第8章脉冲波形

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 通常，把非正弦波称之为脉冲波。按脉冲通常，把非正弦波称之为脉冲波。按脉冲波形的形式分成矩形波、梯形波、阶梯波、锯波形的形式分成矩形波、梯形波、阶梯波、锯齿波等。本章主要介绍用多谐振荡器直接产生齿波等。本章主要介绍用多谐振荡器直接产生矩形波和利用整形电路获得矩形波的方法。矩形波和利用整形电路获得矩形波的方法。一些概念一些概念8.1 集成集成555定时器及应用定时器及应用8.2 门电路构成的矩形波发生器及整形电路门电路构成的矩形波发生器及整形电路矩形脉冲波常作为时钟信号。波形的好坏直接矩形脉冲波常作为时钟信号。波形的好坏直接关系到电路能否正常工

2、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。 trtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT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从脉冲波形上升沿上升到从脉冲波形上升沿上升到0.5Vm起起到下降沿下降到到下降沿下降到0.5Vm止的时间。止的时间。上升时间上升时间tr脉冲波形的上升沿从脉冲波形的上升沿从0.1Vm上升到上升到0.9Vm所需时间。所需时间。下降时间下降时间tf脉冲波形的下降沿从脉冲波形的下降沿从0.9Vm下降下降 到到0.1Vm所需时间。所需时间。占空比占空比q脉冲宽度脉冲

3、宽度Tw与脉冲周期与脉冲周期T之比即之比即 TTqwtrtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脉冲波形参数脉冲波形参数脉冲周期脉冲周期T周期性重复的脉冲序列中，周期性重复的脉冲序列中，相邻两个脉冲间的时间间隔。相邻两个脉冲间的时间间隔。脉冲频率脉冲频率f频率频率f表示单位时间内脉冲重表示单位时间内脉冲重复的次数，复的次数，脉冲幅度脉冲幅度Vm脉冲波形的电压最大变化脉冲波形的电压最大变化幅度。幅度。Tf1集成集成555定时器的用途很广，有双极型（型定时器的用途很广，有双极型（型号最后三位为号最后三位为555）和）和CMOS型（型号最后型（型号最后四位为四位为7555）两类电路。它们的功能、

4、外）两类电路。它们的功能、外引线排列完全相同。在测量与控制、家用引线排列完全相同。在测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域得到了广泛的电器和电子玩具等许多领域得到了广泛的应用。应用。 5G555定时器的电路组成及工作原理定时器的电路组成及工作原理集成集成555定时器的应用定时器的应用图图8-1为双极型为双极型5G555定时器的原理电路和引脚排列定时器的原理电路和引脚排列图。图。 V-C12348765+VCCD THGNDTLOUTR5G5553图图8-1集成集成5G555定时器原理图定时器原理图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

5、555定时器基本结构定时器基本结构8.1.2 工作原理工作原理 分析图分析图8-1所示原理图，便可以得到所示原理图，便可以得到5G555定时器的功能表。如表定时器的功能表。如表8-1所示。所示。 表表8-1 5G555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是一种产生矩形脉冲波的自激多谐振荡器是一种产生矩形脉冲波

6、的自激振荡器。由于矩形波含有丰富的高次谐波，振荡器。由于矩形波含有丰富的高次谐波，所以矩形波振荡器又称为多谐振荡器。多所以矩形波振荡器又称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，不需外加触发信号，谐振荡器没有稳态，不需外加触发信号，当接通电源后，便可以自动地周而复始地当接通电源后，便可以自动地周而复始地产生矩形波输出。产生矩形波输出。用用555定时器很容易定时器很容易构成多谐振荡器。如构成多谐振荡器。如图图8-2所示。图中的所示。图中的R1、R2和和C是外接电是外接电阻和电容，是定时元阻和电容，是定时元件。件。VCC0.01F584376215G555DTHTLdvC图图8-2多谐振荡器多谐振荡器C

7、R1R22VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCT图图8-3多谐振荡器工作波形图多谐振荡器工作波形图0VCC0.01F584376215G555DTHTLdvC图图8-2多谐振荡器多谐振荡器CR1R2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图图8-4是用是用5G555定时器构定时器构成的占空比成的占空比(脉冲宽度与脉冲宽度与周期之比周期之比)可调的多谐振

