第10章_脉冲信号的产生与整形

1、第第10章章 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形10.1 脉冲信号及参数脉冲信号及参数一、脉冲信号一、脉冲信号 脉冲信号是指在短暂时间间隔内发生突变或跃变的电压或电流信号。 广义的脉冲信号指凡不连续的非正弦电压或电流。 狭义的脉冲信号指规则的矩形脉冲。 实际的矩形脉冲并无理想的跳变，顶部也不平坦。图1. 各种常见的脉冲波形图2. 实际脉冲的参数脉冲信号的参数：1. 脉冲幅度脉冲幅度Um指脉冲的最大幅值。2. 前沿或上升时间前沿或上升时间tr通常指由脉冲信号幅值由0.1Um上升到0.9Um所需要的时间，tr愈短，脉冲上升愈快，就愈接近于理想矩形脉冲。3. 后沿或下降时间后沿或下降时间tf脉

2、冲信号下降由0.9Um下降到0.1Um所需要的时间。4. 脉冲宽度脉冲宽度tw通常用脉冲前、后沿0.5Um两点间的时间间隔来代表脉冲宽度。5. 脉冲周期脉冲周期T对重复性的脉冲信号，两个相邻的脉冲波形上相应点的时间间隔称为脉冲周期，其倒数为脉冲频率,f/T 是单位时间内脉冲信号的重复次数。6. 占空比占空比q = tw/T脉冲宽度与周期之比。二、二、 脉冲的获得脉冲的获得在数字系统中，常常采用以下两种方法来获得所需符合要求的脉冲信号：利用振荡器直接产生所需要的脉冲波形。不需外加触发信号，只要电路电源电压、电路参数选取合适，电路就会自动产生脉冲信号（自激振荡）。这一类电路称多谐振荡电路多谐振荡电

3、路或多谐振荡器多谐振荡器。利用变换电路将已有的性能不符合要求的脉冲信号变换成符合要求的矩形脉冲信号。变换电路本身不能产生脉冲信号，它仅仅起变换作用而已。这类电路包括单稳态触发器单稳态触发器和施密特触发器施密特触发器。10.2 多谐振荡器多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡器，没有稳定状态， 只有两个暂态。 电路工作时，不需要外加触发信号，只要接通电源，电路就能在两个暂稳态之间相互转换，自动产生矩形脉冲信号。 由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，因此，常将矩形脉冲产生电路称作多谐振荡器。一、多谐振荡器1. 环形多谐振荡器最简单的环形振荡器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，从任

4、何一个门的输出端都可得到高、低电平交替出现的方波。1G11G21G3vovI1vI2vI3vo1vo2图3. 环形振荡器及工作波形 利用门的延迟时间，使三级门产生180o的相移，再加上每级门的倒相作用，则反馈回来的信号和原来输入的信号同相，就可产生自激振荡，并输出方波，其频率为pdtf61 在环形振荡器中增加增加RC电路作延迟环电路作延迟环节，构成节，构成RC环形多谐振荡器环形多谐振荡器，如图4（a）所示，图4（b）为其工作波形。 由于RC电路的延迟时间远大于tpd，所以分析时可以忽略tpd，认为每个门的I/O跳变同时发生。2. RC环形多谐振荡器图4. RC环形多谐振端器图5 电路中电容C充

5、放电等效电路振荡器的参数 暂态时间和周期RCRCCRRttTRCtCRRtwwww2 . 226. 1)/(98. 026. 1)/(98. 01212113. 石英晶体多谐振荡器 TTL或CMOS门电路构成的多谐振荡器通常在频率稳定度和准确度要求不高的情况下使用。 因为电路决定振荡频率的主要因素是电路到达阈值电压VT的时间。 然而，阈值电压VT容易受温度、电源电压波动和RC参数误差的影响而变化，电容的充放电曲线在到达阈值电压时已经平缓，VT的微小变化或者受到干扰，都将使振荡周期时间变化。 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

