数字电子技术（第2版）课件 ch07脉冲波形的产生与整形

第7章脉冲波形的产生与整形电子电气基础课程规划教材数字电子技术(第2版）01概述PARTONE脉冲信号的特点脉冲信号是一种持续时间极短的电压或电流波形。图7.1.1所示为几种常见的脉冲波形，其中，（a）是矩形波，（b）是方波，（c）是尖顶脉冲，（d）是钟形脉冲，（e）是锯齿波，（f）是梯形波。这些波形的共同特点是整个波形都是由若干个暂态过程段所组成。因此广义上讲，凡不具有连续正弦波形状的信号，都可以称之为脉冲信号。脉冲信号的特点最常用的脉冲信号是矩形波和方波，如图7.1.1（a）和（b）所示。理想情况下，矩形波和方波突变部分是瞬间的，不占用时间。但在实际波形中，脉冲电压（或电流）从零值升到最大值时，或从最大值降到零值时，都需要经历一定的时间。图7.1.2所示为实际的矩形脉冲电压波形。图中，/是脉冲信号的电压幅度；虹是脉冲信号的上升时间，也称为脉冲前沿，它是指脉冲信号由0.1/上升至0.9勾所经历的时间；彳是脉冲信号的下降时间，也称为脉冲后沿，是指脉冲信号由0.9/下降至0.1/所经历的时间；T称为脉冲信号的周期；術是脉冲信号持续时间，又称为脉宽，是指脉冲信号从上升至0.5/处到下降至0.5/之间的时间间隔。在一个周期中，T-tw称为脉冲休止期，上/T称为脉冲占空比。脉冲信号的特点脉冲产生与整形电路的基本分析方法获得脉冲信号的方法通常有两种：一种是用脉冲产生电路直接产生，如各种多谐振荡器；另一种是对已有的不规则的周期性信号进行整形，变换成所需要的脉冲信号，如单稳态触发器、施密特触发器。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）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。图7.1.3所示RC开关电路是典型的暂态电路，其中S为开关（可以是电子开关）。设初始时刻（t=0+）开关S与端点a相连，开关接通瞬间电容C两端电压不能突变，满足开关定理uc（0+）=uc（0-），此时电源E通过电阻R向电容C充电，若uc（0-）=0，则电容。两端的电压uc(t)。随时间变化的曲线如图7.1.4（a）所示。脉冲产生与整形电路的基本分析方法电阻两端电压吃⑴随时间变化的曲线如图7.1.4（b）所示。经过足够长的时间后，暂态过程结束，流过电容C的电流Zc（8）=0,电容C相当于开路，UC（8）=E,UR（8）=0。电路的时间常数t=RC决定了暂态过程（时间）的长短。根据三要素公式，可以得到暂态电路中电压（或电流）随时间变化的方程脉冲产生与整形电路的基本分析方法02单稳态触发器PARTTWO单稳态触发器有如下几个特点：第一，电路有一个稳定状态（或称稳态）和一个暂稳状态（或称暂稳态）。无信号触发时电路长期处于稳定状态。第二，在外来触发脉冲信号作用下，电路由稳定状态翻转到暂稳状态。暂稳状态是不能长久保持的状态，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定时元件参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。单稳态触发器可由门电路、定时器电路构成，一还可选用集成的单稳态芯片。由于单稳态电路的特点，它被广泛用于数字设备中进行整形，也可用于延时和定时。用门电路构成的单稳态触发器根据RC电路的不同接法，用门电路构成的单稳态触发器可分为微分型和积分型两种，如图7.2.1所示。用门电路构成的单稳态触发器1.微分型单稳态触发器图7.2.1(a)所示为低电平触发的微分型单稳态触发器，其中CMOS与非门1和非门2起开关作用，RC电路以微分电路的形式起定时作用。下面分析触发器的工作原理，而微分型单稳态触发器的工作波形如图7.2.2所示。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2.积分型单稳态触发器图7.2.1(b)所示为高电平触发的积分型单稳态触发器，其中CMOS非门1和与非门2起开关作用，RC电路以积分电路的形式起定时作用。下面分析触发器的工作原理，而积分型单稳态触发器的工作波形如图7.2.3所示。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集成单稳态触发器鉴于单稳态触发器的应用十分普遍，在TTL电路和CMOS电路的中规模集成产品中，都有单片集成的单稳态触发器。按功能划分，集成单稳态触发器可分为可重复触发和不可重复触发两种类型。所谓可重复触发是指单稳态触发器在暂稳态期间可接收新的触发信号，重新开始新的暂稳态过程；而不可重复触发，则在暂稳态期间不接收新的触发信号，或者说，即使有新的触发信号到来，其既定的暂稳态过程会照样进行下去，直至结束为止。