第七章 脉冲波形的整形与产生

1、第七章第七章 脉冲波形的产生与整形脉冲波形的产生与整形2本章教学内容 门电路构成的单稳态触发器、多谐振荡器、门电路构成的单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器工作原理及相关应用施密特触发器工作原理及相关应用 555定时电路及其应用定时电路及其应用37.1 概述 7.1.1 脉冲信号的特点 矩形脉冲波的几个参数：矩形脉冲波的几个参数： 电压幅度电压幅度、 上升时间上升时间、下降时间下降时间、周期周期、脉宽脉宽、脉冲占空比脉冲占空比。4 7.1.2 脉冲产生与整形电路的基本分析方法脉冲产生与整形电路的基本分析方法 不管是脉冲产生电路还是整形电路，都会包含开关元件（或开关电路）不管是脉冲产生电路还是

2、整形电路，都会包含开关元件（或开关电路）和惰性电路单元，开关元件的通断使电路实现不同状态的转换，而惰性电和惰性电路单元，开关元件的通断使电路实现不同状态的转换，而惰性电路则用来控制暂态变化过程的快慢。路则用来控制暂态变化过程的快慢。设初始时刻开关设初始时刻开关K与端点与端点a相相连，电源通过电阻向电容充连，电源通过电阻向电容充电，电， 5 5 7.1.2 脉冲产生与整形电路的基本分析方法脉冲产生与整形电路的基本分析方法/ teXXXtX)()(0)()(三要素公式三要素公式：)(0CVTVmt从暂态过程的初始值从暂态过程的初始值变到变到所经历的时间所经历的时间为：为：TCCCm)()(0)(V

3、VVVlnRCt67.2 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器有如下特点：单稳态触发器有如下特点： 第一，电路有第一，电路有一个稳定态一个稳定态和一个和一个暂稳态暂稳态。无信号触发时电路。无信号触发时电路长期处于稳定状态。长期处于稳定状态。第二，在外来触发脉冲信号作用下，电路由稳定状态翻转到第二，在外来触发脉冲信号作用下，电路由稳定状态翻转到暂稳状态。经过一段时间后，电路会自动返回到稳定状态。暂稳状态。经过一段时间后，电路会自动返回到稳定状态。第三，暂稳状态持续时间的长短取决于电路的第三，暂稳状态持续时间的长短取决于电路的定时元件参数定时元件参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。与触发脉冲的宽度和

4、幅度无关。1、整形整形输出矩形波。输出矩形波。2、定时定时输出一定宽度的矩形波。输出一定宽度的矩形波。3、延时延时将输入信号延长一定时间后输出。将输入信号延长一定时间后输出。用途：用途：7 7.2.1 用门电路构成的单稳态触发器用门电路构成的单稳态触发器按按RC电路不同，可将门电路构成的单稳态电路不同，可将门电路构成的单稳态触发器分为触发器分为微分型微分型和和积分型积分型两种两种 一、微分型单稳态触发器一、微分型单稳态触发器 工作原理工作原理（此电路用负窄脉冲触发）UI UO1UI2UO说 明接通电源不触发0UOH1001稳态：UO=1C中无电荷触发触发0110暂态：UO=0C充电UI2 =V

5、TH10101返回稳态：UO=1C放电UI2 011001恢复为起始稳态 C中无电荷微分型单稳态触发器电路8 8 7.2.1 用门电路构成的单稳态触发器用门电路构成的单稳态触发器一、微分型单稳态触发器一、微分型单稳态触发器 ttttuIuO 1uI2uOVthtWtre7.2.2 微 分 型 单 稳态 触 发 器 工 作 波 形DDthOLDDOHVVuVu21, 0,RCVVVRCTDDW69. 0210lnDDDD由由CMOSCMOS电路可知电路可知由公式由公式（7.1.2）可求得该电路）可求得该电路暂态持续时间暂态持续时间TW。 暂态时间分析暂态时间分析：9 9 7.2.1 用门电路构成

