第12章_脉冲波形的产生和整形(st)

1、数字电路常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边数字电路常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿的沿的脉冲信号脉冲信号，如触发器就需要，如触发器就需要时钟脉冲时钟脉冲、计数脉冲、计数脉冲、置位置位/复位脉冲复位脉冲等。等。脉冲信号产生要用脉冲信号产生要用多谐振荡器多谐振荡器。本章将介绍常用的本章将介绍常用的施密特触发器施密特触发器、单稳态触发器单稳态触发器和和多谐多谐振荡器振荡器，同时介绍一种多用途的定时电路，同时介绍一种多用途的定时电路555定时定时器器。获取这些脉冲信号的方法通常有两种：获取这些脉冲信号的方法通常有两种：直接直接产生产生； 利用已有信号利用已有信号整形整形或或变换变换得到

2、。得到。 脉冲信号整形则要用脉冲信号整形则要用单稳态触发器单稳态触发器和和施密特触发器施密特触发器利用各种形式的多谐振荡器电路直利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲。接产生所需要的矩形脉冲。通过各种整形电路将已有的通过各种整形电路将已有的周期性变化波形变换为符合周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。要求的矩形脉冲。u脉冲周期脉冲周期T：周期性重复脉冲序列中，两相邻脉冲之间的时间间隔。：周期性重复脉冲序列中，两相邻脉冲之间的时间间隔。u脉冲幅度脉冲幅度Vm：脉冲电压的最大变化幅值。：脉冲电压的最大变化幅值。u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

3、脉冲后沿到达起，到脉冲后沿到达0.5Vm 为止的时间为止的时间。u上升时间上升时间tr: 脉冲上升沿从脉冲上升沿从0.1 Vm上升到上升到0.9 Vm所需时间。所需时间。u下降时间下降时间tf :脉冲下降沿从脉冲下降沿从0.9Vm下降到下降到0.1 Vm所需时间所需时间。u占空比占空比q： 脉冲宽度与脉冲周期的比值，即：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即：q= tw/T 施密特触发器施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门。是具有滞后特性的数字传输门。 什么是什么是施密特触发器？施密特触发器？逻辑符号逻辑符号输入输出波形输入输出波形 思考：思考：施密特触发器有什么特点？施密特触发器有什么特点？ 施密特

4、触发器特点：施密特触发器特点：（1）输出有两种状态（输出为数字信号）；）输出有两种状态（输出为数字信号）； （2）输入采用电平触发（输入为模拟信号）；）输入采用电平触发（输入为模拟信号）；（3）对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值）对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平（电平（VT+和和VT-）。）。采用施密特触发器后的实际温控波形采用施密特触发器后的实际温控波形u性能特点：性能特点： 1 1、输入信号从低电平上升的过程中电路状态转换时对应的输入电平，、输入信号从低电平上升的过程中电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同与输入信号从

5、高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。 即：对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平（即：对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平（V VT T+ +和和V VT T- -） 2 2、电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出、电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。电压波形的边沿变得很陡。u优点：优点：不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩边沿陡峭的矩形波形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声噪声有效清除。有效清除。 施密特触发器有同相传输和

6、反相传输两种电路施密特触发器有同相传输和反相传输两种电路 施密特触发器的电压传输特性施密特触发器的电压传输特性1212102OHDDOLTHDDGGCMOSVVVVVRR设：和是电路，且 电路构成电路构成 工作原理分析工作原理分析（1） 当当vI=0V时，时，vO1 VDD ， vO 0V， vA 0V； 0 01 10 00 0G1、G2为为CMOS门电路，其阈值电压为门电路，其阈值电压为V VTHTH1/2VDD。电路。电路中要求中要求R1R2 。0OHDDOLVVV，.（2）当）当vI升高时升高时,vA也升高。当也升高。当vA达到达到1/2VDD时，时，G1、G2输出输出状态将发生翻转。