8、可调的多谐振荡器。该电路比图荡器。该电路比图8-2多多两个二极管两个二极管D1、D2和一个和一个电位器电位器Rw。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D2CR1R2Rw当三极管当三极管T截止时，截止时，VCC通过通过R1、D1给电容给电容器器C充电；若三极管充电；若三极管T导通时，电容器导通时，电容器C通过通过R2、D2放电。因此有：放电。因此有：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 VCC0.01F584376215G5

9、55DTHTLD1vC图图8-4占空比可调多谐振荡器占空比可调多谐振荡器D2CR1R2RwVCC0.01F584376215G555DTHTLD1vC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(二二) 单稳态触发器单稳态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：把不规则的波形

10、转换成宽度、幅度都相等整形：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：将输入信号延迟一定时间之后输出。延时：将输入信号延迟一定时间之后输出。定时：产生一定宽度的方波。定时：产生一定宽度的方波。单稳态触发器特点单稳态触发器特点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：单稳态触发器虽然有两个工作状态，但其中一个为单稳态触发器虽然有两个工作状态，但其中一个为稳态，而另一个为暂稳态。未加触发信号前的状态稳态，而另一个为暂稳态。未加触发

11、信号前的状态为稳态，加触发信号后的状态为暂稳态。为稳态，加触发信号后的状态为暂稳态。单稳态触发器在外加触发脉冲的作用下，可以从稳单稳态触发器在外加触发脉冲的作用下，可以从稳态翻转到暂稳态。暂稳态维持一段时间后，自动返态翻转到暂稳态。暂稳态维持一段时间后，自动返回到稳态，无需外加触发脉冲。回到稳态，无需外加触发脉冲。暂稳态持续的时间就是单稳态触发器的脉冲宽度的暂稳态持续的时间就是单稳态触发器的脉冲宽度的大小。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。图图8-5是是5G555定时器构定时器构成的单稳态触发器，图成的单稳态触发器，图中中R、C是定时元件

12、；单是定时元件；单稳态触发器的输入信号稳态触发器的输入信号vI加在低触发端加在低触发端TL端，端，3端是单稳态触发器输出端是单稳态触发器输出脉冲端脉冲端(vO)。高触发端。高触发端TH(6)和放电端和放电端D(7)连接连接到到C与与R的连接处的连接处d。VCC0.01F584376215G555DTHTLdvO图图8-5单稳态触发器单稳态触发器CRvI单稳态触发器在负脉冲单稳态触发器在负脉冲触发作用下，由稳态翻触发作用下，由稳态翻转到暂稳态。由于电容转到暂稳态。由于电容器充电，暂稳态自动返器充电，暂稳态自动返回稳态。这一转换过程回稳态。这一转换过程为单稳态触发器的一个为单稳态触发器的一个工作周

13、期。其工作波形工作周期。其工作波形图如图图如图8-6所示。所示。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施密特触发器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，属电位触发。施密特触发器有两个稳定输出状态，属电位触发。当输入触发信号电平达到阈值电压时（所加电位当输入触发信号电平达到阈值电压时（所加电位信号不得撤去），输出电平会发生突变。突变的信号不得撤去），输出电平会发生突变。突变的原因是电路内部正反馈所致。这样施

14、密特触发器原因是电路内部正反馈所致。这样施密特触发器便可以将缓慢变化的输入信号，变换成矩形波输便可以将缓慢变化的输入信号，变换成矩形波输出。出。l施密特触发器具有回施密特触发器具有回差特性。输入信号电平差特性。输入信号电平增加时，引起输出电平增加时，引起输出电平突变的转换电平称为上突变的转换电平称为上限阈值电压，用限阈值电压，用VT+表表示。输入信号电平减小示。输入信号电平减小时，引起输出电平突变时，引起输出电平突变的转换电平称为下限阈的转换电平称为下限阈值电压，用值电压，用VT-表示。表示。VT+和和VT-不等称作回差。不等称作回差。回差电压回差电压VT=VT+-VT-。使其抗干扰能力较强。

