第七章-脉冲波形的产生与完整

7.1概述(ɡàishù)一、脉冲(màichōng)信号脉冲是脉动和短促的意思(yìsī)，凡是具有不连续波形的信号均可称为脉冲信号。广义讲，各种非正弦信号都是脉冲信号。(a)矩形波(b)方波(c)尖脉冲(d)锯齿波第二页，共五十八页。在数字系统中常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿(biānyán)的矩形脉冲信号，如触发器的时钟脉冲（CP）。获取这些脉冲信号的方法通常有两种：①脉冲产生电路直接产生；②利用已有的周期信号整形、变换得到。脉冲整形、变换电路——单稳态触发器施密特触发器；脉冲产生电路——多谐振荡器；多用途的定时电路——555定时器。第三页，共五十八页。二、脉冲信号(xìnhào)的参数trtftWT0.9

Um0.5

Um0.1

UmUm矩形脉冲信号的主要参数脉冲幅度脉冲(màichōng)周期脉冲(màichōng)宽度上升时间下降时间占空比q－－脉冲宽度与脉冲周期的比值，q＝tW/T

。第四页，共五十八页。三、脉冲产生电路(diànlù)的暂态分析脉冲波形产生与整形电路多是由RC充放电电路(diànlù)构成的。①开关闭合的一瞬间，电容器上电压不能突变，满足开关定理UC(0+)=UC(0-)。②充电暂态过程结束(jiéshù)后，流过电容器的电流iC(∞)为0，即电容器相当于开路。tMU(t)UTtU(∞)0U(0+)CCCUC(t)SUCR第五页，共五十八页。④令uC(tW)=UT，则从暂态过程的起始值UC(0+)变到UT所经历的时间tW（脉冲(màichōng)宽度）可用下式计算：③电路的时间常数τ=RC，τ决定(juédìng)了暂态时间的长短。根据三要素公式，可以得到电压随时间变化的方程为tWU(t)UTtU(∞)0U(0+)CCC第六页，共五十八页。7.2555定时器

555电路又称为集成(jíchénɡ)定时器。555定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，可以方便地构成单稳态触发器，施密特触发器和多谐振荡器。1972年由Signetics公司推出。既有双极型产品，也有MOS型产品。双极型产品型号的最后(zuìhòu)3位数码是555，单极型最后数字是7555如：CB555是国产(guóchǎn)双极型电路；CH7555是CMOS型电路。第七页，共五十八页。一、555定时器的电路(diànlù)结构TR＋－C1UR15k5k＋－C25kUR2&&&14G1RQQG2SG3G43VT7UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu12348765地2oRDUCC放电端6UCO555uuu双极型555电路CMOS型555电路电源电压范围最大负载电流5—16V3—18V200mA4mA电压比较(bǐjiào)器，若u+>u-，则输出为高电平，反之输出为低电平。基本(jīběn)触发器清零端：0有效输出缓冲器，起整形和提高负载的作用。第八页，共五十八页。TR＋－C1UR15k5k＋－C25kUR2&&&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu1.分压器电压(diànyā)控制端①5脚悬空时，，；②5脚外接控制电压UCO时，。注：当5脚不加控制电压(diànyā)时，通常经过一个0.01µF的电容接地，以抑制干扰。第九页，共五十八页。TR＋－C1UR15k5k＋－C25kUR2&&&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu2.电压(diànyā)比较器U+≥U-时，Ci＝1；U+＜U-时，Ci＝0。

阈值(yùzhí)输入端触发(chùfā)输入端3.基本RS触发器RSu0001(约束）01010111保持异步清零端第十页，共五十八页。TR＋－C1UR15k5k＋－C25kUR2&&&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu4.放电(fàngdiàn)三极管VT是一个集电极开路(kāilù)的放电三极管。当uO＝0时，VT导通；当uO＝1时，VT截止。

第十一页，共五十八页。二、555定时器的功能(gōngnéng)TR＋－C1UR15k5k＋－C25kUR2&&&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu5脚不外接控制(kòngzhì)电压。定时器的主要功能取决于两个比较器输出(shūchū)对RS触发器和放电管VT状态的控制。第十二页，共五十八页。不变不变1导通01截止11导通0××0VTuOu2u6输出输入555定时器功能表5脚不接控制(kòngzhì)电压:TR＋－C1UR15k5k＋－C25kUR2&&&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu

