几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
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一节几种常用脉冲波形产生和整形电路
三角波产生电路的特点是频率和占空比连续可调，调节范围较广。但它的输出波形受到运算放大器性能的影响，且需要一定 的调整时间。
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。
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。
脉冲波形的产生和整形
UI
C1 R1
C2 R2
UO1
t
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B
74121
（1）
UO
A2
UI A1
UO
B
74121
（2）
UO
UO2
A2 A1
UO
UO1 UO2
TW1
t t
TW2
触发后，电路延时TW1 时间再输出。
t
TW1 = 0.69 R1C1
TW2 = 0.69 R2C2
§ 6-4 多谐振荡器
特点：不需要外加触发信号，电路自激振荡，没有稳态。
RF1
RF2
这就解决了多谐振荡器的稳频问题。
3、参数选择
各种固有振荡频率fo的石英晶体已做成成品，
可根据所购晶体的fo选择电路的外接RF 和C，
fo一般都很高，应利用分频器将fo分频为所需频率。
例如，需要频率为1HZ的秒脉冲，
可选购 fo=32768HZ的晶振，通过15次二分频获得1HZ。
§ 6-5 555定时器及其应用
74121的电路符号：
10 11
9
Cext Rext Rint
3B
4 A2 5 A1
Cext 74121
GND
7
14
Vcc Uo 6
Uo 1
74121的功能表 P.325.
电平 触发
脉冲 触发
集成单稳态触发器74121的功能表
输入
A1
A2
B
0
X
1
X
0
1
X
X
0
1
1
X
1
1
1
1
1
0
7脉冲波形的产生与整形电路
图
脉冲定时
EXIT
数模和模数转换器
7.3 施密特触发器
主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿 陡峭的矩形波。 特点： ⑴电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持 和转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平 触发。 ⑵电压传输特性特殊 ，电路有两个转换电平 （上限触发转换电平UT+和下限触发转换电平UT－）。 ⑶状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡 峭的矩形脉冲。
脉冲信号。
EXIT
数模和模数转换器
7.1 多谐振荡器
1．多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。
2．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，无需外触发。
3．输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的
谐波分量，故称作多谐振荡器。
EXIT
数模和模数转换器
7.1.1 矩形脉冲的主要参数 1. 常见的脉冲波形 脉冲波形是指突变的电流和电压的波形。
图7-1 常见的脉冲波形图 EXIT
数模和模数转换器
2. 矩形波及其参数
数字电路中用得最多的是矩形波。矩形波
有周期性与非周期性两种。
图7-2 非周期性和周期性矩形波 (a) 非周期性 (b) 周期性 EXIT
数模和模数转换器
图7-3 矩形波的主要参数
周期性矩形波的 周期用T表示，有时 也用频率f表示（f =1/ T）。 矩形波的另外几 个主要参数：
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
07脉冲波形的产生和整形
VI VO1 VO
使电路迅速跳变到VO VOH
VA
VTH
R1
R2 R2
VI
VI
VT
(1
R1 R2
)VTH
当VI 1时，VO 1。
当VI 至VA VTH时，进入传输特性的放大区，故
VA VO1 VO
使电路迅速跳变到VO VOL
VA
VTH
VDD
(VDD
VT )
7.2.2施密特触发器的应用 用于波形变换
7.2.2施密特触发器的应用 用于鉴幅
7.2.2 施密特触发器的应用 用于脉冲整形
7.2.3 用施密特触发器构成的多谐振荡器
T
T1
T2
RC ln VDD VDD
VT VT
RC ln VT VT
调节R和C的大小，可以改变振荡周期
输出脉冲占空比可调
同样，若触摸金属片A时，人体感应电信号经R4、 R5加至T1基极，也能使T1导通，触发555，达到上述 效果。
练习：救护车报警音响电路
VCC (+12V)
R1 10kΩ
VCC RD
8
4
7
R2
150kΩ
555 3
vI1 6 ( A )
vC
vI2 2
R3
C1 10μF
15 0.01μF
R4
R5 10kΩ
环节,加大t
pd
。
2
第二步：为获取更大 延迟,将C的接地 端改至G1输出。
通过调整R、C 改（f R不能太大） RC常数远大于Tpd , 因此周期主要计算 RC环节
7.4.5 石英晶体多谐振荡器
1922年美国 卡第提出用石英 压电效应调制电磁振荡的频率。
数字电子技术脉冲波形的产生与整形
tf
Vm tW T
2.脉冲宽度tW
0.5Vm～0.5Vm
3.上升时间tr
0.1Vm～0.9Vm
4.下降时间tf
0.9Vm～0.1Vm
5.周期T
周期性脉冲信号，两脉冲间的时间间隔
6.频率f
周期的倒数或每秒钟重复的次数。
7.占空比q
脉冲宽度与周期之比
3
6.5 555定时器的电路结构与功能
6. 5.1 555 定时器的电路结构与功能
6
5K
vC1 =1，vC2 =1， Q =1不变， vO=1不变
vI> 2/3VCC时， vC1 =0，vC2 =1，
vI2
2 VR2
－+C2 5K
&
vC2 Q
G2
& G3
TD
7
Q=0， vO =0，所以VT+=2/3VCC 1
1
3 vO
G4
10
(2)vI从高于 2/3VCC下降的情况
vI>2/3VCC时，
vC1=vC2=0，工作不正常。
vO
t
措施：在输入端加微分网络Rd、 Cd（足够小），将宽脉冲变为
vC
tw
窄脉冲。
+UCC
R 0.01µF
Cd vd vI
Rd
.
