新疆大学电子技术基础课件-第13章脉冲波形的产生与整形

第13章

脉冲波形的产生与整形第13章 脉冲波形的产生与整形脉冲波形的基本知识555集成定时器施密特触发器单稳态触发器多谐振荡器本章小结习题新疆大学《电子技术基础》第13章

脉冲波形的产生与整形在数字系统中，矩形脉冲作为时钟信号控制和协调着整个数字系统的工作，所以时钟脉冲的好坏直接关系着整个系统能否正常工作。实际应用中的矩形脉冲信号形状如图13.1.1所示。13.1

脉冲波形的基本知识第13章脉冲波形的产生与整形图13.1.1描述矩形脉冲特性的主要参数第13章

脉冲波形的产生与整形555集成定时器的电路结构CB555的电路结构图如图13.2.1所示，它主要由四部分组成：3个5

kΩ电阻组成的分压器，两个高精度电压比较器，一个基本RS触发器和一个作为放电通路的三极管及其驱动

电路。分压器比较器基本RS触发器开关放电管和输出缓冲13.2

555集成定时器第13章脉冲波形的产生与整形图13.2.1

CB555的电路结构图第13章

脉冲波形的产生与整形13.2.2

555定时器的逻辑功能当5脚控制电压输入端UCO悬空时，很容易得到CB555定时器的功能表，如表13.2.1所示。表13.2.1

CB555定时器的功能表第13章脉冲波形的产生与整形用555定时器构成的施密特触发器电路组成如图13.3.1所示，将555定时器的两个触发输入端ui1(2脚)和ui2(6脚)连接在一起作为信号输入端ui，uo(3脚)作为输出端，即可构成施密特触发器。工作原理13.3

施密特触发器第13章脉冲波形的产生与整形图13.3.1用555定时器构成的施密特触发器第13章脉冲波形的产生与整形正向阈值电压负向阈值电压(13.3.3)将UT+与UT－之差定义为回差电压ΔUT，即ΔUT=UT+－UT－由此得到电路的回差电压为(13.3.1)(13.3.2)(13.3.4)第13章

脉冲波形的产生与整形综上所述，用555定时器构成的施密特触发器的工作波形如图13.3.2所示。由工作波形中ui和uo的对应关系可画出uo=f(ui)的关系曲线，如图13.3.3所示，此关系曲线就是施密特触发器的电压传输特性。第13章脉冲波形的产生与整形图13.3.2施密特触发器的工作波形第13章脉冲波形的产生与整形图13.3.3施密特触发器的电压传输特性第13章

脉冲波形的产生与整形【例13.3.1】如图13.3.4(a)所示是用555定时器构成的施密特触发器，试对应于图13.3.4(b)所示的输入三角波，画出输出波形。图13.3.4单稳态触发器的工作波形(a)

用555定时器构成的施密特触发器；(b)

输入三角波形第13章

脉冲波形的产生与整形解：由式(13.3.1)和式(13.3.2)得正向阈值电压负向阈值电压如图13.3.5所示的输出波形。第13章脉冲波形的产生与整形图13.3.5例13.3.1的输出波形第13章

脉冲波形的产生与整形13.3.2用CMOS门构成的施密特触发器将两级CMOS反相器串接起来，再通过分压电阻将输出端的电压反馈到输入端，就构成了如图13.3.6所示的施密特触发器电路。图13.3.6用CMOS门构成的施密特触发器第13章

脉冲波形的产生与整形当ui=0时，因G1、G2构成了正反馈电路，所以uo=UOL

≈0。

此时，G1的输入ui1≈0。当ui逐渐升高并达到ui1=UTH时，由于G1进入了电压传输特性的转折区(放大区)，因此ui1的增加将引发如下的正反馈过程：第13章

脉冲波形的产生与整形于是电路的状态迅速地转化为uo=UOH≈UDD。此时便可以求出ui上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平UT+。由于因此(13.3.5)第13章