7、此时对应的状态将发生翻转。此时对应的vI值称为值称为VT+ 。(正向阈值电压正向阈值电压)（3 3）当）当vI大大于于VT+时，电路转到另一稳态：时，电路转到另一稳态：vO1 0V ，vO VDD 。 T2DD1212AVvRVRR)(21DDT121RRVVVT+=1/2VDD00110 01 10 00 0作用：改善作用：改善vO1、 vO边沿。边沿。 这里有一正反馈现象：这里有一正反馈现象：vIvAvO1vO（4 4）当）当vI由高变低时，由高变低时，vA 也由高变低。当也由高变低。当vA 1/2VDD时，时，电路又将发生转换。此时对应的电路又将发生转换。此时对应的vI称为称为VT。(反

8、向阈值电压反向阈值电压)（5 5）当）当vI小于小于VT时，电路转到另一稳态：时，电路转到另一稳态：vO1 VDD ，vO 0V。 DDT-1T-DD12()12AVVRvVVRR)(21DD-T121RRVV0 01 11 10 0VT=1/2VDD作用：改善作用：改善vO1、 vO边沿。边沿。 这里也有一正反馈现象：这里也有一正反馈现象：vIvAvO1vOvIVT+VT-0t0tvO10tvO工作波形工作波形)(21DDT121RRVVT-DD()RVVR12112OOATHAIOIVVVVVVVV1,00大区，故时，进入传输特性的放至当。时，当DDOHOVVV使电路迅速跳变到THTIIT

9、THAVRRVVVVVRRRVVT)1 (21212入电平）上升过程中状态变化输：OOATHAIOIVVVVVVVV1,11大区，故时，进入传输特性的放至当。时，当0OLOVV使电路迅速跳变到THTITHDDIDDDDTHAVRRVVVVRRRVVVVV)1 (2)(2121212(1)TTHRVVR12(1)TTHRVVRTHTTTVRRVVV212u回差电压回差电压同相输出的施密斯触同相输出的施密斯触发特性发特性12(1)TTHRVVR12(1)TTHRVVRTHTTTVRRVVV212u回差电压回差电压反相输出的施密斯触反相输出的施密斯触发特性发特性VVRRVVTHTI5 . 7)1 (

10、21VVRRVVVTHTTT5221VVVVRRDDTH105, 5 . 02143422210RRRVVVVVTTVCESCCEOLOI)(饱和导通，截止，时，EBECCCIEIIVViViVTVVVV12111270导通，并引起时，至当.OHOVVTT截止导通，迅速转为21424112RRRVVVVCESccEE)(VVOL91.VIVOVCC42411211RRRVVVVVTTVCESCCEOHOI)(截止，饱和，时，EBECCCIEIIVViViVTVVVV12111170脱离饱和，并引起时，至当.OLOVVTT导通截止，迅速转为21434221RRRVVVVCESccEE)(V.VV

11、ET702 V.VVET701 42411RRRVVVCESccE)(VIVOVCC偏移部分电压值较高，加入电平反相”输出加推拉式输出级“输入加“与门”附加部分：OLVu应用应用1-波形变换波形变换iuououtiutTVTV用作接口电路，用作接口电路，将缓慢变化的将缓慢变化的正弦信号正弦信号矩形矩形脉冲脉冲边沿变边沿变化缓慢化缓慢边沿边沿陡峭陡峭outiuouiutTVTVu 应用应用2-脉冲整形脉冲整形不规则不规则信号信号矩形矩形脉冲脉冲数字系统中，矩形脉数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生冲经传输后往往发生波形畸变。波形畸变。u 应用应用2-脉冲整形脉冲整形矩形脉冲经传输后往矩形脉冲经传

