第九章 脉冲波形的产生与变换（课件）西科大版

【知识目标】第九章脉冲波形的产生与变换1.掌握锯齿波的参数，理解锯齿波发生器基本原理。2.掌握RC微分电路、RC积分电路的组成形式、工作原理和波形变换形式。3.了解单稳态触发电路、施密特触发器、多谐振荡电路的电路形式、工作原理。4.了解555集成应用电路工作原理，掌握其工作特点。【技能目标】1.会搭建单稳态触发电路、施密特触发器、多谐振荡电路。2.会使用电子仪表仪器测试单稳态触发电路、施密特触发器、多谐振荡电路。9.1常见的脉冲产生电路9.1.1锯齿波发生器

锯齿波电压信号是指电压升降如锯齿的周期性信号。电压上升过程所占时间比较长的称为正向锯齿波，电压下降过程所占时间较长的称为负向锯齿波。（a）正向锯齿波（b）反向锯齿波图9.1.1锯齿波电压信号1.锯齿波发生器的参数图9.1.2锯齿波主要参数（1）扫描期T1：要求在T1时间内电压随时间线性变化。（2）回扫期TB：电压在此期间迅速回到起始值，要求越小越好。（3）休止期TN：是扫描结束到下次扫描开始的间隔时间。（4）恢复期T2：T2=TB+TN（5）重复周期T：T=T1+T2（6）频率f：f=

1/T（7）扫描幅度Vm：扫描期内电压的幅值。2.锯齿波电压发生器基本原理

（a）简单锯齿波电压产生电路

（b）充放电波形图图9.1.3产生锯齿波电压原理图开关S闭合时，电容上的电压为零，即vC=0。若将S断开，则电容C开始充电，时间常数τ=RC，Vc按指数规律上升，经短暂时间T1(T1《τ)后，再合上S，电容器被短路而快速放电。如果不断重复上述过程，就得到一连串锯齿波电压，如图9.1.3(b)所示。

（a）电路结构

（b）振荡波形

图9.1.4三极管控制的电压锯齿波发生器工作原理：当输入低电平时，三极管V截止，+VG通过R向电容器C充电，输出电压VO=VC逐渐上升，当时间常常τ=RC远大于输入脉冲周期时，VO的上升基本上呈线性。当输入为高电平时，三极管V饱和导通，电容器C通过三极管V放电，最终使VO=VCES。当输入脉冲再一次为低电平时，三极管V再截止一次，电容器再一次充电，如此反复，就会在电容器C的两端产生锯齿波电压输出。3.自举补偿锯齿波电路图9.1.5自举补偿锯齿波电路C1为容量很大的电容器，+VG通过V3、C1、Re对电容器C1充电后，C相当于一个电源，V2是射极跟随器，其射极输出电压和它的基极输入电压VC（电容器C上端电压）同相且相等，二极管V3起隔离+VG与H点电位的作用，V1起开关作用。当V1截止时，+VG通过二极管V3、电阻器R对电容C充电，V2输出锯齿波正程电压；当V1饱和导通时，电容器C通过V1迅速放电，V2输出锯齿波逆程电压。同时+VG通过V3、C1、Re对C1再充电补足被放掉的电荷。因二极管V3的正向压降较小，故VC1可充至+VG，以上过程不断反复就能连续输出锯齿波电压。*9.1.2RC波形变换电路在脉冲电路中经常用到的由R和C构成的简单电路，叫RC电路。RC电路主要用于脉冲波形变换，常用电路有微分电路、积分电路。1.RC电路的充放电过程

图9.1.6电容器的充放电电路1）充电过程

设图中的开关S原来2、3触点闭合，

当开关S的2、1触点闭合后，电压VG通过电阻R对电容器C充电，在充电开始的瞬间，而电阻R上的电压也最大，有

随着电容器C上的电荷积累，电压VC随之上升，而VR随之下降，所以ic也逐渐下降。

(a)充电电压波形式(b)充电电流波形图9.1.7电容器充电波形2）放电过程

在电容器充电结束后，将开关S的2、3触点闭合，电容器将通过电阻R放电。开始瞬间，因为电容器两端的电压不能突变，vc仍为VG。此时，放电电流ic也最大。随后，vc按指数规律逐渐下降，ic也随之下降。最后，vc=0，ic=0放电过程结束。

图9.1.8电容器放电波形通过实验研究发现：当t=0.7τ时，充电电压为VG的一半；放电电压为电容器两端电压VC的一半；当t=(3-5)τ时，充放电过程基本结束。

