脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座

第六章脉冲波形产生和整形6.1概述6.3单稳态触发器6.2施密特触发器6.4多谐振荡器6.5555定时器及其应用1脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第1页6.1概述数字电路区分于模拟电路主要特点之一是：它工作信号是离散脉冲信号。最惯用脉冲信号是方波(矩形波)。怎样产生方波以及对不理想方波怎样整形，是本章讨论重点。2脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第2页+VCCFS按钮按放一次，便产生一个单脉冲。

不过，因为按钮S机械动作经常伴有抖动现象，使得输出方波很不理想，毛刺很大。这么方波用到数字系统中很轻易引发误动作。所以，这个电路没有实用价值。3脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第3页脉冲周期T…周期性重复脉冲序列中，两个相邻脉冲之间时间间隔。脉冲幅度Vm…脉冲电压最大改变幅度。脉冲宽度tW…从脉冲前沿抵达0.5Vm起，到脉冲后沿抵达0.5Vm止一段时间。4脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第4页上升时间tr…脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需要时间。下降时间tf…脉冲下降沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需要时间。占空比q…脉冲宽度与脉冲周期比。5脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第5页6.2施密特触发器特点：第一，输入信号从低电平上升过程中，电路状态转换时对应输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应输入转换电平不一样。第二，在电路状态转换时，经过电路内部正反馈过程使输出电压波形边缘变得很陡。6脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第6页6.2.1用门电路组成施密特触发器用CMOS反相器组成施密特触发器

（a）电路（b）图形符号7脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第7页工作过程：当输入从0逐步升高并到达正反馈过程：结果：电路状态快速地转换为8脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第8页电路状态发生转换时对应输入电平：当输入从0逐步升高并到达正反馈过程：结果：电路状态快速地转换为称为正向阈值电压9脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第9页电路状态发生转换时对应输入电平：称为负向阈值电压10脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第10页0.50.51.01.01.51.52.02.02.52.53.03.03.53.54.04.0ABCDE2.4V0.4VOL（max）VOH（min）VVoViOFFVONV(V)(V)A(0V,3.6V)B(0.6V,3.6V)C(1.3V,2.48V)D(1.4V,0.3V)E(3.6V,0.3V)电压传输特征曲线1、AB段（截止区）2、BC段（线性区）3、CD段（过渡区）4、DE段（饱和区）输出高电平输出低电平11脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第11页（a）同相输出（b）反相输出电压传输特征经过改变电阻比值能够调整回差电压大小。12脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第12页例如图所表示，假如要求解13脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第13页14脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第14页用TTL门电路接成施密特触发器15脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第15页6.2.2集成施密特触发器带与非功效TTL集成施密特触发器16脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第16页集成施密特触发器7413电压传输特征17脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第17页CMOS集成施密特触发器CC4010618脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第18页集成施密特触发器CC40106特征（a）电压传输特征（b）VDD对VT＋、VT－影响19脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第19页用施密特触发器实现波形变换6.2.3施密特触发器应用一、用于波形变换20脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第20页用施密特触发器对脉冲整形二、用于脉冲整形21脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第21页用施密特触发器判别脉冲幅度三、用于脉冲鉴幅22脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第22页单稳态触发器简称单稳。它突出特点是:输出端只有一个稳定状态,另一个状态则是暂稳态.加入触发信号后,它能够由稳定状态转入暂稳态,不过,经过一定时间以后,它又会自动返回原来稳定状态。稳定状态稳定状态暂稳态由外界触发自动返回6.3单稳态触发器23脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第23页特点：第一、它有稳态和暂稳态两个不一样工作状态；第二、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，再自动返回稳态；第三、暂稳态维持时间长短取决于电路本身参数，与触发脉冲宽度和幅度无关。学习重点:为何会自动返回?需多少时间?24脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第24页6.3.1用门电路组成单稳态触发器一、微分型单稳态触发器25脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第25页单稳态触发器稳态时：当触发脉冲加到输入端时：当vd上升到VTH后，引发一个正反馈过程26脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第26页电容C开始充电。当vI2＝VTH时，引发另一个正反馈过程电路进入暂稳态：电路恢复到稳定稳态：电容经过电阻R放电。27脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第27页电压波形图28脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第28页电容C充电等效电路29脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第29页电容C放电等效电路30脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第30页二、积分型单稳态触发器0tuiuo1uAuo20t0t0tt1当ui

发生正跳变后,uo1跟着负跳变;但uA不能突变，uo2马上下跳。在ui正脉冲到来以前，uo1是高电平，uo2是高电平。uo1uo2RC1＆uiuA31脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第31页0tuiuo1uAuo20t0t0tt1uo1下跳后，C放电，uA下降。VTHuA=VTH时，uo2上跳。之后uA继续下降。uo1uo2RC12uiAui正脉冲过后，uo2随即恢复高电平。32脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第32页0tuiuo1uAuo20t0t0tt1UTuo1uo2RC12uiAW在ui合理配合下，单稳态触发器输出脉冲（uo2）宽度W，取决于电容放电速度。即R、C参数大小。33脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第33页6.3.2集成单稳态触发器集成化单稳组件类型很多,以下以74LS121为例,作为介绍对象。34脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第34页集成单稳态触发器74121工作波形图35脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第35页集成单稳态触发器74121外部连接方法（a）使用外接电阻Rext（下降沿触发）