12、输后往往发生波形畸变。往发生波形畸变。注意：注意：V VT+T+和和V VT-T-的合理设置的合理设置outiuouiutTVTVu应用应用3-幅度鉴别幅度鉴别从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于V VT T+ +的输入脉冲的输入脉冲。 幅度幅度大大于于 的信号的信号保留保留TV幅度幅度小小于于 的信号的信号滤除滤除TViuouu应用应用3-幅度鉴别幅度鉴别从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于V VT T+ +的输入脉冲的输入脉冲。 幅度幅度大大于于 的信号的信号保留保留TV幅度幅度

13、小小于于 的信号的信号滤除滤除TV 有两种状态：有两种状态：0 0态和态和1 1态，但只有一种状态能长久保持，态，但只有一种状态能长久保持，故名单稳态触发器。故名单稳态触发器。 例子例子楼道灯控制系统楼道灯控制系统 u单稳态触发器的特点：单稳态触发器的特点： （1 1）有稳态和暂稳态两种状态；）有稳态和暂稳态两种状态； （2 2）平时处于稳态，在外部触发脉冲作用下，由稳态进入）平时处于稳态，在外部触发脉冲作用下，由稳态进入 暂稳态；暂稳态； （3 3）暂稳态维持一定时间后自动回到稳态。）暂稳态维持一定时间后自动回到稳态。 u什么是什么是单稳态触发器？单稳态触发器？单稳态触发器主要有以下三类：单

14、稳态触发器主要有以下三类：（1 1）微分型微分型单稳态触发器单稳态触发器（2 2）积分型积分型单稳态触发器单稳态触发器（3）集成单稳态触发器）集成单稳态触发器 DDTHOLDDOHVVVVV210,21,0,0,()0IOdIDDODDVVVCVVVV：上稳态下无电压；121,0,1,dTHdIOOIOOVVVCVVVVVV加 触 发 信 号上 升 至电 路 迅暂 稳速态进 入开 始 充 电 RC RC微分电路微分电路DDTHOLDDOHVV,V,VV210 22211, 0,IIOITHOOODDVVVVVVVVVC时又引起正反馈电充电至放电路至没有电压，迅速返回稳态恢复稳态。 RC RC微

15、分电路微分电路200lnlnln)()()()(RCVVVRCVVVVRCtTHDDDDtw201wITHOtVVV 输出脉冲宽度 :等于从 充电至的时间（即：时间）图图12.3.112.3.1电容电容C C的充电等效电路的充电等效电路ONRRG G1 1输出低电平输出低电平时的输出电阻时的输出电阻V(0): V(0): 电容电压起始值电容电压起始值V():V():电容电压充、放电终了值。电容电压充、放电终了值。200lnlnln)()()()(RCVVVRCVVVVRCtTHDDDDtw1(3 5)(/ /)(3 5)rereDONONdwdretRrRtCCttttR2、恢复时间 、分辨时

16、间图图12.3.112.3.1电容电容C C的充电等效电路的充电等效电路图图12.3.212.3.2电容电容C C的放电等效电路的放电等效电路；稳态下：OHAOHOOIVVVVVV),( ,*110开始放电；进入暂稳态，后，CVVVOOI,*001返回稳态；后，当放至,*1OTHAVVV恢复初始态；重新充电至后，,*OHIVCV RCRC积分电路积分电路THOHtwVVRCVVVVRCtlnln)()()()(0reTRdOretttCRRt)(530OAOHTHVVVV（时间）等于从放电至的时间。V(0)=VOH=VDDV()=VOL=0R R0 0、R R0 0:G1:G1输出低、高输出低

17、、高电平时的输出电阻。电平时的输出电阻。放电等放电等效回路效回路控制附加电路：控制附加电路：控制控制还是还是触发。触发。微分型单稳微分型单稳决定输出脉决定输出脉冲宽度冲宽度输出缓冲输出缓冲 控制电路用于产生窄脉冲。当输入满足以下条件时，控制电路用于产生窄脉冲。当输入满足以下条件时，控制电路产生窄脉冲：控制电路产生窄脉冲：（1 1）若）若A1、A2中至少有一个为中至少有一个为0 0时，时，B由由01(01(上升沿触发）；上升沿触发）； 74LS121的原理框图的原理框图微分型单稳微分型单稳态触发器态触发器输出缓冲输出缓冲（2 2）若）若B=1，A1、A2中至少有一个由中至少有一个由10 10 （

