第5章 脉冲信号的产生与整形
脉冲波形的产生与整形a
将输入脉冲波形的某一部分固定 在特定的电平上，使得输出波形 在特定时间段内保持恒定的幅度。
实现方式
采用钳位电路，如二极管钳位电路、 运放钳位电路等，对输入信号进行 非线性处理。
应用场景
适用于需要固定信号幅度的场合， 如数字电路中的电平转换、脉冲波 形的幅度调整等。
比较器整形技术
原理
利用比较器对输入脉冲波形与参考电平进行比较，根据比较结果输 出相应的电平，从而实现对输入波形的整形。
THANKS
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案例一
使用示波器对某型号激光器的脉冲输出进行测量，获取了脉冲信号的幅度、频率和波形信息，为后续的光学实验提供 了准确的数据支持。
案例二
在通信系统中，对接收到的脉冲信号进行采样测量和频谱分析，成功提取了信号的频率成分和幅度信息，为通信系统 的性能评估提供了重要依据。
案例三
在电力电子领域，对开关电源的脉冲输出进行测量和评估，发现其存在较大的谐波失真和噪声干扰，为 后续的优化设计提供了方向。
脉冲波形特性
01
02
03
04
幅度
脉冲波形的幅度通常指其最大 值和最小值之间的差值，反映
了波形的强度。
宽度
脉冲波形的宽度指脉冲持续的 时间，也称为脉冲宽度。
周期
脉冲波形的周期指相邻两个脉 冲之间的时间间隔，反映了波
形的频率。
占空比
占空比指脉冲宽度与周期之比 ，反映了脉冲在周期内的占比
。
脉冲波形分类
06
总结与展望
研究成果总结
脉冲波形产生技术
成功研发出多种脉冲波形产生技术，包括基于振荡器、数 字合成、模拟电路等方法，实现了高精度、高稳定性的脉 冲信号输出。
脉冲波形整形技术
脉冲信号的产生与转换
数字电子技术基础第一节预备知识RC电路在脉冲+V +充电放电+V DD+V充电+V第二节单稳态触发器（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。
（2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。
（3）暂稳态是一个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态。
暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。
112. 加负触发脉冲电路翻转为暂稳态 当t =t 1时，u I 产生负跳变，使u 01由低电平跳变为高电平， 由于电容两端电压u C 不能突变，因而使u R 产生同样的正跳变，G 2的输出u 02从高电平变为低电平，这是一个强列正反馈过程： 1 0 ► 0 ► 1 正反馈过程： u I ↓→u 01↑→u R ↑→u 02↓ ┗ ━ ━ ━ ━┛ 结果使得电路迅速进入G1门关闭、G2门打开的暂稳状态。
暂稳状态3. 电路自动返回稳态 电路在暂稳态期间，u 01为高电平，经R 到地不断对电容充电，使u C 按指数规律上升，u R 按指数规律下降，当u R 下降到G 2门的阈值电压时，电路将产生下列的正反馈过程： 1 1 ► 0正反馈过程：C 充电→u C ↑→u R ↓→u 02↑→u 01↓ ┗━━━━━┛ 结果使得电路自动返回到G 1打开、G 2关闭的稳态。
暂稳态的持续时间，即输出脉冲宽度t w 与充电时间常数RC 的大小有关，RC 越大，t W 越宽。
脉冲宽度：t W ≈0.7RC1 1t re =(3～5)RC fmax =1/（t w+t re）三、单稳态触发器的应用单稳态触发器在数字电路中一般用于整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）、定时（产生一定宽度的矩形波）、以及延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。
数字电子技术基础习题第三节多谐振荡器1. 第一暂稳态及其自动翻转的过程 假定在接通电源的瞬间，电路最初处于G 1关闭、G 2打开状态（设这时为电路的第一暂稳态），即u 01=1，u 02=0。
一节几种常用脉冲波形产生和整形电路
锯齿波产生电路
锯齿波产生电路通常由一个运算放大器和两个电容组成。输入信号通过一个电容加到运算放大器的反 相输入端，输出信号通过另一个电容反馈到运算放大器的同相输入端。通过调整电容的充放电时间， 可以获得不同频率和幅度的锯齿波。
多谐振荡器