RDTHTRTD状态低导通1>>低导通1导通<<低（不变）高截止(jiézhǐ)11<>>高截止(jiézhǐ)（不变）uCOuCO2当在uCO端外接控制电压时，阈值电压将变化：变为uCO;变为uCO/2。随着TH端和TR端的电压不同，其工作状态将发生变化：<0第十三页，共五十八页。THTR23VCC<>23VCC>13VCC13VCC<23VCC<>13VCCu01保持表2

RD=1时的表1由表2可得如下(rúxià)口诀：大于、大于、出0；小于、小于、出1；小于、大于、保持(bǎochí)第十四页，共五十八页。7.3施密特触发器一、555定时器构成(gòuchéng)的施密特触发器1.电路(diànlù)结构和逻辑符号UIUO+VCC123456785550.01uF第十五页，共五十八页。2.工作(gōngzuò)原理UITHTRUO23VCC<>23VCC>13VCC13VCC<23VCC<≥23

VCC010≤13VCC13VCC<1tUItUO13VCC23VCC电压(diànyā)波形演示(yǎnshì)第十六页，共五十八页。施密特触发器是一种(yīzhǒnɡ)常用的脉冲信号整形电路。工作(gōngzuò)特性：3.工作(gōngzuò)特性tUItUO13VCC23VCC

1、电平触发：触发信号UI可以是变化缓慢的模拟信号，UI达某一电平值时，输出电压U0突变。U0为脉冲信号。

2、电压滞后传输：输入信号UI从低电平上升过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与UI

从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同。

利用上述两个特点，施密特触发器不仅能将边沿缓慢变化的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，还可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。第十七页，共五十八页。tUItUO13VCC23VCCuo0U－U+uI电压(diànyā)传输特性①输入信号上升时对应的转换(zhuǎnhuàn)电平U+

，称为正向阈值电压；②输入信号下降时对应的转换电平U－

，称为负向阈值电压；③差值ΔU＝U+－U-，称为回差电压。正向(zhènɡxiànɡ)阈值电压U+负向阈值电压U－第十八页，共五十八页。UO1UI’UIUO11R2R1G1G2二、用门电路构成(gòuchéng)施密特触发器1、构成(gòuchéng)UIUO1UO说明UI=00010同相施密特触发器

UI上升(shàngshēng)过程中U+VTH10U+VTH10G1、G2门将要翻转=U+=VTH0UO突变UI下降过程中>U->VTH010110U-VTH=U-=VTHG1、G2门将要翻转UO突变1UI’（用CMOS非门）=>=>=>=>2、工作原理>U+>VTH0110U-VTH第十九页，共五十八页。3、举例(jǔlì)设UI为缓慢变化(biànhuà)的三角波：UItVTHU+U－UOtUOLUOHG1门的阈值(yùzhí)电平第二十页，共五十八页。4、计算(jìsuàn)回差电压Δu⑴、求U+在UI从0开始(kāishǐ)上升时，UO=UOL。UOH1UI，G1R1R2UIG21UOUOL

VTHU+从求UI

,入手(rùshǒu)求U+

：UI

,=VTH=UR2=R2R1+R2U+∴U+

=R2R1+R2VTH=（1+R2R1）VTH在UIU+

，UI

,VTH，G1、G2门要翻转前的瞬间，=>=>电路中电流流向和电位情况见图。第二十一页，共五十八页。⑵、求U－UOL1UI，G1R1R2UIG21UO在UI从最大值开始(kāishǐ)下降时，UO=UOH。UOHVTHU－

从求UI

,入手(rùshǒu)求U－

：UI

,=UTH=UOH–

UR2=∴U－

=R2R1+R2VTH

–

R2R1UOHR2R1+R2

UOH–[（UOH–

VT

–

）]又：故：UOH=VDD；VTH=VDD12

U－=（1

–

）VTHR1R2电路中电流流向和电位(diànwèi)情况见图。在UIU+

，UI

,VTH，G1、G2门要翻转前的瞬间，=>=>第二十二页，共五十八页。5、电压(diànyā)传输特性∵UI=0时，UO=UOL∴是同相施密特特性(tèxìng)UIUOVDDVTH2VTHR1R2⑶、求回差电压(diànyā)ΔUΔU

=U+-

U－

=2VTH

R1R2=R1R2VDD当VDD一定时，调R1、R2，可调ΔUT

，即可调U+

U－，可调UO脉宽。6、逻辑符号11&≥1U－U+第二十三页，共五十八页。三、施密特触发器的应用(yìngyòng)1.波形(bōxínɡ)变换施密特触发器可以将边沿变化缓慢的周期性信号(xìnhào)变换成边沿陡峭的矩形脉冲信号。例：已知UI为半波，UIm=9V，电路的U+=6V，

