脉冲波形变换和产生
脉冲信号的产生及波形变换
一、 由门电路构成的多谐振荡器 二、由555定时器构成的多谐振荡器 三、 多谐振荡器的应用
3
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
一、 由门电路构成的多谐振荡器
能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。
1、RC环形多谐振荡器
G1 ui1 &
G2 ui2 & uo2
R
C
G3 ui3 & RS
uo (ui1)
动翻转的工作过程
0 ui2
t1 t2 t3
t
(uo1)
G1
G2
ui1 & ui2 & uo2
G3 ui3 &
0 uo uo2
t
R
RS
0
t
ui3
C (a) 电路图
UT
t
0
(b) 波形图
在t2时刻，uo2变为低电平，电容C开始通过电阻R放电。随着放 电的进行，ui3逐渐下降。在t3时刻，ui3下降到UT，使uo（ui1）又 由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又 开始重复前面的过程。
24
第7章 脉冲信号的产V生DD及波形变换
ui
ui
号
发
生
器
FF1 Q1 FF2
Q2 FF14 Q14 FF15 Q15 分
C1
C1
C1
C1
频
电
f0
f1
f2
f14
f
路
32768Hz 16384Hz 8192Hz 2Hz
1Hz 17
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
模拟声响电路
VCC
R1
84
7
数字电子技术-脉冲波形的产生与变换
3
锯齿波变换的应用
在数字电子技术中，锯齿波的变换常用于产生矩 形波等脉冲波形，这些波形在信号处理、测量和 控制等领域有广泛的应用。
04
脉冲波形产生与变换的方法
数字方法
数字方法是指通过数字电路和数字信号处理技术来产生 和变换脉冲波形。
数字方法可以通过编程实现各种不同的脉冲波形，如矩 形波、三角波、正弦波等。
数字电子技术-脉冲波形 的产生与变换
• 引言 • 脉冲波形的产生 • 脉冲波形的变换 • 脉冲波形产生与变换的方法 • 脉冲波形产生与变换的实际应用 • 结论
01
引言
主题简介
01
脉冲波形是指具有特定形状、幅 度、宽度和重复频率的波形，广 泛应用于数字电子技术中。
02
脉冲波形的产生与变换是数字电 子技术中的重要内容，涉及到信 号处理、通信、控制等多个领域 。
光纤通信
在光纤通信中，脉冲波形产生与变换技术用于生成高速光脉冲，实现大容量、高速的光信号传输。通 过调制技术，将数字信号加载到光脉冲上，提高通信系统的传输效率和可靠性。
在测量技术中的应用
时间测量
利用脉冲波形产生与变换技术，可以生成精确的时间间隔和频率，用于时间测量和计时 应用。例如，高精度计数器和频率计等测量仪器利用脉冲波形产生与变换技术实现高精
数字方法具有精度高、稳定性好、易于实现复杂波形等 优点。
数字方法还可以实现脉冲波形的调制和解调，广泛应用 于通信、雷达、测控等领域。
模拟方法
01
模拟方法是指通过模拟 电路和模拟信号处理技 术来产生和变换脉冲波 形。
02
模拟方法具有简单、直 观、易于实现等优点。
03
模拟方法可以通过简单 的RC电路、LC电路等实 现矩形波、锯齿波等基 本脉冲波形。
第七章脉冲波形的产生和变换.