6、到系统的工作 显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。石英晶体的特性 石英晶体的品质因素Q很高，选频特性好 只有当信号的频率f = f 0（f 0为石英晶体固有谐振频率）时，其等效阻抗最小，因而信号最容易通过，并在电路中形成正反馈。 因此，若将石英晶体接入多谐振荡器电路中，电路的振荡频率只决定于晶体的谐振频率而与电路中其它元件（如R、C）的参数无关。图6 石英晶体的符号及阻抗频率特性(a)石英晶体的符号 (b)特性曲线(1). 并联石英晶体多谐振荡器并联石英晶体多谐振荡器 图7. 并联石英晶体多谐振荡器右图所示为由CMOS反相器组成的并联多谐振荡

7、器。RF为反馈电阻，用以使G1工作在静态电压传输特性的转折区，RF值通常取510M。反馈系数取决于C1和C2的比值，C1还可微调振荡频率。石英振荡器可输出振荡频率很稳定的信号，但输出波形不太好，所以，G1输出端需加反相器G2，用以改善输出波形的前沿和后沿。(2). 串联石英晶体多谐振荡器串联石英晶体多谐振荡器图8. 串联石英晶体多谐振荡器下图所示为由反相器组成的串联石英晶体多谐振荡器。C1为G1和G2间的耦合电容，R1和R2用以使G1和G2工作在电压传输特性的转折区。由于G2输出的振荡波形不好，因此输出增加了一个G3，用以改善输出振荡波形的前沿和后沿。1&COTHTR+VCCuOD5k

8、5k5kC1C2G1G2G3T+2658437RQQ触发端触发端电压控制端复位端放电端4.516V二、二、555定时器定时器TL1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G2G3T+2658437RQQ001R=0时，Q=1，uo=0，T导通。TL1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G2G3T+2658437RQQR=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。R=1、UTH2VCC/3、UTLVCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。2VCC/3VCC/300011TL1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C

9、2G1G2G3T+2658437RQQR=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。R=1、UTH2VCC/3、UTLVCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。2VCC/3VCC/310011R=1、UTH2VCC/3、UTLVCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。110TL1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G2G3T+2658437RQQR=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。R=1、UTH2VCC/3、UTLVCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。2VCC/3VCC/311100

10、R=1、UTH2VCC/3、UTLVCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。R=1、UTH2VCC/3、UTLVCC/3时，C1=1、C2=0，Q=0、Q=1，uo=1，T截止。TL C R1 uc 8 4 7 3 6 555 2 5 1 0.01F uo VCC R2 uc uo t t tw1 tw2 0 VCC/3 2VCC/3 0 (a) 电路 (b) 工作波形 接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，T导通，C通过R2和T放电， uc下降。当uc下降到VCC/3时， uo又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充

11、电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。三、由三、由 555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器CR1uc8 47 3 6 5552 5 10.01FuoVCCR2ucuotttP1tP20VCC/32VCC/30(a) 电路(b) 工作波形第一个暂稳态的脉冲宽度 tp1，即 uc从 VCC/3 充电上升到 2VCC/3 所需的时间： tp10.7(R1+R2)C 第二个暂稳态的脉冲宽度 tp2，即 uc从 2VCC/3 放电下降到 VCC/3 所需的时间： tp20.7R2C振荡周期：Ttp1tp20.7(R12R2)C& R1 C2 R2C1& f0

12、 f1 f2 f14 f32768Hz 16384Hz 8192Hz 2Hz 1HzC1C1C1C1 FF1 FF2 FF14 FF15 Q1 Q2 Q14 Q15多谐振荡器分频电路四、多谐振荡器的应用四、多谐振荡器的应用C1R1uo18 47 3 6 5552 5 10.01Fuo1VCCR2(a) 电路(b) 工作波形C2R3uo28 47 3 6 5552 5 10.01Fuo2R4C将振荡器的输出电压uo1，接到振荡器中555定时器的复位端（4脚），当uo1为高电平时振荡器振荡，为低电平时555定时器复位，振荡器停止震荡。10.3 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器在数字电路中一般用

