第九章 脉冲波形的产生和整形

1、（6-1）第九章第九章 脉冲波形的产生和整形脉冲波形的产生和整形10.1 概述概述 10.3 单稳态触发器单稳态触发器10.2 施密特触发器施密特触发器10.4 多谐振荡器多谐振荡器10.5 555定时器及其应用定时器及其应用（6-2）10.1 概述概述 数字电路区别于模拟电路的主要特点之数字电路区别于模拟电路的主要特点之 一是：一是：它的工作信号是它的工作信号是离散时间的脉冲信号离散时间的脉冲信号。产生产生整形整形 最常用的脉冲信号是方波最常用的脉冲信号是方波(矩形波矩形波)。如何。如何产生产生方波方波以及以及对不理想的方波如何整形对不理想的方波如何整形，是本章讨论的，是本章讨论的重点。重点

2、。（6-3）脉冲周期脉冲周期 T脉冲宽度脉冲宽度 ：上升沿：上升沿 到下降沿到下降沿 wtmV5.0mV5.0下降时间下降时间 ：ftmmVV1.09.0TtqW 占空比占空比 q ：脉冲宽度与脉冲周期的比值：脉冲宽度与脉冲周期的比值： rtmmVV9.01.0上升时间上升时间 ：mV脉冲幅度脉冲幅度（6-4）10.2 施密特触发器施密特触发器施密特电路特点：施密特电路特点： 1 输入信号输入信号从低电平上升的从低电平上升的过程中，电路状态过程中，电路状态转换时对应的转换时对应的输入电平输入电平；与输入信号；与输入信号从高电平下降从高电平下降过程中对应的过程中对应的输入转换电平输入转换电平不同

3、不同。 2 在电路状态转换时，通过电路内部的在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。过程使输出电压波形的边沿变得很陡。（6-5）时，当0Iv0OLOVv10.2.1 用门电路组成的施密特触发器（用门电路组成的施密特触发器（CMOS) （反相器的阈值电压）（反相器的阈值电压）DDTHVV21 21,RR （6-6）图图3.6.2 CMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性Av 1Ov Ov 上升时的转换电平上升时的转换电平Iv TVTTHAVRRRVv212221RRRVvvVvTOOTHATHTVRRV 211（6-7）212RRRVVVVvTDDD

4、DTHATHDDTHTVRRVRRVRRRV 21212211THTTTVRRVVV212 下降时的转换电平下降时的转换电平Iv TVAv 1Ov Ov回差电压：回差电压：（6-8） ：输入电压上升时所对应的转换电压。：输入电压上升时所对应的转换电压。 ：输入电压下降时所对应的转换电压。：输入电压下降时所对应的转换电压。TTVV图图10.2.2 图图10.2.1电路的电压传输特性电路的电压传输特性同相输出同相输出反相输出反相输出（6-9）VVRRVVVRRVTHTTHT525 . 712121 VVRRTH55 . 021 为保证反相器为保证反相器 输出高电平输出高电平时负载电流不致超过时负载

5、电流不致超过 允许的高允许的高电平输出电流电平输出电流 。2G2G maxOHI例例10.2.1 在图在图10.2.1(a)电路中，如果要求电路中，如果要求 试求试求 和和 值。值。VVVVTT5,5 . 721,RRDDV解：解： max2OHTHOHIRVV 选选CC4069反相器反相器 mAIVVOHDD3 . 110max 85. 33 . 15102R故取故取 1121,22212RRR（6-10）*10.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器 T1013 二极管与门；电平平移；推拉式输出级：降低电路的输二极管与门；电平平移；推拉式输出级：降低电路的输出电阻以提高电路的驱动能力出电