»＞第三节单稳态电路多谐振荡器数字电路或系统中，需要各种波形，例如时钟波形, 定时信号等等。
通过脉冲信号产生电路或通过变换 电路对已有的信号进行变换，来获取所需要的波形。
____________________________ ________ ________________________ )■»第一节 槪述第二节555定时电路■A 第四节 施密特电路M7+ *冲汶形eft 产*眉夏换第7* |»冲Mt 形皑产*鸟夏换7.1概述脉冲波形产生机理:儈仃怡柱原件C 或L 的电路存在侑态过程•即冇充放电现球, 故脉冲波形的产生对以通过悄件电路的允放电形成・川控制幵关位S 及时间常数RC 的 方法即町衍到不同的脉冲波形。
第7* |»冲Mt 形皑产*鸟夏换以U R 为输出，当RCv"（开关转换时间）时:o ②微分电路 （窄脉冲）Usi—皿dt+ *冲豪形的产*鸟夏换可ra三耍索法來描述一阶问题，从而获得电压或电流随时间变化的方程，该方程是脉冲波形计算的重耍依据。
X（/）= ;^8）+[ ?^（r）— X（8）吹/ /时间常数趋向值匕式町转换成:,讪TX0)X(oo)-X(z)+ *冲豪形的产*鸟夏换3i脉冲产生电路组成应有两大部分：惰性元件和开关开关用来破坏稳态产生暂态。
开关可用不同的电子器件来完成，如运算放大器晶体管或者场效应管。
目前用的最多的是555定时电路。
*冲豪形的产*眉夏换721 555定时器的组成与功能越 第7* Mt 冲豪形的产*眉夏换 孑徉沒妬!「 X I O I A N UNIViR»ITV比较器G 的输入端》6（接引脚6）称为測值输入埔.于册上用TH 标注，比较器G 的输入端4（接W 脚2）称触发输入端，于册I:川TR 标注。
5和G 的参再屯压（屯压叱较的基准）3n 和山电源—经三个5kn 的电川分尿给也 '勺控制电斥输入9I做&悬讪5 =評"匕严扌％;rrt/co 外接固定电丿心 则U 剜二Um ，f7和二丄i/g • R D 为界步置0端，只翌2rt7?D 竭加入低电平.则菇木RS 触发器就宙0,平时R D 处丁侖电平。
202X年数电-07-脉冲波形的变换与产生
※ 11
1 vO 1
vO
vI
0
G1 ≥1
00
≥1 G2
vO1
－ + vI2Vth
vI
VDD
vI2
vO由1变0vO1=1(注意(zhù yì)：
∵此时vI的正脉冲已撤消)
VTH
VDD+VTH VDD+Δ+
电容电压不能突变(tūbiàn)vC=Vth
vO
vI2上升到VDD+Vth
暂态过程结束
v如果G2是CMOS门，由于保护二极管的钳位作用 vI2只能(zhī nénɡ)上升到VDD+Δ+
预备知识：
TTL与非门
1、门坎(ménkǎn)电平（阈值电压)：VTH
TTL与非门或反相器的电压传输(chuán shū)特性为：
输出低电平（逻辑0） ——与非门开通 输出高电平（逻辑1） ——与非门关闭
开门电平VON：使与非门开通的输入高电平的最小值。 关门电平VOFF：使与非门关闭的输入低电平的最大值。
(4)用TTL与非门组成微分型单稳态触发器，考虑到输入(shūrù)电流，
则应R ＜Roff，而Rd ＞Ron。CMOS门组成的单稳态触发器中R、
Rd 不受此限制。
第十七页，共九十二页。
※ 16
二、 积分(jīfēn)型单稳态触发器
两个与非门+RC积分电路 工作(gōngzuò)原理：
1 vO1 R
输出宽脉冲。
第十四页，共九十二页。
VDD+VTH VDD+Δ+
※ 13
3、主要参数计算(jìsuàn)：
vO
vO
1
பைடு நூலகம்
脉冲波形的产生与变换
脉冲波形的产生与变换脉冲信号是数字电路中最常用的工作信号。
脉冲信号的获得经常采用两种方法：一是利用振荡电路 直接产生所需的矩形脉冲。
这一类电路称为多谐振荡电路或多谐振荡器；二是利用整形电路,将已有的脉冲信号变换为所需要的矩形脉冲。
这一类电路包括单稳态触发器和施密特触发器。
这些脉冲单元电路可以由集成逻辑门构成,也可以用集成定时器构成。
下面先来介绍由集成门构成的脉冲信号产生和整形电路。
多谐振荡器自激多谐振荡器是在接通电源以后,不需外加输入信号,就能自动地产生矩形脉冲波。
由于矩形波中除基波外,还含有丰富的高次谐波,所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。
