第七章 脉冲波形的产生与整形

VDD
（b）反相输出 构成的施密特触发器的电压传输特性
沿很陡的矩形脉冲
T－
TH
T＋
DD
利用施密特触发器将一系列幅度不同的脉冲信号，其中 幅度大于正向阈值电压的幅度鉴别出来。
vA
VOH
VT
vI
VOL 0
VT－
VTH
VT＋
VDD vI
（b）反相输出 的施密特触发器的电压传输特性
在数字系统中，经常出现干扰信号，使得信号波形变差， 这样可通过施密特触发器整型获得比较理想的波形。
vo2
若反相器为CMOS反相器，则为了使电路静态不稳定，工 作点仍在电压传输特性的转折区，且工作点恰好在转折区的中 点，对RF的选择没有严格限制。
当vI1由于某种原因 产生正跳变时，存在下 面的正反馈
vo2
vI 1
vI 2
vo 2
这样使得vo1迅速跳变为低电 平， vo2跳变为高电平，电路 进入第一暂稳态，同时电容放 电
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5
概述 施密特触发器 单稳态触发器 多谐振荡器 555定时器及其应用
7.1
概述
1、什么是脉冲波形？ 2、为什么要产生脉冲？ 3、为什么要对脉冲波形进行整形？ 4、如何产生脉冲以及对其进行整形？
1、什么是脉冲？
脉冲：电压(V)或电流(A)的波形像心电图上的脉搏跳动的波形。
c.电容放电，电路回到稳态
随着电容C的放电， vA下降到G2门的开启电压 VTH时，输出翻转为高电 平，回到稳定状态 （“1”）。当vI回到低电 平后， vo1重新为低电平， 并向电容C充电。
电容放电
稳态
暂态
C放电回路
VOL－VOH tW ( R R0 )C ln VOL－VTH
两种单稳态触发器的比较：
为了产生自激振荡，电路不能有稳定状态，即静态（未振 荡）时应是不稳定的 由图所示TTL反相器电压传 输特性可知，若静态时G1和G2 工作在转折区或线性区，它们即 工作在放大状态，其电压放大倍 数为
Av
vo vi
1
此时只要输入电压有微小的波动， 就会被正反馈回路放大而引起振 荡
由反相器的输入电路和叠加原理可得
③当vI从高电平VDD逐渐下 降到vA＝VTH时，由于也存 在正反馈，即
vA
vo
vo
使电路迅速跳变到 vo＝VOL≈ 0
此时施密特触发器在vI下降时对应输出电压由高电平转为低电平 时的输入电压为VT－，称为负向阈值电压，此时vo＝VDD， G1 门的输入电压为
R2 R1 vA vI v0 R1 R2 R1 R2
R1 VT＝VT＋－VT－ 2 VTH R2
施密特触发器的电压传输 特性为右图所示
vA
平不同电路状态转换时有正反馈过程，使输出波形边沿变陡
输入信号在上升和下降过程中，电路状态转换的输入电 VOH
VT
3.施密特触发器的应用
(1)用于波形变换
VOL vI 0 V 利用施密特触发器可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边 V V vI V
施密特触发器时脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它 具有下面两个性能特点： 第一 输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应 的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换 电平不同； 第二 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。 注：利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢地信号波形整形为 边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形波脉冲高、低电平 上的噪声有效地清除。
T 6t pd
其中tpd为反相器的传输延迟 时间 同理若将任何大于、等于3 的奇数个反相器首尾相联成 环形电路，都你能产生自激 振荡，且周期为
电容放电电路
vI 1
vo2
vI 2
vo 2
这样使得vo1迅速跳变为高电 平， vo2跳变为低电平，电 路进入第二暂稳态，同时电 容充电， vI1增加，当升到阈 值电压VTH时，电路又迅速 调到第一暂稳态 电容充电电路
