脉冲波形的原理和产生与整形

1、2022/7/91本章要求一、学习目的:脉冲信号的产生与整形是在实际工作和较大规模的电路系统中经常遇到的技术环节。通过本章的学习要掌握脉冲信号产生与整形的原理、方法以及用于脉冲信号整形和产生的器件的工作方式和实际应用。 二、内容概要:本章讨论的施密特触发器和单稳态触发器是常用的脉冲整形电路，主要介绍它们的工作原理和应用。多谐振荡器的电路有多种形式，这里只介绍常用的对称式和非对称式多谐振荡器，并介绍石英晶体振荡器。还讲述555定时器的电路结构及其构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的方法与工作原理。 脉冲波形的原理和产生与整形2022/7/92三、学习指导:重点：施密特触发器的工作原理和应

2、用，单稳态触发器的工作原理和应用，555定时器的工作原理和应用，多谐振荡器的工作原理，各种信号参数的计算。难点：555定时器的应用。提示: 对于施密特触发器和单稳态触发器要掌握其工作特性和外部元件的配合关系。而对于555定时器则最好掌握其内部的电路组成和工作原理，这样才能更好地应用它。要始终把握本章讨论的电路都是在充放电的影响下工作的。 2022/7/93 概述主要要求： 了解波形发生电路的基本情况。 2022/7/94脉冲信号：指突然变化的电压或电流。脉冲电路的研究重点：波形分析。数字电路的研究重点：逻辑功能。 获得脉冲波形的方法主要有两种：1利用脉冲振荡电路产生；2是通过整形电路对已有的波

3、形进行整形、变换，使之符合系统的要求。 5.1 概述2022/7/95以下主要讨论几种常用脉冲波形的产生与变换电路：（功能、特点及其主要应用简介）1.施密特触发器：主要用以将非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲；2.单稳态触发器：主要用以将脉冲宽度不符合要求的脉冲变换成脉冲宽度符合要求的矩形脉冲；3.多谐振荡器：产生矩形脉冲；4.555电路：可构成上述三种电路 。2022/7/96 施密特触发器主要要求： 了解施密特触发器的电路结构; 理解施密特触发器的工作原理 ; 掌握集成施密特触发器的应用 。 2022/7/97主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿陡峭的矩形波。 特点：电路

4、有两种稳定状态。两种稳定状态的维持和转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平触发。电压传输特性特殊，电路有两个转换电平（上限触发转换电平UT+和下限触发转换电平UT）。状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。 返回 施密特触发器2022/7/98 CMOS反相器 PMOS管负载管NMOS管驱动管 开启电压|UGS(TH)P|=UGS(TH)N，且小于1/2VDD。 CMOS反相器的工作原理(教材P66页) 基本电路结构2022/7/99 工作原理 CMOS反相器 UIL=0V截止导通UOHVDD当uI= UIL=0V时，VTN截止，VTP通， uO = UOHVDD 2022/7

5、/910 CMOS反相器 UIH= VDD截止UOL 0V当uI =UIH =VDD ，VTN导通，VTP截止， uO=UOL0V导通2022/7/911 逻辑功能实现反相器功能（非逻辑）。 工作特点VTP和VTN总是一管导通而另一管截止，流过VTP和VTN的静态电流极小（纳安数量级），因而CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突出的优点之一。2022/7/912CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性 电压传输特性和电流传输特性AB段：截止区iD为0BC段：转折区阈值电压UTHVDD/2转折区中点：电流最大CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段（放大区）。CD段：导通区

6、2022/7/913返回一、电路结构 两个CMOS反相器，两个分压电阻，1R2。 用CMOS反相器电路构成的施密特触发器（a） 电路 （b）逻辑符号 用门电路构成的施密特触发器2022/7/914二、工作原理 CMOS反相器的阈值电压UTH=VDD/2，输入信号uI为三角波，2R1。 2022/7/915G1、G2为CMOS门电路。电路中R1R2 。（1） 当uI=0V时，uO1 VDD ， uO 0V， uI 0V； 0100 思考：为什么要求R1 UT+ 后，uO = UOL,只有当 uI下降到经过 UT- 时，uO 才会发生跃变。 uI UT-后，uO = UOH只有当 uI 上升到经过

