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1、,本章的重点：1.施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器典型电路的工作原理，以及电路参数和性能的定性关系；2555定时器的应用；3脉冲电路的分析方法。本章的难点：分析脉冲电路时使用的是分析非线性电路过渡过程的方法，而且在分析电路时必须考虑集成电路在不同工作状态下输入端和输出端的等效电路。因此，脉冲电路的分析方法是本章的难点。,第十章 脉冲波形的产生和整形,脉冲信号：指突然变化的电压或电流。脉冲电路的研究重点：波形分析。数字电路的研究重点：逻辑功能。,获得脉冲波形的方法主要有两种：1利用脉冲振荡电路产生；2是通过整形电路对已有的波形进行整形、变换，使之符合系统的要求。,以下主要讨论几种常用脉冲波
2、形的产生与变换电路：（功能、特点及其主要应用简介）1.施密特触发器：主要用以将非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲；2.单稳态触发器：主要用以将脉冲宽度不符合要求的脉冲变换成脉冲宽度符合要求的矩形脉冲；3.多谐振荡器：产生矩形脉冲；4.555定时器及应用,10.1 概述,本章只讨论矩形脉冲。,矩形脉冲的主要参数：,脉冲周期T；,脉冲频率：,脉冲幅度VM；,脉冲宽度tW；,上升时间tr；,下降时间tf；,讨论三种脉冲电路：施密特触发器；单稳态触发器；多谐振荡器。,每种电路都有三种构成方式：集成；用门电路构成；用555电路构成。,f=1/T,占空比q：,q=tw/T.,10.1 概述,
3、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：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。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）。状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。,10.2 施密特触发器,10.2.1用门电路构成的施密特触发器,1.电路组成,两个CMOS反相器，两个分压电阻。,用门电路构成的施密特触发器（a）电路（b）逻辑符号,工作原理,（1）工作过程 设CMOS反相器的阈值电压UTH=VDD/2，,工作波形与电压传输特性,施密特触发器将三角波uI变换成矩形波uO。,施
4、密特触发器的工作波形及电压传输特性（a）工作波形（b）电压传输特性,上限触发转换电平UT+,下限触发转换电平UT,回差UT=UT+UT（通常UT+UT）改变R1和R2的大小可以改变回差UT,重要参数,10.2.1用门电路构成的施密特触发器,一、双极型IC,10.2.2 集成施密特触发器,10.2.2 集成施密特触发器,器件7413,1.波形变换,将变化缓慢的波形变换成矩形波（如将三角波或正弦波变换成同周期的矩形波）。,10.2.3 施密特触发器的应用,2.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，或者边沿产生振荡等。通过施密特触发器整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。,波形畸
5、变,边沿振荡,10.2.3 施密特触发器的应用,3脉冲鉴幅,将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些幅度大于UT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。可见，施密特触发器具有脉冲鉴幅能力。,10.2.3 施密特触发器的应用,10.3 单稳态触发器,电路的特点:,1.有两个状态稳态、暂稳态；,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后，再自动返回；,3.暂稳态维持时间长短取决于电路本身参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。,单稳态触发器,tW,tW由电路内部参数决定,暂稳态,稳态,应用：脉冲整形、延时和定时,10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器,单稳态触