其振荡周期为
T＝2.2R FC
其振荡频率为
1 1 f＝ ＝ T 2.2R FC
利用闭合回路中的正反馈作用可以产生自激振荡，而利用 闭合回路中的延迟负反馈作用也可以产生自激振荡，但需要负 反馈信号足够强。
VT+ VT-
vI
t
vO t
描述矩形脉冲特性的主要参数
1、脉冲幅度 Vm 3、上升时间 tr 5、周期 T
2、脉冲宽度 tw 4、下降时间 tf 6、占空比 q
4、如何产生脉冲以及对其进行整形？
利用多谐振荡器产生脉冲。 利用单稳态触发器和施密特触发器对脉冲进 行整形。
单稳态电路（单稳态触发器）
R2 R1 vA vI v0 R1 R2 R1 R2
设施密特触发器在输入信号vI正向增加时的门槛电压（阈 值电压）为VT＋，称为正向阈值电压，此时vo＝0， G1门的输 入电压为
R2 v A VTH＝ VT R1 R2
R1 R2 VT ＝ VTH R1 R2 ＝（ 1 )VTH R1
环形振荡器就是利用延迟负反馈产生振荡的。它是利用门电 路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成的。
1.最简单的环形振荡器 电路如图所示。
输出波形如图所示 vI1由于某种原因产生一微小正 跳变，则经过G1门的传输时 间tpd后， vI2产生幅度增大的 负跳变，再经过G2门的传输 时间tpd后， vI3 产生幅度增大 的正跳变，再经过G3门的传 输时间tpd后， vo（ vI1）产生 幅度更大的负跳变，同理再经 过3tpd后vI1跳变为高电平。周 而复始，产生振荡。
微分型单稳态触发器
积分型单稳态触发器
多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触 发信号，便能自动产生矩形波形。由于矩形波中含有高次谐波故 把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。
7.4.1 对称式多谐振荡器
图为对称式多谐振荡器的典型电路。 1.构成： 它是由两个反相器 G1、G2经耦合电容C1、 C2连接起来的正反馈 电路。
v A＝VTH
R2 R1 vI v0 R1 R2 R1 R2
R2 R1 ＝ VT－ VDD R1 R2 R1 R2
由于VTH＝ VDD / 2，故
R1 VT－＝（ 1 )VTH R2
只要vI<VT-，vo≈0
VI VT VI VT
R1 (1 )VTH R2 R1 (1 )VTH R2
C放电电路
C放电
t w RC ln
V( ) V(0) V( ) V(t )
VDD 0 RC ln VDD VTH RC ln 2
注：微分型单稳态触发器可以用 窄脉冲触发，但输出脉冲的下降 沿较差。
右图为由TTL与非 门、反相器及RC积分电 路构成的积分型单稳态触 发器。用于正脉冲触发。
脉冲电路分类： 无稳态电路（多谐振荡器）
双稳态电路（施密特触发器）
脉冲电路作用： 脉冲波形的产生和整形。 脉冲电路构成： 开关电路 + RC电路 破坏电路的稳态， 产生暂态。 脉冲电路与数字电路的比较： ★脉冲电路侧重波形，数字电路侧重逻辑关系。 ★数字电路的信号波形也是一种脉冲波形。 控制暂稳态时 间的长短。
特点： 第一 它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态； 第二 在外界触发脉冲的作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在 暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态； 第三 暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉 冲的宽度和幅度无关。 应用：脉冲整形、延时、定时等
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2015-6-26
单稳态触发器的暂稳态通常是靠RC电路的充放电过程来 维持的，根据RC的电路不同接法，把单稳态触发器分成微分型 和积分型。 一、微分型单稳态触 发器 右图是由CMOS门电 路G1、 G2和Rd、Cd 微分电路构成的单稳 态触发器。
假使当电路接通电源后，由于电冲击，使得输入有微小的正 跳变，则由于下列正反馈：