多谐振荡器通常由门电路和基本的RC 电路组成。
多谐振荡器一旦振荡起来后,电路没有稳态,只有两个暂稳态,它们在作交替变化,输出矩形波脉冲信号,因此它又被称作无稳态电路。
9.1.1 门电路组成的多谐振荡器多谐振荡器常由TTL 门电路和CMOS 门电路组成。
由于TTL 门电路的速度比CMOS 门电路的速度快, 故TTL 门电路适用于构成频率较高的多谐振荡器,而CMOS 门电路适用于构成频率较低的多谐振荡器。
(1)由TTL 门电路组成的多谐振荡器由TTL 门电路组成的多谐振荡器有两种形式：一是由奇数个非门组成的简单环形多谐振荡器；二是由非门和RC 延迟电路组成的改进环形多谐振荡器。
① 简单环形多谐振荡器(a) (b)uo图9－1 由非门构成的简单环形多谐振荡器把奇数个非门首尾相接成环状,就组成了简单环形多谐振荡器。
图9－1（ａ）为由三个非门构成的多谐振荡器。
若uo的某个随机状态为高电平,经过三级倒相后,uo跳转为低电平,考虑到传输门电路的平均延迟时间tpd,uo输出信号的周期为6tpd。
图9－1（ｂ）为各点波形图。
简单环形多谐振荡器的振荡周期取决于tpd,此值较小且不可调,所以,产生的脉冲信号频率较高且无法控制,因而没有实用价值。
改进方法是通过附加一个RC延迟电路,不仅可以降低振荡频率,并能通过参数 R、C控制振荡频率。
7脉冲波形的产生与变换
2 3 VCCtO Nhomakorabeat
vO
tW
O
t
7.2 用555组成单稳态触发器
工作原理：
5kΩ
vIC vI1
＋ －C1
R
5kΩ
vI
vI2
－ ＋C2
S
vO 5kΩ T
RD &
&
VCC
&
当引脚2有一个下降 沿触发时，Vo由低电平跳 变到高电平，电路由稳态 转入暂稳态。
G
1 vO vI
O vC
2 3 VCC
t
O
t
vO
G
1 vO vI
O vC
2 3 VCC
t
O
t
vO
tW
O
t
7.2 用555组成单稳态触发器
工作原理：
5kΩ
vIC vI1
＋ －C1
R
5kΩ
vI
vI2
－ ＋C2
S
vO 5kΩ T
RD &
&
VCC
&
当电路无触发信号时， Vi保持高电平，555内部 处于稳定状态，输出端VO 低电平。
G
1 vO vI
O vC
vI
2
5
C
1
O
t
vO
tW
O
t
输出脉冲宽度：TW = 1.1RC
t
uc (t) uc () (uc (0 ) uc ())e
VCC vO
0.01F
工程案例：产品数量检测电路
知者行之始，行者知之成”。在实践中不断总结创新经验， 深入学习，迎难而上。
tW
脉冲波形的产生和变换
• 7. 1 多谐振荡器 • 7. 2 单稳态触发器 • 7. 3 施密特触发器 • 7. 4 555 定时器及其应用
返回
7. 1 多谐振荡器
• 多谐振荡器可以产生连续的、周期性的脉冲波形。它是一种自激振荡 电路, 直接产生矩形脉冲波形; 工作时不需要外来触发信号激励。多 谐振荡器有两个暂稳态, 没有稳态, 工作过程中在两个暂稳态之间按照 一定的周期周而复始地依次翻转, 从而产生连续的、周期性的脉冲波 形, 因此也称为无稳态电路。
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7. 1 多谐振荡器
• 当频率等于fS 时, 石英晶体的电抗为0,而当频率偏离fS 时, 石英晶体的 电抗急剧增大, 因此, 在串联谐振电路中, 只有频率为fS的信号最容易 通过, 而其他频率的信号均会被晶体所衰减。振荡频率只取决于固有 频率fS,而与RC 无关。
• fP 是石英晶体的并联谐振频率。石英晶体的串联谐振频率fS 和并联谐 振频率fP 仅仅取决于石英晶体的几何尺寸, 通过加工成不同尺寸的晶 片, 即可得到不同频率的石英晶体, 并且串联谐振频率fS 和并联谐振频 率fP 的值非常接近。用石英晶体组成的多谐振荡器分为串联型和并 联型两种形式。为了改善输出波形的前沿、后沿和提高负载能力, 一 般在石英晶体振荡器的输出端加一级反相器。
下一页 返回
7. 2 单稳态触发器
• (1) 稳定的状态。 • 当输入电压uI 为低电平时, 由于G2 输入通过电阻R 接VDD, 因此, G2