6、发器的暂稳态通常由RC电路的充、放电过程来维持的。分两类：微分型积分型,微分型单稳态触发器,1.电路组成及工作原理,由于图示电路的RC电路接成微分电路形式，故该电路又称为微分型单稳态触发器。暂稳态是靠RC电路的充放电过程来维持的。,集成门电路构成的单稳态触发器,（1）输入信号uI为0时，电路处于稳态。uI2=VDD，uO=UOL=0，uO1UOH=VDD。,（2）外加触发信号，电路翻转到暂稳态。当uI产生正跳变时，uO1产生负跳变，经过电容C耦合，使uI2产生负跳变，G2输出uO产生正跳变；uO的正跳变反馈到G1输入端，从而导致如下正反馈过程：,使电路迅速变为G1导通、G2截止的状态，此时，电
7、路处于uO1=UOL、uO=uO2=UOH的状态。然而这一状态是不能长久保持的，故称为暂稳态。,（3）电容C充电，电路由暂稳态自动返回稳态。,在暂稳态期间，VDD经R对C充电，使uI2上升。当uI2上升达到G2的UTH时，电路会发生如下正反馈过程：,使电路迅速由暂稳态返回稳态，uO1=UOH、uO=uO2=UOL。,从暂稳态自动返回稳态之后，电容C将通过电阻R放电，使电容上的电压恢复到稳态时的初始值。,2.主要参数,（1）输出脉冲宽度tw 输出脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间。根据uI2的波形可以计算出：tw 0.7RC,单稳态触发器工作波形,2.主要参数,（2）恢复时间tre 暂稳态结束后
8、，电路需要一段时间恢复到初始状态。一般，恢复时间tre为（35）放电时间常数（通常放电时间常数远小于RC）。,单稳态触发器工作波形,2.主要参数,（3）最高工作频率fmax（或最小工作周期Tmin）,设触发信号的时间间隔为T，为了使单稳态触发器能够正常工作，应当满足Ttw+tre的条件，即Tmin=tw+tre。因此，单稳态触发器的最高工作频率为 fmax=1/Tmin=1/（tw+tre）,3.对输入触发脉宽的要求,在使用微分型单稳态触发器时，输入触发脉冲uI的宽度tw1应小于输出脉冲的宽度tw，即tw1tw，否则电路不能正常工作。如出现tw1tw的情况时，可在触发信号源uI和G1输入端之间
9、接入一个RC微分电路。,（1）工作原理,输入端微分电路提取 的上升沿。,稳态：,=VDD，,=0，,=0。,触发：,暂稳态：,=0，,=VDD，,=VDD。,i充,C充电,VDD,三要素为：,(0)=0，,()=VDD，,=RC。,自动返回：,条件：VTH。,i充,VDD,=0，,=VDD，,VDD。,（2）计算脉宽tW,等于 由0V上升到VTH所用的时间：,0.5VDD,（分辨时间）,（3）恢复过程：,电容C放电至起始状态。所用时间为：,门G1的输出电阻,微分型单稳态触发器,单稳态触发器的应用,（1）脉冲延时,单稳态触发器的主要应用是定时和延时。,单稳电路的延时作用,如果需要延迟脉冲的触发时
10、间，可利用单稳电路来实现。,uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间。,（2）脉冲定时,单稳态触发器能够产生一定宽度tw的矩形脉冲，利用这个脉冲去控制某一电路，则可使它在tw时间内动作(或者不动作)。,单稳态触发器的应用,多谐振荡器没有稳定状态，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，无需外触发。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。10.4.1 对称式多谐振荡器一、工作原理（TTL）(1)静态（未振荡）应是不稳定的.,10.4 多谐振荡器,10.4.1 对称式多谐振荡器,10.4.1 对称式多谐振荡器,10.4.1 对称式
11、多谐振荡器,二、电压波形,反向二极管负钳位电压,10.4.1 对称式多谐振荡器,三、振荡频率计算,10.4.1 对称式多谐振荡器,10.4.2 非对称式多谐振荡器,(1)工作原理,采用CMOS门；,RF使门1工作在转折区。,因此门2也工作在转折区，电容C引入正反馈，使电路振荡。,设t1时刻G1输出低电平、G2输出高电平。定为暂稳态1。,当 VTH时，产生连锁反应：,随之电路进入暂稳态2。,C放电,VDD,0,i放,C充电,在t2时刻：,在暂稳态2：,t1,t2,i充,三要素为：,充=RFC。,t3,在t3时刻 VTH，又发生连锁反应，进入暂稳态1：,(0)=VTHVDD，,在暂稳态1，C放电的
