脉冲波形的产生和整形

脉冲波形的产生和整形第一页，共九十二页，编辑于2023年，星期二重点难点施密特触发电路-----基本电路重点：产生振荡的原理多谐振荡器-----参数与特性定性关系单稳态电路-----典型电路难点：555定时器的工作原理及应用脉冲电路过渡过程的分析、等效电路的建立第十章脉冲波形的产生与整形第二页，共九十二页，编辑于2023年，星期二10.1概述一、脉冲信号脉冲是脉动和短促的意思，凡是具有不连续波形的信号均可称为脉冲信号。广义讲，各种非正弦信号都是脉冲信号。(a)矩形波(b)方波(c)尖脉冲(d)锯齿波(e)梯形脉冲(f)三角波(g)钟形脉冲(h)阶梯型脉冲第三页，共九十二页，编辑于2023年，星期二在数字系统中常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿的矩形脉冲信号，如触发器的时钟脉冲CLK。脉冲整形、变换电路——单稳态触发器、施密特触发器

脉冲产生电路——多谐振荡器获取这些脉冲信号的方法通常有两种：①脉冲产生电路直接产生；②利用已有的周期信号整形、变换得到。555定时器—单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器

第四页，共九十二页，编辑于2023年，星期二二、脉冲信号的参数占空比q－－脉冲宽度与脉冲周期的比值，q＝tW/T脉冲周期上升时间下降时间脉冲幅度脉冲宽度第五页，共九十二页，编辑于2023年，星期二三、脉冲产生电路的暂态分析脉冲波形产生与整形电路多是由RC充放电电路构成的。①开关闭合的一瞬间，电容器上电压不能突变，满足换路定理UC(0+)=UC(0-)。②充电暂态过程结束后，流过电容器的电流iC(∞)=0，即电容器相当于开路。tMU(t)UTtU(∞)0U(0+)CCCUC(t)SUCR第六页，共九十二页，编辑于2023年，星期二④令uC(tW)=UT，则从暂态过程的起始值UC(0+)变到UT所经历的时间tW可用下式计算：③电路的时间常数τ=RC，τ决定了暂态时间的长短。根据三要素公式，可以得到电压随时间变化的方程为tWU(t)UTtU(∞)0U(0+)CCC第七页，共九十二页，编辑于2023年，星期二10.2施密特触发器——施密特触发器是一种常用的脉冲信号整形电路工作特性：①具有两个稳态；②属于电平触发，缓慢变化的信号也可以作为输入信号，当输入信号达到某一特定值时，输出电平就发生突变；③输入信号从低电平上升时，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时对应的输入转换电平不同uo0VT－VT+uI电压传输特性①输入信号上升时对应的转换电平VT+