7、 UT+时，uO 才会发生跃变。 2022/7/9332.脉冲整形 在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，或者边沿产生振荡等。通过施密特触发器整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。 图6-12 脉冲整形 波形畸变边沿振荡2022/7/934OuItuOUT+UT-Ot鉴别并取出幅度大于 UT+ 的脉冲。UOLUOH3脉冲鉴幅 将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些幅度大于UT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。可见，施密特触发器具有脉冲鉴幅能力。 2022/7/935多谐振荡器主要要求： 了解多谐振荡器的电路结构及其工作原理。 理解多谐振荡器的频率估算。 理解用门

8、电路、施密特触发器和石英晶体组成多谐振荡器。 2022/7/936多谐振荡器能产生矩形脉冲波的自激振荡器。一、对称多谐振荡器二、不对称多谐振荡器 5.3 多谐振荡器2022/7/937 5.3.1 对称多谐振荡器一、电路结构 下 图为由CT74H系列TTL门电路组成的对称多谐振荡器。u12022/7/938对称多谐振荡器：2022/7/939二、工作原理 该电路是利用RC电路的充、放电分别控制G1和G2的开通与关闭来实现自激振荡的。 设UO1为低电平0、UO2为高电平1时，称为第一暂态； UO1为高电平1、UO2为低电平0时，称为第二暂态。 设电路接通后，由于某种原因使UI1产生很小的正跃变，

9、电路产生如下的正反馈过程：电路进入第一暂态接着电容C2放电，C1充电，电路又产生另一个正反馈过程：电路进入第二暂态2022/7/940接着，C1放电，C2充电，电路又返回第一暂态 由以上分析可知，由于电容C1、C2交替进行充电和放电，电路的两个暂态自动相互交替，从而使电路产生振荡，输出周期性的矩形脉冲。2022/7/941UI2 UI1 T=tW1 + tW2tW1tW2若RF=RF1=RF2，C=C1=C2，UTH=1.4V,UOH=3.6V,UOL时，tW1=tW2=tW则T= 2tW RFC tWRFC占空比50%三、振荡周期估算： 为获得稳定的振荡频率, 可在振荡电路中串接石英晶体,组

10、成石英晶体振荡器，振荡电路的频率只取决于石英晶体的固有频率。2022/7/942 石英晶体振荡器常用 作数字系统的基准信号。电气符号：石英晶体阻抗频率特性 在固有频率fs上,阻抗X=0。f0=fPfSf石英晶体阻抗频率特性0Xfs电容性电感性fp5.3.4 石英晶体多谐振荡器2022/7/943 内部电路振荡频率等于石英晶体的谐振频率fs1RC2C1vo1R：510MC: 30PF常见的外接振荡电路（一）并联石英晶体振荡器CMOS门石英晶体等效为电感。2022/7/944振荡频率等于石英晶体的谐振频率fsR1R2R10k100kC: 30PF（二）串联石英晶体振荡器CMOS门石英晶体等效为小电

11、阻或视为短接。2022/7/945单稳态触发器主要要求： 理解集成单稳态触发器的逻辑功能和基本应用 。 理解单稳态触发器的电路结构和工作原理。 了解用施密特触发器组成的单稳态触发器 。 掌握单稳态触发器的基本应用 。 2022/7/946一、电路结构uo1uo2G2G1uIuR由与非门和RC 微分电路构成，二个与非门首尾相接交叉耦合， RC 为定时元件。窄脉冲触发RRoffuo1uo2RCuIuR5.4 单稳态触发器5.4.1 微分型单稳态触发器（2）工作原理：2022/7/947(a)稳态uI=1,无触发，电路处于稳态，uO1=0，uO2=1uC0=1=0=1=0uo1uo2G2G1uIuR