18、下降沿触发）。（下降沿触发）。 74LS121内部结构和引脚图：内部结构和引脚图： 74LS121的功能表（教材的功能表（教材P472） 两种不同接法两种不同接法上升沿触发下降沿触发A. A. 使用外接电阻使用外接电阻RextRext（上升沿触发）（上升沿触发）B. B. 使用内部电阻使用内部电阻RinRin（下降沿触发）（下降沿触发）()(0)()( )0lnlnln20.69CCwtCCTHVVVtRCRCRCRCVVVV可重复触发？不可重复触发？ 用于定时用于定时vovo 用于延时用于延时图 单稳态触发器脉冲延迟的应用 (a) 电路图； (b) 波形图(a)74121( )A1A2BCe

19、xtRext / CextQQuI345UC C1011UC CR1C116uO174121( )A1A2BCextRext / CextQQ345UC C1011UC CR2C216uO 在数字系统中，有时要求将某个脉冲宽度为在数字系统中，有时要求将某个脉冲宽度为T0的信号延迟一段的信号延迟一段时间时间T1后再输出。后再输出。0uItT00uO1tTW10uOt(b)TW2波形图T1 = TW1 0.7R1C1，T0 = TW2 0.7R2C2 用于整形用于整形单稳单稳vOvItt00vOvI 多谐振荡器就是多谐振荡器就是矩形波发生器矩形波发生器，是一种，是一种自激自激振荡器，振荡器，在接通

20、电源后，不需要外加触发信号，便能自动产生矩在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲。由于矩形波中除基波外还包含了许多高次谐波，形脉冲。由于矩形波中除基波外还包含了许多高次谐波，因此，又称为多谐振荡器。因此，又称为多谐振荡器。 什么是什么是多谐振荡器多谐振荡器？ 多谐振荡器不需要外加信号，只要一上电就会产生多谐振荡器不需要外加信号，只要一上电就会产生矩形波信号。矩形波信号。 （也就是电路有两个暂稳态）（也就是电路有两个暂稳态）111221212(2),IIOIOOOVVVVVVVCC由于“扰动”使有微小，则有：使迅速跳变为低，而迅速跳变为高。电路进入第一个暂稳态开始充电，开始放电。

21、一、工作原理（一、工作原理（TTL）(1)静态（未振荡）静态（未振荡）时应是不稳定的时应是不稳定的TTL反相器的电压传输特性方法：使方法：使G1G1、G2G2工作在工作在转折区或线性区。转折区或线性区。222111221(3),ITHIOIOOOVVVVVVVVCC当充至，再将引起如下正反馈：使迅速跳变为高，而迅速跳变为低。电路进入第二个暂稳态开始充电，开始放电。C C1 1充电等充电等效电路效电路C C1 1放电等放电等效电路效电路R RE1E1: :等效电阻等效电阻V VE1E1: :等效电压源等效电压源12112122112/ /()FEFFFEOHCCOHBEFR RRRRRRRVVV

22、VVRR的时间从充电开始到充至的时间从充电开始到充至THITHIVVVVT2121212FEFFOHBECCOHERRRRRRVVVVV/)(THEIKEEVVVVCRTln212122111IOOOIIIVCVVVVVV,)(开始放电电路进入第一个暂稳态高。迅速低，而迅速使，则有：有微小由于“扰动”使12122112IOOOIITHIVCVVVVVVV,)(开始充电电路进入第二个暂稳态低。迅速高，而迅速使，则有：至又返回第一个暂稳态。至当,)(THIVV13要求保证静态时要求保证静态时G1、G2工作在转折区工作在转折区vO2THDDTHTHDDTHWVVVC:TVVVC:TTTT充至充至充电