vI 1
vo1
vI 2
vo 2
此正反馈使得vo1迅速跳变为 低电平， v 翻转成高电平， C 充电回路 o2 1 电路进入第一个暂稳态。同 时C1充电，而C2放电
C2放电回路
vI 2
vo 2
vI 1
vo1
vo2迅速跳变为低电平，而vo1跳变为高 电平，电路进入第二个暂稳态，同时C1 放电C2充电。由于电路对称， 过程与 前相似，C2充电的速度比C1充电快， 很快vI1首先达到阈值电压VTH，使得vo1 迅速跳变为低电平，而vo2跳变为高电 平，又回到第一暂稳态
vI
100 kΩ
6V
50 kΩ
0
t
解：阈值电压为
VT＋＝(1
R1 50 ）VTH＝（ 1 ） 3＝4.5V R2 100
R1 50 0 VT－＝（ 1 ）VTH＝（ 1 ） 3 1.5V R2 100 vo VOH
t
100 kΩ
50 kΩ
回差电压为
△VT＝VT＋－VT－ ＝4.51.5=3V
7.2.1 用门电路组成的施密特触发器
将两极反相器串接起来，通过分压电阻把输出端的电压反 馈到输入端就够成施密特触发器电路，其电路及其图形符号如 图7.2.1所示。
R2 vI R1 v I G1
vo1 1 1
G2 （a） 电路
vo vo
图10.2.1
vI vI
vo vo
图6.2.1 用CMOS反相器构成的施密特触发器 设反相器G1和G2均为CMOS门，其阈值电压为VTH＝ VDD/2，输 出高低电平分别为VOH＝ VDD， VOL＝0，且R1< R2
①当vI＝0时， vo1＝ VOH ， vo＝ VOL≈0，此时G1门的输入电 压为
R1 vA v0 0 R1 R2
②当vI 从0逐渐升高到使得vA＝VTH时， 反相器进入电压传输特性的放大区 （转折区），故vA的增加，会引起下 面的正反馈，即
vA
vo1
vo
使电路迅速跳变到 vo＝VOH≈ VDD
2、为什么要产生脉冲？
数字电路经常用到各种宽度和幅值的边沿陡峭 的脉冲信号：时钟信号、定时信号。 最常用的脉冲信号是方波或矩形波。
3、为什么要对脉冲波形进行整形？
脉冲有各式各样的形状，有矩形、三角形、 锯齿形、钟形、阶梯形和尖顶形的等等。
vI
VT+ VTVT+
v
I
t vO t
VT-
t vO t
ui uo tp
C1充电回路
C2放电回路
若取RF1=RF2＝RF，C1＝ C2=C，则振荡周期为
VE－VIK T＝2R E Cln VE VTH
VE VOH
RF 2 (VCC VBE VOH ) R1 RF 2
RE R1 // RF 2
将对称式多谐振荡器的C1和RF2去掉，两个反相器仍工作 在电压传输特性的转折区上，输出仍然没有稳定状态。这就是 非对称式多谐振荡器，其电路如图所示，反相器为CMOS门。 1. 自激振荡的条件：
设VOH≈ VDD， VOL≈ 0，且CMOS门的转折电压为 VTH≈ VDD / 2，
在稳态下vI=0， vI2=VDD，故vo=0， vo1=VDD，电容C两端 无电压， vc=0 b.外加触发信号时， 电路由稳态翻转到暂 稳态
当输入信号vI加触发脉冲时，在Rd、Cd组成的微分电路输 出端得到很窄的正负脉冲vd，如图10.3.2波形所示。
RF1 R1 vI (VCC VBE ) vo R1 RF 2 R1 RF
RF1 R1 vI (VCC VBE ) vo R1 RF 2 R1 RF
在反相器的电压传输特性上做出 此直线，交点P即为反相器的静 态工作点，如图所示。计算标明， 对于74系列的门电路而言，RF1 的阻值应取0.5KΩ～1.9KΩ。
C放电回路
a.无触发信号时，电路处于稳态 当vI＝0时，输出电压vo＝VOH为高电平, vo1＝VOH， vo1通过R 很快给电容C充电到vA＝VOH（R值比较小） b.当有正脉冲输入后，电路进入暂稳态 当vI由低电平转为高电平时， vo1＝VOL。由于电容不能突变， vA仍保持高电平，使得输出vo＝VOL为低电平，电路进入暂态过 程，此时电容C放电
vd
vo1
vI 2
vo
则vo1迅速跳变为低电平，由于 电容电压不能跃变，故vI2同时为 低电平，使得输出翻转为高电平， 此时电路进入暂态，电容随后开 始充电
暂态
电源VDD通过R和G1门的输出电路 给电容C充电
C充电电路
C充电
vI 2
vo
vo1
此时vo1和vI2迅速跳变为高电平， 电路马上翻为稳态，即 vo＝0