6、阻以提高电路的驱动能力图图10.2.3 带与非功能的带与非功能的TTL集成施密特触发器集成施密特触发器（6-11）基本原理：基本原理：1、正反馈过程、正反馈过程VvvvBEEI7 . 01 截止，截止， 饱和。饱和。1T2T EvVvvBEI7 . 01 正反馈：正反馈：T1 饱和，饱和， T2 截止。截止。 Iv 1Ci 1Cv 2Ci1BEv （6-12）VvvBEI7 . 01 由于由于 饱和导通时的饱和导通时的 值必然低于值必然低于 饱和导通时的饱和导通时的 值。值。4 . 1232RR1TEv2TEv ： 上升时的转换电压。上升时的转换电压。 TVIv TTTTVVVV/ 由截止变导

7、通的输入电压。由截止变导通的输入电压。 由导通变截止时的输入电压。由导通变截止时的输入电压。1T1T Ev Iv 1Ci 1Cv 2Ci1BEv T1截止，截止， T2 饱和。饱和。2、回差电压：、回差电压： TTTVVV（6-13） 截止，截止， 饱和饱和 时：时：1T2T CCCBsatBEBViiRViR 2242)(22 CCCBsatCERViiRViR 2242)(3323CRii mAimAiBC3 . 12 . 222 3、计算、计算VVvVET4 . 27 . 02 VIIRvBCE7 . 12242 VVVVsatCEsatBE2 . 0,8 . 0)()( 取取（6-14

8、） T1 由导通（变截止）由导通（变截止） VRRRvVvCECCE8 . 042411 VVVVDTT7 . 1 VVvVET5 . 17 . 01 VVVVDTT8 . 0 VVVVTTT9 . 0 图图10.2.4 集成施密特触集成施密特触发器发器7413的电压传输特性的电压传输特性（6-15）图图10.2.5 CMOS集成施密特触发器集成施密特触发器CC40106 0 IvT1、T2 导通，导通，T4、T5 截止。截止。DDOVv 使使 T3 截止，截止，T 6 导通。导通。NthGSDDSVVv)(5 （6-16）NthGSSIVvv)(5 ，T5 导通导通T5 迅速迅速导通导通，

9、T3 导通导通，T1、T2 截止截止。 Ov 5Sv 5GSv)(55的导通内阻的导通内阻TRON )(21|5 . 2 . 253)(0thGSGSvVvKRONpDS ）式式（VT+ 比比1/2VDD 高高很多。很多。同理：同理：VT- 比比1/2VDD 低低很多。很多。（6-17）图图10.2.6 集成施密特触发器集成施密特触发器CC40106的特性的特性电压传输特性电压传输特性VDD对对VT、VT的影响的影响（6-18）10.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用一一 、 用于波形变换用于波形变换（6-19）二、二、 用于用于脉冲整形脉冲整形图图10.2.8 用用施施密特触发器对

10、密特触发器对脉冲整形脉冲整形传输线上电容较大传输线上电容较大传输线传输线较长较长，接收端的阻抗与传接收端的阻抗与传输线的输线的阻抗不匹配阻抗不匹配叠加其他信号叠加其他信号（6-20）三、用于脉冲鉴幅三、用于脉冲鉴幅 TV 只有那些幅度只有那些幅度大于大于 的脉冲会产生输出信号。的脉冲会产生输出信号。图图10.2.9 用用施密特触发器施密特触发器鉴别脉冲幅度鉴别脉冲幅度（6-21）稳定状态稳定状态稳定状态稳定状态暂稳态暂稳态由外界触发由外界触发自动返回自动返回10.3 单稳态触发器单稳态触发器特点：特点：稳态稳态和和暂稳态暂稳态两个状态。两个状态。暂稳态维持一段时间后，暂稳态维持一段时间后，自动

11、返回稳态自动返回稳态。暂稳态维持时间的长短取决于暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数电路本身的参数。用途：整形、延时、定时。用途：整形、延时、定时。（6-22）10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器用门电路组成的单稳态触发器一、微分型单稳态触发器（一、微分型单稳态触发器（CMOS门）门）dR 很小，稳态时很小，稳态时 DDTHOLDDOHVVVVV21, 0, 有有正正的触发的触发 脉冲输入时脉冲输入时IvDDIIVvv 2, 0DDoOVvv1, 0 dv 1Ov 2Iv Ov 有有很窄很窄的的正正脉冲脉冲dv 即使即使 vd 回到低电平，回到低电平，vO 的高电平仍将维持。的高电平仍