13、于l定时定时（产生一定宽度的矩形波）l整形整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）l延时延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。单稳态触发器具有下列特点：（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。（2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。（3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。一、单稳态触发器一、单稳态触发器CRui8 47 3 6 5552 5 10.01FuoVCCuiuotttP00(a) 电路(b) 工作波形uct02VCC/3输出脉冲宽度 tp。 tp1.1RC二、由二、由555定

14、时器构成的单稳定时器构成的单稳态触发器态触发器CRui8 47 3 6 5552 5 10.01FuoVCCuiuotttP00uct02VCC/3接通VCC后瞬间，VCC通过R对C充电，当uc上升到2VCC/3时，比较器C1输出为0，将触发器置0，uo0。这时Q=1，放电管T导通，C通过T放电，电路进入稳态。ui到来时，因为uiVCC/3，使C20，触发器置1，uo又由0变为1，电路进入暂稳态。由于此时Q=0，放电管T截止，VCC经R对C充电。虽然此时触发脉冲已消失，比较器C2的输出变为1，但充电继续进行，直到uc上升到2VCC/3时，比较器C1输出为0，将触发器置0，电路输出uo0，T导通

15、，C放电，电路恢复到稳定状态。uo&uiuAuo(a) 电路示意图(b) 波形图单稳态触发器uououiuAtpuiuotp三、单稳态触发器的应用三、单稳态触发器的应用单稳态触发器是数字系统中最常用的单元电路，常用于以下几方面。 （1） 脉冲展宽脉冲展宽 （2） 脉冲定时脉冲定时 （3） 脉宽延迟脉宽延迟单稳态触发器应用10.4 施密特触发器施密特触发器施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。1&DuiuoRS(a) 电路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G3（1）ui0时，R1，S0，uo为高电平，这是第一

16、种稳态。0011一、施密特触发器一、施密特触发器1&DuiuoRS(a) 电路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G30111（2）uiUD=0.7V 时，R1，S1，RS 触发器不翻转，uo仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。（1）ui0时，R1，S0，uo为高电平，这是第一种稳态。1&DuiuoRS(a) 电路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G31100（2）ui上升到 UD=0.7V 时，R1，S1，RS 触发器不翻转，uo仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。（3）ui继续上升到 UT+=UT=1.4V

17、时，R0，S1，RS 触发器翻转，uo为低电平，这是第二种稳态。电路翻转后 ui再上升，电路状态不变。（1）ui0时，R1，S0，uo为高电平，这是第一种稳态。1&DuiuoRS(a) 电路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G30110（2）ui上升到 UD=0.7V 时，R1，S1，RS 触发器不翻转，uo仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。（3）ui继续上升到 UT+=UT=1.4V 时，R0，S1，RS 触发器翻转，uo为低电平，这是第二种稳态。电路翻转后 ui再上升，电路状态不变。（4）ui上升到最大值后下降时，若 ui下降到 UT，R1。S=

18、1，RS 触发器不翻转，电路仍维持在第二种稳态。（1）ui0时，R1，S0，uo为高电平，这是第一种稳态。1&DuiuoRS(a) 电路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G3（1）ui0时，R1，S0，uo为高电平，这是第一种稳态。0011（2）ui上升到 UD=0.7V 时，R1，S1，RS 触发器不翻转，uo仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。（3）ui继续上升到 UT+=UT=1.4V 时，R0，S1，RS 触发器翻转，uo为低电平，这是第二种稳态。电路翻转后 ui再上升，电路状态不变。（4）ui上升到最大值后下降时，若 ui下降到 UT，R1。