15、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将将5G555定时器的定时器的高触发端高触发端TH和低和低触发端触发端TL连接起连接起来就构成了施密特来就构成了施密特触发器。如图触发器。如图8-7所示。所示。vITHTLVCC84623155G555vO0.01F图图8-7施密特触发器施密特触发器如果输入信号电压如果输入信号电压vI是三角波，当是三角波，当vIVCC/3时比较时比较器器C2输出输出vC2=0，基本，基本RS触发器置触发器置1，Q=1， =0，输出输出vO=1。当。当vI上升到上升到2VCC/3时，比较器时，比较器C1

16、输出输出vC1=0，此时基本，此时基本RS触发器复触发器复0，Q=0， =1，输出，输出vO=0。vI由高电位下降到稍小于由高电位下降到稍小于VCC/3后，比较器后，比较器C2输出输出vC2=0，基本，基本RS触发器又置触发器又置1，Q=1， =0，输出输出vO又跳变为高电平又跳变为高电平vO=1。如此连续变化，在。如此连续变化，在输出端得到矩形波输出，其工作波形如图输出端得到矩形波输出，其工作波形如图8-8所示。所示。QQQvIvOtt002VCC3VCC3VT+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vOVOHVOL0VCC32VCC3vI图图8-9施密特触发器电压传输特性

17、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)的关系的关系曲线，是施密曲线，是施密特触发器的电特触发器的电压传输特性。压传输特性。施密特触发器状态的转换由输入信号施密特触发器状态的转换由输入信号vI来触来触发，同时输出的高、低电平依赖于发，同时输出的高、低电平依赖于vI的高、低的高、低电平来维持。输出对输入的这种依赖关系与门电平来维持。输出对输入的这种依赖关系与门电路相同，因此用图电路相同，因此用图8-10所示的符号表示施密所示的符号表示施密特触发器特触发器(施密特触发的反相器施密特触发的反相器)。vOvI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

18、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。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是利用门电路固有的传输延迟时环形振荡器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

19、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例如由于某种原因使例如由于某种原因使vI1发生了微小的负跳变以后，发生了微小的负跳变以后，经过经过G1的传输延迟时间的传输延迟时间tpd之后，之后，vI2产生一个正跳变，产生一个正跳变，再经过再经过G2

20、的传输延迟时间的传输延迟时间tpd又使又使vI3产生一个负跳变，产生一个负跳变，经过经过G3的传输延迟时间的传输延迟时间tpd之后，之后，vO产生一个正跳变。产生一个正跳变。所以经过所以经过3tpd的传输延迟时间之后在的传输延迟时间之后在vI1又出现了一个又出现了一个反方向的电压跳变。经过反方向的电压跳变。经过3tpd之后，又将跳变成低电之后，又将跳变成低电平，如此周而复始，便产生了自激振荡，输出矩形平，如此周而复始，便产生了自激振荡，输出矩形波。图波。图8-11(b)就是根据以上分析得到的工作波形图。就是根据以上分析得到的工作波形图。由图可见，振荡周期由图可见，振荡周期T=6tpd。结结 论

21、论根据上述原理，将任何大于、等于根据上述原理，将任何大于、等于3的奇数个反相器的奇数个反相器首尾相连地串接在一起均可构成环形振荡器，而且首尾相连地串接在一起均可构成环形振荡器，而且振荡频率为振荡频率为T=2ntpd 其中其中n为串联门的个数。为串联门的个数。这种振荡器的突出优点是电路极为简单。但是由于这种振荡器的突出优点是电路极为简单。但是由于门电路的传输延迟时间极短，门电路的传输延迟时间极短，TTL电路只有几十纳电路只有几十纳秒，秒，CMOS电路也不过一、二百纳秒，所以难于获电路也不过一、二百纳秒，所以难于获得稍低一些的频率，而且频率不易调节。为了克服得稍低一些的频率，而且频率不易调节。为了

22、克服这些缺点，引入了一些改进电路。这些缺点，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引进在简单环形振荡电路中引进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CRSRttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000图图8-1

23、3 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：周期的近似计算公式为：tw10.98(RR1)Ctw21.26RCT = tw1+ tw2 0.98(RR1)C+1.26RC式中的式中的R、C是外接，是外接，R1是是TTL与非门中的与非门中的R1。当。当R1R时，时， 振振荡周期为：荡周期为：T2.2RC上式可用于近似估计上式可用于近似估计振荡周期振荡周期.使用时应注使用时应注意它的假定条件是否意它的假定条件是否满足满足,否则否则,计算结果会计算结果会有较大的误差。有较大的误差。ttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-V

