而幅度小于VT+的脉冲，电的脉冲，电路无输出脉冲。路无输出脉冲。vIvOVT+VT-图图8-24幅度鉴别波形幅度鉴别波

22、形幅度鉴别幅度鉴别 脉冲展宽电路脉冲展宽电路 脉冲展宽电路原理图、工作波形图。脉冲展宽电路原理图、工作波形图。VCCvIvOG1RCvC (a) 原理图原理图vIvOvCVT+(b)波形图波形图图图8-25脉冲展开电路脉冲展开电路RC决定展宽大小。改变决定展宽大小。改变RC值的大小就可以改变值的大小就可以改变施密特触发器的输出脉冲宽度。施密特触发器的输出脉冲宽度。8.2 门电路构成的矩形波发生门电路构成的矩形波发生器及整形电路器及整形电路多谐振荡器多谐振荡器单稳态触发器单稳态触发器施密特触发器施密特触发器 8.2.1 多谐振荡器多谐振荡器(一一)最简单的环形振荡器最简单的环形振荡器环形振荡器环

23、形振荡器是利用门电路固有的传输延迟时是利用门电路固有的传输延迟时间，将奇数个反相器首尾相接而形成的。间，将奇数个反相器首尾相接而形成的。图图8-11(a)所示的电路是一个最简单的环形振所示的电路是一个最简单的环形振荡器，它由三个反相器首尾相接组成。这个荡器，它由三个反相器首尾相接组成。这个电路没有稳定状态。电路没有稳定状态。vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3(a)电路原理图电路原理图t图图8-11 简单的环形振荡器简单的环形振荡器vO(vI1)vO1(vI2)vO2(vI3)tpd000(b)图工作波形图图工作波形图tt(一一)最简单的环形振荡器最简单的环形振荡器结结 论论奇数个反

24、相器首尾相连地串接在一起均奇数个反相器首尾相连地串接在一起均可构可构成环形振荡器成环形振荡器，而且振荡频率为，而且振荡频率为T=2ntpd 其中其中n为串联门的个数。为串联门的个数。优点：电路极为简单。优点：电路极为简单。缺点：缺点：频率不易调节频率不易调节。为了克服这些缺点，。为了克服这些缺点，引入了一些改进电路。引入了一些改进电路。(二二) RC环形多谐振荡器环形多谐振荡器在简单环形振荡电路中在简单环形振荡电路中引进引进RC电路作为延时环节电路作为延时环节，形成形成RC环形多谐振荡器。如图环形多谐振荡器。如图8-12所示。图中所示。图中RC构构成延时环节，成延时环节，RS为限流电阻，对门为

25、限流电阻，对门3起限流保护作用。起限流保护作用。vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3图图8-12 RC环形振荡器环形振荡器CRSRRC产生的延迟时间远大于产生的延迟时间远大于tpd。RS的阻值很小的阻值很小(100)，故将，故将vI3视为门视为门G3的输入电压。的输入电压。vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3图图8-12 RC环形振荡器环形振荡器CRSR当当vI3VT(TTL与非门的阈值电压为与非门的阈值电压为1.4V)时，时，vO为低电平；为低电平；vI3VT时，时，vO为高电平。为高电平。电容器上的电压不能突跳电容器上的电压不能突跳，使，使vI3随随vO1跳变跳变(vO

26、1和和vI3之间有电容器之间有电容器C耦合的结果耦合的结果)。vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3图图8-12 RC环形振荡器环形振荡器CRSR工作过程工作过程ttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3CRSRttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000图图8-13 RC环形振荡器理想工作波形环形振荡器理想工作波形振荡器的暂态时间和振荡器的暂态时间和周期的近似计算公式为：周期的近似计

27、算公式为：tw10.98(RR1)Ctw21.26RCT = tw1+ tw2 0.98(RR1)C+1.26RCtw1tw2当当R1R时，时， 振荡周振荡周期为：期为：T2.2RC使用时应注意它的假使用时应注意它的假定条件是否满足。定条件是否满足。ttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000图图8-13 RC环形振荡器理想工作波形环形振荡器理想工作波形(三三) 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器555555构成的多谐振荡器的特点：构成的多谐振荡器的特点： 优点：优点：工作可靠，调节方便。工作可靠，调节方便。 缺点