，称为正向阈值电压；②输入信号下降时对应的转换电平VT-，称为负向阈值电压；③差值ΔVT＝VT+－VT-，称为回差电压。第八页，共九十二页，编辑于2023年，星期二10.2.1用门电路构成的施密特触发器工作原理：第九页，共九十二页，编辑于2023年，星期二工作原理：第十页，共九十二页，编辑于2023年，星期二输入信号在上升和下降过程中，电路状态转换的输入电平不同。电路状态转换时有正反馈过程，使输出波形边沿变陡电路的电压传输特性同向输出反向输出第十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期二一、双极型IC10.2.2集成施密特触发器第十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期二第十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期二器件实例7413回差电压典型值=0.8V第十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期二二、CMOSIC第十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期二10.2.3施密特触发器的应用1.波形变换施密特触发器可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换成边沿陡峭的矩形脉冲信号。第十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期二2.脉冲整形施密特触发器可以将不规则的波形整形为矩形波。若适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。uot0(c)b)(0uotuIt0U+U－U－'(a)第十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期二第十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期二从一系列幅度不同的脉冲信号中选出幅度大于正向阈值电压VT+的输入脉冲，即对幅度进行鉴别。3.幅度鉴别VT-VT+uIt0uIt0uo0tuo0t第十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期二4.构成多谐振荡器电容上初始电压为零，即uI＝0，则uO＝1，并经R向C充电，当充至uI＝U+时，输出翻转uO＝0。电容C又经R进行放电，当放电至uI＝U-时，输出翻转uO＝1。工作原理：第二十页，共九十二页，编辑于2023年，星期二10.3单稳态触发器单稳态触发器是一种常用的脉冲整形电路，简称单稳由外界触发自动返回稳定状态稳定状态暂稳态恢复期工作特性：①它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；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以后，电路能自动返回稳态；③暂稳态不能长久保持，其维持时间的长短取决于电路自身参数，与外界触发脉冲无关。脉冲整形、延时、定时第二十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期二G1和G2为CMOS门一、微分型单稳态触发器10.3.1用门电路组成的单稳态触发器第二十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期二微分型单稳触发器电压波形图第二十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期二1、输出脉宽：性能参数计算2、恢复时间：3、分辨时间：4、脉冲幅度：第二十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期二G1和G2为TTL门10.3.1用门电路组成的单稳态触发器二、积分型单稳态触发器第二十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期二1、输出脉宽：积分型单稳态触发器电压波形及性能参数计算第二十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期二2、恢复时间：3、分辨时间：4、脉冲幅度：第二十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期二电路结构与工作原理(74121)微分型单稳控制附加电路10.3.2集成单稳态触发器第二十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期二第二十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期二集成单稳态触发器74LS121逻辑功能表暂稳态持续的时间由RC时间常数决定：Tw=0.7RC。第三十页，共九十二页，编辑于2023年，星期二单稳态触发器的应用1.脉冲整形uitWuO单稳态触发器能够把输入的不规则脉冲信号ui，整形为具有一定幅度和一定宽度的标准矩形脉冲uO。uO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于定时元件R和C。单稳态触发器的整形波形tWuotOuitO第三十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期二2.脉冲延时如果需要延迟脉冲的触发时间，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。第三十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期二脉冲延时电路可用两个单稳态触发器完成。延时时间为tW1，它决定于第一级单稳态触发器的定时元件R和C。11uIu0（tW1）（tW2）单稳态触发器的延时波形第三十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期二3.定时由于单稳触发器可产生宽度为tW的矩形脉冲，利用这个矩形脉冲去控制某电路，使它在tW的时间内动作或不动作，这就是单稳态触发器的定时作用。定时时间为tW，可通过调节定时元件R和C来调节定时时间。单稳态触发器的定时波形第三十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期二10.4多谐振荡器——多谐振荡器是一种常用的脉冲信号产生电路工作特性：①无稳态，具有两个暂稳态；②自激振荡器－－在接通电源后，不需外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲；③矩形波中除基波外，还含有丰富的高次谐波－－故称为多谐振荡器。自动触发自动返回暂稳态0暂稳态1暂稳态0第三十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期二(1)静态（未振荡）时应是不稳定的10.4.1对称式多谐振荡器一、工作原理（TTL）P点即为静态工作点RF=0.5~1.9K第三十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期二第三十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期二二、电压波形第三十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期二三、振荡频率计算第三十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期二一、工作原理（CMOS）10.4.2非对称式多谐振荡器第四十页，共九十二页，编辑于2023年，星期二二、电压波形C放电的等效电路C充电的等效电路第四十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期二三、脉冲宽度计算第四十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期二一、最简单的环形振荡器10.4.3环形振荡器第四十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期二二、实用的环形振荡器第四十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期二第四十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期二第四十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期二10.4.4用施密特触发器构成的多谐振荡器第四十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期二10.4.5石英晶体多谐振荡器第四十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期二各公司生产的555定时器的逻辑功能与外引线排列完全相同

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5~16V3~18V负载电流可达200mA可达4mA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。10.5555定时器及其应用第四十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期二10.5.1555定时器的电路结构与功能555定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，可方便地构成单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器。分压器比较器SR锁存器放电三极管第五十页，共九十二页，编辑于2023年，星期二②5脚外接控制电压VCO时，1.分压器①5脚悬空时，，；注：当5脚不加控制电压时，通常经过一个0.01µF的电容接地，以抑制干扰。电压控制端第五十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期二2.电压比较器V+≥V-时，VCi＝1；V+＜V-时，VCi＝0。

阈值输入端触发输入端3.SR锁存器R′

S′Qn+100不定01010111Qn异步清零端第五十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期二TD是一个集电极开路的放电三极管。当vO＝0时，TD导通；当vO＝1时，TD截止。