12、将维持。电路进入电路进入暂稳态暂稳态（6-23） 与此同时，与此同时，电容电容 C 开始开始充电充电使得使得 vI2 逐渐升高，逐渐升高，当当vI2=VTH 时时 2Iv Ov 1Ov 如果如果 vd 已回到低电平，则已回到低电平，则 vO1 、vI2 迅速跳变为高电平，迅速跳变为高电平，并使并使 vO=0。 同时电容同时电容 C 通过通过 R 和和 G2 的输入保护电路向的输入保护电路向 VDD 放电放电，直至电容上的电压为直至电容上的电压为 0 ，电路恢复到，电路恢复到稳定状态稳定状态。（6-24）抓住：抓住： 的变化这一要点的变化这一要点2Iv图图10.3.2 图图10.3.1电路的电压

13、波形电路的电压波形图图Cd 充电充电Cd 放电放电C 充电充电C 放电放电（6-25）1、输出脉冲宽度、输出脉冲宽度Wt图图10.3.3 图图10.3.1电路中电容电路中电容C充电的等效电路充电的等效电路 电容上的电压电容上的电压 vC 从充、放电开从充、放电开始到变化至某一数始到变化至某一数值值 VTH 所经过的时所经过的时间可以用下式计算间可以用下式计算THCCCVvvvRCt )()0()(ln其中，其中， 是是电容电容电压的电压的起始值起始值， 是是电容电容电压充、放电的电压充、放电的终了值终了值)( Cv)0(CvRCRCVVVRCtTHDDDDW69. 02ln0ln （6-26）

14、2、输出脉冲幅度、输出脉冲幅度mVOLOHmVVV 3、恢复时间、恢复时间ret在在 跳变为高电平以后跳变为高电平以后2Iv4、分辨时间、分辨时间dtreWdttt 图图10.3.4 图图10.3.1电路中电容电路中电容C放电的等效电路放电的等效电路CRtONre)53( （6-27）二、二、 积分型单稳态触发器（积分型单稳态触发器（TTL）R很小：保证很小：保证 为低电平为低电平 时时 可以降至可以降至 以下。以下。 1OvAvTHV电路由电路由正脉冲触发正脉冲触发。稳态下稳态下 均为均为高电平高电平。0 IvOAOv ,v ,v1输入正脉冲：输入正脉冲： vO1 变为低电平，变为低电平，v

15、A 维持维持高电平，故高电平，故 vO 变为变为低电平低电平，进入进入暂稳态暂稳态，电容，电容 C 开始开始放放电电。（6-28） THCCCVvvvlnRCt 0 THOLOHOLWVVVVlnCRRt 0 当当 时，时，的输入电流忽略不计。的输入电流忽略不计。 THAVv 2G计算计算Wt放电回路放电回路vA的波形的波形 OLCOHCVv,Vv 0（6-29）输出幅度输出幅度：OLOHmVVV 恢复时间恢复时间： CRRtre 053分辨时间分辨时间：触发脉冲的宽度和恢复时间之和。触发脉冲的宽度和恢复时间之和。是是 G1 输出高电平时的输出电阻输出高电平时的输出电阻R0放电回路放电回路re

16、TRdttt 优点优点：抗干扰能力强。：抗干扰能力强。缺点缺点：边沿较差：边沿较差(状态转换过程中无正反馈状态转换过程中无正反馈)； 要求要求触发脉冲宽度触发脉冲宽度大于大于输出脉冲宽度输出脉冲宽度。（6-30）10.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器一、一、TTL 集成单稳态触发器集成单稳态触发器图图10.3.9 集成单稳态触发器集成单稳态触发器74121的逻辑图的逻辑图微分型单稳控制附加电路（6-31）集成单稳态触发器集成单稳态触发器74121的工作波形图的工作波形图使用外接电阻使用外接电阻Rext （下降沿触发）下降沿触发）使用内部电阻使用内部电阻Rint （上升沿触发）上升沿触发