输出低电平UOL≈0, G1 输入全0, 输出uO1 为高电平时UOH≈VDD。这时, 电容C 上的电压UC≈0。电路处于UO1 为高电平VDD、uO2 为低电平0 的稳定状态。 • (2) 触发进入暂稳态。 • 当输入uI 为低电平正跃到大于G1 的阈值电压Uth 时, 使G1 输出电压 uO1 产生负跃变,由于电容C 两端的电压不能突变, G2 的输入电压uA 产生负跃变, 这又促使G2 的输出电压uO2 产生正跃变, 它再反馈到G1 的输入端, 于是, 电路产生如下正反馈过程: • uI↑→uO1↓→uA↓→uO2↑→uI↑
第8章 脉冲波形的产生与变换(5)
5 6 2 7
VC C 8 R
+ -
RD 4 A1 A2 T R Q S Q 3
管脚图
电 放 阈 电控 源 电 值 压制
VCC
8
R
R 1
+
v’O vI1
7
6
vIC
5
4
电源电压范围: 4.5V ~ 18V
555
1
2 3
GND vI2
Uo
RD
地 触 输 复 发 出 位
7
第八章 脉冲波形的产生与变换
二、 555定时器的应用 555定时器应用广泛，可以做
多谐振荡器: 简易电子琴电路 首先说明如何用555 定时器构成多谐振荡器:
u
VCC R1 R2
C
v’O 4 8 7 vI1 555 3 uo vI2 6
2 1 5 C
2VCC /3 VCC /3
0
t
uo
0
u
C
t
输出波形
12
第八章 脉冲波形的产生与变换
u
VCC
C
R1 R2
v’O 4 8 7 uo vI1 555 3 vI2 6
u
VCC
C
R1 R2
v’O 4 8 7 uo vI1 555 3 vI2 6
2 1 5 C
2VCC /3 VCC /3
0
t
u
o
u
C
如何改变方波的占空比？
0
t T1 T2
改变充放电回路的时间常数即可。 充电时间常数：（R1+R2）C 放电时间常数：R2C
14
第八章 脉冲波形的产生与变换
简易电子琴就是通过改变R2 的阻值来改变 输出方波的周期 , 使外接的喇叭发出不同的音 调。 VCC
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可重复触发型电—路—在暂稳态中仍然可以接受触发信号， 每触发一次，电路暂稳态会继续保持tW。
tW
tW
不被再次触发 脉冲波形变换和产生
tW
tW
被再次触发
1. 不可重复触发的集成单稳态触发器 74121 Rext
B
G1
A1
&
A2
G4 &
vO1
vI2 VTH
vO2
tW=RC ln
0 ‒ 3.6 0 ‒ 1.4
≈ 0.96 RC
脉冲波形变换和产生
vO1
vO2
vI
G1
1 G2
vO1
vI2
R
vI
亦有 tre= (3~5)RC
vI2 VTH
(2)触发脉冲的间隔（周期） vO2
不得小与 tw+tre
fMAXT1
tW
1 tre
脉冲波形变换和产生
TmintWtre
经过（3~5)RC时间， 电容已经放电完毕
即
tre=(3~5)RC
vI 的最大工作频率：
fMAXTm 1intW1tre脉冲波形变换和产生
或非门组成的微分性单稳态触发器
vI
vO1
vO2
G1 ≥1
1 G2
vO1
C
vI2
vI
VDD
vI2
若输入脉冲过宽，vo2输出边沿变缓 vO2 可在输入端加微分电路
a
G2 &
Cext10 Rext/Cext11 Rint9
G5
G6
& ≥1 &
Rint G7 1
G8
1
Q
G9
G3 &
1
Q
触发信号控制电路
微分型单稳态触发器
输出缓冲电路
(a) 逻辑图
触发信号控制电路 微分型单稳触发器 输出缓冲电路
输出脉冲宽度： tw≈0.7RC 电路的连接：
C：外接电容（10pF~10μF)
vA
vO2
vO1
G2
vA
宽脉冲触发，触发脉冲
宽度要求 tpi > tW
否则脉冲宽度由 tpi 决 定，而不是由 RC 参 数决定
vO2 tW
脉冲波形变换和产生
vI tpi
vO1
vA
vO2 tW
vI
1 vO1 G1
vA 1
vO2
G2
tRClnvA()vA(0) vA()vA(t)
tW=(R0+R)C
RC ln VDD 0 VDD VTH
tW=0.7RC
0.7RC
脉冲波形变换和产生
vO2 1 G2
vI2
VDD
恢复时间tre vI2
VTH
VDD+VTH VDD+Δ+
vO2