脉冲波形的产生与整形当ui从高电平UDD逐渐下降并达到ui1=UTH时，ui的下降会引发又一个正反馈过程：于是电路的状态迅速转换为uo=UOL≈0。此时又可以求出ui下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平UT－。因为这时所以第13章脉冲波形的产生与整形将UDD=2UTH带入上式可得(13.3.6)由此得到电路的回差电压为(13.3.7)根据式(13.3.5)和式(13.3.6)可以画出施密特触发器的电压传输特性，如图13.3.7(a)所示。图形符号如图13.3.7(b)所示。第13章脉冲波形的产生与整形图13.3.7同相输出的施密特触发器的电压传输特性和图形符号(a)

电压传输特性；(b)

图形符号第13章

脉冲波形的产生与整形电压传输特性如图13.3.8(a)所示。图形符号如图13.3.8(b)所示。图13.3.8反相输出的施密特触发器的电压传输特性和图形符号(a)

电压传输特性；(b)

图形符号第13章

脉冲波形的产生与整形13.3.3集成施密特触发器如图13.3.9所示为CMOS集成六反相施密特触发器CD40106和四2输入与非门施密特触发器CD4093的引脚功能图。第13章脉冲波形的产生与整形图13.3.9CD40106和CD4093施密特触发器的引脚功能图(a)

CD40106；(b)

CD4093第13章

脉冲波形的产生与整形13.3.4施密特触发器的应用举例1.波形的变换利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。如图13.3.10所示。第13章脉冲波形的产生与整形图13.3.10用施密特触发器实现波形变换第13章脉冲波形的产生与整形2.波形的整形如图13.3.11(a)、(b)所示,只要施密特触发器的UT+和UT－设置得合适，均能收到满意的整形效果。图13.3.11用施密特触发器对脉冲整形第13章

脉冲波形的产生与整形3.幅度鉴别如图13.3.12所示，若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，只有那些幅值大于UT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。图13.3.12用施密特触发器鉴别脉冲幅度第13章脉冲波形的产生与整形13.4.1用555定时器构成的单稳态触发器1.电路组成图13.4.1所示是由555定时器和少量外围器件构成的单稳态触发器。13.4

单稳态触发器第13章脉冲波形的产生与整形图13.4.1用555定时器构成的单稳态触发器第13章脉冲波形的产生与整形2.工作原理图13.4.2所示为在触发信号作用下uC和uo相应的波形。图13.4.2单稳态触发器的工作波形第13章

脉冲波形的产生与整形图13.4.2所示为在触发信号作用下uC和uo相应的波形。输出脉冲宽度tw就是暂稳态维持时间，也就是定时电容的充电时间。由图13.4.2可知，tw等于电容电压在充电过程中从0上升到

所需要的时间，因此得到(13.4.1)第13章

脉冲波形的产生与整形13.4.2用集成门电路构成的单稳态触发器1.微分型单稳态触发器由CMOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器如图13.4.3所示。图13.4.3微分型单稳态触发器第13章脉冲波形的产生与整形当ud上升到UTH以后，将引发如下的正反馈过程：第13章

脉冲波形的产生与整形随着充电过程的进行,ui2逐渐升高，当升至ui2=UTH时，又引发另一个正反馈过程：第13章脉冲波形的产生与整形电路中各点的电压波形如图13.4.4所示。图13.4.4微分型单稳态触发器的电压波形图第13章

脉冲波形的产生与整形在电容充、放电过程中，电容上的电压uC从充、放电开始到变化至某一数值UTH所经过的时间可以用下式计算：(13.4.2)将uC(0)=0，uC(∞)=UDD代入式(13.4.2)可得(13.4.3)第13章脉冲波形的产生与整形输出脉冲的幅度为Um=UOH－UOL≈UDD(13.4.4)在uo返回低电平以后，还要等到电容C放电完毕,电路才恢复为起始状态。一般认为经过3~5倍于电路时间常数的时间以后，RC电路基本达到稳态。恢复时间为tre≈(3~5)RONC(13.4.5)分辨时间td是指在保证电路能正常工作的前提下，允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔，故有td=tw+tre第13章脉冲波形的产生与整形2.积分型单稳态触发器由门电路和RC积分电路构成的积分型单稳态触发器如图13.4.5所示。图13.4.5积分型单稳态触发器第13章