23、，从充电，从放至放至放电，从放电，从脉冲宽度计算：脉冲宽度计算： 2121()(0)()( )ln2.2wFtVVtRCR CVV一、最简单的环形振荡器一、最简单的环形振荡器工作过程：工作过程： 假定由于某种原因假定由于某种原因vI1产产生了微小的负跳变，则经过生了微小的负跳变，则经过G1的传的传输延迟时间输延迟时间tpd后，后， vI2产生一个幅度产生一个幅度更大的负跳变，经过更大的负跳变，经过G2后，后， vI3得得到一个幅度更大的正跳变，经过到一个幅度更大的正跳变，经过G3后，又得到一个负跳变，其幅度进后，又得到一个负跳变，其幅度进一步加大，且反馈回一步加大，且反馈回vI1。可以推想，可

24、以推想，每经过每经过3tpd后，后， vI1电平翻转一次。电平翻转一次。如此周而复始，就产生了自激振荡。如此周而复始，就产生了自激振荡。振荡周期：振荡周期：T=6 tpd 。推广：任何大于、等于推广：任何大于、等于3 3个奇个奇数个反相器首尾相连接成环形数个反相器首尾相连接成环形电路，都能产生自激振荡，且电路，都能产生自激振荡，且振荡周期为：振荡周期为：T=2T=2ntntpdpd2pdRCt第一步：增加延迟环节，加大。输输出出。的的接接地地端端改改至至迟迟，将将第第二二步步：为为获获取取更更大大延延1GC虽然简单，但不实用（振荡频率虽然简单，但不实用（振荡频率过高，且不易调节）过高，且不易调

25、节）,2.2pdRCf RRCTRCRC通过调整 、改（ 不能太大）常数远大于因此T周期主要计算环节振荡周期 12lnlnDDTTDDTTVVVTTTRCRCVVV【调节R、C,可改变振荡周期】12210lnln0【可改变占空比】DDTTDDTTVVVTTTR CRCVVV年年美国美国 卡第提出用石英压电效应调制电磁振卡第提出用石英压电效应调制电磁振荡的频率。荡的频率。 巴黎广播电台首先用严济慈制作的石英振荡巴黎广播电台首先用严济慈制作的石英振荡片实现了无线电播音中的稳频，随后各国相继采片实现了无线电播音中的稳频，随后各国相继采用，使无线广播振荡电磁回路稳频成为压电晶体用，使无线广播振荡电磁回

26、路稳频成为压电晶体的最重要应用之一。的最重要应用之一。石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有振荡频率，而与外接电阻、电容无关，体的固有振荡频率，而与外接电阻、电容无关，因此，频率稳定度非常高。因此，频率稳定度非常高。555定时器定时器 一种多用途的一种多用途的数字数字-模拟混合模拟混合单片集成电路，外单片集成电路，外接少数接少数R、C元件可构成各种功能电路：施密特触元件可构成各种功能电路：施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器。发器、单稳态触发器、多谐振荡器。 广泛用于信号的广泛用于信号的产生产生、整形整形、控制与检测，在、控制与检测，在工业控

27、制、定时、电子乐器及防盗报警等方面应用工业控制、定时、电子乐器及防盗报警等方面应用很广。很广。 555定时器的内部结构及逻辑符号定时器的内部结构及逻辑符号基本基本RS触发器触发器RDVCCDiscVCOvSGNDQvR555控制输入控制输入阀值输入阀值输入VR触发输入触发输入VS放电端放电端输出输出(Q)电源端电源端复位端复位端 电压比较器电压比较器2/3VCC1/3VCC控制输入控制输入阀值输入阀值输入VR触发输入触发输入VS放电端放电端2/3VCC1/3VCCRS1IV112211221122112200 10111 01011 1100 01 (1)0保 持RRCOSRCRRCOSRCR

