电子技术基础教程第15章脉冲波形的产生与变换课件

1、第15章 脉冲波形的产生与变换 15.1 RC电路15.2 施密特触发器15.3 单稳态触发器15.4 多谐振荡器 15.5 555定时器及其应用本章小结7/28/20221第15章 脉冲波形的产生与变换 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。 7/28/20222本章主要讨论几种常用脉冲波形的产生与变换电路：（功能、特点及其主要应用简介）1.RC电路：对矩形波进行微分、积分变换，或作脉冲分压器；2.施密特触发器：主要用以

2、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；3.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；4.多谐振荡器：产生矩形脉冲；5.555定时器。7/28/2022315.1.1 常用脉冲波形及参数 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。 15.1 RC电路图15-1 常见的脉冲波形图 7/28/202242. 矩形波及其参数 图15-2 非周期性和周期性矩形波(a) 非周期性 (b) 周期性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。 7/28/20225图15-3 矩形波的主要参数 周期性矩形波的周期用T表示，有时

3、也用频率f表示（f =1/ T）。 矩形波的另外几个主要参数： （1）脉冲幅度Um （2）脉冲宽度tw （3）上升时间tr （4）下降时间tf （5）占空比q =t w /T 。通常q用百分比表示，如果q =50%，则称为对称方波。 7/28/2022615.1.2 RC电路的应用 可对矩形波进行变换，常用的有微分电路、积分电路和脉冲分压器。 图15-4 微分电路 1. 微分电路 可将矩形波变换为尖峰波（条件RCtw）。 由于电路的输出uO只反映输入波形uI的突变部分，故称为微分电路。 7/28/202272. 积分电路 图15-5 积分电路 (a)电路 若满足条件RCt w ，可将矩形波变换

4、为三角波。如图（b）所示。如果RCt w（即不满足积分电路的条件）， 输出波形uO的边沿变差了。如图（c）所示。7/28/202283. 脉冲分压器 在模拟电路中，常用电阻分压器来实现正弦波信号的无失真传输。 但是，对脉冲信号的传输，不能采用简单的电阻分压器，因为分布电容的影响，会使输出波形的边沿发生畸变。7/28/20229图15-6 脉冲分压器 为了实现脉冲信号的无畸变传输，需要采用脉冲分压器。 各种示波器的输入衰减器采用的就是这种脉冲分压器。只要满足条件C1R1 =C2R2，则可实现脉冲信号的无畸变传输。 7/28/20221015.2 施密特触发器 主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为

5、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，从而产生边沿陡峭的矩形脉冲。 7/28/20221115.2.1用集成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。 图15-7 用集成门电路构成的施密特触发器（a） 电路 （b）逻辑符号7/28/2022122. 工作原理 （1）工作过程 设CMOS反相器的阈值电压UTH=VDD/2，输入信号uI为三角波。 7/28/202213当uI=0V时， G1截止、G

6、2导通，输出为UOL，即uO=0V。只要满足uI1UTH，电路就会处于这种状态（第一稳态）。当uI上升，使得uI1 =UTH时，电路会产生如下正反馈过程： 7/28/202214电路会迅速转换为G1导通、G2截止，输出为UOH，即uO=VDD的状态（第二稳态）。此时的uI值称为施密特触发器的上限触发转换电平UT+。显然，uI继续上升，电路的状态不会改变。7/28/202215如果uI下降，uI1也会下降。当uI1下降到UTH时，电路又会产生以下的正反馈过程： 电路会迅速转换为G1截止、G2导通、输出为UOL的第一稳态。此时的uI值称为施密特触发器的下限触发转换电平UT。uI再下降，电路将保持状

7、态不变。 7/28/202216 （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。 图15-8 施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 7/28/202217集成施密特触发器的UT+和UT的具体数值可从集成电路手册中查到。如CT74132的UT+1.7 V、UT0.9 V，所以，UTUT+UT1.7 V0.9 V0.8 V。 15.2.2 集成施密特触发器 1.施密特反相器TTL的74LS14和CMOS的CC4010