（b）使用内部电阻Rint（上升沿触发）36脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第36页它管脚图和功效表见下页:74LS123包含两个独立单稳,各管脚以字头1、2相区分。单稳输出脉冲宽度，主要由外接定时电阻(RT

)和定时电容(CT

)决定。单稳翻转时刻决定于A、B、CLR三个输入相与结果，详细参见它功效表。37脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第37页91615141312111024365781CLRCLRQQQQ2B2A1B1A2Q1Q1Q2Q1CLR2CLR1CT2CTVCCGND2RT/CT1RT/CT74LS123管脚图38脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第38页CLRABQQ说明000000011111111稳态触发74LS123功效表39脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第39页74LS123输出脉冲宽度有三种控制方法:1.基本脉冲宽度由外接电阻(RT

)、电容(CT

)决定，当CT

>1000PF时，脉宽tW

应为：tW

=0.45RT

CT

2.在清零端(CLR

)加清0负脉冲,可提前终止输出脉冲,以下列图所表示:tWCLRQ单位：RT:k、CT:Pf、tW:nS40脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第40页3.经过在A端或B端加再触发脉冲,可使输出脉冲宽度加宽:tWtWBQ因为这种单稳能够经过加再触发脉冲增大输出脉冲宽度,所以,它被称为可再触发式单稳。41脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第41页单稳态触发器应用单稳应用各种多样,如:整形、延时控制、定时次序控制等等。比如“延时控制”利用单稳能够取得延时作用,延长时间能够经过R、C调整。请看下例:42脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第42页矩形波发生器又称多谐振荡器。它是一个自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲。6.4.1对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器是由两个反相器经耦合电容连接起来正反馈振荡回路。6.3多谐振荡器43脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第43页对称式多谐振荡器电路电路没有稳定状态。使得反相器工作在放大状态，只要输入有极微小扰动，就会被正反馈回路放大而引发振荡。44脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第44页TTL反相器（7404）电压传输特征45脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第45页计算TTL反相器静态工作点等效电路46脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第46页多谐振荡器工作原理外界干扰引发正反馈过程：进入第一个暂稳态同时C1开始充电而C2开始放电47脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第47页电路中电容充、放电等效电路

（a）C1充电等效电路（b）C2放电等效电路48脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第48页进入第二个暂稳态C1充电使vI2首先上升到G2阈值电压VTH，并引发以下正反馈过程：同时C2开始充电而C1开始放电49脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第49页电路中各点电压波形50脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第50页第一个暂稳态连续时间T1多谐振荡器周期T＝2T151脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第51页6.4.2非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器电路52脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第52页非对称式多谐振荡器工作原理CMOS反相器静态工作点确实定53脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第53页电容充、放电等效电路（a）放电等效电路（b）充电等效电路54脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第54页工作波形图55脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第55页利用逻辑门电路传输延迟时间，将奇数个与非门首尾相接，就能够组成一个简单环形振荡器:&&&uo3uo2uo16.4.3环形振荡器56脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第56页&&&321uo3uo2uo1设uo3

初始状态为0:010101用波形图来表示,则为:0tuo3优点:电路结构简单,所用元件少。缺点:频率太高,而且不可调整。57脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第57页123RRS100CAuo1uouo2321uo3uo2uo1在原电路基础上添加RC延时电路,便能够克服上图不足:下面将结合它工作波形说明其工作原理:58脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第58页0tuo0tuo20tuo10tuAUT假设：开始时uo=0电容上电流，uA下降uA>UT时，uo不反转。123RRS100CAuo1uouo201059脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第59页0tuo0tuo20tuo10tuAUT当uA=UT时，uo反转，uo1、uo2也一起反转。123RRS100CAuo1uouo260脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第60页0tuo0tuo20tuo10tuAUT因为电容电压不能突变,当uo1

发生下跳时,uA有一突变。U123RRS100CAuo1uouo261脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第61页0tuo0tuo20tuo10tuAUTUt1

后，uo2>uo1，电容反向充电,uA上升。只要uA<UT，uo就不反转。t1123RRS100CAuo1uouo262脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第62页0tuo0tuo20tuo10tuAUTU当uA=UT时(t2)，uo、uo1、uo2再次反转。t2123RRS100CAuo1uouo263脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第63页0tuo0tuo20tuo10tuAUTU因为uo1上跳，电容电压不能突变，所以uA上跳，然后uA开始下降电流方向123RRS100CAuo1uouo264脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第64页T0tuo0tuo20tuo10tuAUTU输出信号周期近似为:T=2.2RC123RRS100CAuo1uouo265脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第65页6.4.4用施密特触发器组成多谐振荡器用施密特触发器组成多谐振荡器66脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第66页电压波形图67脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第67页脉冲占空比可调多谐振荡器68脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第68页6.4.5石英晶体多谐振荡器石英晶体电抗频率特征和符号69脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第69页石英晶体多谐振荡器70脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第70页