12、三要素为：,(0)=VTHVDD，,充RFC,()=0,VDD,0,电压波形,(3)周期计算：,T=T1+T2,将前面的三要素代入下面的公式，即可求出T1和T2：,T=2.2RFC,(0)=VTHVDD，,暂稳态1，C放电的三要素为：,充RFC,()=0,()=VDD，,放=RFC。,(0)=VTHVDD，,暂稳态2中，C充电三要素：,周期计算,10.4.3环形振荡器,利用逻辑门电路的传输延迟时间，将奇数个与非门首 尾相接，就可以构成一个简单的环形振荡器:,利用闭合回路中的正反馈作用可以产生自激振荡，利用闭合回路的延迟负反馈作用同样也能产生自激振荡，只要负反馈信号足够强。,设 uo3 的初始状
13、态为0:,0,1,0,1,0,1,用波形图来表示,则为:,优点:电路结构简单,所用元件少。,缺点:频率太高,并且不可调整。,10.4.3环形振荡器,在原电路的基础上添加RC延时电路,便可以克服上图的不足:,下面将结合它的工作波形说明其工作原理:,10.4.3环形振荡器,假设：开始时uo=0,电容上的电流，uA下降,uAUT时，uo不反转。,工作原理,当uA=UT时，uo反转，uo1、uo2也一起反转。,工作原理,由于电容电压不能 突变,当uo1 发生下跳时,uA有一突变。,工作原理,t1 后，uo2 uo1，电容反向充电,uA上升。,只要uA UT，uo就不反转。,t1,工作原理,当uA=UT
14、 时(t2)，uo、uo1、uo2 再次反转。,t2,工作原理,由于uo1上跳，电容电压不能突变，所以uA 上跳，然后uA开始下降,工作原理,输出信号的周期近似为:,T=2.2 RC,工作原理,10.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器,施密特触发器,10.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器,10.4.5 石英晶体多谐振荡器,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(第一个精确测定石英压电定律)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。,石英晶体多谐振荡器,符号,构成：在对称式多谐振
15、荡器的反馈回路中串入石英晶体。,石英晶体电抗的频率特性如图。f0 称为固有频率。,特点：f0的稳定度极高,f0/f0可达10101011。因此可构成高精度多谐振荡器。从而克服了其他振荡器频率稳定度低、抗干扰能力差的缺点。,原理:只有振荡频率等于f0时，晶体的阻抗为0（最小），电路才能产生振荡。因此输出频率一定为f0。,10.5 555定时器及其应用,一、555定时器的电路结构与功能,555电路又称为集成定时器。,1972年由Signetics公司推出。既有双极型产品，也有MOS型产品。它们产品型号的最后3位数码都是555.如：,CB555 是国产双极型电路；,CH7555是CMOS型电路。,清
16、零端,控制电压,放电端,CB555电路结构图,阈值端、高触发端,触发端、低触发端,电路组成,(a)原理图(b)外引线排列图,电阻分压器,电压比较器,基本RS触发器,放电管T,缓冲器,10.5 555定时器及其应用,（1）电阻分压器 由3个5k的电阻R组成，为电压比较器C1和C2提供基准电压。,10.5 555定时器及其应用,（2）电压比较器C1和C2。当UU时，UC输出高电平，反之则输出低电平。,10.5 555定时器及其应用,10.5 555定时器及其应用,10.5 555定时器及其应用,（3）基本RS触发器 其置0和置1端为低电平有效触发。R是低电平有效的复位输入端。正常工作时，必须使R处
17、于高电平。,10.5 555定时器及其应用,（4）放电管T T是集电极开路的三极管。相当于一个受控电子开关。输出为0时，T导通，输出为1时，T截止。,10.5 555定时器及其应用,（5）缓冲器 缓冲器由G3和G4构成，用于提高电路的负载能力。,10.5 555定时器及其应用,控制电压端,CMOS集成定时器7555的结构,低电平触发,高电平触发,复位端,输出端,放电端,1,地,8,2,3,4,7,6,5,电源,1,8,UDD,4,2,5,6,3,7,C1、C2是两个电压比较器,分压器:由三个等值电阻R串联而成,驱动器和放电开关,基本RS触发器,集成定时器555的工作原理,当 L时，反相器G1输