脉冲波形的产生与整形在ui输入脉冲宽度为TTR的触发信号作用下，电路中各点的电压波形如图13.4.6所示。由理论分析可知，输出脉冲uo的宽度tw为(13.4.6)第13章脉冲波形的产生与整形图13.4.6积分型单稳态触发器的电压波形图第13章

脉冲波形的产生与整形13.4.3集成单稳态触发器图13.4.7是TTL集成单稳态触发器74121的逻辑符号，该器件是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加以输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。表13.4.1是集成单稳态触发器74121的功能表，图13.4.8是集成单稳态触发器74121的工作波形。第13章脉冲波形的产生与整形图13.4.7单稳态触发器74121的逻辑符号第13章脉冲波形的产生与整形表13.4.1集成单稳态触发器74121第13章脉冲波形的产生与整形图13.4.8单稳态触发器74121的工作波形第13章

脉冲波形的产生与整形图13.4.9所示为集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法。第13章脉冲波形的产生与整形图13.4.9集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法(a)

用外部电阻Rext(下降沿触发)；

(b)

用内部电阻Rint(上升沿触发)第13章

脉冲波形的产生与整形不可重复触发的单稳态一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束以后，它才能接受下一个触发脉冲而转入下一个暂稳态，如图13.4.10(a)所示。而可重复触发的单稳态在电路被触发而进入暂稳态以后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个tw宽度，如图13.4.10(b)所示。第13章脉冲波形的产生与整形图13.4.10不可重复触发型和可重复触发型单稳态触发器的工作波形(a)

不可重复触发型；(b)

可重复触发型第13章

脉冲波形的产生与整形13.4.4单稳态触发器的应用延时用于噪声消除由单稳态触发器组成的噪声消除电路及波形如图13.4.11所示。第13章脉冲波形的产生与整形图13.4.11利用74121构成的噪声消除电路(a)逻辑图；(b)工作波形第13章

脉冲波形的产生与整形13.5.1用555定时器构成的多谐振荡器如图13.5.1所示。13.5

多谐振荡器第13章脉冲波形的产生与整形图13.5.1用555定时器构成的多谐振荡器第13章

脉冲波形的产生与整形由图13.5.2中uC的波形可求得电容C的充电时间T1和放电时间T2分别为(13.5.1)(13.5.2)第13章脉冲波形的产生与整形(13.5.3)故电路的振荡周期为T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2振荡频率为(13.5.4)(13.5.5)第13章脉冲波形的产生与整形图13.5.2多谐振荡器的工作波形第13章脉冲波形的产生与整形如图13.5.3所示的改进电路。图13.5.3用555定时器构成的占空比可调的多谐振荡器第13章脉冲波形的产生与整形电容的充电时间变为而放电时间为故得输出脉冲的占空比为第13章

脉冲波形的产生与整形13.5.2用集成门电路构成的多谐振荡器如图13.5.4所示是用集成门电路构成的多谐振荡器的典型电路。图13.5.4用集成门电路构成的多谐振荡器第13章

脉冲波形的产生与整形假定接通电源的瞬间，由于某种原因使ui1有微小的正跳变，则必然会引起如下的正反馈过程：第13章

脉冲波形的产生与整形C1

充电速度较快，ui2

首先上升到G2的阈值电压UTH，并引起如下的正反馈过程：第13章脉冲波形的产生与整形1.脉冲整形电路的工作原理施密特触发器、单稳态触发器是广泛采用的脉冲波形整形电路。施密特触发器输出的高、低电平是随输入信号电平的大小改变的，所以其输出脉冲宽度是由输入信号决定的。施密特触发器在将边沿变化缓慢的信号波形整形为矩形波时，由于具有回差电压以及内部的正反馈过程，因而输出脉冲边沿陡直，抗干扰能力也比较强。单稳态触发器输出脉冲宽度仅决定于外围定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便地调节脉冲宽度。本章小结第13章