总结词
多谐振荡器是一种能够产生方波或近似方波的脉冲整 形电路，其输出频率和占空比可以通过电路参数进行 调整。
详细描述
多谐振荡器由两个反相器串联而成，每个反相器都有 一个电容和电阻并联。当输入信号为高电平时，多谐 振荡器的输出信号为低电平；当输入信号为低电平时 ，多谐振荡器的输出信号为高电平。由于电容的作用 ，多谐振荡器的输出信号频率和占空比可以通过调整 电阻和电容的值来改变。多谐振荡器在数字电路、通 信系统和控制系统中有着广泛的应用。
脉冲幅度解调（PAD）
定义
脉冲幅度解调是将脉冲幅度调制信号还原为原始模拟信号 的过程。通过检测脉冲的幅度并将其转换为相应的模拟信 号值。
工作原理
在PAD中，输入的PAM信号被检测并转换为相应的模拟信 号。通过比较每个脉冲的幅度与预设阈值，可以还原出原 始的模拟信号波形。
应用
PAD广泛应用于数字通信、雷达、测距等领域的接收端， 用于将传输的PAM信号还原为原始的模拟信号。
应用
PFM电路广泛应用于通信、测量和控制等领域。例如，在无线电广播中，PFM用于将音频信号传输到听 众的收音机中。
脉冲频率解调（DFM）
01
定义
脉冲频率解调是一种将已调制的脉冲信号还原为原始信号的过程。在
DFM中，通过测量脉冲信号的频率来恢复原始信号。
脉冲波形发生器与整形电路-555定时器ppt课件
1
× × 0 0 导通
1
2 3VCC
1 3
VCC
1
2 3VCC
1 3VCC
1
0 导通 1 截止
32VCC
1 3VCC
1
不变 不变
脉冲波形发生器与整形电路
简化功能表
输入
输出
使用要点
RD TH 0×
TR ×
OUT 0
V 状态 导通
(1) RD 低电平有效,优先级最高， 归不纳用出时：应T接H、高T电R平和。Q ：
电管 V 迅速放电完毕，uC 0 V。
t
这时TR = UIH > 1/3 VCC，
TH = uC 0 < 2/3 VCC，uO 保持
低电平不变。因此，稳态时
t uC 0 V，uO 为低电平。
充电
UIL
uI 1323UVVuIOCCCHCC
uOO UOH UOL
O
tWI tWO
脉冲波形发生器与整形电路
0 1
导通
1
定时器 5G555 的功能表
输入
输出
TH
TR
RD OUT = Q V 状态
0
0
导通
0
×
×
2 3
VCC
1 3
VCC
1
0
导通
2 3VCC
1 3VCC
1
1
截止
32VCC
1 3
VCC
1
不变 不变
直接置 0 端 RD 低电 平有效，优先级最高。不用
时应使其为1.
脉冲波形发生器与整形电路
555 定时器的工作原理与逻辑功能
脉冲波形发生器与整形电路
几种常用的脉冲波形的产生与整形电路-精选文档
v I
vO1
v
O
电路状态迅速转换为vO= vOH ≈ VDD 。
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第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
R2
VT+ v
R1
I
VTH
v I
v o1
G1
v
G
2
o
0
v o
R 2 v V V I TH T R R 1 2
得正向阈值电压：
R R R 1 2 1 V V ( 1 ) V T TH TH R R 2 2
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第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
R2
VT-
R1
v
I
v I
v o1
G1
G
2
v
o
VDD
v o
VTH
当vI从高电平逐渐下降并达到v'I = VTH时，
v'I的下降引发又一个正反馈过程。
v I
vO 1
vO
电路的状态迅速转换为vO= vOL ≈ 0。
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第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
vI
O
VTH
VDD v
I
(b)反相输出
通过改变R1和R2的比值可以调节VT+、VT-和回差电压的大小。
但R1必须小于R2，否则电路将进入自锁状态，不能正常工作。
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第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