8、6均为六施密特触发的反相器。下面以CC40106为例说明其功能。 7/28/202218图15-9 施密特触发反相器(a) 原理框图 (b) 电压传输特性 (c) 逻辑符号 为了提高电路的性能，电路在施密特触发器的基础上，增加了整形级和输出级。 整形级可以使输出波形的边沿更加陡峭， 输出级可以提高电路的负载能力。 7/28/2022192.施密特触发与非门电路 为了对输入波形进行整形，许多集成门电路采用了施密特触发形式。比如CMOS的CC4093和TTL的74LS13就是施密特触发的与非门电路。 图15-10 施密特触发与非门的逻辑符号7/28/2022201. 波形变换 将变化缓慢的波形变换

9、成矩形波（如将三角波或正弦波变换成同周期的矩形波）。图15-11 波形变换 15.2.3施密特触发器的应用7/28/2022212.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。 图15-12 脉冲整形 波形畸变边沿振荡7/28/2022223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。图15-13 脉冲鉴幅 7/28/202223工作特点： 第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态； 第二，在外加脉冲作用下，触发器能从稳态翻转到暂稳态；

10、 第三，在暂稳态维持一段时间后，将自动返回稳态，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外加触发信号无关。例：楼道的路灯 。15.3 单稳态触发器 7/28/20222415.3.1 用集成门电路构成的单稳态触发器 1. 电路组成及工作原理 暂稳态是靠RC电路的充放电过程来维持的。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。 图15-14 集成门电路构成的单稳态触发器 7/28/202225 （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

11、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： 7/28/202226使电路迅速变为G1导通、G2截止的状态，此时，电路处于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。 7/28/202227 （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： 7/28/202228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

12、电阻R放电，使电容上的电压恢复到稳态时的初始值。 7/28/202229图15-15 单稳态触发器工作波形 7/28/2022302.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 （2） 恢复时间tre 暂稳态结束后，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）。 7/28/202231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/

13、Tmin = 1/（tw +tre） 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输入端之间接入一个RC微分电路。 3.对输入触发脉冲宽度的要求 （3）最高工作频率fmax（或最小工作周期Tmin）7/28/20223215.3.2 集成单稳态触发器 用集成门电路构成的单稳态触发器虽然电路简单，但输出脉冲宽度的稳定性较差，调节范围小，而且触发方式单一。因此实际应用中常采用集成单稳态触发器。 1. 输入脉冲触发方式 上升沿触发 下降沿触发 7/28/2022332. 不可重

14、复触发型与可重复触发型 图（a）为不可重复型触发单稳态触发器该电路在触发进入暂稳态期间如再次受到触发，对原暂稳态时间没有影响，输出脉冲宽度tw仍从第一次触发开始计算。 图（b）为可重复触发型单稳态触发器 该电路在触发进入暂稳态期间如再次被触发，则输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽tw。 因此，采用可重复触发单稳态触发器，可比较方便地得到持续时间更长的输出脉冲宽度。7/28/2022343. 集成单稳态触发器74121的功能及其应用74121是一种不可重复触发的单稳态触发器，它既可采用上升沿触发，又可采用下降沿触发，其内部还设有定时电阻Rint(约为2k)。 表15-1 74121电路

15、的功能表 图15-16 74121的电路符号 触发输入端 输出端 外接定时元件引脚 内部电阻引脚 7/28/202235功能： （1）触发方式： 7/28/202236图15-17 74121应用电路（2）定时元件接法： 输出脉冲uO的宽度：tw 0.7RCext外接电容Cext一般取值范围为10 pF10F，在要求不高的情况下最大值可达1000F。图(a)：外接电阻R=Rext（1.440k）。图(b)：用内部电阻RRint (约为2k)。7/28/20223715.3.3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整形、定时和延时。 图15-18单稳电路的延时作用 如果需要延

16、迟脉冲的触发时间，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。 7/28/2022382.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)。 图15-19脉冲定时7/28/202239 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。15.4 多谐振荡器 7/28/20224015.4.1 对称式多谐振荡器 1. 电路组成由两个TTL反相器经电容交叉耦合而成

17、。通常令C1=C2=C，R1=R2=RF。为了使静态时反相器工作在转折区，具有较强的放大能力，应满足ROFFRFRON的条件。 图15-20对称式多谐振荡器 7/28/2022412.工作原理 假定接通电源后，由于某种原因使uI1有微小正跳变，则必然会引起如下的正反馈过程 ： 使uO1迅速跳变为低电平、uO2迅速跳变为高电平，电路进入第一暂稳态。此后，uO2的高电平对C1电容充电使uI2升高，电容C2放电使uI1降低。由于充电时间常数小于放电时间常数，所以充电速度较快，uI2首先上升到G2的阈值电压UTH，并引起如下的正反馈过程： 7/28/202242使uO2迅速跳变为低电平、uO1迅速跳变

