第十章 脉冲波形的产生与整形

1. 第十章 脉冲波形的产生与整形 • 主要内容： • 介绍用于脉冲信号产生、整形和定时的几种基本电路。 • 1.施密特触发器。 • 2.单稳态触发器。 • 3.多谐振荡器。 • 4.555定时器 。*

2. 引 言 在前几章的学习中，我们常说：“在输入端加一个方波。”或者说：“给计数器加一个时钟脉冲。” 也许，你早就有个疑问了，这些脉冲信号是怎么来的呢？它们的频率和脉宽又是怎样调整的呢？本章就为你解答这些问题。脉冲信号的获取，通常采用两种方法：一是利用多谐振荡器直接产生；二是通过对已有信号进行整形与变换得到。本章将围绕这两种方法，重点讨论用于脉冲整形与变换的施密特触发器，能直接产生脉冲波形的多谐振荡器和用于定时、延时、调整信号脉宽的单稳态触发器以及它们的典型应用。本章介绍的中规模集成电路555定时器也是一个学习重点，因为它就像一盒积木中那块“最大的”，有了它，再稍微搭配上几个“小块”就可以方便的搭成各种常用的脉冲电路了。

3. 10.1 概述 一、常见的脉冲信号 脉冲信号是指在短时间内出现的电压或电流信号。一般来讲，凡是不具有连续正弦波形状的信号，都可以称为脉冲信号。 （c）微分波 （b）锯齿波 （d）钟形波 （a）矩形波

4. U(V) 5 Vm t(ms) tw 0 T 二 、典型的数字信号 一个理想的周期性数字信号，可用以下几个参数来描绘： Vm——信号幅度。 T——信号的重复周期。 tW——脉冲宽度。 q——占空比。其定义为：

5. U (V) 5 (a) 0 t (ms) 10 20 30 40 50 U (V) 3.6 (b) 0 t (ms) 10 20 30 40 50 U (V) 10 (c) 0 t (ms) 10 20 30 40 50 三个周期相同（T=20ms），但幅度、脉冲宽度及占空比各不相同的数字信号。

6. U U V V m m 0.9 0.9 V V m m 0.5 0.5 V V m m t t w w 0.1 0.1 V V m m 0 0 t t t t t t r r f f 三 、实际的矩形脉冲信号 tr——上升时间。是指从脉冲幅值的10%上升到90%所需要的时间。 tf——下降时间。是指从脉冲幅值的90%下降到10%所需要的时间。 tW——脉冲宽度。为脉冲幅值的50%的两个时间点之间的时间。

7. 若vI为低电平，则vO为高电平；若vI为高电平，则vO为低电平。若vI为低电平，则vO为高电平；若vI为高电平，则vO为低电平。 vO 1 vI vO vI从低电平上升到VT+时，vO由高变低； vI从高电平下降到VT-时，vO由低变高. VT+ >VT- vI 10.2 施密特触发器 • 功能特点： • 1.输入信号从低电平上升时的转换电平和从高电平下降时 • 的转换电平不同。 • 2.在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出 • 电压波形的边沿变得很陡。 • 如图示： VT- VT+

8. 0 0 1 §10.2.1 用门电路组成的施密特触发器 设G1、G2阈值电压VTH≈VDD/2， R1<R2（否则电路进入自锁状态,不能正常工作）

9. 二、原理及主要参数计算 G1、G2是CMOS构成，阈值电压为VTH约为1/2VDD，且R1<R2。 1）vI=0时，vO=0=vOL，vA=0 2) vI上升至vA= VTH时， G1进入放大区，且由于R1、R2作用，引发正反馈过程，使vO急剧上升为vO =vOH =vDD，使上升沿很陡峭。

10. a)求VT+：定义vI上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平vI =VT+，叫正向阈值电压。 计算过程：忽略G1、G2门输入电流，又跳变前有vO=0， iR1=iR2 (VT+ -vA)/ R1 = (vA-vO )/ R2 = vA / R2 得 VT+ =（1+R1/R2）VTH

11. b) vI从vDD下降至vA= VTH时， 由于R1、R2作用，引发正反馈过程，使vO急剧下降为vO =vOL =0，且下降沿很陡峭。 求VT-：定义vI下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平vI =VT-，叫负向阈值电压。 计算过程：忽略G1、G2门输入电流，又跳变前有vO= vDD， iR1=iR2 (VI -vA)/ R1 = (vA -vDD )/ R2又vDD =2 VTH 得 VT- = VI =（1-R1/R2）VTH 回差电压Δ VT： Δ VT =VT+ -VT- =2（R1/R2）VTH