28、：缺点：振荡频率不能太高，一般不超过振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫；受电源波动、温度变化等影响，几百千赫；受电源波动、温度变化等影响，频率稳定性较差。频率稳定性较差。目前，普遍采用的稳频目前，普遍采用的稳频方法是在多谐振荡器中方法是在多谐振荡器中接入接入石英晶体石英晶体组成石英组成石英晶体多谐振荡器。晶体多谐振荡器。石英晶体频率特性稳定，石英晶体频率特性稳定，有极好的选频特性。有极好的选频特性。符号符号图图8-14 石英晶体的阻抗频率石英晶体的阻抗频率 特性与符号特性与符号fX感性感性0fSfp容性容性1uOG1G2图图8-15 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器C1RRC21R：保证

29、反相器静态保证反相器静态时工作在线性放大区。时工作在线性放大区。对对TTL反相器，常取反相器，常取R0.7k2k，对，对于于CMOS门，则常取门，则常取R10M；C1：耦合电容。耦合电容。C2：高频滤波。高频滤波。石英晶体振荡器的石英晶体振荡器的振荡频率振荡频率取决于石英晶体的取决于石英晶体的固有谐振频率固有谐振频率并联式振荡器并联式振荡器R RF F是偏置电阻，与是偏置电阻，与G G1 1构成一个反相放大器。构成一个反相放大器。 晶体工作在略大于晶体工作在略大于f fS S与与 f fP P之间之间，等效一电感，与，等效一电感，与C C1 1、C C2 2共同共同构成构成电容三点式振荡电路电

30、容三点式振荡电路。电路的振荡频率。电路的振荡频率= =f f0 0。 反相器反相器G G2 2起起整形缓冲整形缓冲作用，同时作用，同时G G2 2还可以隔离负载对振荡电还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。路工作的影响。CR1C112G21GF10MovCMOSCMOS石英晶体多谐振荡器产生石英晶体多谐振荡器产生f f=32768Hz=32768Hz的基准信号；的基准信号；经经TT触发器触发器构成的构成的1515级异步计数器分频级异步计数器分频后，便可得到稳后，便可得到稳定度极高的秒脉冲信号。定度极高的秒脉冲信号。可做为各种计时系统的可做为各种计时系统的基准信号源基准信号源。秒信号发生器秒信号发

31、生器RC1C211C1C1C1C1FF0FF1FF14FF15Q0Q1Q14Q15(四四) 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器的暂稳态是靠单稳态触发器的暂稳态是靠RC电路的电路的充充放电过程放电过程来维持的，根据来维持的，根据RC电路的不同电路的不同接法，可分为接法，可分为微分型微分型和和积分型积分型。以以TTL与非门、与非门、RC微分电路构成的单稳微分电路构成的单稳态触发器为例说明其工作原理。态触发器为例说明其工作原理。1. TTL与非门微分型单稳态触发器与非门微分型单稳态触发器在基本在基本RS触发器触发器中中插入一个插入一个RC微微分电路环节分电路环节就构就构成了单稳态触发成了单稳态触发

32、器，如图器，如图8-16所所示。示。图图8-16 单稳态触发器单稳态触发器0.47kvIvO1vOvI2C0.01FRG1G2图图8-16 单稳态触发器单稳态触发器0.47kvIvO1vOvI2C0.01FRG1G2tttt0000vOVTvI2vO1vI图图8-17单稳态触发器工作波形单稳态触发器工作波形tttt0000vOVTvI2vO1vI图图8-17单稳态触发器工作波形单稳态触发器工作波形输出脉冲宽度输出脉冲宽度Tw近似计算：近似计算：Tw0.8(RO+R)C公式中的公式中的RO为与为与非门的输出电阻，非门的输出电阻，RO100。2.单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用脉冲整形脉冲整形脉冲定时脉冲定时 脉冲延时脉冲延时脉冲整形脉冲整形 单稳态触发器输出单稳态触发器输出脉冲的幅度和宽度