24、OL)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在许多应用场合都对多谐振荡器的振荡频率稳定性在许多应用场合都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。例如多谐振荡器作为数字钟的脉冲有严格的要求。例如多谐振荡器作为数字钟的脉冲源使用时，要求频率十分稳定。源使用时，要求频率十分稳定。 上述多谐振荡器中，振荡频率主要取决于门电路的上述多谐振荡器中，振荡频率主要取决于门电路的输入电压上升到转换电平（阈值电压）所需要的时输入电压上升到转换电平（阈值电压）所需要的时间，所以频率的

25、稳定性不可能很高。第一，转换电间，所以频率的稳定性不可能很高。第一，转换电平本身就不够稳定，容易受电源和温度变化的影响；平本身就不够稳定，容易受电源和温度变化的影响；第二，电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态第二，电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态转换的提前或滞后；第三，在电路状态临近转换时，转换的提前或滞后；第三，在电路状态临近转换时，电容的充、放电已经比较缓慢，转换电平的微小变电容的充、放电已经比较缓慢，转换电平的微小变化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。因此在对化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。因此在对频率要求很高时，必须采取稳频措施。频率要求很高时，必须采取稳频措施。目前，普遍

26、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石英晶体组成石英接入石英晶体组成石英晶体多谐振荡器。图晶体多谐振荡器。图8-14 为石英晶体的阻抗为石英晶体的阻抗频率特性和符号。石英频率特性和符号。石英晶体不但频率特性稳定，晶体不但频率特性稳定，而且品质因数很高，有而且品质因数很高，有极好的选频特性。极好的选频特性。ff0 x0电电感感性性电电容容性性符号符号图图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vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3图图8-15 石英晶体环形振荡器石英晶体环形振荡器CRSR石英晶体石英晶体把石英晶把石英晶体与

27、体与RC多多谐振荡器谐振荡器中的电容中的电容串联起来串联起来就构成了就构成了石英晶体石英晶体多谐振荡多谐振荡器。器。由石英晶体的电抗频率特性可知，当外加电压的频由石英晶体的电抗频率特性可知，当外加电压的频率为率为f0时，其等效阻抗最小，所以频率为时，其等效阻抗最小，所以频率为f0的电压信的电压信号最容易通过，并在电路中形成正反馈。因此振荡器号最容易通过，并在电路中形成正反馈。因此振荡器的工作频率为的工作频率为f0。石英晶体振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有石英晶体振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率谐振频率f0，与外接电阻、电容无关。其工作原理与，与外接电阻、电容无关。其工作原理与R

28、C环形多谐振荡器基本相同。环形多谐振荡器基本相同。(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电路的充电路的充放电过程来维持的，根据放电过程来维持的，根据RC电路的不同电路的不同接法，可分为微分型和积分型。接法，可分为微分型和积分型。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触发器触发器中插入一个中插入一个RC微微分电路环节就构分电路环节就构成了单稳态触发成了单稳态触发器，如图器，如图8-16所所示

29、。示。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脉冲的幅度和宽度是确定的，利用这是确定的，利用这一性质，可将宽度一性质，可将宽度和幅度不规则的脉和幅度不规则的脉冲串，整形为宽度冲串，整形为宽度和幅度一定的脉冲和幅度一定的脉冲串，如图串，如图8-18所示。所示。 tvI0tvO0图图8-18 脉冲波形脉冲波形脉冲定时脉冲定时 由于单稳态触发器能产生一定宽度由于单稳态触发器能产生一定宽度Tw的矩形输出的矩形输出脉冲，利用这个脉冲去控制某电路，使其在脉冲，利用这个脉冲去控制某电路，使其在Tw时时间内动作（或不动作），起到了定时作用。例如，间内动作（或不动作），起到了定时作用。例如，利用脉冲宽度为利用脉冲宽度为Tw的正矩形脉冲作为门输入的信的正矩形脉冲作为门输入的信号号vB，而与门的另一