12. 1 1 vO v'O 1 R2 vI v'O vO1 vI vO v'I G1 G2 v'O vI vI VDD VDD VTH VTH 以v'O做输出得到反向输出的施密特触发特性

13. 自锁状态 • 如果R1〉R2那么有 • 这说明，即使 上升到 或下降到0，电路的状态也不会发生变化，电路处于“自锁状态”，不能正常工作。

14. 1 1 R2 IOH 解得： VTH vO1 VOH vI vO v'I G1 G2 v'O 例：已知VT+=7.5V, △VT=5V,求R1、R2和VDD的值 解：代入公式 注意：R1、R2的取值不能太小，保证 G2输出高电平时的负载电流小于允许值

15. CC4096的IOH(max)=1.3mA

16. 1 A C A C 不可调 & & 等效电路 Y B D B D Y 6.2.2 集成施密特触发器 集成施密特触发器7413 带与非功能的施密特触发器

17. 1 vI vO 集成施密特触发器CC40106 可调

18. vO vI 1 VT+ vI vO VT- t t 10.2.3施密特触发器的应用 一、用于波形变换 将正弦波、三角波等转换成矩形波

19. vI vO vI vI vO vO 1 VT+ VT+ VT+ vI vO VT- VT- VT- t t t t t t 二、用于脉冲整形 将不理想的矩形波转换成理想矩形波 如上升沿、下降沿不理想， 寄生振荡，干扰脉冲造成的不理想脉冲

20. vI vO 1 VT+ vI vO VT- t t 三、用于脉冲鉴幅 将一些不同幅度的脉冲信号加到施密特触发器的输入端时，只有 那些大于VT+的脉冲才会产生输出信号。

21. 本节小结 　　施密特触发器具有两个稳定的状态，是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。　　 施密特触发器可以由分立元件构成，也可以由门电路及555定时器构成。　　 施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。

22. vI 10.3 单稳态触发器 单稳态触发器的特点： 1.电路有稳态和暂稳态两个状态。 2.在触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持 一段时间后，再自动返回稳态。 3.暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲宽 度无关。 vO tW 暂稳态 稳态

23. §10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器 单稳态触发器因为电路具有一个稳定状态而得名。它由两个门电路、一个RC电路组成。它的暂稳态通常都是靠RC电路的充、放电过程来维持的，根据RC电路的不同接法，分为微分型和积分型。

24. vI2↑ →vO ↓ →vO1 ↑ 当vI=VTH时， 引发正反馈，使vO迅速上升到vO=1， vO1=0 vO vO1 ↓→ vI2 ↓ →vO ↑ vO1 vI vI vI2 VDD （2）暂稳态 CMOS门 VTH 进入暂稳态 R t t G1 G2 t t vO1 vI ≥1 1 C充电，vI2↑（指数规律），当vI2=VTH时， 引发正反馈，使vO迅速下降到vO=0， vO1=1 vI2 vO C 暂稳态结束 10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器 一、微分型单稳态触发器 工作原理（暂不考虑Rd、Cd） （1）稳态 （3）恢复过程： vI=0， C开路，vI2=1，vO=0； vO1=1，C上无电荷。 vO1┛ → vI2┛，C放电， vI2↓， 很快放完电后， vI2=1，恢复到稳态。 充 放 tW

25. vI 充电过程中， 从 根据三要素法： 上升到VTH所需的时间。 当 时， t ★ vO1 t vI2 充 VTH 放 t vO tW t 主要参数 (1)输出脉冲宽度tW

26. VDD vI VDD VDD 再求出 即可。 已知 充 R R R t G1 G2 vO1 vO1 vI ≥1 1 vI2 RON<<R vI2 vI2 vO C C t vI2 RON C G2 充 VTH 放 G1 t vO tW t 充电等效电路： 充

27. vI VDD VDD (2)输出脉冲幅度Vm 时间常数 从图中可知 R G1 G2 vO1 t vO1 R RON vI D1 放 ≥1 1 vI2 vO C vI2 G2 G1 t 放 vI2 C Tre VTH t vO tW t (3)恢复时间Tre 恢复时间即C放电的时间 放电电路： R与D1并联，R可忽略， RON与D1并联， D1可忽略 一般认为，经过3~5倍的时间常数以后电路基本已达到稳态。