17、）74121的外部的外部连接方法连接方法不可重复触发型与可重复触发型不可重复触发型与可重复触发型单稳态触发器的工作波形单稳态触发器的工作波形不可重复触发型不可重复触发型可重复触发型可重复触发型（6-32）10.4 多谐振荡器多谐振荡器矩形波发生器矩形波发生器又称多谐振荡器。又称多谐振荡器。 它可以由分立元件构成，它可以由分立元件构成，也可以由集成电路构成。也可以由集成电路构成。一、电路一、电路 静态时门电路工作在静态时门电路工作在电压传输特性的电压传输特性的转折区转折区或或线性区线性区。 即即 的选取。的选取。21,FFRR10.4.1 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器图图10.4.1 10.

18、4.1 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器图图10.4.2 TTL反相器反相器（7404）的电压传输特性）的电压传输特性（6-33） OFBECCFFIvRRRVVRRRv111111 74系列：系列： 在在 到到 之间之间 1FR50.2图图10.4.3 10.4.3 计算计算TTLTTL反相器静反相器静态工作点的等效电路态工作点的等效电路 只要恰好地选取只要恰好地选取 值，就能值，就能够使静态工作点够使静态工作点 P 刚好位于电压传刚好位于电压传输特性的转折区域线性区。输特性的转折区域线性区。1FRIv1FR1RCCVOv1G OOBECCFFIvvVVRRRv 111111RRRvvFIO

19、 )VV(RRRvvBECCFFIO 1110时时，（6-34）二、工作原理二、工作原理 正跳变的过程正跳变的过程1Iv vO1 迅速跳变为低电平，迅速跳变为低电平，vO2 迅速跳变为高电平，电迅速跳变为高电平，电路进入路进入第一个第一个暂稳态暂稳态。 1Iv 1Ov 2Iv 2Ov 电容电容 C1 开始开始充电充电，C2 开始开始放电放电。（6-35） BEOHCCFFOHEFEVVVRRRVVR/RR 2121211C1充电的充电的等效电路等效电路C2放放电的电的等效电路等效电路（6-36） C1 同时经同时经 R1 和和 RF2 两条支路两条支路充电充电，所以充电速度较，所以充电速度较快

20、快，vI2 首先上升到首先上升到 G2 的阈值电压的阈值电压 VTH ，并引起下面，并引起下面正反馈正反馈： 2Iv 2Ov 1Iv 1Ov vO2 迅速跳变为低电平，迅速跳变为低电平，vO1 迅速跳变为高电平，电迅速跳变为高电平，电路进入路进入第二个第二个暂稳态暂稳态。 电容电容 C2 开始开始充电充电，C1 开始开始放电放电。 由于电路的对称性，这一过程与前面由于电路的对称性，这一过程与前面C1 充电充电，C2 放电放电的过程完全相同。的过程完全相同。（6-37）图图10.4.5 图图10.4.1电电路中各点电压的波形路中各点电压的波形C2放电放电C2充电充电C1 充电充电C1 放电放电T

21、TL 门电路输入端反向钳门电路输入端反向钳位二极管影响位二极管影响（6-38）111)(,)0(ECIKCVvVv 转换电压为转换电压为THVTHEIKEEVVVVCRT 11111lnCCCRRRFFF 2121,CRVVVVCRTFTHOHIKOHF3 . 1ln2 C1 充电起始值充电起始值IKIVv )0(2假定假定 ，则，则 C1 上的电压上的电压 0 OLV21ICvv THEIKEEVVVVCRTT ln2211当当 时，且时，且1RRF VVVVVVTHKIOH1 . 1,1,4 . 3 （6-39）例例10.4.1 在图在图10.4.1所示的对称式多谐振荡器电所示的对称式多谐