12、uIuO1uRuO2R2/3VCC时电压传输特性为反相输出的滞回特性uIuO当TH=TR=uI1/3VCC时1/3VCC0当1/3VCC TH=TR=uI2/3VCC时当uI1/3VCC时当uI由高电平逐渐下降，且1/3VCC uI 1/3 VCC)。 当 uC 2/3 VCC 时，满足TR = uI 1/3 VCC，TH = uI 2/3 VCC,因此 uO 为低电平，V 导通，电容 C 经放电管 V 迅速放电完毕，uC 0 V。这时TR = UIH 1/3 VCC，TH = uC 0 1/3 VCC)。 当 uC 2/3 VCC 时，满足TR = uI 1/3 VCC，TH = uI 2/

13、3 VCC,因此 uO 为低电平，V 导通，电容 C 经放电管 V 迅速放电完毕，uC 0 V。这时TR = UIH 1/3 VCC，TH = uC 0 2/3 VCC，uO 保持低电平不变。因此，稳态时 uC 0 V，uO 为低电平。充电工作原理 导通放电VuCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC0VUOLUIH2022/7/978 2. 触发进入暂稳态 (二)工作原理、工作波形与参数估算 uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC当输入 uI 由高电平跃变为低电平(应 1/3 VCC )时，使 TR = UIL1/3 VCC而TH = uC 0 V 2

14、/3 VCC，因此 uO 跃变为高电平，进入暂稳态，这时放电管 V截止，VCC 又经 R 向 C 充电，uC 上升。UILUOH充电2022/7/979 3. 自动返回稳定状态 (二)工作原理、工作波形与参数估算 uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC 2. 触发进入暂稳态 UIHUOL TH2/3 VCC放电V当输入 uI 由高电平跃变为低电平(应 1/3 VCC)时，使 TR = UIL1/3 VCC 而TH = uC 0 V 1/3 VCC )，因此 uO 重新跃变为低电平。同时，放电管导通，C 经 V 迅速放电 uC 0 V，放电完毕后，电路返回稳态。2022/7

15、/980例 用上述单稳态电路输出定时时间为1 s 的正脉冲，R = 27 k，试确定定时元件 C 的取值。 (二)工作原理、工作波形与参数估算 uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC输出脉冲宽度 tW 即为暂稳态维持时间，主要取决于充放电元件 R、C。 该单稳态触发器为不可重复触发器，且要求输入脉宽 tWI 小于输出脉宽 tWO 。解：因为 tWO 1.1 RC故可取标称值 33 F。估算公式 tWO 1.1 RC2022/7/9815.5.4 用 555 定时器组成多谐振荡器 GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01 FR1CuOuC-+R2(一)电

16、路结构 DISVCCR1THTRGNDVCCRDCO0.01 FOUTuOCuC-+R22022/7/982(二)工作原理、工作波形与周期估算 uCOtOuOtUOLUOHtWHtWL充电UOHTH = TR = uC 很小接通 VCC 后，开始时 TH = TR = uC 0，uO 为高电平，放电管截止，VCC 经 R1、R2 向 C 充电，uC 上升，这时电路处于暂稳态。 工作原理 2022/7/983(二)工作原理、工作波形与周期估算 uCOtOuOtUOLUOHtWHtWLUOLTH = TR 2/3 VCC当 uC 上升到 TH = TR = uC 2/3 VCC 时，uO 跃变为低

17、电平，同时放电管 V 导通，C 经 R2 和 V 放电，uC 下降，电路进入暂稳态 。工作原理 接通 VCC 后，开始时 TH = TR = uC 0，uO 为高电平，放电管截止，VCC经 R1、R2 向 C 充电，uC 上升，这时电路处于暂稳态。 放电2022/7/984当 uC 下降到 TH = TR = uC 1/3 VCC 时， uO 重新跃变为高电平，同时放电管 V 截止，C 又被充电，uC 上升，电路又返回到暂稳态。(二)工作原理、工作波形与周期估算uCOtOuOtUOLUOHtWHtWLTH=TR1/3VCC工作原理 当 uC 上升到 TH = TR = uC 2/3 VCC时，