28、RCOSRCRRCOSRCVVVR SVVVVVVVR SVVVVVVVR SVVVVVVVR SVQQVVV(Q)121212122030 101132131 011032131 11132030 01 (1)103保 持RC CCOSC CCRC CCOSC CCRC CCOSC CCRC CCOSC CCVVVR SVVVVVVVR SVVVVVVVR SVVVVVVVR SVQQVVV 555定时器的功能表定时器的功能表+C1R2/3VCCvR +C2S1/3VCCvS 输输 入入 输输 出出R SQ(VO)T1 0 导通导通 0 10 导通导通 1 01 截止截止 1 1不变不变不变

29、不变 2/3VCC 1/3VCC 2/3VCC 1/3VCC2/3VCC1/3VCC2/3VCC1/3VCC 0 1 1 1 1 0 01 截止截止RDvRvS入的关系）二、功能表（输出与输CCV32CCV31CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31DR1IV2IVOVDT 电路结构符号电路结构符号CCVDRDISCRvSvCOVGNDQ5V5551236748F01.05OvIvCCV32CCV31CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31DR1IV2IVOVDT?,?,TITIVVVV值使电路状态发生转变的值使电路状态发生转变的+C1R2/3VCCvI

30、 +C2S1/3VCCvI 2/3VCC1/3VCCvI0tvO0t（1）当）当vI1/3VCC时，时，R=1，S=0，Q=1，vO=1；（2）当）当1/3VCC vI2/3VCC时，时，R=1，S=1，Q=1，vO=1；（3）当）当 vI2/3VCC时，时，R=0，S=1，Q=0，vO=0；（4）当）当1/3VCC vI2/3VCC时，时， R=1，S=1，Q=0，vO=0；（5）当）当vI1/3VCC时，时，R=1，S=0，Q=1，vO=1； 原理分析原理分析CCVDRDISCRvSvCOVGNDQ5V5551236748F01. 05OvIv,TCCTCCVVVV2133 主要参数主要参

31、数1. 阀值电平阀值电平VT+=2/3VCCVT- -=1/3VCC2. 回差电压回差电压= VT+ VT- -=1/3VCC 电路结构电路结构F01. 0CCV0uCOVOUT12684357RCiuRVSV-+1C-+2CR1S1RQ1OvRRRIvRCVCCRVSVCVCV最后又回最后又回vO=0V=0V。 10导通导通 工作原理分析工作原理分析接通电源，且接通电源，且vI（=1）没有触发电压时，没有触发电压时，R=1,S=1； 假设假设RS触发器触发器初态为初态为1； 假设假设RS触发器触发器初态为初态为0； 结论：接通电源后，不管起始状态如何，最终触发器处结论：接通电源后，不管起始状

32、态如何，最终触发器处于稳态于稳态 vO=0。 011101截止截止100导通导通10111.1.什么是什么是稳态稳态？ vO=0V，此状，此状态能长久保持；态能长久保持；2/3VCC 工作原理分析（续）工作原理分析（续）截止截止1导通导通012. .当当vI加一个负脉冲；加一个负脉冲；3. .触发器自动回到稳态，触发器自动回到稳态，vO=0 =0 2/3VCC00001110导通导通0111011电路进入暂稳态，电路进入暂稳态，vO=VCC ；110CCV32CCV31CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31DRRVSVOVDTvI0tvC0tvO0tTW2/3VCC 工作波形工作波形RCRCTW1 .13ln 主要参数（教材主要参数（教材P.494）211211211 (1),031000121310001ICCCCCDCCDCCCCCDCVVVVQVQTVQVQTCVVVVQTCQV 稳态时，无触发信号：即可，若通电后导通保持若通电后截止充电至导通放电保持2/3VCCvI0tvC0tvO0tTW导通稳态：DOITVV,01）已经回到高于时（假定此时充至当CCICCCVVVV31321122010,0011CCDCCVVQTCQVV则导通开始放电至保持开始充电截