2. 集成施密特触发器
仿真
带与非功能的TTL集成施密特触发器
脉冲信号的产生与整形
1
2
电阻R1、R2的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对TTL反相器，常取R1＝R2＝R＝0.7 kΩ～2kΩ，而对于CMOS门，则常取R1＝R2＝R＝10kΩ～100kΩ；C1＝C2＝C是耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率f0时可以忽略不计；石英晶体构成选频环节。
01
振荡频率等于石英晶体的谐振频率f0。
多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由555定时器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本RS触发器在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。RS触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以又称为无稳电路。 在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。
ΔUT＝ UT＋－UT－
回差电压（滞后电压）：
前面介绍的施密特触发器的回差电压为： ΔUT＝UT＋－UT－＝UT－(UT－UD)＝UD＝ 0.7V 缺点是回差太小，且不能调整。
下限阈值电压
集成施密特触发器
4.3.2 由555定时器构成的施密特触发器
4.3.3 施密特触发器的应用
本节小结：
01
02
74121的输出脉冲宽度：
TR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端，TR+A、TR+B是两个上升沿有效的触发信号输入端。Q和是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext、Rin3个引出端是供外接定时元件使用的，外接定时电阻R（R=5kΩ～50kΩ）、电容C（无限制）的接法与74121相同。RD为直接复位输入端，低电平有效。 当定时电容C＞1000pF时，74122的输出脉冲宽度： tp≈0.32RC
脉冲波形的产生与整形(全)
2020/8/16
湘潭大学信息工程学院
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8.1.2 集成555定时器的应用
➢ 多谐振荡器 ➢ 单稳态触发器 ➢ 施密特触发器
2020/8/16
湘潭大学信息工程学院
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(一) 多谐振荡器
➢ 多谐振荡器是一种产生矩形脉冲波的自激 振荡器。由于矩形波含有丰富的高次谐波， 所以矩形波振荡器又称为多谐振荡器。多 谐振荡器没有稳态，不需外加触发信号， 当接通电源后，便可以自动地周而复始地 产生矩形波输出。
8
5 R1 5k Ω
V-C TH 6
VR1
+ - C1
R2 5k Ω
2
TL
+
VR2 - C2
R3 5k Ω
4R
R
1
VC1(VR)
Q 3
3 v0
S VC1(VS)
7
2Q
D
T R
1
图8-1集成5G555定时器原理图 7
1、555定时器基本结构
基本RS触发器 电源端
电阻分压器
8
电压控制端 5 R1 5k Ω
VCC时，
比较器C1输出低电平， 比较器C2输出低电平，
输出端v0为高电平， 放电三极管TD截止。
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11
5G555定时器的功能表。如表8-1所示。
表8-1 5G555定时器的功能表
TH
× ＞2VCC/3 ＜2VCC/3 ＜2VCC/3
TL
× × ＞VCC/3 ＜VCC/3
2）通过整形电路把已有的周期性变化 的波形变换为矩形脉冲。实现这一变换功能 的过程，称作“整形”。
常用的整形电路 有单稳态触发器和施密 特触发器 。
几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
锯齿波
边缘斜率匀速增加，常用于 信号发生器和音乐合成。
脉冲波形产生方式
1
基于定时器