28. 1 vI Cd vI VDD vd vI t R t t G1 G2 vO1 Rd vd vO1 ≥1 vI2 vO C t 放 vI2 Tre VTH t vO tW t (4)分辨时间Td 相邻触发脉冲最小间隔 3. 输入微分电路的作用 若vI 脉冲宽度>tW，则vI2↑=VTH时， vO ┓, 但vO1由于vI 的作用还保持0，工作不正常。 措施：在输入端加微分网络Rd、Cd， 将宽脉冲变为窄脉冲。

29. vI vO vI & vO1 vA G2 C充电，充满后， 恢复到高电平，电路恢复稳态。 当 从高电平返回低电平以后， vO1┛ → vO1┓，vO ┓ G1 进入暂稳态 vO vA R vO1 VTH vI 1 C放电， vA↓，当 vA =VTH时， → vO ┛， t t C t t TTL门 暂稳态结束 C继续放电，直至放完。 二、积分型单稳态触发器 1. 电路及工作原理 工作过程： (1)稳态： (2)暂稳态： (3)恢复过程： vI=0，vO1=1，C充满电荷，vA为高电平，vO=1 放 充 tW

30. = VOL i2很小 & vI + = VCC G2 - ( V R V R ) C V V G1 \ = + t ( R R ) C ln OL OL OH OH O vO vA R vO1 - w O V V TTR vI 1 G1 R+RO R1 OL TH vO1 t C i2 R vA VOL vA C vA 放 RO t C VOH G2 VOL VTH 充 Tre t vO tW t 2. 主要参数 (1)输出脉冲宽度tW 放电过程中，vA从初始值vA(0+)下 降至VTH时所需时间 放电等效电路：

31. & vI VCC + VCC VCC G2  \ = + (2)输出幅度 ( R R’ ) C T ( 3 ~ 5 )( R R’ ) C G1 vO O re O vA R vO1 TTR R1 vI 1 R+R'O R'O 不考虑G2 vO1 t R vA C VOH vA 充 C vA C t G1 VOH G2 VOL VTH 充 Tre t vO tW t (3)恢复时间 C充电时间，称为恢复时间。 充电回路：

32. 优点 缺点 输入脉冲宽度+恢复时间 微分型 积分型 (4)分辨时间 比较微分型和积分型的区别： 边沿好（正反馈） 抗干扰能力差 抗干扰能力强 边沿不好 积分型单稳态触发器必须触发脉冲的宽度大于输出脉冲宽度时才能正常工作

33. B 74121 vO A2 A1 vO vO tW tW tW 10 功能： 11 9 14 CextRextRinVCC t t t t 3 A1 A2 B 4 74121 6 5 1 GND 7 10.3.2 集成单稳态触发器 一、TTL集成单稳态触发器 (1)上升沿触发 当A1A2=0时，B上升沿触发 (2)下降沿触发 当B=1，A1(或A2)=1时， A2(或A1)下降沿触发

34. a.外接电容Cext，内部电阻Rint vO vO vO vO b. 外接电容Cext，外接电阻Rext Cext 3 3 Cext Rext Rint Rint Rint VCC VCC C Rext 4 4 10 11 9 14 Cext 10 10 10 11 11 11 9 9 9 14 14 14 10 11 9 14 Cext Rext Rin VCC 5 5 CextRextRinVCC A1 A2 B 1 1 A1 A2 B 6 6 GND GND 1 1 7 7 (3)暂稳时间可调

35. & VCC Cext 1 1 1 窄脉冲 形成电路 Rext 14 ≥1 Rint B A1 A2 vO vO 工作原理： 9 10 11 输出缓冲 由基本单稳态触发器、窄脉冲形成电路、输出缓冲构成

36. vI tW tW t vO 可重复触发 t vO 不可重复触发 t 可重复触发型：如果在暂稳态尚未结束时，又来一个触发脉冲，可在引发一个暂稳态。 74122、74123 不可重复触发型：在暂稳态尚未结束时，又来一个触发脉冲，此脉冲不会引发新的暂稳态。 74121、74221 74221 、74122、74123还设有直接清零端

37. §10.3.3 单稳态触发器的应用 1、定时 只有在脉冲宽度 tpo内的信号才能通过。

38. 2、延时与整形 可将脉冲宽度不等的矩形脉冲整形成脉冲宽度相等的矩形波。

39. 3、消除噪声 通常噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号都具有一定的宽度。因此，利用单稳态电路，将输出脉宽调节到大于噪声宽度而小于信号宽度即可消除噪声。