6、的单稳态触发器用门电路构成的单稳态触发器二、积分型单稳态触发器二、积分型单稳态触发器 工作原理工作原理（此电路用宽正脉冲触发）积分型单稳态触发器电路UI UI2UO说 明接通电源不触发10VCC1自然稳态：UO=1触发10VCC0暂稳态：UO=01返回稳态：UO=1C放电UAVTH恢复为自然稳态10不触发10VCC1UO=1UO110 7.2.1 用门电路构成的单稳态触发器用门电路构成的单稳态触发器二、积分型单稳态触发器二、积分型单稳态触发器 tUItUO1tUI2tUOVTHTTRTreTwTd输出脉宽输出脉宽 TW 和幅度和幅度 UOmRCVVVRCtDDW69. 0210lnDDDDUo

7、m = UOH -UOL电路工作波形如图所示：电路工作波形如图所示：11 7.2.2 7.2.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器一一、74LS121： 是一种典型的不可重复触发单稳态触发器是一种典型的不可重复触发单稳态触发器 12 7.2.2 7.2.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器一一、74LS121： 是一种典型的不可重复触发单稳态触发器是一种典型的不可重复触发单稳态触发器 1A2ABQ QQ Q表表7.2.1 74LS121的功能表的功能表输入输入输出输出说明说明B0101保持稳保持稳态态0101001110111下降沿下降沿触发触发1110上升沿上升沿触发触发013 7.2.2

8、7.2.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器一一、74LS121： 是一种典型的不可重复触发单稳态触发器是一种典型的不可重复触发单稳态触发器 图图7.2.5 定时元件定时元件连接方式连接方式图（图（b）采用了）采用了74LS121内置的内置的2K电阻电阻 图（图（a a）中外接电阻）中外接电阻取值在取值在1.430K1.430K之间之间外接电容取值在外接电容取值在10PF10F之间，得到的脉冲宽度之间，得到的脉冲宽度范围为范围为20ns200ms， 输出的脉冲宽度由下式确定输出的脉冲宽度由下式确定:2TTWlnCRt14 7.2.2 7.2.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器二、二、74LS

9、122 是一种比较典型的可重复触发是一种比较典型的可重复触发TTLTTL单稳态触发器单稳态触发器 下降沿触发下降沿触发有效有效 上升沿触发上升沿触发有效有效 低电低电平有平有效的效的直接直接复位复位输入输入端端 15 7.2.3 单稳态触发器应用举例单稳态触发器应用举例1.延时与定时延时与定时16 7.2.3 应用举例应用举例2整形整形17177.3 多谐振荡器 7.3.1 用门电路构成多谐振荡器用门电路构成多谐振荡器 多谐振荡器特点：多谐振荡器特点：不需外加触发信号，通电后，能自动输出矩形脉冲波不需外加触发信号，通电后，能自动输出矩形脉冲波11uI1uOuO1RC图 7.3.1 CMOS非

10、门 构 成 的多 谐 振 荡 器12工作原理：工作原理：接下来：电路由UO1、R、UI1向C充电，假设，某一时刻，电路出现门1截止、门2导通的状态，此为暂态：U UO1O1=1=1、U UO2O2=0=0，且thIVu11Iu上升，直到其上升到非门的阈值电压thV电路出现门1导通、门2截止的状态，则进入暂态暂态 ： UO1=0、UO2=1 随后C反向放电，直到UI2下降，再次到达阈值电压，电路又回到暂态注意：在门注意：在门2截止的瞬间，由于截止的瞬间，由于UO2向上向上跳变，会引起跳变，会引起UI2也向上跳变相同的值也向上跳变相同的值18 7.3.1 用门电路构成多谐振荡器用门电路构成多谐振荡

