第十章 脉冲波形的产生和整形20150525

1、脉冲的整形脉冲的整形脉冲的产生脉冲的产生重点掌握：重点掌握：施密特触发器、单稳态触发器、环形施密特触发器、单稳态触发器、环形振荡器振荡器的功能；的功能；555定时器的电路结构和应定时器的电路结构和应用。用。 一般了解：逻辑门及中规模单片集成电路构成的一般了解：逻辑门及中规模单片集成电路构成的脉冲信号整形、产生电路；施密特触发器、单稳脉冲信号整形、产生电路；施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器、环形振荡器的电路结构、态触发器、多谐振荡器、环形振荡器的电路结构、工作原理及其应用。工作原理及其应用。 脉冲在数字电路中的应用极为普遍，它脉冲在数字电路中的应用极为普遍，它的获取和分析是数字电路的一个组

2、成部分。的获取和分析是数字电路的一个组成部分。 数字电路中应用最多的是矩形脉冲，数字电路中应用最多的是矩形脉冲，获得矩形脉冲的方法无外乎有两种：获得矩形脉冲的方法无外乎有两种：1、利用各种形式的多谐振荡器、利用各种形式的多谐振荡器直接直接产生；产生；2、利用各种整形电路把已有的周期性变化、利用各种整形电路把已有的周期性变化波形波形变换变换为所需要的矩形脉冲。为所需要的矩形脉冲。脉冲幅度脉冲幅度Vm脉冲周期脉冲周期T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脉冲幅度脉冲幅度Vm脉冲电压最大变化幅度脉冲电压最大变化幅度脉冲周期脉冲周期T两个相邻脉冲之间的时间间隔。两个相邻脉冲之间

3、的时间间隔。脉冲宽度脉冲宽度TW从脉冲前沿到达从脉冲前沿到达0.5 Vm起，到脉冲起，到脉冲后沿到达后沿到达 0.5Vm为止的一段时间。为止的一段时间。上升沿时间上升沿时间tr脉冲上升沿从脉冲上升沿从0.1Vm到到0.9Vm所需所需要的时间。要的时间。下降沿时间下降沿时间tf脉冲下降沿从脉冲下降沿从0.9Vm 到到0.1Vm所需所需要的时间。要的时间。占空比占空比q脉冲宽度与脉冲周期的比值。脉冲宽度与脉冲周期的比值。 qtW/T 本章介绍用于产生矩形脉冲的几种电路：本章介绍用于产生矩形脉冲的几种电路： 一类是脉冲整形电路，它们虽然不能产生脉冲一类是脉冲整形电路，它们虽然不能产生脉冲信号，但却能

4、把其它形状的周期性信号变换成为矩信号，但却能把其它形状的周期性信号变换成为矩形脉冲信号，达到整形的目的。它们包括形脉冲信号，达到整形的目的。它们包括单稳态触单稳态触发器发器和和施密特触发器施密特触发器。 另一类是自激的脉冲振荡器，它们不需要外加另一类是自激的脉冲振荡器，它们不需要外加输入信号，只要接通直流电源，就能自动产生脉冲输入信号，只要接通直流电源，就能自动产生脉冲信号。信号。多谐振荡器多谐振荡器属于此类型。属于此类型。 555定时器定时器是一种用途很广的集成电路，用它是一种用途很广的集成电路，用它可以组成单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡可以组成单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器，

5、故做重点介绍。器，故做重点介绍。 施密特施密特触发器是脉冲整形电路，触发器是脉冲整形电路，特点特点： 为了讨论方便，输入和输出高电平为了讨论方便，输入和输出高电平为为VDD，低电平为，低电平为0。并假设门电路的电。并假设门电路的电压传输特性曲线为理想化折线，即开门压传输特性曲线为理想化折线，即开门电平和关门电平相等。电平和关门电平相等。DDTHOLDDOHVVVVV210,VIH IH = =VDD DD , ,VILIL=0=01、电路结构、电路结构图形符号图形符号CMOS门电路门电路当当VI0时，时，VO VOL 0V01VOH 1VIVAVo1Vo 当当VI 使使VA VTH，G1进入电