我们可以得到以下结论：充放电时电容两端电压、电流呈指数规律变化；充放电的速度与时间常数τ有关，τ=RC，单位为s,τ越大充放电越慢,τ越小充放电越快。2.RC微分电路微分电路是脉冲电路中常用的一种波形变换电路，主要特点是能把矩形脉冲变换成一对正、负极性的尖峰脉冲波。其电路形式及波形如图9.1.8所示。RC微分电路的输出脉冲反映了输入脉冲的变化部分，即反映了vI在t1和t2时刻的跳变，此时输出电压幅度最大；而在t1～t2期间，输入电压保持不变，输出电压基本为0。概括的说，微分电路能对输入脉冲起到“突出变化量，压低恒定量”的作用。

(a)

RC微分电路

(b)波形图9.1.8RC微分电路及波形3.RC积分电路

RC积分电路也是一种常用的波形变换电路，它能把矩形脉冲波变换为三角波。图9.1.9是一个简单的RC积分电路，如果输入矩形脉冲信号，则电容上的电压不会突然增长，而是会有一个充电变大过程。脉冲过后，电容上的电压也不会突然减小消失，而是会有一个放电减小的过程，于是在电容上就会出现一个锯齿状的波形，而VO=VC,，输出的也是锯齿波，又叫三角波，如图9.1.10所示。

图9.1.9RC积分电路图9.1.10RC积分电路的波形变换RC积分电路的工作特点是在输入矩形脉冲的稳定部分，输出电压有明显的变化，而在输入矩形脉冲的跳变时刻，输出电压保持不变。这种情况恰好与RC微分电路相反，它对输入脉冲信号起到“突出恒定量，压低变化量”的作用。9.2555时基电路9.2.1555时基电路组成和引脚功能1.电路组成图9.2.1555时基电路由内部结构图可以看出，555时基电路由分压器、比较强、触发器和放电三极管及缓冲器组成。（1）由3个阻值为5KΩ的电阻组成分压器（555由此得名）。作用：悬空或外接一抗干扰电容时，电压比较器C1同相输入端电压为，电压比较器C2反相输入端电压为。控制电压输入端CO外接一电源时，电压比较器C1同相输入端电压为VC，电压比较器C2反相输入端电压为.（2）两个电压比较器C1和C2

，输出uo为正电压，看作高电平“1”输出。，输出uo为负电压，看作低电平“0”输出。（3）基本RS触发器它由两个与非门G1、G2组成，电压比较器C1、C2的输出端即为基本RS触发器的输入端、，其工作过程如下：（4）放电三极管VT和缓冲器G3三极管VT作为放电开关，它的基极受基本RS触发器端状态的控制。若Q=0，三极管VT的基极为高电平，三极管导通，则三极管截止。

缓冲器G3主要功能是提高电流驱动能力，同时还起到隔离负载对555时基电路的影响的作用。2.引脚功能表9.2.1555时基电路外部引脚及功能引脚编号引脚符号名称功能说明1GND电源负端接地端2

触发端触发端，当该引脚电压时，电路输出电压uo为低电平3OUT输出端输出端4

复位端复位端，当该引脚与Vcc相连时，定时器工作；当该引脚与地相连时，使RS触发器复位，输出uo为低电平5CO控制电压端控制端，当该引脚悬空时，参考电压，当CO端外接电压时，可改变“阀值”和“触发”端的比较电平，即改变比较器的基准电压。不用时，可通过一个小电容接地，防止电路噪声进入6TH阀值输入端阀值输入端，当该引脚的电压时，输出为低电平7DIS放电端放电端，内部三极管的导通与关断，可为外部RC回路提供放电通路8VCC电源正端该引脚与电路的电源电压相连9.2.2555时基电路的功能表9.2.2555时基电路功能表9.3单稳态触发器

单稳态触发器是具有一个稳定状态和一个暂稳状态的波形变换电路。在没有外界信号时，电路将保持稳定状态，在外来触发信号作用下，电路将会从原来的稳态翻转到另一个状态；但这一状态是暂时的，在经过一段时间后，电路将自动返回到原来的稳定状态。暂稳态时间的长短通常都是靠RC电路的充、放电过程来维持的，与触发脉冲无关。因此单稳态触发器常用于脉冲的整形和延时。1．门电路构成的单稳态触发器1）电路组成由门电路和RC元件组成的单稳态触发器电路形式较多。一个电阻和一个电容元件可以组成积分电路或者微分电路，因此，由门电路和RC元件可组成积分型单稳态触发器和微分型单稳态触发器。图9.3.1所示电路就是积分型单稳态触发器的电路形式之一，其由两个与非门和一个积分电路组成。