22、振荡器电路中，已知路中，已知 。G1 和和 G2 为为74LS04的两个反相器，它们的的两个反相器，它们的取取 。试计算电路的振荡频率。试计算电路的振荡频率。 FCCKRRFF 1 . 0,12121 KRVVVVVVTHIKOH20,1 . 1,1,4 . 31VVCC5 解：解： VVVVRRRVVKRRRRRBEOHCCFFOHEFFE44. 395. 0111 THEIKEEVVVVCRT ln2ss441022. 11 . 144. 3144. 3ln1095. 02故振荡频率为故振荡频率为kHzTf2 . 81 （6-40）10.4.2 非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器DDII

23、OVvvv21211 CMOS 门电路门电路的的输入电流输入电流在正常的在正常的输入高、低电平范围输入高、低电平范围内内几乎等于零几乎等于零，所以，所以 RF 上没有压降，上没有压降，G1 必然工作在必然工作在 vO1=vI1 的状态。的状态。图图10.4.7 图图10.4.6电路中电路中CMOS反相器静态工作点的确定反相器静态工作点的确定 正跳变的过程正跳变的过程1Iv 1Iv)(12OIvv 2Ov （6-41） vO1 迅速跳变为迅速跳变为低电平，低电平，vO2 迅速跳迅速跳变为高电平，电路进变为高电平，电路进入入第一个第一个暂稳态暂稳态。电容电容 C 开始开始充电充电。 随着随着 C

24、的放电，的放电，vI1 逐渐下降，当降到逐渐下降，当降到 vI1=VTH 时，又引起时，又引起 左面左面正反馈正反馈： 1Iv 2Iv 2Ov vO1 迅速跳变为迅速跳变为高电平，高电平，vO2 迅速跳迅速跳变为低电平，电路进变为低电平，电路进入入第二个第二个暂稳态暂稳态。电容电容 C 开始开始放电放电。（6-42）图图10.4.9图图10.4.6电路的电路的工作波工作波形图形图C 充电充电C 放电放电（6-43） 假若假若 G1 输入端传接的输入保护电阻输入端传接的输入保护电阻 RP 足够大，则足够大，则 vI1 高于高于 VDD+VDF 或低于或低于 VDF 时，时，G1 的的输入电流可以

25、忽略不计输入电流可以忽略不计。RF 远大于远大于 RON(N) 和和 RON(P) 时时3ln)(ln1CRVVVVVCRTFTHDDDDTHDDF （6-44） 同时，根据电路分析理论可知，在同时，根据电路分析理论可知，在 RC 电路充、放电过程电路充、放电过程中中电阻电阻两端的电压两端的电压从过渡过程开始变为某一数值从过渡过程开始变为某一数值 VTH 所经过的所经过的时间可用下式计算时间可用下式计算THRRRVvvvRCt )()0()(ln其中，其中， 是是电阻电阻电压的电压的起始值起始值， 是是电阻电阻电压充、放电的电压充、放电的终了值终了值)( Rv)0(Rv3ln0)(0ln2CR

26、VVVCRTFTHDDTHF 振荡周期为振荡周期为CRCRTTTFF2 . 23ln221 用用 TTL 反相器也可以组成非对称式多谐振荡器。但是在输入反相器也可以组成非对称式多谐振荡器。但是在输入电压低于电压低于 VTH 时反相器的输入电流不能忽略不计，所以电容充、放时反相器的输入电流不能忽略不计，所以电容充、放电的等效电路要复杂一些，输出电压波形的占空比也不等于电的等效电路要复杂一些，输出电压波形的占空比也不等于 50% .（6-45）例例10.4.2 在图在图10.4.6所示的非对称式多谐振荡器所示的非对称式多谐振荡器电路中，已知电路中，已知 G1 、G2 为为 CMOS 反相器反相器