11、器 振荡周期的计算：振荡周期的计算：tttuIuO1uOVthtW1tW2图7.3.2 CMOS非门构成的多谐振荡器工作波形VDD+VD(ON)-VD(ON)该电路的放电时间该电路的放电时间 2ln210)(0lnDD)(DD1RCVVVRCtONDW电路的充电时间电路的充电时间 2ln21)(lnDD)(DD2RCVVVVRCtDDONDW电路的振荡周期为电路的振荡周期为 21WWttTDDthVV211919 7.3.2 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 图7.3.3 石英晶体电抗频率特性和石英晶体符号X电容性0电容性电感性f0(a)电抗频率特性(b)符号f 石英晶体谐振器是在石英晶体

12、柱上切下一片石英晶片，在石英晶体谐振器是在石英晶体柱上切下一片石英晶片，在其两面涂上银层作为电极，两电极各自焊出的引线固定在管脚其两面涂上银层作为电极，两电极各自焊出的引线固定在管脚上，这样就构成了一个石英晶振上，这样就构成了一个石英晶振制作工艺：制作工艺：工作原理：工作原理：压电效应压电效应电抗频率特性：电抗频率特性：0ff 0f当外加电压的频率当外加电压的频率时，石英晶体的电抗时，石英晶体的电抗X=0，其余，其余频率时电抗都很大。石英晶体不频率时电抗都很大。石英晶体不仅仅选频特性选频特性极好，而且谐振频率极好，而且谐振频率十分稳定，其稳定度可达十分稳定，其稳定度可达10-1010-11。

13、2020 7.3.2 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 11uI1uOuO1RC图7.3.4 石英晶体多谐振荡器1213在前面的图在前面的图7.3.1中的电容支路中中的电容支路中串联一个石英晶体，就构成了一串联一个石英晶体，就构成了一个晶体振荡器个晶体振荡器 由于串联在两级放大电路中间的石英晶体具有极好的由于串联在两级放大电路中间的石英晶体具有极好的选频特性，只有频率为选频特性，只有频率为f0的信号能够反馈到门的信号能够反馈到门1的输入端，的输入端，满足振荡条件，所以接通电源后电路就会在石英晶体的谐满足振荡条件，所以接通电源后电路就会在石英晶体的谐振频率振频率f f0 0处形成自激振荡。处

14、形成自激振荡。 实际使用时常在输出端再加一个反实际使用时常在输出端再加一个反相器，如门相器，如门3，它既起整形作用，它既起整形作用使输出波形更接近矩形波，又起使输出波形更接近矩形波，又起缓冲隔离作用。缓冲隔离作用。2121 7.3.2 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 门门2是整形缓冲用反相器，用于将是整形缓冲用反相器，用于将门门1输出的正弦波变成矩形脉冲，输出的正弦波变成矩形脉冲，同时也可以隔离负载对振荡电路同时也可以隔离负载对振荡电路工作的影响。工作的影响。门门1与与RF、晶体、晶体、C1、C2构成电容三构成电容三点式振荡电路。点式振荡电路。 11uORF10MOC1550pF图7.3

15、.5 CMOS石英晶体多谐振荡器12C220pF改变改变C1可以微调振荡频可以微调振荡频率、。率、。 C2是温度补偿是温度补偿用电容用电容C1、晶体、晶体、C2构构成型选频正反馈成型选频正反馈网络，电路只能网络，电路只能在在晶体的谐振频晶体的谐振频率率处自激振荡处自激振荡2222 7.3.3 应用举例应用举例 标称频率为标称频率为32768Hz的石英晶体构的石英晶体构成成CMOS石英晶体振荡器，它可以石英晶体振荡器，它可以产生频率为产生频率为32768Hz的基频的基频0f15片片T触发器构成异步触发器构成异步计数器，由它分频后便计数器，由它分频后便可得到稳定度极高的秒可得到稳定度极高的秒信号。