555定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体电子器件。它使用方便,带负载能力较强,当前得到了非常广泛应用。6.5.1555定时器电路结构与功效

555定时器内部电路包含以下几部分:一个由三个相等电阻组成分压器;两个电压比较器:C1、C2

;一个RS触发器和集电极开路放电三极管TD组成。详细结构见后图。6.5555定时器及其应用71脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第71页CB555电路结构图72脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第72页RSQQ++--C1C2VCCTHCOTRDuoRD87645321RRR12345678555VCCDTHCOGNDTRUoRD电源放电阈值电控压制地触发输出复位电源电压范围:4.5V~18V管脚图73脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第73页CORSQQ++--C1C2VCCTHTRDTuoRD87645321RRR三个电阻组成分压器给两个比较器提供基准电压:C1

为2VCC

/3,C2

为VCC

/3。首先讨论上图中彩色部分电路工作原理。74脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第74页101000阈值端触发端THTRRS比较结果2VCC

/3小于2VCC

/3小于VCC

/3大于VCC

/3小于VCC

/3大于大于2VCC

/3SR++--C1C2VCCTHCOTR876521RRR阈值端触发端75脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第75页RSQQ++--C1C2VCCTHCOTRDTuoRD87645321RRR晶体管TRSQuo100100保持0110保持保持导通截止RSQ1001000101保持保持Q11禁止禁止RS触发器功效表附录:76脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第76页综合以上分析结果,便可得到555功效表:阈值端触发端THTR2VCC

/3VCC

/3大于大于2VCC/32VCC/3VCC

/3VCC/3小于小于小于大于保持保持RD晶体管Tuo0111001导通导通截止RSQQ++--C1C2VCCTHCOTRDuoRD87645321RRR77脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第77页用555定时器接成施密特触发器6.5.2用555定时器接成施密特触发器78脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第78页1、分析输入从0逐步升高过程：2、再看输入从高电平下降过程：79脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第79页电压传输特征80脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第80页用555定时器接成单稳态触发器6.5.3用555定时器接成单稳态触发器81脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第81页电压波形图82脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第82页单稳态触发器:洗相曝光定时器48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS若S打开,则ui

=1;若S合上,则ui

=0。0t0t0tuiuCuo2VCC

/3TW83脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第83页若S打开,则ui

=1;若S合上,则ui

=0。接通电源后，设按钮S处于打开状态,电容已充电至稳态。则：依前分析可知：此时uo

=0,555内晶体管T导通,电容CT被短路,TH<2VCC/3、TR>VCC/3。Uo保持0状态。48162357uouiVCCRRTCTDTHTRSTR>VCC/3。84脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第84页若S打开,则ui

=1;若S合上,则ui

=0。0tuiuo=0,555内管T导通,电容CT被短路。0tuCT2VCC/30tuo48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS85脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第85页0tuiS按下时,TR

<VCC

/3,已经有TH

<2VCC

/3,故uo

=1。此时555内晶体管T截止,CT

将充电。只要uCT

未充至2VCC

/3,uo=1

状态不会改变。0tuo0tuCT2VCC/348162357uouiVCCRRTCTDTHTRS86脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第86页一旦uCT>2VCC/3,且按钮已松开，TR>VCC

/3,则uo=0;555内晶体管T也由截止变成导通,电容CT快速放电而变成0V。0tui0tuCT2VCC

/30tuo48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS87脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第87页0tui0tuCT2VCC/30tuo由以上过程能够看出:按钮每按动一次,uo便输出一个正脉冲,其宽度TW

由RTCT决定。TW48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS88脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第88页48162357uouiVCCRRTCTDTHTRSJJ~红白D1D2按一次按钮

S未按uo0J线圈不通电J结点不动作红灯白灯亮灭1通电闭合亮灭红灯亮时间即为曝光时间TWTW=1.1RT

CT89脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第89页6.5.4用555定时器接成多谐振荡器90脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第90页电压波形图91脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第91页用555定时器组成占空比可调多谐振荡器92脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第92页设计多谐振荡器93脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第93页(3)多谐振荡器:简易电子琴电路48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCCuC0tVCC

/32VCC

/3首先说明怎样用555定时器组成多谐振荡器:0tuo输出波形94脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第94页设电容C原先未充电,故TH=TR<VCC/3,此时uo

=1,555内晶体管T截止,电源经过R1

和R2

对电容C充电。uC0tVCC

/32VCC

/30tuo在uC没有充电到2VCC/3之前,uo

保持

1不变。48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC95脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第95页uC0tVCC

/32VCC

/30tuouC一旦充至2VCC/3，则TH=TR=2VCC

/3、uo由1翻转为0。同时555内晶体管T导通,电容C经R2、T放电,一直至VCC

/3，使得uo

回到1,进入循环...t1t2t3在uC没有充电到2VCC/3之前,uo

保持

1不变。48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC96脉冲波形的产生和整形专业知识讲解专家讲座第96页0tuou