tRClnvI2()vI2(0) vI2()vI2(t)
RC lnVDD (VDD ) VDD VDD
一般工程上认为：
vI 的最小工作周期：
ln 0 ‒ 3.6 0 ‒ 1.4
≈ 0.96(R0+R)C
脉冲波形变换和产生
积分型单稳态触发器： 宽脉冲触发，触发脉冲宽度要求tpi>tW， 尖峰脉冲干扰不会引起足够宽度的脉冲， 抗干扰能力较强。 但由于不存在G2输出到G1输入的反馈，输出 波形 VO2 边沿差。
脉冲波形变换和产生
8.1.2 集成单稳态触发器： 分为可重复触发，和不可重复触发两类。 不可重复触发型——
1、掌握门电路组成的： 单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器 电路组成，工作原理；
2、掌握555定时器的工作原理和应用
脉冲波形变换和产生
8.1 单稳态触发器
电路特点：
1) 电路有一个稳态、一个暂稳态
2) 外加触发信号，电路由稳态翻转到暂态
3) 经过一段时间，电路又自动回到稳态
4）暂态的持续时间只取决于RC充放电电路参数本身，
VDD+VTH VTH VDD+Δ+
为改善输出波形，可在输出端加一个反相器。 脉冲波形变换和产生
vO1
vO2
vI
G1 vI
1 G2 vI2
R
与非门组成的微分 型单稳态触发器
R0.7K
vO1
vI2 VTH
vO2
脉冲波形变换和产生
vO1
vO2
vI
G1 vI
1 G2 vI2
R
tRClnvI2()vI2(0) vI2()vI2(t)
第八章 脉冲波形的变换与产生
时序电路需连续的工作脉冲
①矩形脉冲产生电路
多谐振荡器
可由门电路组成也可由施密特触发器、单稳态触发器、555时 基电路组成
②通过施密特触发器把输入的三角波、正弦波变成矩形波。
矩形脉冲信号还可通过施密特触发器、单稳态触发器整 形——去除噪音、干扰
脉冲波形变换和产生
基本要求：
而与触发信号的宽度无关
vO1
vO2
8.1.1 微分型单稳态触发器
1.电路组成：
一与非门（或非门）与一反相器 经RC微分电路交叉耦合
G1 ≥1 vI
1 G2
C
vI2
R
VDD
脉冲波形变换和产生
vO1 1
vO2
vI
0
G1 ≥1
1 G2
vO1
0
0
C
vI2 1
0V R
vI
VDD
vI2
(1)电路稳态
电路稳态时，C断路
vO
又 VI2 经 R 接至 VDD
脉冲波形变换和产生
vO1 =0
vO2 =1
vI
G1 ≥1
1 G2
vO1
C
vI2=0
0V R
vI =1
VDD
vI2
(2) 进入暂态
vI外加触发脉冲
进入暂态
vO2
正反馈→波形陡峭
vO2=1， vI即使恢复为低电平,暂态仍能维持
脉冲波形变换和产生
vO1 =0
vO2 =1
vI
G1 ≥1 vI =1
1 G2
C
vI2=0
0V R
VDD
vI2逐渐升高
vO1
vI2 VTH
vO2
脉冲波形变换和产生
1 vO1
0 vO2
vI
G1 ≥1
00
vI
1 G2
C
vI21
R
VDD
(3)当vI2=VTH
返回稳态
vO1
vI2
VDD+VTH
VTH VDD+Δ+
vO2
VI2应上升到VDD+VTH
由于保护二极管的作脉冲用波，形变v换I2和只产生能上升到VDD+Δ+
R：外接电阻(2~30K)或采用 内部电阻(脉2冲K波形)变换和产生
(1)工作原理 电路的不可重复触发特性
暂稳态: Q=1 Q=0
Cext
Rext
Rext/Cext Rint
vO1
G1
vI
CD RD
vO2
1 G2 vI2
R
vI
vO1
vR VTH
vO2
也要求tpi<tw, 适合于窄脉冲触发
若输入脉冲过宽，vo2输出边沿变缓 可在输入端加微分电路 RD3.5K 为改善输出波形，可在输出端加一个反相器。
脉冲波形变换和产生
补充：积分型单稳态触发器：vI
tpi
vI
1 vO1 G1
1 vO1
0 vO2
vI
G1 ≥1
C 00
vI
(4) 恢复过程
电容放电
1 G2
vI21
R
VDD
VC=0 VI2=VDD
vO1
vI2
VDD+VTH
VTH VDD+Δ+
vO2
脉冲波形变换和产生
输出脉冲宽度tW
vI2
VDD+VTH
VTH VDD+Δ+
vO2
vO1 G1 ≥1
vI
tRClnvI2()vI2(0) vI2()vI2(t)