集成单稳态触发器74LS121是一种典型的不可重复触发的单稳态触发器，其引脚图和逻辑符号如图7.2.4所示，电路功能如表7.2.1所示。集成单稳态触发器集成单稳态触发器输出的脉冲宽度由下式确定在定时时间tw结束之后，定时电容G有一段充电恢复时间ct，如果在此恢复时间内有输入触发脉冲，电路可以被触发，但再次输出的脉冲宽度会小于规定的定时时间tw。这是使用74LS121时应注意的一个问题。74LS122是一种比较典型的可重复触发的单稳态触发器，其引脚图和逻辑符号如图7.2.6所示，电路功能如表7.2.2所示。集成单稳态触发器应用举例单稳态触发器是常用的单元电路，在脉冲波形的变换、整形等方面都有着广泛的应用，下面通过两个简单例子说明其应用。应用举例应用举例2.整形单稳态触发器能够把不规则的输入信号u1整形为幅度、宽度都相同的矩形脉冲u0,如图7.2.8所示。由于脉冲宽度tw仅取决于RC定时元件的参数值，因此，单稳态触发器还可改变输入脉冲的占空比。03多谐振荡器PARTTHREE用门电路构成的多谐振荡器用门电路构成的多谐振荡器有电容正反馈多谐振荡器、环形振荡器等多种形式。本节主要介绍由CMOS非门构成的电容正反馈多谐振荡器，其基本电路如图7.3.1所示。在它的工作过程中，主要依靠电容C的充、放电引起门1输入端Vth的变化，当u11达到门电路的阈值电压Rh时，引起非门状态的翻转，从而实现矩形波的输出。下面分析其工作原理。石英晶体多谐振荡器前面介绍的多谐振荡器，其工作频率取决于电容的充、放电时间，电路的工作方式易受干扰，频率的稳定度不够高。而在许多数字系统中，都需要频率稳定度较高的时钟脉冲，例如，在数字钟表里，计数脉冲的频率稳定度就直接决定着计时的精度。下面介绍的石英晶体多谐振荡器就是一种頻率稳定度较高的振荡器。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，两电极各自焊出引线固定在引脚上，这样就构成了一个石英晶振。它是利用石英晶体（二氧化硅）的压电效应而制成的一种谐振器，图7.3.3所示给出了石英晶体的电抗频率特性和符号。石英晶体多谐振荡器在图7.3.1中的电容支路串联一个石英晶体，就构成了一个石英晶体多谐振荡器，如图7.3.4所示。石英晶体多谐振荡器图7.3.5所示是更简单、更典型的电容三点式石英晶体多谐振荡器。门1、门2是两个CMOS非门。图7.3.5所示是更简单、更典型的电容三点式石英晶体多谐振荡器。门1、门2是两个CMOS非门。门1与Rf、石英晶体、C1,C2构成电容三点式振荡电路。Rf是偏置电阻,取值常在10MQ-100MQ之间，它的作用是保证静态时，门1能工作在其电压传输特性的转折区一一线性放大区。应用举例04施密特触发器PARTFOUR第三，根据输出与输入电压的相位关系，可分为同相施密特触发器和反相施密特触发器两种，施密特触发器实际是一种具有回滞特性的门电路。施密特触发器可由门电路、定时器电路构成，还可选用集成的施密特触发器芯片。施密特触发器常用于数字设备中进行整形、脉冲鉴幅，或用来构成多谐振荡器。用门电路构成的施密特触发器由CMOS非门构成的施密特触发器及工作波形如图7.4.2所示，图中，u1通过R1、R2的分压来控制门1的状态。若由U0输出则为同相施密特触发器，由U01输出则为反相施密特触发器。下面分析它的工作原理。集成施密特触发器施密特触发器使用广泛，市场上有专门的集成电路产品出售，一般称之为施密特触发门电路。集成施密特触发器性能的一致性好，触发阈值稳定，使用方便。1.CMOS集成施密特触发器图7.4.3所示是国产CMOS集成施密特触发门电路CC40106（六反相器）和CC4093（四2输入与非门）的引脚图。集成施密特触发器表7.4.1所示是CC40106和CC4093的主要静态参数。应当说明的是，在不同条件下,每个参数都有一定的数值范围。集成施密特触发器2.TTL集成施密特触发器图7.4.4所示是几种常用的国产TTL集成施密特触发门电路的引脚图。表7.4.2所示是几种常用的TTL施密特触发门电路的几个主要参数的典型值。应用举例应用举例应用举例05555定时器及其应用PARTFIVE555定时器的内部电路结构与工作原理555定时器的内部电路结构与工作原理555定时器的内部电路结构与工作原理555定时器的内部电路结构与工作原理555定时器的内部电路结构与工作原理555定时器构成单稳态触发器555定时器构成单稳态触发器555定时器构成施密特触发器1.电路结构图7.5.4所示为用555定时器构成的施密特触发器，图中R(4脚)接电源Vcc为高电平，CO端(5脚)通过0.0luF电容接地，起滤波作用，以提高参考电压細和如的稳定性。低电平触发输入端（2脚）和高电平触发输入端（6脚）连在一起作为施密特触发器的输入端。555定时器构成施密特触发器555定时器构成多谐振荡器