6、压传输特性的转折进入电压传输特性的转折区，发生如下区，发生如下正反馈正反馈：电路状态迅速转换为电路状态迅速转换为VOVOHVDDVA VOL 00VT+ 当当VI 时，电路状态发生转换对应的输入电平时，电路状态发生转换对应的输入电平VT+212ATHTRVVVRR121221TTHTHRRRVVVRRVT+称为称为正向阈值电压正向阈值电压 在在VI 过程，还过程，还不足以使不足以使G1、G2翻翻转转,VO仍为仍为0。当当VIVT+时，时，VOVOHVDD当当VIVDD时，时， 当当VI 使使VA VTH，G1进入电压传输特性的转折进入电压传输特性的转折区，发生如下区，发生如下正反馈正反馈：电路

7、状态迅速转换为电路状态迅速转换为VOVOL0VIVAVo1VoVO VOH 1V01VOL 0VA VOH 1 当当VI 时，电路状态发生转换对应的输入电平时，电路状态发生转换对应的输入电平VT VT称为称为 负向阈值电压负向阈值电压VDDVT-212()ATHDDDDTRVVVVVRR12112221TTHDDTHRRRRVVVVRRRR1R2 在在VI 过程，过程，还不足以使还不足以使G1、G2翻转翻转,VO仍为仍为VDD 。当当VIVT-时，时，VOVOL0VT+正向正向阈值电压阈值电压VT-负向负向阈值电压阈值电压121TTHRVVR121TTHRVVRTTTVVV回差电压回差电压 定

8、义定义为为VT+与与VT-之差之差TV122THRVR又称为滞后特性又称为滞后特性THTIVRRVV)(211THTIVRRVV)(211同相输出同相输出又称为滞后特性又称为滞后特性THTIVRRVV)(211THTIVRRVV)(211反相输出反相输出VT+=7.5V,试求试求R1 、R2、 VDD的值的值TV=5V,1217.5TTHRVVVR1225TTHRVVVR解：解：则则VDD2VTH=10VR1 、R2根据门电路根据门电路负载电流负载电流要求得到。要求得到。VTH=5V，120.5RR传输线上电传输线上电容较大，上容较大，上下边沿变坏下边沿变坏传输线较长且传输线较长且阻抗不匹配，

9、阻抗不匹配，上下边沿振荡上下边沿振荡叠加干扰，叠加干扰，有附加噪声有附加噪声1、特点、特点2、图形符号、图形符号3、参数、参数4、应用、应用(Monostable Multivibrator或或One-shot)稳态稳态暂稳态暂稳态稳态稳态工作过程：工作过程：特点：特点：在在外界触发脉冲外界触发脉冲作用下，能从作用下，能从转转到到，在暂稳态维持一段时间以后，在暂稳态维持一段时间以后，自动返回自动返回到到；暂稳态维持时间的暂稳态维持时间的长短取决于电路本身长短取决于电路本身的参数的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。，与触发脉冲的宽度和幅度无关。触发脉冲触发脉冲恢复恢复自动翻转自动翻转把不规则的波

10、形转换为宽度、幅度相等的脉冲。把不规则的波形转换为宽度、幅度相等的脉冲。将输入脉冲延后一定的时间输出。将输入脉冲延后一定的时间输出。 由门电路、由门电路、RC电路组成的单稳态触发器。电路组成的单稳态触发器。它的暂稳态通常都是靠它的暂稳态通常都是靠RC 电路的充、放电过程电路的充、放电过程来维持的，根据来维持的，根据RC电路的不同接法，分为：电路的不同接法，分为：1、电路结构、电路结构RC微分电微分电路路CMOS门电路门电路小电容小电容稳态稳态Vd=0, VI2=VDD电容两端无电压差电容两端无电压差 VI=0 暂稳态暂稳态VI= ,Vd随之上跳随之上跳VdVO1VI2VOVd升高到升高到VTH