图9.3.1积分型单稳态触发器2）工作过程（1）电路的稳态

输入信号Vi为低电平时，G2处于关闭状态，输出vo为高电平，这是电路的稳态。（2）外加触发信号，电路翻转为暂稳态

在电路中，门G2开通的条件是输入信号vi为高电平或者电容器两端的电压vc大于门G2的关门电平。设稳态时vi为低电平。当输入信号vi电平由低电平跳变到高电平时，G1开通，输出vo1由高电平跳变到低电平，电容器C两端的电压vc不能突变，即vc仍为高电平，因此，此时门G2开通，输出vo从高电平跳变到低电平。vo1由高电平跳变到低电平后，已充电的电容器C就要通过R和门G1放电。随着电容器C放电，vc逐渐下降，维持门G2开通的条件被破坏，因此，G2开通的状态是暂时的，称为暂稳态。

（3）自动返回稳态

当电容器C放电使vc下降到关门电平时，G2由开通状态返回到关闭状态，vo由低电平返回到高电平。2．555时基电路构成的单稳态触发器1)电路组成（2）暂稳定当的负脉冲到来时，电路状态翻转，进入暂稳态，输出为高电平,uo=UDD这时，放电三极管截止，电源通过电阻R向电容C充电，逐渐升高。当时，电路状态翻转，输出低电平，uo=0，电路由暂稳态变为稳态，此时，放电三极管VT导通，电容C被旁路，uc=0，电路一直处于原稳定状态，输出为低电平。（1）稳态接通电源后，UDD通过R、C对电容器充电，使得，而UI的负触发脉冲未到，555时基电路的3脚OUT输出端为低电平，即uo=0，电路处于稳定状态。这时，放电三极管VT导通，电容C被旁路，uc=0，电路仍处于原稳定状态，输出为低电平。2）延时器单稳态电路的输出信号的下降沿总是滞后于输入信号的下降沿，而且滞后时间就是脉冲的宽度，如图9.3.4所示。因此，可利用这种滞后作用来达到延时的目的。3）定时器利用单稳态电路输出的脉冲信号作为定时控制信号。脉冲宽度就是控制（定时）时间。图9.3.3整形

图9.3.4延时3.单稳态触发器的应用1)波形整型9.4多谐振荡器

多谐振荡器用来产生矩形波的电路，又称脉冲发生器。多谐振荡器是一种无稳态电路，它有两个暂时稳定状态（简称暂稳态）。只要接通电源，无需外加触发信号，多谐振荡器便能自动输出一定频率和脉宽的矩形脉冲。由于矩形脉冲波含丰富的多次谐波，所以习惯上又把矩形波振荡器称为多谐振荡器。1.门电路组成的多谐振荡器1）电路组成

2）工作过程（1）初始暂稳态接通电源后，由于非门G1、G2存在差异，假设G2输出电压较G1输出电压高些，通过耦合C2使G1的输入端电压升高，经反相后输出电压下降，经电容C1耦合使G2的输入端电压降低，经G2的反相作用，输出电压进一步升高。通过以上正反馈过程使输出低电平，输出高电平（0态），进入第一暂稳态（1态）。（2）翻转到第二稳态在第一暂稳态，非门G2输出高电平，通过R2向C1充电，如图9.4.2所示，导致G2输入端电位逐渐上升，非门G1输出低电平，电容器C2将通过R1放电，导致G1的输入端电位逐渐下降，最后使G1输出高电平（1态），G2输出低电平（0态），自动翻转进入第二稳态。9.4.2非门组成的多谐振荡器C1充电、C2放电（3）翻转回第一稳态在第二暂稳态时，非门G1输出高电平，将通过R1对C2充电，如图9.4.3所示，导致G1输入端电位逐渐上升。电容器C1则通过R2放电，G2输入端电位逐渐下降，最后使电路又从第二稳态翻转回第一稳态。9.4.3非门组成的多谐振荡器C2充电、C1放电此后，电容器C1、C2不断充电、放电，持续不断地翻转，产生矩形脉冲，非门组成的多谐振荡器工作波形如图9.4.4所示。9.4.4非门组成的多谐振荡器工作波形图

实际应用中可以通过集成电路来实现多谐振荡，如T081型四非门或SN74S04型六非门集成块，也可用一块CC4011型四2输入与非门或SN74S00型四2输入与非门，把每个与非门的输入端并接后改为非门来实现。实用的多谐振荡器电路中，为了提高频率的稳定性，可采用带石英晶体的振荡器。2.555时基电路组成的多谐振荡器1）电路组成图9.4.5（a）所示为555时基电路组成的多谐振荡器。图中R1、R2、C为外接定时元件，C1是滤波电容，防止干扰脉冲串入触发器内部比较器的参考电压。第2脚端与第6脚TH端短接在一起，由电容器两端的电压控制，R1、R2之间连接放电端。接通电源后不需要外加触发信号，输出端输出矩形波，其工作波形图如图9.4.5（b）所示。（a）电路图