U-=3VUOH=VDD，试画UO波形。963U+U-VDDVDD11UI（V）totUOotUOo第二十四页，共五十八页。2.波形(bōxínɡ)整形施密特触发器可以将不规则的波形整形为矩形(jǔxíng)波。若适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。回差电压是由5脚接入的控制电压UCO来控制的。UItOUOtOU+U-1UItOUOtOU+U-第二十五页，共五十八页。从一系列幅度不同的脉冲信号中选出幅度大于正向阈值电压U+的输入脉冲，即对幅度进行(jìnxíng)鉴别。3.幅度(fúdù)鉴别UItOUOtOU+U-1第二十六页，共五十八页。一、555定时器构成(gòuchéng)的单稳态触发器48762315uCCuouIRUCC0.01μF5555脚经过0.01µF电容接地，则，。7.4单稳态触发器第二十七页，共五十八页。UO+VCC123456785550.01uFRCUI+-2、工作(gōngzuò)原理U2=UI

，和比较；13VCCU6=UC，和比较。23VCC要求触发(chùfā)信号为负的窄脉冲CUCU6（UC）U2（UI）UO（Q）TD说明充电(chōngdiàn)=23VCC>23VCC>13VCC0导通稳态：UO=0放电=023VCC<>13VCC保持接通VCC不触发UI=1023VCC<13VCC<1截止暂态：UO=1充电=23VCC>23VCC>13VCC0导通返回：UO=0放电=023VCC<>13VCC保持UI=1无电荷触发演示第二十八页，共五十八页。总之(zǒngzhī)：不触发，UO=0；UO=1维持(wéichí)一段时间又返回UO=0充电(chōngdiàn)回路：VCC+→R→C→VCC-（充电慢）放电回路：C+

→TD→C-（放电快）3、电压波形tUITW23VCCtUOtUCTW≈RCln—————VCC-02VCC-3VCCTW≈RCln3=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。第二十九页，共五十八页。4、工作(gōngzuò)特性：tUITW23VCCtUOtUC①它有稳态和暂稳态两个不同的工作(gōngzuò)状态；②在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，电路能自动返回稳态；③暂稳态不能长久保持，其维持时间的长短取决于电路自身参数，与外界触发脉冲无关。稳态暂稳态触发(chùfā)脉冲第三十页，共五十八页。三、微分(wēifēn)型单稳态触发器1、组成(zǔchénɡ)（用CMOS或非门）2、工作原理（用正窄脉冲(màichōng)触发）UIUO1UI2UO说明接通VDD不触发VDDUOL00110稳态：UO=0C中无电荷触发1001暂态：UO=1C充电UI2↑↑=VTH000110返回稳态：UO=0C放电UI2↓①↓=VDD000110恢复为起始稳态

C中无电荷注释①：此时的逻辑电平“1”，对应的电位为（VDD+0.7）V。UIUO1UI2UOUI，≥1≥1VDDCRG1G2UI，第三十一页，共五十八页。总之(zǒngzhī)：不触发(chùfā)：UO=0，C中无电荷触发(chùfā)：UO=1C充电：返回UO=0C放电：恢复为起始稳态，UO=0，C中无电荷3、电压波形tUIVTHtUO1tUI2tUO*为了保证触发时间极短，通常在UI端加RC微分电路：≥1G1UO1CdRdUIUdtUItUdtUOVDD+0.7注意；第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。

电压波形第三十二页，共五十八页。4、输出(shūchū)脉宽

TW和幅度

UOmVTHtUI2tUOTW根据一阶RC电路暂态过程中，求任意变量(biànliàng)的一般公式：可得：tτA(t)=A(∞)+[A(0+)-A(∞)]eA(∞)-A(∞)-t=τln—————

从波形图中看出，TW是C充电(chōngdiàn)使UI2从0上升到VTH对应的时间，UI2(∞)=VDD,

UI2(0+)=0,12UI2(TW)=VTH=VDD,τ≈RCTW=RCln1VDD-

0VDD-

VDD2Uom=UOH-UOL≈VDD1）求TW2）求Uom=RCln2A(0+)A(t)所以：=0.69RC第三十三页，共五十八页。5、分辨时间TdTd是指在保证电路正常工作的前提下，两个(liǎnɡɡè)相邻触发脉冲之间，允许的最小时间间隔。VTHtUI2tUOTWTreTd由波形图知：Td=TW+TreTW：输出(shūchū)脉冲的宽度