脉冲波形的产生与整形脉冲产生电路的工作原理脉冲产生电路又称为多谐振荡器，接通电源以后，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲。本章分析了脉冲产生电路参数和性能的定性关系。555定时器的应用555定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，采用它可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。4.脉冲电路的形式与分析方法脉冲电路既可以由555定时器构成，也可以由集成门电路以及专门的集成电路构成，分析方法我们采用的是图形分析法，该方法的物理概念清楚、步骤简单实用。第13章

脉冲波形的产生与整形学习本章后应达到下列要求：了解脉冲信号参数与性能指标的关系。了解脉冲信号产生与整形的方法。了解555定时器的电路结构，掌握其符号和功能。掌握用555定时器构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的方法。第13章脉冲波形的产生与整形13.1图T13.1是用555定时器组成的开机延时电路。若给定C=25

μF，R=91

kΩ，UCC=12

V，试计算常闭开关经过多长的延迟时间，uo才跳变为高电平。习

题第13章脉冲波形的产生与整形图T13.1第13章脉冲波形的产生与整形13.2利用555定时器芯片构成一个鉴幅电路，实现如图

T13.2所示的鉴幅功能。图中，UT+=3.2

V，UT－=1.6

V。要

求画出电路图，并标明电路中相关的参数值。图T13.2第13章脉冲波形的产生与整形13.3图T13.3是用555定时器构成的压控振荡器，试求输入控制电压ui和振荡频率之间的关系式。当ui升高时,频率是升高还是降低？图T13.3第13章脉冲波形的产生与整形13.4

555定时器连成如图T13.4(a)所示，图(b)是输入波形，请画出输出uo的波形。图T13.4第13章脉冲波形的产生与整形13.5在图13.3.6所示的用CMOS门组成的施密特触发器电，路中，若R1=50kΩ，R2=100

kΩ，UDD=5

V，UTH=试求电路的输入转换电平UT+、UT－以及回差电压ΔUT。13.6图T13.5是用CMOS门接成的压控施密特触发器电路，试分析它的转换电平UT+、UT－以及回差电压ΔUT与控制电压UCO的关系。第13章脉冲波形的产生与整形图T13.5第13章脉冲波形的产生与整形13.7用集成芯片555构成的施密特触发器电路及输入波形ui如图T13.6(a)、(b)所示，试画出对应的输出波形Uo。图T13.6第13章

脉冲波形的产生与整形13.8

CMOS或非门微分型单稳态电路如图13.4.3所示。说明在稳态条件下，ui、uo的电平值；分析电路的输出脉宽tW和哪些参量有关。13.9在图13.4.3给出的微分型单稳态触发器电路中，若已知R=51

kΩ，C=0.01

μF，电源电压UDD=10

V，试求在触发信号作用下输出脉冲的宽度和幅值。第13章

脉冲波形的产生与整形13.10由门电路和RC积分电路构成的积分型单稳态触发器如图13.4.5所示。和微分型单稳态电路相比有何不同；说明在稳态条件下，ui、uo的电平值；R的取值有何限制？电路对输入脉冲的宽度有何要求？若输入脉宽不满足要求，可采用什么办法解决？第13章

脉冲波形的产生与整形13.11在图T13.7所示的整形电路中，输入电压ui的波形如图中所示，假定它的低电平持续时间比R、C电路的时间

常数大得多。试画出输出电压uo的波形;能否用图T13.7中的电路作单稳态触发器使用？试说明理由。第13章脉冲波形的产生与整形图T13.7第13章

脉冲波形的产生与整形13.12试用555定时器设计一个单稳态电路，其输入ui、输出uo波形如图T13.8所示。已知UCC=5

V，给定电容C=0.47

μF，画出电路图，并确定电阻R的大小。图T13.8第13章脉冲波形的产生与整形13.13由555定时器构成的单稳态触发器。电源电压UCC=+5

V，外接电阻R=10

kΩ，外接电容C=0.01

μF,计算单稳态输出脉宽tw;电源电压U