（b）工作波形图图9.4.5多谐振荡器的电路图和波形图（2）暂稳态二

当uc上升到超过

时，即TH端有效，电路输出uo=0为低电平，第一暂稳态结束。与此同时，放电三极管导通，电容器C开始放电，放电回路为：放电时间常数为逐渐下降，uc下降但未低于时，端与TH端均无效，输出不变，电路将保持第二稳态。2)工作过程（1）暂稳态一合上电源瞬间，uc=0，即端有效，电路输出uo=1为高电平。此时，放电三极管截止，定时电容器C开始充电，充电回路为：UDD

R1

R2

C地，充电时间常数逐渐上升，电路处于第一稳态。（3）当uc下降到即端有效（如t2时刻），电路输出为高电平。第二暂稳态结束，放电三极管截止。电容器又开始充电，然后重复上述过程，在输出端得到连续的矩形波。图中，定时元件R1、R2和C决定了电路的充放电时间。故振荡周期为T1≈0.7(R1+R2)C,T2≈0.7R2CT=T1+T2≈0.7(R1+2R2)C在多谐振荡电路的实际应用中，可以用电位器来代替电路中的定时电阻，便可构成频率可调的多谐振荡器。9.5施密特触发器施密特触发器是脉冲数字系统中常用的电路，可以由门电路组成，也可以是集成电路。施密特触发器能够把不规则的输入波形变成良好的矩形波。施密特触发器的输出与输入信号之间的关系可用电压传输特性表示，如图9.5.1所示，图中同时给出了它们的逻辑符号。

(a)反相输出传输特性(b)同相输出传输特性

(c)反向输出施密特触器逻辑符号(d)同向输出施密特触器逻辑符号

图9.5.1施密特触发器的输出特性及逻辑符号从图中可见，传输特性的最大特点是：该电路有两个稳态，一个稳态输出高电平VOH，另一个稳态输出低电平VOL。但是这两个稳态要靠输入信号电平来维持。施密特触发器的另一个特点是输入输出信号的回差特性。当输入信号幅值增大或者减少时，电路状态的翻转对应不同的阈值电压VT+和VT-，而且VT+>VT-，VT+与VT-的差值被称作回差电压。1.门电路组成的施密特触发器

1）电路组成图9.5.2所示是由两个非门构成的同向输出施密特触发器。

（a）电路图

（b）逻辑符号图9.5.2门电路组成的施密特触发器2）工作过程施密特触发器输入三角波或正弦波时，对应的输出波形如图9.5.3所示。

（a）输入三角波

（b）输入正弦波9.5.3门电路组成的施密特触发器工作波形（1）第一稳态输入电压时，非门G1关闭，输出高电平；非门G2开通，输出低电平，电路处于第一稳态。（2）翻转至第二稳态随着输入端电压的上升，加到非门G1的逐渐上升，当大于的G1门槛电压时，G1导通，输出变为低电平；G2关闭，输出高电平，电路由第一稳态翻转为第二稳态。此后继续上升，电路仍然保持该稳态。（3）返回第一稳态输入从高电平处开始下降，加到非门G1的也随着下降，当低于非门G1的门槛电压时，G1关闭，输出跳变为高电平；G2开通，输出低电平，电路由第二稳态返回第一稳态。

由门电路构成的施密特触发器，具有阈值电压稳定性差，抗干扰能力弱等缺点，不能满足实际数字系统的需要。而集成施密特触发器以其性能一致性好，触发阈值电压稳定、可靠性高等优点，在实际中得到广泛的应用。

TTL集成施密特触发器有74LS13、74LS14、74LS132等。74LS13为施密特触发的双四输入与非门，74LS14为施密特触发的六反相器，74LS132为施密特触发的四两输入与非门。CMOS集成施密特触发器有74C14、74HC14等。2.555时基电路组成的施密特触发器1）电路组成图所示为555时基电路组成的施密特触发器。第2脚

端与第6脚TH端短接在一起接输入端。(a)555时基电路组成的施密特触发器电路图

（c）逻辑符号2）工作过程由于电压控制端外接一抗干扰电容，低电平触发端2脚（）比较电压为；高电平触发端6脚（TH）的比较电压为。设输入端加一个已知幅度大于的三角波，其工作波形图如图（b）图所示。(b)555时基电路组成的施密特触发器工作波形图（1）当时，即，端有效，电路输出uo=1为高电平,处于第一稳态。当uI上升但未超过时，将保持这一状态。（2）当uI上升到超过时，即