利用微控制器或集成电路中的定时器来产生精确的脉冲波形。
2
基于电荷泵
利用电荷泵电路将电荷存储并释放，产生高频率的脉冲波形。
ห้องสมุดไป่ตู้
3
基于脉冲变换
利用放大和滤波电路将正弦波形转换为脉冲波形。
整形电路概述
整形电路用于将输入的不规则波形转换为规则的脉冲波形，提高信号质量和 准确性。
常见的整形电路类型
低通滤波器
去除高频噪声，保留低频成分。
施密特触发器
将输入的不稳定波形转换为稳定的方波输出。
微分器
输出与输入信号的斜率成正比的脉冲信号。
积分器
输出与输入信号积分值成正比的脉冲信号。
整形电路工作原理
整形电路通过调整信号的幅度、频率或相位，将输入波形转换为所需的脉冲 波形。
应用案例和总结
几种常用的脉冲波形的产 生和整形电路
脉冲波形广泛应用于电子领域，本演讲将介绍常见的脉冲波形种类、产生方 式以及整形电路类型和工作原理。
脉冲波形概述
脉冲波形是一种非周期性的电信号，具有高幅度且持续时间短暂的特点。
常用脉冲波形种类
方波
具有快速上升和下降的边缘， 常用于数字电路和通信系统。
脉冲状波
持续时间非常短暂，常用于 雷达和高速数据传输。
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第5章脉冲信号的产生与整形
一、学习目的
脉冲信号的产生与整形是在实际工作和较大规模的电路系统中经常遇到的技术环节。
通过本章
二、内容概要
本章讨论的施密特触发器和单稳态触发器是常用的脉冲整形电路，主要介绍它们的工作原理和
三、学习指导
本章重点：
本章难点：
方法提示
5、1 概述
了解波形发生电路的基本情况
概述
获得脉冲波形的方法主要有两种，一种是利用多谐振荡器直接产生符合要求的矩形脉冲；另一种施密特触发器和单稳态触发器是两种不同用途的脉冲波形的整形、变换电路。
施密特触发器主要555
5．2 施密特触发器
教学要求
了解施密特触发器的电路结构
理解施密特触发器的工作原理
掌握集成施密特触发器的应用
一、用门电路组成的施密特触发器
1．电路结构
逻辑符号。
框内的“”为施密特触发器的限定符号。
2．工作原理
3．施密特触发器的电压传输特性
二、集成施密特触发器
施密特触发器的应用十分广泛，因此，TTL和CMOS数字集成电路中都有施密特触发器。
集成施密特触发器具有较好的性能，其正向阈值电压UＴ+和负向阈值电压UＴ－也很稳定，有很强的抗干扰能力，使用也十分方便。
1．TTL集成施密特触发器
可将变化非常缓慢的信号变换成上升沿和下降沿都很陡直的脉冲信号。
具有阈值电压和回差电压温度补偿。
因此，电路性能的一致性好。
具有很强的抗干扰能力。
2．ＣＭＯＳ集成施密特触发器
可将变化非常缓慢的信号变换为上升沿和下降沿很陡直的脉冲信号。
在电源电压
电源电压
抗干扰能力很强。
三、施密特触发器的应用
5、3 多谐振荡器
了解多谐振荡器的电路结构和工作原理
理解用门电路、
一、用门电路组成的多谐振荡器
1、电路结构
多谐振荡器由门电路和阻容元件构成，它没有稳定状态，只有两个暂稳态，通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。
如要求输出振荡频率很稳定的矩形脉冲时，则可采用石英晶体振荡器。
由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，因此，常将矩形脉冲产生电路称作多谐振荡器。
2、工作原理
设u O1为低电平0、u O２为高电平1时，称为第一暂稳态；u O1为高电平1、u O２为低电平0时，称为第二暂稳态。
设接通电源后，由于某种原因使u I1产生了很小的正跃变，经G1放大后，输出u O1产生负跃变，经C1耦合使u I２随之下降，G２输出u O２产生较大的正跃变，通过C２耦合，使u I1进一步增大，于是电路产生正反馈过程。
正反馈使电路迅速翻到G1开通、G２关闭的状态。
输出u O1负跃到低电平U OL，u O２（uO）正跃到高电平U OH，电路进入第一暂稳态。
G2输出u O２的高电平经C2、R F1、G1的输出电阻对电容C2进行反向充电，使u I1下降。
同时，u O2的高电平又经R F2、C1、C1的输出电阻对C1充电，u I2随之上升，当u I2上升到G2的阈值电平U TH时，电路又产生另一个正反馈过程。
正反馈的结果使G2开通，输出u O由高电平U OH跃到低电平U OL，通过电容C2的耦合，使u I1迅速下降到小于G1的阈值电压U TH，使G1关闭，它的输出由低电平U OL 跃到了高电平U OH，电路进入第二暂稳态。