4.放电三极管放电端第五十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期二555定时器的功能555定时器的主要功能取决于两个比较器输出对SR锁存器和放电管TD状态的控制。输入输出0XX0导通10导通1不变不变11截止11截止555的功能表第五十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期二10.5.2555定时器构成的施密特触发器1.电路结构和逻辑符号173845555DuOVcc62ui0.01F第五十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期二①当5脚不接控制电压时，②当5脚接控制电压VCO时，比较电压变为VCO和（1/2）VCO，

uot00uI13VCC23VCCtV-­V+uOHuOL2.工作原理(1)上升过程：①时，vO＝1；②时，vO保持不变；③时，输出翻转vO＝0。5脚经过0.01µF电容接地，则，。(2)下降过程：①时，vO＝0；②时，vO保持不变；③时，输出翻转vO＝1。第五十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期二Vi上升(下降)时，电路输出Vo改变状态时对应的输入电压为VT+(VT

–)，两者的差值称为回差电压，即3.电压传输特性VT+OViVTVOLVoVOHVot00VI13VCC23VCCtVT-­VT+VOHVOL电压传输特性：滞后特性。第五十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期二10.5.3555定时器构成的单稳态触发器5脚经过0.01µF电容接地，则，48762315vCCvovIR1VCC0.01μF555第五十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期二1.工作原理第五十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期二第六十页，共九十二页，编辑于2023年，星期二③恢复期：

TD导通，电容C迅速放电，直到使vC≈0，电路又恢复到稳态。②暂稳态：vI触发脉冲下降沿到达时（），电路进入暂稳态，vO＝1。当时，vO＝0，暂稳态结束。①稳态：

无触发信号时，vI为高电平。电容先充电后放电，当vC＝0时，电路进入稳态：vO＝0。注：电路对输入触发脉冲的宽度有一定要求，它必须小于tW。若输入触发脉冲宽度大于tW时，应在vI输入端加入微分电路。小结：第六十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期二TvI13VCC0vo0tWtWvC023VCCtttVCC2.输出脉冲宽度tW

tW是暂稳态的停留时间，即电容C的电压从0充电到所需的时间。tW仅决定于定时元件R、C的取值，而与输入触发信号和电源电压无关，因此调节R、C的大小，即可方便地改变tW。

矩形脉冲的周期与输入的触发信号周期相同。第六十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期二10.5.4555定时器构成的多谐振荡器1.电路结构48762315CVCCR1R2555vo0.01µFvC第六十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期二vC13VCCvo0T123VCCttVCCT202.工作原理接通电源后，电容C来不及充电，vc＝0，则vO＝1(第一个暂稳态)，TD截止。这时Vcc经R1和R2向C充电，当充至vc＝2/3Vcc时，输出翻转vO＝0(第二个暂稳态)，TD导通；这时电容C经R2和TD放电，当降至vc＝1/3Vcc时，输出翻转vO＝1。第六十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期二3.参数的估算①电容充电时间T1：②电容放电时间T2：③电路振荡周期T：vC13VCCvo0T123VCCttVCCT20T第六十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期二④电路振荡频率f：通过改变R、C的参数可改变振荡周期和振荡频率。⑤输出波形占空比q：若R2>>R1，则q≈1/2，即输出为对称方波。（q≥50％）第六十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期二4.改进电路－－占空比可调的多谐振荡器利用二极管的单向导电性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个可调电位器RW，构成占空比可调的多谐振荡器。①电容充电时间T1：

T1＝0.69R1C②电容放电时间T2：

T2＝0.69R2C④输出波形占空比q：③电路振荡周期T：

T＝T1+T2＝0.69(R1+R2)C若R1=R2，则q=50%。847623VCCR1R2555RWvo0.01µFCVD2VD151第六十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期二充电回路为：放电回路为：充电时间常数：τ1=（R1+RW1）C放电时间常数：τ2=（R2+RW2）C例试分析图示占空比可调多谐振荡器的工作原理，试求它的振荡频率f=?占空比D=？VDD→R1→RW1→D1→C→地C→R2→D2→RW2→放电管T→地振荡周期：