18、uO 跃变为低电平，同时放电管 V 导通，C 经 R2 和 V 放电，uC 下降，电路进入暂稳态 。接通 VCC 后，开始时 TH = TR = uC 0，uO 为高电平，放电管截止，VCC 经 R1、R2 向 C 充电，uC 上升，这时电路处于暂稳态。 2022/7/985(二)工作原理、工作波形与周期估算 电容 C 如此循环充电和放电，使电路产生振荡，输出矩形脉冲。uCOtOuOtUOLUOHtWHtWL周期与占空比估算tWH 0.7 (R1 + R2)C tWL 0.7 R2CT = tWH + tWL 0.7 (R1 + 2R2)C2022/7/986GNDVCCRDOUTCO555T

19、HTRDISVCC0.01 FR1C+R2RP1RP2例 指出右图中控制扬声器鸣响与否和调节音调高低的分别是哪个电位器？若原来无声，如何调节才能鸣响？欲提高音调，又该如何调节？解：R1、R2、RP1 和 C 共同构成定时元件，因此调节 RP1 可调节音调高低。欲提高音调，则应减小 RP1 ，因此触头应下移。RP2调节 RP2 可控制 RD 为 0 或 1，从而控制振荡器工作与否，因此能控制扬声器鸣响与否。调节 RP2 使触头左移至适当位置，可使 RD = 1，使扬声器鸣响。RP12022/7/987 概 述1、555定时器的得名：内部有3个5K欧姆的电阻分压器，故得名。555定时器可产生精确的

20、时间延迟和振荡。2、电源电压范围宽: 双极型：516V, CMOS : 318V3、可以提供与TTL及CMOS数字电路兼容的接口电平4、可输出一定的功率，可驱动微电机、指示灯、扬声器等5、应用：脉冲波形的产生与变换、仪器与仪表、测量与控制、家用电气与电子玩具等领域6、TTL单定时器型号的最后3位数字为555，双定时器的为556；单定时器的最后4位数字为7555，双定时器的为7556。它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。5.5 555定时器及其应用2022/7/9885.5.1 555定时器的电路结构及其应用一、结构框图（双极型）2022/7/9891、模拟功能部件 （1）、电阻分压器 VCC

21、经个K欧姆的电阻分压后，提供基准电压：当不外接固定电压VCO时，UR1=2/3VCC , UR2=1/3VCC当外接固定电压时，UR1=VCO , UR2=1/2VCO （2）、电压比较器C1和C2比较器C1：阈值输入端基准电压时，输出UC1=0，否则为比较器C2：触发输入端基准电压时，输出UC2=0，否则为 （3）、集电极开路的放电管V输出UO=0时，V导通，输出UO=1时，V截止。相当于一个受控电子开关。2、逻辑功能部件2022/7/990二、逻辑功能 1、RD为低电平有效的直接置0端 2、阈值输入端基准电压时，称高触发置 3、触发输入端基准电压时，称低触发置5.5.2 用555定时器组成

22、施密特触发器2022/7/991一、电路结构 将定时器5G555的阈值输入端和触发输入端连在一起，作为触发信号UI的输入端，并从OUT端取出，便构成了一个反相输出的施密特触发器。2022/7/992二、工作原理下面参照波形图分析施密特触发器的工作原理（一）、上升过程 1、UI1/3VCC时，UC1=1、UC2=0、Q=1、Q=0、UO=UOH。 2、1/3VCCUI2/3VCC时，UC1=1、UC2=1，基本RS触发器保持原状态不变， UO=UOH。 3、UI2/3VCC时，UC1=0、UC2=1、Q=0、Q=1，UO由UOHUOL，即UO=0。当UI上升到2/3VCC时，电路的输出状态发生跃