接着，G1输出的高电平u O1经C1、R F2和G2的输出电阻对C1进行反向充电，u I2随之下降，同时，G1输出u O1的高电平经R F1、C2和G2的输出电阻对C2进行充电，u I1随之升高。
当u I1上升到G1的U TH时，G1开通、G2
关闭，电路又返回到第一暂稳态。
2、振荡频率的估算
如多谐振荡器采用CT74H系列与非门组成，当取R F1＝R F2＝R F、C1＝C2＝C、U TH＝1.4V、U OH＝3.6V、U OL＝0.3V时，则振荡周期Ｔ可用下式估算：
T＝2t W≈1.4R FC
当取R F＝1KΩ、C＝100 pF～100 μF时，则该电路的振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内变化。
这时tＷ１＝tＷ２＝tＷ≈0.7RＦC。
输出矩形脉冲的宽度与间隔时间相等。
二、用施密特触发器组成的多谐振荡器
四、用施密特触发器组成的多谐振荡器
前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC参数误差的影响。
而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作。
因此，控制信号频率不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。
1、并联石英晶体多谐振荡器
2、串联石英晶体多谐振荡器
5
5．4 单稳态触发器
理解单稳态触发器的电路结构和工作原理
了解用施密特触发器组成的单稳态触发器
掌握单稳态触发器的基本应用
单稳态触发器是常用的脉冲整形和延时电路。
它有一个稳定状态和一个暂稳态。
在外加触发脉冲作用下，电路从稳定状态翻转到暂稳态，经一段时间后，又自动返回到原来的稳定状态。
而且暂稳态时间的长短完全取决于电路本身的参数，与外加触发脉冲没有关系。
一、微分型单稳态触发器
1．电路结构
2．工作原理
3．输出脉冲宽度的估算
估算公式：
二、集成单稳态触发器
1．集成单稳态触发器基本情况
限定符号“”表示非重触发型单稳态触发器。
限定符号“”表示可重触发型单稳态触发器。
2．两中常用的集成单稳态触发器芯片
可重触发型单稳态触发器CC74HC123
管脚说明逻辑符号
它由两个独立的可重触发型单
稳态触发器组成，图中“”为可重触
发型单稳态触发器的总限定符号。
TR-为下降沿触发信号输入端；
TR+为上升沿触发信号输入端；为直
接复位端，低电平有效。
其它各外引线
端的功能及外接电阻和电容的连接方法
与CT74121相同。
逻辑功能表
输入输出
说明
TR
－TR+
0X X01复位
11X01
稳定状态
1X001
10上升沿触发
11下降沿触发
01上升沿触发
CC74HC123的工作波形的输出脉冲宽度取决于外接电阻和电容。
进行一次触发时，输出脉冲宽度为tＷ。
如电路触发进入暂稳态期间再次进行触发时，电路又重新开始延长暂稳态时间。
这时，输出脉冲宽度t′Ｗ为在此前暂稳态时间ΔtＷ的基础上再延长一个脉冲宽度t
Ｗ，即t′Ｗ＝ΔtＷ+tＷ，电路才能回到稳定状态。
如在暂稳态期间在直接复位端上输入低电平
三、用施密特触发器组成单稳态触发器
三、单稳态触发器的应用
5．5 ５５５定时器及其应用
理解
理解
理解
理解
一、555定时器的电路结构及其工作原理
＞＞
＜＜
＜＞
二、用555定时器组成施密特触发器
＜时，电压比较器
，＝、＝
当输入＜＜时，
≥时，
，＝、＝
由高电平逐渐下降，且＜＜
触发器保持原状态不变。
即＝、＝
≤时，，＝、＝
下降到时，＝。
＝
三、用555定时器组成单稳态触发器
充到所需的时间，可用
四、用555定时器组成多谐振荡器
≥时，
，＝、＝
随之下降。
当下降到小于时，，＝＝由低电平跃到高电平。
同时，因＝
将在和之间来回充电和放电，从而使
多谐振荡器的振荡周期Ｔ为：
t为电容电压由充到所需的时间。
t为电容电压由降到所需的时间。
多谐振荡器的振荡周期
占空比可调的多谐振荡器
本章小结
单稳态触发器有一个稳定状态和一个暂稳态。
没有外加触发信号输入时，电路处于稳定状态。
在
多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。
暂稳态间的相互转换完全靠电路本身电容的充电和５５５定时器是一种多用途的集成电路。
只需外接少量阻容元件便可构成施密特触发器、单稳态。