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1、第七章 脉冲波形的产生与整形,7.1 概述7.2 施密特触发器7.3 单稳态触发器7.4 多谐振荡器7.5 555定时器及其应用,1、什么是脉冲波形？,2、为什么要产生脉冲？,4、如何产生脉冲以及对其进行整形？,3、为什么要对脉冲波形进行整形？,7.1 概述,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。,在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量称之为脉冲。,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
2、角形、锯齿形、钟形、阶梯形和尖顶形的等等。,1、脉冲幅度 Vm2、脉冲宽度 tw 3、上升时间 tr 4、下降时间 tf5、周期 T 6、占空比 q,描述矩形脉冲特性的主要参数,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。,脉冲电路分类：,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。,控制暂稳态时间的长短。,脉冲电路与数字电路的比较：,7.2 施密特触发器（Schmitt Trigger）,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
3、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。,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：,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。,图10.2.1,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， VOL0，且R1 R2,7.2.1
4、 用门电路组成的施密特触发器,1.其工作原理,当vI0时， vo1 VOH ， vo VOL0，此时G1门的输入电压为,当vI 从0逐渐升高到使得vAVTH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,使电路迅速跳变到voVOH VDD,由叠加原理得,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vo0， G1门的输入电压为,当vAVTH时，电路状态维持在voVOH VDD不变,当vI从高电平VDD逐渐下降到vAVTH时，由于也存在正反馈，即,使电路迅速跳变到voVOL 0,此时施密特触发器在vI下降时对应输出电
5、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voVDD， G1门的输入电压为,由于VTH VDD / 2，故,只要vIVT-，vo0,将VT和VT之间的差值定义为回差电压，用VT表示，即,施密特触发器的电压传输特性为右图所示,施密特触发器的两个输出电压传输特性为下图所示,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沿很陡的矩形脉冲,2.施密特触发器的主要特点：,输入信号在上升和下降过程中，电路状态转换的输入电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,3.施密特触发器的应用,(1)用于波形变换,利用施密特触发器将一系列幅度不同的脉冲信号，其中幅度大于正向阈
6、值电压的幅度鉴别出来。,（2）用于鉴幅,（3）用于脉冲整形,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。,例 由CMOS反相器构成的施密特触发器如图所示，设VTH3V，VDD6V，输入电压为峰峰值6V的三角波。试画出输出电压vo的波形，注明VT和VT的大小，并求回差电压VT。,解：阈值电压为,回差电压为,VTVTVT 4.5-1.5=3V,其输出波形如右图所示,2022/12/3,7.3 单稳态触发器,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
7、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,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。,设VOH VDD， VOL 0，且CMOS门的转折电压为VTH VDD / 2，,a.无触发信号时，电路处于稳态，vo=0,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
8、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。,当vI上升，vd也随之上升，当上升到VTH后，此时存在下列正反馈：,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,c.电容充电，电路由暂稳态自动返回至稳态,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,随着vI2的增加，当增加到vI2VTH，产生另一正反馈，即,此时vo1和vI2迅速跳变为高电平，电路马上翻为稳态，即 vo0,此时电容C通过R和G2门的输入保护电路很快放电，知道电容电压为
9、0，电路恢复到稳态。,C放电电路,C放电,输出的脉冲宽度为,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。,二、 积分型单稳态触发器,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。,a.无触发信号时，电路处于稳态,当vI0时，输出电压voVOH为高电平, vo1VOH， vo1通过R很快给电容C充电到vAVOH（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， vo1VOL。由于电容不能突变， vA仍保持高电平，使得输出voVOL为低电平，电路进入暂态过程，此时电容C放电,C放电回路,其输出波形如图所示,稳
10、态,暂态,电容放电,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。,输出的脉冲宽度为,C放电回路,微分型单稳态触发器输出波形比较理想，前后沿比较陡，因为有正反馈存在，但抗干扰能力差；积分型单稳态触发器抗干扰能力强，但输出波形边沿比较差，而且要求输入触发脉冲的宽度要大于输出脉冲宽度。,两种单稳态触发器的比较：,7.4 多谐振荡器,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