11、后，引发如下正反馈后，引发如下正反馈：VO=VDD即使即使Vd返回返回0, VO1仍保持仍保持0C充电充电 VO1=VDD VO=0=VI2 ，Vd自动翻转自动翻转C充电充电, VI2升高升高VI2升高到升高到VTH后，引发正反馈：后，引发正反馈：恢复过程恢复过程VO1=VDDC充电充电 VO=0VI2VOVO1若若此时此时Vd已回到已回到低电平低电平 C通过通过R和和G2保护电路向保护电路向VDD放电放电恢复到稳定状态。恢复到稳定状态。C放电放电VI2随之上跳随之上跳若若VI ,Vd随之下跳继而恢复随之下跳继而恢复0稳稳态态暂暂稳稳态态恢复恢复脉宽脉宽tW()(0)ln()( )ccWccv

12、vtRCvv t 稳态稳态暂暂稳稳态态输出脉宽输出脉宽tWC充电充电( )(0)ln( )( )ccWccvvtRCvv t 0lnln 20.69DDDDTHVRCVVRCRCRON RG1输出低电平输出低电平RON接地接地tw恢复时间恢复时间treC放电放电VO返回低电平后，返回低电平后，C放电放电完毕，完毕，电路回到起始稳态的时间。电路回到起始稳态的时间。若若RD1 R、RON，则则:tre（35）RONC放电电阻放电电阻：RD1|R+RONG1输出高电平输出高电平RON接接VDDtre分辨时间分辨时间td保证电路能正常工作前提保证电路能正常工作前提下，允许两个相邻触发脉下，允许两个相邻

13、触发脉冲之间的冲之间的最小时间间隔最小时间间隔。tdtW trerewtt1f max则最高工作频率为则最高工作频率为：tretwtd窄脉冲触发窄脉冲触发抗干扰能力差抗干扰能力差Cd放电时间要小于放电时间要小于tW；若大于若大于tW ，电路仍能工电路仍能工作，但输出脉冲的作，但输出脉冲的下降沿下降沿较差较差，因为，因为没有正反馈。没有正反馈。脉冲延时脉冲延时&uAuBuCuO脉冲整形脉冲整形uAuCuBuO单稳态的单稳态的图形符号图形符号输出延迟输出延迟脉冲定时脉冲定时tw=0.69RC1、电路结构、电路结构RC积分电积分电路路TTL门电门电路路稳态稳态暂稳态暂稳态VI 至至1，VO=

14、0，VO1=0自动翻转自动翻转C放电至放电至VAtW负脉冲负脉冲触发，允许触发，允许tTRtW 根据单稳态触发器的应用十分普遍，故生产根据单稳态触发器的应用十分普遍，故生产集成单稳态触发器。只需很少的外接元件和连线，集成单稳态触发器。只需很少的外接元件和连线，并附加边沿触发及置零控制，就能形成性能较好并附加边沿触发及置零控制，就能形成性能较好的集成单稳态触发器。主要分为：的集成单稳态触发器。主要分为：1、74121的电路结构的电路结构微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器边沿触发边沿触发控制电路控制电路B入，上升沿（正脉冲）触发入，上升沿（正脉冲）触发A入，下降沿（负脉冲）触发入，下降沿（负脉冲

15、）触发缓冲输出电路缓冲输出电路A1或或A2下降沿下降沿触发触发B上升沿上升沿触发触发ln20.69WextextextexttR CR Cint2RK注意：注意： 通常通常Rext的取值在的取值在2k30k之间，之间，Cext的取值在的取值在10pF10F之间，得到的之间，得到的脉冲宽度脉冲宽度TW范围可达范围可达20ns200ms.外接电阻外接电阻，下降沿下降沿触发触发内接电阻内接电阻，上升沿上升沿触发触发不可重触发不可重触发电路进入暂稳态后电路进入暂稳态后不能再接收不能再接收触发信号触发信号74121、74221、74LS221 （ 1 ）可重触发可重触发电路进入暂稳态后电路进入暂稳态后能