18、为高电平，电路进入第二暂稳态。此后，C1放电、C2充电，C2充电使uI1上升，会引起又一次正反馈过程，电路又回到第一暂稳态。这样，周而复始，电路不停地在两个暂稳态之间振荡，输出端产生了矩形脉冲。 7/28/202243图15-21 对称式多谐振荡器的工作波形 7/28/2022443.主要参数 矩形脉冲的振荡周期为 T1.4RFC当取RF1k、CI00 pF100 F时，则该电路的振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内变化。7/28/20224515.4.2 环形振荡器 1. 最简单的环形振荡器 图15-22 最简单的环形振荡器 (a) 电路 (b) 工作波形利用集成门电路的传输延迟时间，将奇数个反

19、相器首尾相连便可构成最简单的环形振荡器。该电路没有稳定状态。 如此周而复始，便产生了自激振荡。振荡周期T=6tpd。 7/28/2022462. RC环形振荡器 最简单的环形振荡器构成十分简单，但是并不实用。因为集成门电路的延迟时间tpd极短，而且振荡周期不便调节。图15-23 RC环形振荡器 利用电容C的充放电，改变uI3的电平(因为RS很小,在分析时往往忽略它。)来控制G3周期性的导通和截止，在输出端产生矩形脉冲。 RS是限流电阻（保护G3），通常选100左右。增加RC延迟环节，即可组成RC环形振荡器电路。 7/28/202247图15-24 RC环形振荡器的工作波形 电路的振荡周期为 T

20、2.2RCR不能选得太大（一般1k左右），否则电路不能正常振荡。 。 7/28/20224815.4.3石英晶体振荡器 前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是振荡频率不够稳定，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。 7/28/202249石英晶体具有很好的选频特性。当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率fo相同时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易通过，而其它频率的信号则被衰减掉。

21、因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率fo，而与RC无关。7/28/202250图15-25石英晶体振荡器电路 在对称式多谐振荡器的基础上，串接一块石英晶体，就可以构成一个石英晶体振荡器电路。该电路将产生稳定度极高的矩形脉冲，其振荡频率由石英晶体的串联谐振频率fo决定。 7/28/202251555定时器为数字模拟混合集成电路。可产生精确的时间延迟和振荡，内部有3个5K的电阻分压器，故称555电路。在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。 15.5 555定时器及其应用7/28/20225

22、2各公司生产的555定时器的逻辑功能与外引线排列都完全相同。双极型产品CMOS产品单555型号的最后几位数码5557555双555型号的最后几位数码5567556优点驱动能力较大低功耗、高输入阻抗电源电压工作范围516V318V负载电流可达200mA可达4mA7/28/20225315.5.1 555定时器 1. 电路组成图15-26 555定时器(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7/28/202254（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。 7/28/202255（2） 电压比较器C1和C2。当UU时，

23、UC输出高电平，反之则输出低电平。7/28/202256CO为控制电压输入端。当CO悬空时，UR12/3VCC，UR21/3VCC。当COUCO时，UR1UCO，UR21/2UCO 7/28/202257TH称为高触发端，TR 称为低触发端。 7/28/202258 （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处于高电平。 7/28/202259 （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。7/28/202260 （5）缓冲器 缓冲器由G3和G4构成，用于提高电路的负载能力

24、。7/28/2022612.工作原理 TH接至反相输入端，当THUR1时，UC1输出低电平，使触发器置0，故称为高触发端（有效时置0）； TR接至同相输入端，当TRUR2时，UC2输出低电平，使触发器置1，故称为低触发端（有效时置1）。 表15-2 555定时器的功能表 7/28/20226215.5.2 555定时器的应用举例1.构成施密特触发器 思考：施密特触发器的特点？回差特性：上升过程和下降过程有不同的转换电平UT和UT。 如何与555定时器发生联系？ 内部比较器有两个不同的基准电压UR1和UR2。 7/28/2022631.构成施密特触发器 图15-27 555定时器构成的施密特触发器（a）电路 （b）工作波形如果在UIC加上控制电压，则可以改变电路的UT+和UT。 7/28/2022642. 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 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07/28/202265图15-28 555定时器构成