16、这种秒信号可做信号。这种秒信号可做为各种计时系统的基准为各种计时系统的基准信号源。信号源。237.4 施密特触发器 施密特施密特触发器触发器特点：特点：第一，电路有两个稳定状态，表示为第一，电路有两个稳定状态，表示为和和。 第二，电路状态由第二，电路状态由变为变为与由与由变为变为所需的输入触发电平所需的输入触发电平是不同的，施密特触发器实际是一种具有是不同的，施密特触发器实际是一种具有回滞特性回滞特性的门电路的门电路 第三，根据输出与输入电压的相位关系，可分为第三，根据输出与输入电压的相位关系，可分为同相同相施密特触施密特触发器和发器和反相反相施密特触发器两种施密特触发器两种上限阈上限阈值电压

17、值电压 下限阈下限阈值电压值电压 两者之差称为回两者之差称为回差电压差电压 TV24UO1UI1UIUO11R2R1G1G27.4.1 用门电路构成用门电路构成施密特触发器施密特触发器一、构成一、构成UIUO1UO说 明UI =00010同相施密特触发器* UI上升过程中VT+VT-VTH010110VT-VTH=VT-=VTHG1、G2门将要翻转UO突变1UI1（用CMOS非门）= = = = 二、工作原理二、工作原理VT+VTH0110VT-= 电路中电流流向和电位情况见图。7.4.1 用门电路构成用门电路构成施密特触发器施密特触发器272、求、求VT-UOL1UI，G1R1R2UIG21

18、UO在UI从最大值开始下降时，UO=UOH。UOHVTH VT- 从求从求UI ,入手求入手求VT- ：UI , = UTH = UOH UR2 =VT- =R2R1+R2VTH R2R1UOHR2R1+R2 UOH （UOH VT ）又：故：UOH = VDD； VTH = VDD12 VT- =（1 ）VTHR1R2电路中电流流向和电位情况见图。在UI VT+ ， UI , VTH ，G1、G2 门要翻转前的瞬间，= = 7.4.1 用门电路构成用门电路构成施密特触发器施密特触发器283、求回差电压、求回差电压VTVT =VT+ - VT- = 2 VTH R1R2=R1R2VDD当VDD

19、一定时，调R1、R2 ，可调UT ，即可调VT+ VT-，可调UO脉宽。五、施密特触发器逻辑符号五、施密特触发器逻辑符号11&17.4.1 用门电路构成用门电路构成施密特触发器施密特触发器29 7.4.2 集成施密特触发器集成施密特触发器1、CMOS集成施密特触发器集成施密特触发器3030 7.4.2 集成施密特触发器集成施密特触发器1、CMOS集成施密特触发器集成施密特触发器表表7.4.1 CC401067.4.1 CC40106、CC4093CC4093主要静态参数主要静态参数电参数名称电参数名称符号符号测试条件测试条件参数参数单位单位VDD/V最小值最小值最大值最大值上限阈值电上

20、限阈值电压压VT+5 5101015152.22.24.64.66.86.83.63.67.17.110.810.8V V下限阈值电下限阈值电压压VT-5 5101015150.90.92.52.54 42.82.85.25.27.47.4V V滞回电压滞回电压VT5 5101015150.30.31.21.21.61.61.61.63.43.45 5V V3131 7.4.2 集成施密特触发器集成施密特触发器2、TTL集成施密特触发器集成施密特触发器3232 7.4.2 集成施密特触发器集成施密特触发器2、TTL集成施密特触发器集成施密特触发器表表7.4.2 TTL7.4.2 TTL施密特触

21、发门电路几个主要参数的典型值施密特触发门电路几个主要参数的典型值电路名电路名称称型号型号典型延典型延迟时间迟时间/ns/ns典型每典型每门功耗门功耗/ /mWmW典型典型VT+/V典型典型VT-/V典型典型VT /V六反相六反相缓冲器缓冲器7414741474LS1474LS141515151525.525.58.68.61.71.71.61.60.90.90.80.80.80.80.80.8四四2 2输入输入与非门与非门741327413274LS13274LS1321515151525.525.58.88.81.71.71.61.60.90.90.80.80.80.80.80.8双双4 4