27、CC4007，输出电阻小于，输出电阻小于 200 。若取。若取试求电路的振荡频率。试求电路的振荡频率。 FCKRKRVVFPDD 01. 0,3 . 4,30,10解：反相器输出电阻解：反相器输出电阻 RON(N) 、RON(P) 远小于远小于 RF，且，且 RP 较大较大CRTF2 . 2 ss5831046. 910103 . 42 . 2 故振荡频率为故振荡频率为kHzTf6 .101 （6-46）10.4.3 环形振荡器环形振荡器pdntT2 n 为大于、等于为大于、等于3 的的奇数奇数。1、环形振荡器、环形振荡器 利用逻辑门电路的利用逻辑门电路的传输延迟时间传输延迟时间，将，将奇数个

28、奇数个反相器反相器首尾相接，就可以构成一个简单的环形振荡器首尾相接，就可以构成一个简单的环形振荡器:振荡周期为振荡周期为（6-47）2、带、带RC延迟电路的环形振荡器延迟电路的环形振荡器：防止：防止 发生发生负突跳负突跳时流过时流过 输入端钳位二极输入端钳位二极管的电流过大。管的电流过大。sR3Iv3G改进改进电路（电路（b）的工作波形）的工作波形(a)(b)（6-48）（6-49）（6-50）RCT2 .2 THTHOHVVVRCTln2（6-51）10.4.4 用施密特触发器组成的多谐振荡器用施密特触发器组成的多谐振荡器一、用施密特触发器组成的多谐振荡器一、用施密特触发器组成的多谐振荡器想

29、法：使输入电压在想法：使输入电压在 和和 之间不停地往复变化。之间不停地往复变化。 TV TV 接通电源，向电接通电源，向电容容 C 充电充电。 TIVvOv放到放到 ，输出，输出 为为高高电平，又电平，又充电充电 TIVvOv充到充到 ，输出，输出 为为低低电平，电平，放电放电（6-52）（6-53）例例10.4.3 已知图已知图10.4.15电路中的施密特触发器为电路中的施密特触发器为CMOS电路电路CC40106, VDD=10V, R=10k, C=0.01uF, 试求该电路的振荡周期。试求该电路的振荡周期。解：解： 由由CC40106的电压传输特性可知的电压传输特性可知VT+=6.3

30、V, VT-=2.7V。mssVVVVVVRCTTTTDDTDD153. 0)(7 . 23 . 67 . 33 . 7ln(1010)ln(84（6-54）二、占空比可调的多谐振荡器二、占空比可调的多谐振荡器TDDTDDTDDTDDVVVVCRVVVVCRTTTlnln1221TDDTDDTDDTDDVVVVRVVVVRTTqlnln,%501221有时当占空比（6-55）10.4.5 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器一、石英晶体的电抗频率特性和符号一、石英晶体的电抗频率特性和符号图图10.4.18 石英晶体的电抗频率特性和符号石英晶体的电抗频率特性和符号xf电容电容性性0电容电容性性电

31、感电感性性0f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。（6-56）图图10.4.19 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器二、石英晶体多谐振荡器二、石英晶体多谐振荡器11101010 频率稳定度可达频率稳定度可达（6-57） 555定时器是将定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体模拟电路和数字电路集成于一体的电子的电子器件。它使用方便器件。它使用方便, ,带负载能力较强带负载能力较强, , 目前得到了非常广泛目前得到了非常广泛的应用。的应用。1

32、0.5.1 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能 1、CB555的电路图：的电路图：10.5 555定时器及其应用定时器及其应用 阈值端阈值端 触发端触发端控制电压输入端控制电压输入端:,:,:21COIIVTRvTHv（6-58）电阻网络：获得标准电压电阻网络：获得标准电压比较器比较器SR锁存器锁存器缓冲器缓冲器 ：提高带负载能力：提高带负载能力 三极管：开关三极管：开关21,RRVVDT4G（6-59）2、功能表：、功能表：01100（6-60）功能表：功能表：不变不变11（6-61）功能表：功能表：10011（6-62）功能表：功能表：10001（6-63）10.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器图图10.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器CCIVv31 时：时：OHOVv 时：时：不变不变OHOVv CCICCVvV3231 以后：以后：OLOVv CCIVv32 CCTVV32 增大从当0Iv时：时：（6-64）图图10.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触