Tre：恢复时间(shíjiān)，即C放电达稳定值VDD所需的时间T放。ROND1G2G1R-+VDDC由放电回路知：放电回路（D1是G2

门输入保护电路中的二极管。）Tre=T放=

(3~5)(RON+R//rD)C当D1的等效电阻rD远远小于RON和R时，Tre=T放≈

(3~5)RONC第三十四页，共五十八页。四、积分(jīfēn)型单稳态触发器1、组成(zǔchénɡ)可用TTL与非门组成(zǔchénɡ)，门之间用RC积分电路耦合。UAUBUO1UOUI2、工作原理（用正的宽脉冲触发）UIUAUBUO说明接通VCC不触发10↑≈VCC01自然稳态：UO=1触发10≈VCC10暂稳态：UO=01返回稳态：UO=1C放电UA↓↓≤VTH恢复为自然稳态101不触发10↑≈VCC01UO=1RCG1G2&&UO1第三十五页，共五十八页。3、电压(diànyā)波形tUItUO1tUAtUOVTHTTRTreTw4、输出(shūchū)脉宽

TW

和幅度

UOmTW≈

RClnVOL-

UOHVOL-

VTHUom=UOH-UOL5、分辨时间TdTd由波形图知：

Td=TTR+TreTTR：触发脉冲(màichōng)的宽度Tre：恢复时间，即UO1跳到UOH后，C充电达稳定值所需的时间T充。+-CRUOHRO+VCCG1UA由充电回路知：充电回路Tre=T充=(3~5)(RO+R)C第三十六页，共五十八页。五、单稳态触发器的应用(yìngyòng)1.脉冲(màichōng)整形IutWOu单稳态触发器能够把输入的不规则脉冲(màichōng)信号uI，整形为具有一定幅度和一定宽度的标准矩形脉冲uO。uO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于定时元件R和C。单稳态触发器的整形波形第三十七页，共五十八页。2.脉冲(màichōng)延时脉冲延时电路一般要用两个单稳态触发器完成。延时时间为tW1，它决定(juédìng)于第一级单稳态触发器的定时元件R和C。tUItUO1tUO2tUO1TW1TW2第三十八页，共五十八页。3.定时(dìnɡshí)由于单稳触发器可产生宽度为tW的矩形脉冲，利用这个矩形脉冲去控制某电路使它在tW的时间内动作或不动作，这就是单稳态触发器的定时作用。定时时间为tW，可通过调节(tiáojié)定时元件R和C来调节定时时间。1&uIOuuO单稳与门uFtWuIuOuFOu单稳态触发器的定时(dìnɡshí)波形第三十九页，共五十八页。7.5多谐振荡器一、555定时器构成(gòuchéng)的多谐振荡器1.电路(diànlù)结构48762315CUCCR1R2555uo0.01µFuC第四十页，共五十八页。2.工作(gōngzuò)原理UO+VCC123456785550.01uFR1R2CUCU6U2UOVT起始(qǐshǐ)时023VCC<13VCC<1截止(jiézhǐ)C充电=23VCC>23VCC>13VCC0导通C放电23VCC<1截止=13VCC13VCC<循环往复，直到关机。演示第四十一页，共五十八页。3、电压(diànyā)波形总之(zǒngzhī)：起始时，UC=0，UO=UOHUO在UOL——UOH之间振荡(zhèndàng)UC在——之间变化23VCC13VCC23VCC13VCCtUCOtUOOT1T2充电回路：VCC+→R1→R2→

C→VCC-（充电慢）放电回路：C+

→R2→V

T

→C-（放电快）T1=0.69(R1+R2)C；T2=0.69R2C；T=0.69(R1+2R2)C；q=T1/T以后T1=(R1+R2)Cln————VCC-VCC-U-U+T2=R2Cln———0-0-U+U-4、电路计算本例：=R1+R2R1+2R2第四十二页，共五十八页。5、工作(gōngzuò)特性23VCC13VCCtUCOtUOOT1T2多谐振荡器是一种常用(chánɡyònɡ)的脉冲信号产生电路。①无稳态，具有两个暂稳态；②自激振荡器－－在接通电源(diànyuán)后，不需外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲；③矩形波中除基波外，还含有丰富的高次谐波－－故称为多谐振荡器。第四十三页，共五十八页。用门电路构成(gòuchéng)多谐振荡器二、对称(duìchèn)式多谐振荡器1、组成(zǔchénɡ)（用TTL门电路）UI1UO2UO1UI211C1C2G1G2RF1RF22、工作原理则，暂态Ⅰ：