22、输入输入与非门与非门7413741374LS1374LS1316.516.516.516.542.542.58.758.751.71.71.61.60.70.70.80.80.80.80.80.833 7.4.3 施密特触发器主要应用施密特触发器主要应用一、用于波形变换一、用于波形变换例：已知UI为半波，UI m= 9V，电路的VT+ =6V， VT-=3VUOH =VDD，试画UO波形。963VT+VT-VDDVDD11UI（V）totUOotUOo34二、用于脉冲整形二、用于脉冲整形UItOUOtOUItOUOtOUItOUOtOVT+VT-VT+VT-VT+VT-11三、用于脉冲三、用于

23、脉冲鉴幅鉴幅 7.4.3 施密特触发器主要应用施密特触发器主要应用35 7.4.3 施密特触发器主要应用施密特触发器主要应用四、四、用作多谐振荡器用作多谐振荡器图7.4.8 施密特触发器构成多谐振荡器（b）（a）IuOu1RCTVTVIutOu0t0电容电容C的充放电引起的充放电引起UI的变化，从而完成的变化，从而完成UO的振荡的振荡电容电容C充电充电电容电容C放电放电电电36367.5 555定时电路及其应用 7.5.1 555定时器内部电路结构与工作原理定时器内部电路结构与工作原理一、一、555定时器内部电路结构定时器内部电路结构三个三个阻值阻值为的为的串联串联电阻电阻构成构成分压分压装置

24、装置 C1和和C2为两个电为两个电压比较器压比较器 输出缓冲器输出缓冲器G3 由由G1和和G2两个两个与非门构成基本与非门构成基本触发器触发器 放电晶体管放电晶体管 TD复位端复位端377.5.1 555定时器内部电路定时器内部电路结构与工作原理结构与工作原理二、二、555定时器工作原理定时器工作原理输输 入入过 渡输 出RDU6U2RdSdQTD状态0XXX X 导通123VCC23VCC13VCC导通113VCC截止123VCC13VCC保持 表表 1 CB555功能表（功能表（CO端悬空时）端悬空时）011011001RdSd38当CO端接有UCO 时：12UCO ，VR2 =说明：说明

25、：VR1 =UCO、换为13VCC将上述分析中的 换为23VCC12UCO ，所有结论仍成立。电路符号电路符号555 定时器的电源电压范围较宽，CMOS类：VDD为318伏，（UOHVDD95% ，IOm4mA）TTL类： VCC为516伏，（UOHVCC90%）， IOm200mA）UOTHTDCOVCC12345678555TRRDGNDUCO ，7.5.1 555定时器内部电路结构与工作原理定时器内部电路结构与工作原理二、二、555定时器工作原理定时器工作原理397.5.2 555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器RP、CP构构成微成微分电分电路路 负窄脉冲触负窄脉冲触发发

26、40UO+VCC123456785550.01uFRCUI+-二、工作原理二、工作原理U2 = UI ，和 比较；13VCCU6 = UC，和 比较。23VCC要求触发信号为负的窄脉冲CUCU6（UC）U2（UI）UO（Q）TD说 明充电=23VCC23VCC13VCC0导通 稳态：UO =0放电= 023VCC13VCC保 持接通VCC 不触发UI=1023VCC13VCC23VCC13VCC0导通 返回：UO =0放电= 023VCC13VCC保 持UI =1无电荷触发7.5.2 555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器41总之：不触发，UO=0；UO=1维持一段时间又返回UO=0充电回路：VCC+RC VCC- -（充电慢）放电回路：C+ TD C - -（放电快）三、电压波形三、电压波形tUITW23VCC tUOtUCTWRC ln VCC-02VCC -3VCC TWRC ln3 = 1.1RC触发, UO=1注意；第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。7.5.2 555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器427.5.3 555定时器构成的定时器构成的施密特触发器施密特触发器二、工作原理二、工作原理（设：UI为模拟三角波）UIU6 U2UO23VCC23