40. 本节小结 　　单稳态触发器具有一个稳态和一个暂稳态。在单稳态触发器中,由稳态到暂稳态需要输入触发脉冲,暂稳态的持续时间即脉冲宽度是由电路的阻容元件RC决定的,与输入信号无关。 　　单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由555定时器构成。 　　单稳态触发器可以用于产生固定宽度的脉冲信号，用途很广。

41. 10.4多谐振荡器 特点： 无稳态 输出信号自动地从1态翻到0态，再从0态翻到1态，形成矩形脉冲。 因矩形脉冲含有丰富的高次谐波分量，故矩形波发生器又称 多谐振荡器。

42. vI1 • 若G1、G2有微小的扰动，则引起正反馈 • 静态时，G1、G2工作在线性区 • 对称，C1=C2，RF1=RF2，G1=G2 1 1 vO vO1 C2 vI2 vO2 4.0 • 正反馈 即放大状态 vO1 vI2 vI1 3.0 • 无输入端 vO2 使输出越来越大，直到最大值 C1 G1 2.0 G2 1.0 △vO RF1 RF2 0 0.5 1.0 1.5 vI △vI 10.4.1对称式多谐振荡器 一. 结构特点： ①起振原理

43. 静态等效电路 1 1 VCC C2 ②维持振荡原理 G1 vO R1 vO1 vI2 vI1 vO2 vI C1 G1 G2 RF1 RF2 RF 由于有电容存在，故存在电容的充放 电，使vI处于不断变化中，vO则在高 低电平之间来回振荡。 • 怎样保证工作在线性区？ 设置适当的偏置电压，使输入输出电压介于高低电平之间，这个功能由RF1、RF2完成 利用叠加原理求vI • VCC和VBE作用，产生v'I • vO单独作用，产生v''I

44. vO 4.0 3.0 2.0 1.0 P 0 0.5 1.0 1.5 vI 这是一条直线方程， 斜率： 与横轴交点： 直线与电压传输曲线的交点，即工作点P 恰当地选取RF，可使工作点落在线性区 计算结果表明：对于74系列与非门而言，RF=0.5~1.9K

45. 0 vI1 1 1 C2放电 C2 vO1=0， vO2=1；电路进入第一个暂稳态 vO1 VCC C2 vI2 vO2 1 G2 + + VOH2 R1 vO1 vI1 C1充电 vI2 VOL1 VOH2 vI1 vI2 vO2 + VOL1 C1 + G1 G2 RF1 C1 RF1 RF2 RF 二. 工作过程： ①起振过程 加电时，设vI1有微小的正跳变， 则引起正反馈 vI1越来越大，使vO1迅速跳变为0； vI2越来越小，使vO2迅速跳变为1 ②起振后 C1充电，快；C2放电，慢

46. vI2 0 1 1 C2放电 vO2=0， vO1=1；电路进入第二个暂稳态 vO2 C2 vI1 vO1 1 + vO1 vI2 vI1 vO2 + C1 G1 G2 RF1 RF2 C1充电 C1充电，vI2上升，快； C2放电，vI1下降，慢 当上升至： vI2=VTH时， 引起正反馈 vI2越来越大，使vO2迅速跳变为0； vI1越来越小，使vO1迅速跳变为1

47. vI1 vI2 vI1 1 vO2 vO1 使vO1迅速跳变为0；vO2迅速跳变为1； 1 1 C2充电 vO1 vI2 vO2 C2 0 + t VTH t 如此循环，输出端输出矩形波 VTH VIK vO1 vI2 vI1 VIK vO2 + C1 G1 G2 RF1 RF2 C1放电 C2充电，vI1上升，快； C1放电，vI2下降，慢 当上升至： vI1=VTH时， 引起正反馈 C2放 C2充 C1放 波形： C1充

48. vI1 VCC RE1=R1//RF RE1 G2 VOH2 VTH R1 VE1 VIK VOL1 vI2 vO1 × 虚线右边的戴 维宁等效电路 t C1 vI2 VTH RF VIK vO2 t T1 参数计算： T=T1+T2=2T1 T1为C1充电过程中，vI2从初始值 vI2(0)上升到VTH所需的时间 根据三要素法得出的公式 充电等效电路：

49. vI2 VE1 在vI2产生负跳变时，只能下跳至输入端负的钳位电 压VIK，所以C1充电的起始值为 VCC G2 VOH2 VTH R1 RE1 VIK VOL1 vI2 vO2 × vI2 t C1 T1 C1 RF VOL 充电电路的等效电路：

50. 74LS系列反相器的参数 近似公式：