19、S=1，RS 触发器不翻转，电路仍维持在第二种稳态。（5）ui继续下降到 UT-=UT-UD=0.7V时，R1，S0，RS 触发器翻转，uo为高电平，电路返回到第一种稳态。uoui(b) 逻辑符号(a) 传输特性uiuoUTUT+0下限阈值电压上限阈值电压回差电压（滞后电压）：回差电压 0.7V缺点是回差太小，且不能调整。(a) 40106 的引脚排列图 14 13 12 11 10 9 840106 1 2 3 4 5 6 7VDD 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y VSS 14 13 12 11 10 9 84093 1 2 3 4 5 6 7(b)

20、4093 的引脚排列图VDD 3A 3B 3Y 4Y 4B 4A 1A 1B 1Y 2Y 2B 2A VSS(a) 7414 的引脚排列图 14 13 12 11 10 9 87414 1 2 3 4 5 6 7VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND 14 13 12 11 10 9 874132 1 2 3 4 5 6 7(b) 74132 的引脚排列图VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GNDRui8 46 7 555 32 5 1uo1+VCCuiuott00(a) 电路(b) 工作波形+VCC1

21、uouCOUT+UT2VCC/3VCC/3控制电压调节回差（1）当 ui0 时，由于比较器 C1=1、C2=0，触发器置 1，即 Q1、0Q，uo1uo1。ui升高时，在未到达 2VCC/3 以前，uo1uo1 的状态不会改变。二、由二、由555定时器构成的施密定时器构成的施密特触发器特触发器Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+VCCuiuott00(a) 电路(b) 工作波形+VCC1uouCOUT+UT2VCC/3VCC/3控制电压调节回差（1）当 ui0 时，由于比较器 C1=1、C2=0，触发器置 1，即 Q1、0Q，uo1uo1。ui升高时，在未到达 2VCC/3 以前，

22、uo1uo1 的状态不会改变。（2）ui升高到 2VCC/3 时，比较器 C1输出为 0、C2输出为 1，触发器置 0，即Q0、1Q，uo1=uo=0。此后，ui上升到 VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3 以前，uo1uo0 的状态不会改变。Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+VCCuiuott00(a) 电路(b) 工作波形+VCC1uouCOUT+UT2VCC/3VCC/3控制电压调节回差（1）当 ui0 时，由于比较器 C1=1、C2=0，触发器置 1，即 Q1、0Q，uo1uo1。ui升高时，在未到达 2VCC/3 以前，uo1uo1 的状态不会改变。（2）ui升高到

23、 2VCC/3 时，比较器 C1输出为 0、C2输出为 1，触发器置 0，即Q0、1Q，uo1=uo=0。此后，ui上升到 VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3 以前，uo1uo0 的状态不会改变。（3）ui下降到 VCC/3 时，比较器 C1输出为 1、C2输出为 0，触发器置 1，即 Q1、0Q，uo1=uo=1。此后，ui继续下降到 0，但 uo1uo1的状态不会改变。 三、施密特触发器的应用三、施密特触发器的应用1输入输出UT+UT(c) 幅度鉴别的输入、输出波形(d) 多谐振荡器CRucuouo施密特触发器能将正弦波、三角波及各种周期性的不规则波形变换为边沿陡峭的矩形脉冲输出。1

24、. 用于波形变换若施密特触发器的输入信号是一种在脉冲的顶部和前后沿均受到严重干扰、发生畸变的周期性不规则信号，通过适当调节施密特触发器的UT(+)和UT(-)，就可得到矩形脉冲波。2. 用于脉冲整形图6-1-4 施密特触发器用于脉冲整形当施密特触发器的输入信号是一串幅度不等的脉冲时，可通过调整电路的UT(+) 和UT(-)，使只有当输入信号的幅度超过UT(+) 的脉冲时才能使施密特触发器的状态翻转，从而得到所需的矩形脉冲信号。3. 用于脉冲信号的鉴幅4. 脉冲展宽电路 图8-25多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由555555定时定时器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本RSRS触发器触发器在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。RSRS触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以又称为无稳电路。又称为无稳电路。在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态，其稳态，其“触发触发”信号是由电路