uC C
58 4
6
2
3
71
vI
uO
vd
2 3VCC
t
t t
24
该电路为不可重复触发的单稳态电路，除此之外还 有可重复触发的单稳态电路。
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。
脉冲波形的产生与整形详解
④CMOS型555在传输过渡时间里产生的尖 峰电流小，仅为2~3mA；而双极型555的尖峰电 流高达300~400mA。 ⑤CMOS型555的输人阻抗比双极型的要高 出几个数量级，高达1010Ω。 ⑥CMOS型555的驱动能力差，输出电流仅 为1~3mA，而双极型的输出驱动电流可达200mA.
一般说来，在要求定时长、功耗小、负载轻的场 合宜选用CMOS型555；而在负载重、要求驱动电流 大、电压高的场合，宜选用双极型的555。
二、用门电路组成的施密特触发器
将两级反相器串接起来，同时通过分压电阻把输出端的 电压反馈到输入端，就构成了施密特触发器电路。 CMOS门，阈值电压
1 VTH VDD，且R1 R2 2
R2
vI
R1
1
v O1
1 G2
vO
' vO
v 'I
G1
6.3.3 用CMOS反相器构成的施密特触发器
6.3.4 图6.3.3电路的电压传输特性 (a)同相输出 (b)反相输出
单稳态触发器
单稳态触发器的工作特性具有如下的显著特点： （1）电路在无外加触发信号作用期间，处于稳态； （2）在外界触发脉冲作用下，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； （3）暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数 （阈值电压及外接R、C），与触发脉冲的宽度和 幅度无关。
§6.3
施密特触发器
Schmitt Trigger
施密特触发器（电路）是一种特殊的双稳态时序 电路，与一般双稳态电路比较，它具有两个明显的特点： 1.施密特触发器是一种优良的波形整形电路， 只要输入信号电平达到触发电平，输出信号就会从一 个稳态转变到另一个稳态，且通过电路内部的正反馈 过程可使输出电压的波形变得很陡。 2.对正向和负向增长的输入信号，电路有不同 的阈值电平，这是施密特触发器的滞后特性或回差特 性，提高了干扰能力，可有效滤除噪声。
数电第十篇-脉冲波形的产生与整形
02
03
锯齿波的线性整形
通过调整锯齿波的斜率， 使其线性化，从而改善脉 冲的形状。
锯齿波的幅度整形
通过改变锯齿波的幅度， 可以调整脉冲的宽度和高 度，实现脉冲的整形。
锯齿波的对称整形
通过调整锯齿波的上升沿 和下降沿，使其对称，从 而改善脉冲的形状。
三角波的整形
01
三角波的对称整形
时间测量
01
利用脉冲波形产生与整形技术，测量系统可以精确测量时间间
隔、速度和加速度等参数。
频率和周期测量
02
通过脉冲波形产生与整形技术，测量系统能够实现高精度的频
率和周期测量。
距离和位移测量
03
利用脉冲波形产生与整形技术，测量系统能够实现非接触式距
离和位移测量。
在控制系统中的应用
伺服电机控制
脉冲波形产生与整形技术 用于控制伺服电机的运动， 实现精确的位置和速度控 制。
三角波的产生
一种常见的脉冲波形，其形状类似于三角形，具有对 称性。
输入 标题
差分电路
利用差分电路可以产生三角波。差分电路将输入的矩 形脉冲进行差分运算，形成三角波。
三角波
波形发生器
通过模拟电路（如运算放大器等）也可以产生三角波。 模拟电路将输入信号进行线性放大或缩小，形成三角
波波形。
模拟电路
波形发生器（如函数发生器）也可以产生三角波。波 形发生器内部通常包含差分电路，将输入信号进行差 分运算，形成三角波波形。
02
脉冲波形的整形
矩形脉冲的整形
矩形脉冲的对称整形
通过调整矩形脉冲的上升沿和下降沿， 使其对称，从而改善脉冲的形状。
矩形脉冲的幅度整形
矩形脉冲的延迟整形
通过引入适当的延迟，可以调整矩形 脉冲的起始时间和持续时间，实现脉 冲的整形。
03
锯齿波的线性整形
通过调整锯齿波的斜率， 使其线性化，从而改善脉 冲的形状。
锯齿波的幅度整形
通过改变锯齿波的幅度， 可以调整脉冲的宽度和高 度，实现脉冲的整形。
锯齿波的对称整形
通过调整锯齿波的上升沿 和下降沿，使其对称，从 而改善脉冲的形状。
三角波的整形
01
三角波的对称整形
时间测量
01
利用脉冲波形产生与整形技术，测量系统可以精确测量时间间
隔、速度和加速度等参数。
频率和周期测量
02
通过脉冲波形产生与整形技术，测量系统能够实现高精度的频
率和周期测量。
距离和位移测量
03
利用脉冲波形产生与整形技术，测量系统能够实现非接触式距
离和位移测量。
在控制系统中的应用
伺服电机控制
脉冲波形产生与整形技术 用于控制伺服电机的运动， 实现精确的位置和速度控 制。
三角波的产生
一种常见的脉冲波形，其形状类似于三角形，具有对 称性。
输入 标题
差分电路
利用差分电路可以产生三角波。差分电路将输入的矩 形脉冲进行差分运算，形成三角波。
三角波
波形发生器
通过模拟电路（如运算放大器等）也可以产生三角波。 模拟电路将输入信号进行线性放大或缩小，形成三角
波波形。
模拟电路
波形发生器（如函数发生器）也可以产生三角波。波 形发生器内部通常包含差分电路，将输入信号进行差 分运算，形成三角波波形。
02
脉冲波形的整形
矩形脉冲的整形
矩形脉冲的对称整形
通过调整矩形脉冲的上升沿和下降沿， 使其对称，从而改善脉冲的形状。
矩形脉冲的幅度整形
矩形脉冲的延迟整形
通过引入适当的延迟，可以调整矩形 脉冲的起始时间和持续时间，实现脉 冲的整形。
脉冲波型的产生与整形
第六章脉冲波型的产生与整形在数字系统中，除了有数字信号“1”和“0”以外，一般还存在同步脉冲控制信号（CP信号），它是具有一定幅度和频率的矩形波。