11、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。,2.产生自激振荡的条件：,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,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,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,故为了使反相器工作在放大状态，则要给它们设置适当的偏置电压，其数值在高、低电平之间。这个偏置电压可以由 RF 来设定。,由反相器的输入电路和叠加原理可得,在反相器的电压传
12、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0.5K1.9K。,此式是输出与输入的线性关系方程。,3. 工作情况分析,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：,此正反馈使得vo1迅速跳变为低电平，vo2翻转成高电平，电路进入第一个暂稳态。同时C1充电，而C2放电,由于充电的速度比放电速度快，故vI2首先达到阈值电压VTH，并有下面的正反馈：,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
13、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,电路中各处的电压波形如图所示。,若取RF1=RF2RF，C1C2=C，则振荡周期为,7.4.2 非对称式多谐振荡器,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：,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。,vo2,2.工作情况分析,当vI1由于某种原因产生正跳变
14、时，存在下面的正反馈,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,vo2,电容放电电路,随着C放电，vI1下降，当vI1 VTH时，产生下面正反馈,vo2,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,其各处波形如图所示,其振荡周期为,其振荡频率为,7.4.3 环形振荡器,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。,环形振荡器就是利用延迟负反馈产生振荡的。
15、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。,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。,工作原理：,输出波形如图所示,振荡周期为,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,其中n为串联反相器的个数,改进电路如图
16、所示，其中增加了RC积分环节，加大了第二节的延迟时间,图所示的环形振荡器电路虽然简单，但由于门电路的传输时间很小，故振荡频率很高，频率很难调节。,2.实用的环形振荡器,但RC电路的充、放电的持续时间很短，为了获取更大的延迟，将C的接地端改到G1的输出端，如图所示,其中Rs为保护电阻,各处的波形如图所示,其振荡周期可由下式估算,注：上式成立的条件应满足R1+RSR.，VOL0,vo2,7.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器,电路如图所示。,其工作原理如下,其输出波形如图所示,其振荡周期的计算公式为,为了可调节占空比，电路可修改为图所示的电路。,电容充电是通过R2进行，电容放电是通过R1进行，
17、故只要改变R1和R2的比值即可改变占空比。,7.4.5 石英晶体多谐振荡器,前面介绍的多谐振荡器的振荡周期或频率不仅与时间常数RC有关，而且还取决于门电路的阈值电压VTH。VTH容易受温度、电源电压及干扰的影响，故频率的稳定性很差，不能适应对频率稳定性要求较高的场合。,年美国 卡第提出用石英压电效应调制电磁振荡的频率。巴黎广播电台首先用严济慈制作的石英振荡片实现了无线电播音中的稳频，随后各国相继采用，使无线广播振荡电磁回路稳频成为压电晶体的最重要应用之一。,为了提高振荡频率的稳定性，目前普遍采用的一种稳频方法是在多谐振荡器电路中，接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器,图给出了石英晶体的外形、符
18、号和电抗频率特性。,由电抗频率特性可知，当外加电压频率为fo 时，其阻抗最小，此频率的信号最易通过，其他频率被衰减，故振荡器的工作再频率fo处。,图为对称式石英晶体多谐振荡器,由于振荡器的频率只取决于石英晶体的固有频率fo，与外接电容、电阻和门电路的阈值电压无关，其固有频率fo是由石英晶体本身特性决定，故石英晶体多谐振荡器的频率稳定性极高，到达10-1010-11。目前石英晶体已被制成标准化和系列化出售。,7.5.1 555定时器的电路结构与功能,7.5 555定时器,555定时器是一种多用途的数字模拟混合的集成电路。它可以很方便地构成多谐振荡器、单稳态触发器和多谐振荡器。,555定时器为双极
19、型产品，7555为CMOS型的产品，为了实际需求，又出现了双极型556和CMOS型7556.尽管厂家不同，但各种；类型的555定时器的功能及外部引脚排列都是相同的。,一、电路结构,图为国产双极型定时器CB555的电路结构图,它由电压比较器（C1，C2）触发器输出缓冲器（G3，G4）OC输出的三极管（TD）组成,其图形符号和功能表如图所示,2.各管脚的名称和功能,1接地端,2低电平触发端,3输出端，输出电流可达200mA，直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等，输出电压约低于电源电压13V。,4复位端，若此端输入一负脉冲，而使触发器直接复位。不用时加以高电平。,5电压控制端，此端可外加一电
20、压以改变比较器的参考电压，不用是可悬空或通过0.01F的电容接地。,8电源端，可在518V范围内使用。,6高电平触发端,7放电端，当触发器的Q0时，TD导通，外接电容C通过此管放电。,7.5.2 用555定时器接成的施密特触发器,电路如图所示,其电压传输特性如图所示。由图可知，这是个典型的反相输出的施密特触发器。,工作原理：,（1）当vI vI VCC/3，Q=1，Q =0，触发器保持原态；当 vI2VCC/3时， Q=0 （voVOL），Q =1。,（2）当 vI2VCC/3时， Q=0 ，Q =1；当vI 减少时，2VCC/3 vI VCC/3，Q=0，Q =1，触发器保持原态；当vI 减
21、少到vIVCC/3，Q=1（voVOH），Q =0；,故其正向阈值电压为VT2VCC/3，负向阈值电压为 VTVCC/3，故电路的回差电压为VT VCC/3。若改变回差电压的大小，则可通过5脚外接电压VCO来改变。,7.4.3 用555定时器接成的单稳态触发器,其电路如图所示,R,波形如图所示其工作过程如下,当vI处于高电平时，电路的稳定状态为vo0,当vI脉冲下降沿到达时，Q1， Q 0，此时放电管TD截止，VCC通过R给C充电，vC增加。当vC2VCC/3时， Q0 （v00 ）， Q 1， C 通过TD放电。vI变成高电平，此时vC1和vC2输出均为高电平，电路保持v00,其输出脉宽为,注：通常R的取值在几百欧姆到几兆欧之间，电容的取值范围为几百皮法到几百微法，tW的范围为几微妙到几分钟。但tW越大，其精度和稳定度也要下降。,