16、再接收能再接收触发信号触发信号74122、74123、74LS122、 74LS123（ ）不可重触发不可重触发可重触发可重触发门电路工作在转折区门电路工作在转折区1OVIvAv10.51.9FRK耦合电容耦合电容2、工作特性、工作特性接反馈电阻产生偏置电压接反馈电阻产生偏置电压TTL反相反相器器VI1V01VI2V02VO1=0，VO21C1充电，充电， C2放电放电VO1=1，VO20C1放电，放电， C2充电充电VI2V02VI1V01C2放电放电C1充电充电0101C1放电放电C2充电充电C1充电充电C2放电放电暂稳态暂稳态暂稳态暂稳态C1放电放电C2充电充电暂稳态暂稳态暂稳态暂稳态C

17、1充电充电C2放电放电T1T2VIK门电路负跳变的钳门电路负跳变的钳位电压位电压T1-第一个暂稳态持续时间第一个暂稳态持续时间T2-第二个暂稳态持续时间第二个暂稳态持续时间第第一一暂暂稳稳态态第第二二暂暂稳稳态态C1放电放电C2充电充电T1T2T1对应的对应的C1充电充电电路：电路：th1EIK1E11E1VVVVCRT ln2F12F11ERRRRR )(BEOHCC2F12FOH1EVVVRRRVV第一暂稳态持续时间第一暂稳态持续时间T1:其中其中T1T2T2对应的对应的C2充电充电电路：电路：th2EIK2E22E2VVVVlnCRT 1F11F12ERRRRR )VVV(RRRVVBE

18、OHCC1F11FOH2E 第二暂稳态持续时间第二暂稳态持续时间T2:其中其中T1T2 在在RF1 = RF2 = RF , C1 = C2 = C的条件下，电路的振荡周期为的条件下，电路的振荡周期为th1EIK1E11E1VVVVlnCR2T2T 如果如果G1、 G2为为74LS系列反相器，取系列反相器，取VOH=3.4V、 VIK=-1V、 VTH=1.1V,在在RF R1的情的情况下，上式可近似的简化为：况下，上式可近似的简化为：CR3 . 1T2TF1 门电路工作门电路工作在放大状态在放大状态，不能工作在稳定状态；，不能工作在稳定状态；利用门电路的利用门电路的传输延迟时间传输延迟时间实

19、现振荡。实现振荡。奇数个奇数个反相器首尾相接而成反相器首尾相接而成0101 由图可看出：由图可看出：振荡周期振荡周期 T6tpd 基于上述原理可基于上述原理可知，将任何知，将任何n3的奇数的奇数个反相器首尾相连地个反相器首尾相连地接成环行电路，都能接成环行电路，都能产生自激振荡，振荡产生自激振荡，振荡周期周期 T=2ntpd T太小，频率太大，太小，频率太大，T2ntpd 电路简单电路简单TTL：tpd几十几十nsCMOS： tpd一二百一二百ns 频率不易调节频率不易调节 加加RC延迟后，加大延迟后，加大G2门的门的tpd2，降低了频率降低了频率；同时可以调节同时可以调节R和和C，调节调节振荡频率。振荡频率。 tpd2仍有限，仍有限，还不能有效降低了振荡频率。还不能有效降低了振荡频率。优点：优点：缺点：缺点：G3的输入保的输入保护电阻护电阻C的接地端改接到的接地端改接到G1的输出端的输出端提高经过提高经过RC的延迟时间的延迟时间对对TTL注意：注意：RSR50%VIVCCVOCC放电放电TTTCCTCCVVCRVVVVCRRTTT0021221lnln)(改变充放电电路