通常得到矩形波的方法很多，目前应用较多的是利用多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器等电路完成。
本章主要介绍获得矩形脉冲的两种方法及电路。
一是利用振荡器直接产生矩形波；二是利用整形电路，将不理想的波形变换成所要求的矩形波。
在产生矩形波的电路中，主要介绍555IC定时器和石英晶体振荡器。
在整形电路中，着重介绍单稳态触发器和施密特触发器。
第一节555集成定时器555集成定时器是目前应用十分广泛的一种时基电路。
用它可以很方便的构成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器等。
常用的555定时器型号有SG555（TTL电路）和CC7555（CMOS电路），它们功能完全一样，只是前者的驱动能力大于后者，我们以CMOS集成定时器CC7555为例进行介绍。
一、基本组成555定时电路主要由3个5K电阻组成的分压器、两个高精度电压比较器、一个基本RS触发器、一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成，其电路结构和管脚如图6-1所示。
(b)图6-1 CC7555集成定时器(a) 电路结构 (b) 管脚图1．分压器分压器由3个5K电阻组成，它为两个电压比较器提供基准电平。
当5脚悬空时，电压比较器A的基准电平为2/3U DD，比较器B的基准电平为1/3U DD。
改变5脚的接法可改变比较器A、B的基准电平，如5脚通过电阻10K接地，则基准电平分别为1/2U DD和1/4U DD。
5脚也可外接控制电压，则可改变两个基准电平；不加控制电压时，该引脚不可悬空，一般要通过一个电容0.01~0.1uF电容接地，以防止干扰信号影响5脚电压值。
2．比较器比较器A、B是两个完全相同的高精度电压比较器。
A的输入端为引脚6，当U6>2/3U DD时，A端输出为高电平，即逻辑“1”；当U6<2/3U DD时，A输出为低电平，即逻辑“0”。
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vd
vO1
vI2
vO
使vO1迅速跳变为低电平。
14
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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. 工作原理
VDD
Cd vd
vI Rd
G1 vO1
R
C vI2
G2
vO
微分型单稳态触发器
vI2同时跳变至低电平，并使vO跳变为高电平，电路 进入暂稳态。这时即使vd回到低电平， vO 的高电平 仍将维持。
两个相邻脉冲之间的时间间隔。
脉冲幅度Vm — 脉冲电压的最大变化幅度。 脉冲宽度tw — 从脉冲前沿到达0.5 Vm起，
到脉冲后沿到达0.5 Vm为止的一段时间。 上升时间tr — 脉冲上升沿从0.1 Vm上升到0.9 Vm 所需要的时间。 下降时间tf — 脉冲上升沿从0.9 Vm下降到0.1 Vm 所需要的时间。 占空比q — 脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q = tw /T 。 在脉冲整形或产生电路用于具体的数字系统时，
第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
矩形脉冲的特性： 为了定量描述矩形脉冲的特性通常给出几个主要参数。
上升 时间
0.9Vm 0.5Vm 0.1Vm
脉冲宽度
下降时间
tτ
tf
Vm tw
T
脉冲周 期
1
脉冲幅度
占空比 q = tW / T
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第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
脉冲周期T — 周期性重复的脉冲序列中，
R2
vo1
VT+
vI
R1
用CVMTOHvSI 反G相1器构成的施G密2特触发器vovo
0
vI vI
vo
vo
G1、G2 的 VTH ≈ 1/2VDD R1<R2
当vI= 0 时 vO= vOL ≈ 0, vI 0
当vI从0逐渐升高并达到v'I = VTH时， G1进入转折区。
vI
vO1
vO
电路状态迅速转换为vO= vOH ≈ VDD 。
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11
第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
单稳态触发器在数字电路中的作用：
定时（产生一定宽度的矩形波）。 整形（把不规则的波形变为规则的脉冲波形）。 延时（将输入信号延迟一定时间后输出）。
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12
第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
❖ 微分型单稳态触发器 1. 电路结构
R1
vo1
vI
VTH
G1
G2
vo VDD vo
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。
vI
vO1
vO
电路的状态迅速转换为vO= vOL ≈ 0。
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6
第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
R2
VT-
vI
R1
vI
vo1
VTH G1
G2
vo VDD vo
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。