T=t1+t2=0.7(R1+R2+RW)C占空比为：第六十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期二5.555定时器构成的振荡器应用实例－－模拟声响发生器将振荡器A的输出电压vo1，接到振荡器B中555定时器的复位端（4脚）。当vo1为高电平时振荡器B振荡，当vo1为低电平时555定时器复位，振荡器B停止振荡。这样，扬声器便发出“呜…呜”的间歇声响。84762351555A0.01µFCR1AR2A847623155550.01µFCR1BR2BRdvo18Ωvo25µFVCCuo1uo2(a)(b)B第六十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期二【10.26】计算（1）扬声器发出声音的高、低音频率；（2）高、低音的持续时间。VCC=12V，555定时器输出的高低电平分别为11V和0.2V救护车扬声器发音电路第七十页，共九十二页，编辑于2023年，星期二第七十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期二琴键S1～Sn均未按下时，三极管T接近饱和导通，υE≈0V，振荡器停振，当按下不同琴键时，因R1～Rn的阻值不等，扬声器发出不同的声音。若RB=20kΩ，R1=10KΩ，RE=2kΩ，三极管的β=150，VCC=12V，R=20kΩ，C=0.1μF，试计算按下琴键S1时扬声器发出声音的频率。

简易电子琴电路第七十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期二第七十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期二当开关S断开后，经过一定的延迟时间后扬声器开始发出声音，如果在延迟时间内S重新闭合，扬声器不会发出声音。求延迟时间和扬声器的频率，G1输出的高、低电平分别为VOH=12V，VOL=0V。

延迟报警电路第七十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期二第七十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期二当频率为谐振频率f0时，石英晶体的等效阻抗最小，信号最容易通过，而其它频率信号均被衰减掉。－－晶体的选频特性极好。为了提高振荡器的频率稳定度，往往使用石英晶体多谐振荡器。6.石英晶体多谐振荡器555构成的多谐振荡器的特点：①优点：工作可靠，调节方便。②缺点：振荡频率不能太高，fMAX=500KHz；受电源波动、温度变化等影响，频率稳定性较差。f0只与晶体的材料、几何形状和尺寸大小有关，而与电路中的R、C数值无关。－－输出频率稳态性很高。X0f0f石英晶体的图形符号和电抗频率特性石英晶体的固有频率或谐振频率第七十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期二石英晶体振荡器①电阻RF的作用：保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对74系列反相器，常取RF＝0.5kΩ～1.9kΩ，而对于CMOS门，则常取RF＝10MΩ；②C是耦合电容。电路的振荡频率等于石英晶体的谐振频率f0。f0第七十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期二秒脉冲发生器①CMOS石英晶体多谐振荡器产生f=32768Hz的基准信号；②经T′触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒脉冲信号。③这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源。第七十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期二1、单稳态工作模式1.1脉冲启动的单稳555时基电路的基本工作模式第七十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期二1.2单稳型压控振荡器（VCO）第八十页，共九十二页，编辑于2023年，星期二2.2双稳态工作模式2.2.1SR锁存器（双限比较器）2.2.2施密特触发器（滞后比较器）第八十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期二2.3无稳态工作模式2.3.1直接反馈型多谐振荡器2.3.2间接反馈型多谐振荡器第八十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期二4、定时工作模式3.3无稳型压控振荡器（VCO）第八十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期二----------矩形脉冲的产生和变换电路第10章小结

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。1.熟练掌握555定时器的工作原理及应用；2.正确理解单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器的工作原理及应用。第八十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期二

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。

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。第八十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期二习题分为4类：施密特触发器的VT+和VT-计算单稳态电路的分析计算多谐振荡器的分析计算555定时器的应用本章习题类型与解题方法第八十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期二(4)分析确定输入高于VT+以后电路的状态。(5)找出输入电压下降过程中电路状态发生转换是由哪一点的电压控制的。(6)计算该点电压引起电路状态发生变化时所对应的输入电压值，即VT-。一、施密特触发器阈值电压的计算(1)分析确定输入为0时电路的状态。(2)找出输入电压上升过程中电路状态发生转换是由哪一点的电压控制的。(3)计算该点电压引起电路状态发生变化时所对应的输入电压值，即