23、变UT+=2/3VCC。 4、UI再增大时，对电路的输出状态没有影响。 （二）、下降过程 1、UI由高电平逐渐下降，且1/3VCCUI2/3VCC时，UC1=1、UC2=1。基本RS触发器保持原状态不变。即Q=0、Q=1，输出UO=UOL2022/7/993 2、当输入UI1/3VCC时，UC1=1、UC2=0、Q=1、Q=0，输出UO由UOLUOH。 当UI下降到1/3VCC时，电路输出状态又发生另一次跃变UT-=1/3VCC。（三）、回差电压 UT=UT+UT-=1/3VCC（四）、电压传输特性 电路具有反相输出特性5.5.3 用555定时器组成单稳态触发器2022/7/994一、电路结构

24、2022/7/995二、工作原理 1、稳定状态 无外触发时，UI为高电平UIH，稳态为0，UC=0、UO=0。通电后，VCC经电阻R对电容C充电，当电容C上的电压UC2/3VCC时，UC1=0，同时，UI1/3VCC、UC2=1、Q=0、Q=1，输出UO=0。三极管V导通，电容C经V迅速放完电，UC0、UC1=1，这时基本RS触发器的两个输入信号都为高电平1，保持0状态不变。 2、触发进入暂稳态 当UI由UIH小于1/3VCC的低电平时，UC2=0，此时，UC1=1，基本RS触发器置1，Q=1、Q=0，输出UO由低电平跃到高电平UOH。同时三极管V截止，这时，电源VCC经对C充电，电路进入暂稳

25、态。在暂稳态期内输入电压UI回到高电平，使UC2=1。 3、自动返回稳定状态 C充电，当UC逐渐增大到UC2/3VCC时，UC1=0，此时UC2=1、Q=0、Q=1，输出UO高电平跃到低电平UOL。同时，三极管导通，C经V迅速放完电，UC=0。电路返回稳定状态。2022/7/996三、参数计算脉冲宽度tW：暂稳态维持时间为电容C上的电压由0V充到2/3VCC所需时间，可用下式估算:tW5.5.4 用555定时器组成多谐振荡器2022/7/997一、电路结构 将放电管V集电极经R1接到VCC上，便组成了一个反相器。其输出DIS端对地接R2、C积分电路，积分电容C再接TH和TR端便组成了如图所示的

26、多谐振荡器。R1、R2和C为定时元件。2022/7/998二、工作原理 1、接通电源VCC后，VCC经电阻R1和R2对电容C充电，其电压UC由0按指数规律上升。当UC2/3VCC时，电压比较器C1和C2的输出分别为UC1=0、UC2=1，基本RS触发器被置0，Q=0、Q=1输出UO跃到低电平UOL。与此同时，放电管V导通，电容C经电阻R1和R2放电管V放电，电路进入暂稳态。 2、随着电容C的放电，UC随之下降当UC下降到UC2/3VCC时，则电压比较器C1和C2的输出为UC1=1、UC2=0，基本RS触发器被置1，Q=1、Q=0，输出UO由低电平UOL跃到高电平UOH，同时，放电管V截止，电源

27、VCC又经电阻R1和R2对电容C充电，电路又返回到前一个暂稳态。 3、这样，电容C上的电压UC将在2/3VCC和1/3VCC之间来回充电和放电，从而使电路产生了振荡，输出矩形脉冲。2022/7/999由图可得多谐振荡器的振荡周期T为 T=tW1+tW2 tW1为电容C上的电压由1/3VCC下降到2/3VCC所需的时间，充电回路的时间常数为(R1+R2)C 。 tW1可用下式估算： tW1=(R1+R2)CIn20.7(R1+R2)CtW2为电容上的电压由2/3VCC下降到1/3VCC所需的时间，放电回路的时间常数为R2C 。 tW2 可用下式估算： tW2=R22C所以，多谐振荡器的振荡周期T为： T=tW1+tW20.7(R1+2R2)C2022/7/9100三、占空比可调的多谐振荡器 右 图所示为脉冲占空比可调的多谐振荡器。在放电管V截止时，电