18、出高电平，,0,1,1,0,所以Q为低电平，OUT=L。,使G2输入为高电平，T管导通。,0,0,0,当 H 时，,1.TH2UDD/3，,电路的输出状态与 无关，所以 为任意输入。,1,0,1,则C1输出为1，Q=0，OUT=0。,T导通。,0,1,清零失效,0,0,0,触发器保持原状态不变。,集成定时器555的工作原理,Q=1，T管截止，OUT=1。,C1=0；,C2=1，,OUT=1称为电路置位或置“1”,集成定时器的工作原理,0,1,1,0,1,低,导通,1,低,导通,1,导通,低,（不变）,高,截止,1,1,高,截止,（不变）,VCO,555电路的功能,有两个阈值电压：,VR1=2V
19、CC/3,VR2=VCC/3,2VCC/3,VCC/3,0,高,截止,1,构成施密特触发器,（一）电路的特点：,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电平不同。,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很陡。,工作原理：,分析:输入电压由0V上升到VCC和由VCC下降到0V时，电路状态如何变化。,0,t,V T+:正向阈值电压或上限阈值电压,VT-:负向阈值电压或下限阈值电压,V=VT+-VT-：回差,电压传输特性,若改变VCO值VT+,VT-的值将改变。,VOH,0.01,特点：,由于有比较器，允许输
20、入信号慢变化；,由于有触发器，输出端边沿好。,V T+,V T-,构成单稳态触发器,（1）得到负脉冲外触发：使高触发置0端TH有效暂稳态0自动返回：通过电容C的充放电使低触发置1端TR有效稳态1,(一)思路：外触发自动返回,（2）得到正脉冲 外触发：使低触发置1端TR有效暂稳态1 自动返回：通过电容C的充放电使高触发置0端TH有效稳态0,（二）工作原理,=VH,设TD工作在饱和状态,VC=VTH=0V,555电路处于保持状态，且一定是VO=VL，,这是因为若假设TD截止，则不合理。,2.触发,555电路状态翻转为VO=VH,此时TD截止，VC保持0V不变。,3.暂稳态,电容C充电,=VIL,充
21、,其三要素为：,(0)=0V,()=VCC,=RC,VCC,1.稳态,当=2/3 VCC时，555电路翻转为输出VL,而 保持不变。,5.恢复,由于TD导通，电容C向TD放电，使 迅速下降为0V。,4.自动返回,工作原理,参数计算,1.脉冲宽度tW,得到公式：,tW,VCC,0V,2.恢复时间tre:,tre=(35)rcec,3.分辨时间td:,td=tw+tre,tre,（四）电路特点：,窄脉冲触发。,触发脉冲的最小周期,触发脉冲宽度要小于输出脉冲宽度,RC,2/3VCC,若条件不满足可在输入端加微分电路,构成单稳态触发器,四、构成多谐振荡器,（一）电路的特点,（二）电路的原理,不需输入信
22、号即可产生矩形脉冲。,刚接通电源：,=0V,TD截止。,此时为暂稳态1：,i充,C充电,VCC,三要素为：,(0)=0V,1/3VCC,()=VCC,在t1时刻=2/3VCC，555电路翻转。,t1,C放电,0,t2,i放,=VH，,进入暂稳态2=VL，TD导通。,（三）计算周期T=T1+T2,VCC,t1,0,t2,i充,i放,1/3vcc,2/3vcc,占空比：,f=1/T,构成多谐振荡器,改进电路,占空比可调的多谐振荡器,T1=R1Cln2,T2=R2Cln2,q=,T=(R1+R2)Cln2,解：,可选VCC=5V,且q=2/3可求出：,R1=R2,由于,T=(R1+2R2)Cln2,
23、R1=48K,选C=10 F代入上式求出,R2=R1=48K,C选择原则:过大则漏电流大过小则电阻太大二者均可使周期不准,本章介绍了各种产生和变换矩形脉冲的电路。施密特触发器有两种稳态，但状态的维持与翻转受输入信号电平的控制，所以输出脉冲的宽度是由输入信号决定的。单稳态触发器只有一个稳态，在外加触发脉冲作用下，能够从稳态翻转为暂稳态。但暂稳态的持续时间取决于电路内部的元件参数，与输入信号无关。因此，单稳态触发器可以用于产生脉宽固定的矩形脉冲波形。,本章小结,多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。两个暂稳态之间的转换，是由电路内部电容的充、放电作用自动进行的，所以它不需要外加触发信号，只要接通电源就能自动产生矩形脉冲信号。,555定时器是一种用途很广的集成电路，除了能构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器以外，还可以接成各种应用电路。可参阅有关书籍自行设计出所需的电路。,本章小结,