利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整 形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲 高、低电平上的噪声有效地消除。
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3
第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
1. 用门电路组成的施密特触发器
vI
VTH
VDD
(VDD
VT
)
R2 R1 R2
得负向阈值电压：
已得知正向阈值电压：
VT
R1 R2 R2
VTH
R1 R2
VDD
VT
R1 R2 R2
VTH
(1
R1 R2
)VTH
回差电压VT
VT
VT
2
R1 R2
VTH
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7
第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
电压传输特性
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4
第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
R2
VT+ vI
R1
vI
VTH
G1
vo1
G2
vo 0 vo
vI
VTH
R2 R1 R2
VT
得正向阈值电压：
VT
R1
R2 R2
VTH
(1
R1 R2
)VTH
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5
第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
R2
VT- vI
RC微分
VDD
电路
Cd vd
vI --
Rd
G1 分型单稳态触发器
vO
CMOS 或非门
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13
第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
2. 工作原理
VDD
Cd vd
vI Rd
G1 vO1
R
C vI2
G2
vO
微分型单稳态触发器
当触发脉冲vI加到输入端时，在微分电路输出端得 到很窄的正负脉冲vd，当vd上升到VTH以后，将引发 如下的正反馈过程
同时，电容C开始充电。 vI2逐渐升高，当升至vI2 = VTH时，又引发另外一个正反馈过程
vI2
vO
vO1
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15
第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
R2
vo
2
R1 R2
VTH
R1
vo1
vI
vI G1
G2
vo
vo
vo
2
R1 R2
VTH
O
v VTH VDD
I
(a)同相输出
O
VTH
v VDD 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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8
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
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9
第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
3. 施密特触发器的应用
1. 用于波形变换 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用， 可把边沿变化缓慢的周期性信号变成边沿很陡的矩形脉冲信号。 2. 用于脉冲整形 在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变， 可通过施密特触发器整形获得比较理想的矩形脉冲波形。 3. 用于脉冲鉴幅 施密特触发器能将幅度大于VT+的脉冲选出，具有脉冲鉴幅能力。 4. 构成多谐振荡器
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10
第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
三、单稳态触发器
单稳态触发器的特点： 有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。 在触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态， 暂稳态维持一段时间后，自动返回到稳态， 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。 （触发脉冲应满足电路要求）。
有时还可能有一些特殊的要求，如脉冲周期和幅度的稳定性等，
这时还需要增加一些相应的性能参数来说明。
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2
第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路
二、施密特触发器
施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。
它在性能上有两个重要的特点：
1. 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。