UO1=0、UO2=1

接下来：C1充电、C2放电假设，某一时刻，电路出现UO1=0、UO2=1的状态，第四十四页，共五十八页。0011UI1UO2UO1UI211C1C2G1G2RF1RF2++C2放电(fàngdiàn)回路：UI1UOL1UOH2RF1C2+-C2+

→RF1→

UOL1→

UOH2→

C2-C2放电(fàngdiàn)使UI1↓。C2放电(fàngdiàn)：UI2UOH2UOL1R1VCCG2RF2C1-+C1充电：暂态Ⅰ：

UO1=0、UO2=1C1充电等效回路：UOH2→RE1→

C1→

UOL1（RE1=RF2∥R1）C1充电使UI2↑。第四十五页，共五十八页。由于(yóuyú)RE1<RF1（当电路对称时），所以，充电(chōngdiàn)比放电快。C1充电(chōngdiàn)→

UI2=VTH时→

G2导通→

UO2=0UI1=0→UO1=1暂态Ⅱ：UO1=1、

UO2=0C2充电→

UI1=VTH时→

G1导通→

UO1=0UI2=0→UO2=1电路回到暂态Ⅰ。循环往复，直到关机。总之：UO1=0UO2=1UO2=0UO1=1UO1=1UO2=0UO1=0UO2=1→

C1充电→

UI2

→→

C2充电→UI1→→C2放电→UI1→

C1放电→UI2第四十六页，共五十八页。tUI1tUO1tUO2tUI2VTHVTHVIKVIKT1T4、计算(jìsuàn)在RF1=RF2=RF，C1=C2=C时：T1≈RFC

ln————UOH-UOH-如果(rúguǒ)G1、G2为74LS系列反相器，UOH=3.4V，VIK=-1V，VTH=1.1V在RF<<R1时，T1=0.65RFC振荡周期：T=2T1=1.3RFC振荡(zhèndàng)频率：f=1/T占空比：q=(T1/T)100%3、电压波形C2放电、充电C1充电、放电VTHVIK第四十七页，共五十八页。三、环形(huánxínɡ)振荡器1、组成(zǔchénɡ)利用(lìyòng)门电路的传输延迟时间tpd，将奇数个反相器首尾相接。UO1UO2UO31G11G21G32、工作波形tUO1tUO2tUO3tpd3、计算TW=ntpd；T=2TW；f=1/T一般，tpd=TTL类几十nsCMOS类几百ns（所以，环形振荡器的振荡频率f特别高）为了获得较低的、可调的f，可在环形回路中增加RC延时环节。TWn是门的数目。第四十八页，共五十八页。四、用施密特触发器构成(gòuchéng)多谐振荡器1、组成(zǔchénɡ)UIUO2、工作(gōngzuò)原理接通VCC瞬间，C中无电荷，所以：1）UC=0→

3、电压波形2）UO=1→C充电→UI，3）UO=0→C放电→UI，tUItUI00U+U-若是CMOS电路，T1T2T1RC+UI=U+→UO=0UI=U-→UO=1T1=RCln————VDD-VDD-T=T1+T2；f=1/T；q=T1/TUI=0→

UO=1U-U+T2=RCln———0-0-U+U-则：第四十九页，共五十八页。5、电路(diànlù)改进占空比可调电路(diànlù)如图：1CUIUOR2R1+充电(chōngdiàn)经过R2，放电经过R1，T1=R2Cln————VDD-U-VDD-U+T2=R1Cln——U+U-q=T1/TT=T1+T2调节R1或R2，即可调节q第五十页，共五十八页。当频率为谐振频率f0时，石英晶体的等效阻抗最小，信号最容易通过，而其它(qítā)频率信号均被衰减掉。－－晶体的选频特性极好。为了(wèile)提高振荡器的频率稳定度，往往使用石英晶体多谐振荡器。五、石英(shíyīng)晶体多谐振荡器555构成的多谐振荡器的特点：①优点：工作可靠，调节方便。②缺点：振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫；受电源波动、温度变化等影响，频率稳定性较差。

f0只与晶体的材料、几何形状和尺寸大小有关，而与电路中的R、C数值无关。－－输出频率稳态性很高。X0f0f石英晶体的图形符号和电抗频率特性石英晶体的固有频率或谐振频率第五十一页，共五十八页。石英晶体振荡器可分为(fēnwéi):无源晶振和有源晶振①电阻R1、R2的作用：保证两个反相器在静态时都能工作(gōngzuò)在线性放大区。对TTL反相器，常取R＝