数电 第十章脉冲波形的产生和整形

数电第十章脉冲波形的产生和整形第1页，课件共48页，创作于2023年2月§10-1概述获取矩形脉冲波形（时钟）的途径有两种：2、用整形电路把已有的周期性变化的波形整形产生1、用多谐振荡器直接产生矩形脉冲波形的整形电路——施密特触发器、单稳态触发器。用门电路可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。用555定时器也可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。第2页，课件共48页，创作于2023年2月§10-2施密特触发器

10-2-1特点和用途一、特点

1、电平触发：触发信号UI可以是变化缓慢的模拟信号，UI达某一电平值时，输出电压U0突变。U0为脉冲信号。

2、电压滞后传输：输入信号UI从低电平上升过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与UI

从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同。施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。利用上述两个特点，施密特触发器不仅能将边沿缓慢变化的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，还可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。第3页，课件共48页，创作于2023年2月同向输出特性：VT+UoUIUoLUoH二、输出特性VT

UI=VT-

时，Uo=UoLUI=VT+时，

Uo=UoH0当UI=0时，Uo=UoL正向阈值电平VT+：

UI

上升时，引起Uo

突变时对应的UI

值。第4页，课件共48页，创作于2023年2月反向输出特性：VT+UoUIUoLUoHUI=VT+时，Uo=UoL

UI=VT-

时，Uo=UoHVT0当UI=0时，Uo=UoH负向阈值电平VT-

：

UI

下降时，引起Uo

突变时对应的UI值。三、用途：整形，构成单稳态触发器，构成多谐振荡器。第5页，课件共48页，创作于2023年2月UO1UI’UIUO11R2R1G1G210-2-2用门电路构成施密特触发器一、构成UIUO1UO说明UI=00010同相施密特触发器

UI上升过程中VT+VTH10VT+VTH10G1、G2门将要翻转=VT+=VTH0UO突变UI下降过程中>VT->VTH010110VT-VTH=VT-=VTHG1、G2门将要翻转UO突变1UI’（用CMOS非门）=>=>=>=>二、工作原理>VT+>VTH0110VT-VTH第6页，课件共48页，创作于2023年2月三、举例设UI为缓慢变化的三角波：UItVTHVT+VT-UOtUOLUOHG1门的阈值电平第7页，课件共48页，创作于2023年2月四、计算回差电压ΔVT1、求VT+在UI从0开始上升时，UO=UOL。UOH1UI，G1R1R2UIG21UOUOL

VTHVT+从求UI

,入手求VT+：UI

,=VTH=UR2=R2R1+R2VT+∴VT+=R2R1+R2VTH=（1+R2R1）VTH在UIVT+，UI

,VTH，G1、G2门要翻转前的瞬间，=>=>电路中电流流向和电位情况见图。第8页，课件共48页，创作于2023年2月2、求VT-UOL1UI，G1R1R2UIG21UO在UI从最大值开始下降时，UO=UOH。UOHVTHVT-从求UI

,入手求VT-

：UI

,=UTH=UOH–

UR2=∴VT-

=R2R1+R2VTH

–

R2R1UOHR2R1+R2

UOH–[（UOH–

VT

–

）]又：故：UOH=VDD；VTH=VDD12

VT-=（1

–

）VTHR1R2电路中电流流向和电位情况见图。在UIVT-，UI

,VTH，G1、G2门要翻转前的瞬间，=>=>第9页，课件共48页，创作于2023年2月五、电压传输特性∵UI=0时，UO=UOL∴是同相施密特特性UIUOVDDVTH2VTHR1R23、求回差电压ΔVTΔVT

=VT+-

VT-=2VTH

R1R2=R1R2VDD当VDD一定时，调R1、R2，可调ΔUT

，即可调VT+VT-，可调UO脉宽。六、逻辑符号11&≥1VT-VT+第10页，课件共48页，创作于2023年2月10-2-3集成施密特触发器常用TTL电路集成施密特触发器有7413等，常用CMOS电路集成施密特触发器有CC40106等。10-2-4施密特触发器的应用一、用于波形变换例：已知UI为半波，UIm=9V，电路的VT+=6V，

VT-=3VUOH=VDD，试画UO波形。963VT+VT-VDDVDD11UI（V）totUOotUOo第11页，课件共48页，创作于2023年2月二、用于脉冲整形UItOUOtOUItOUOtOUItOUOtOVT+VT-VT+VT-VT+VT-11三、用于脉冲鉴幅第12页，课件共48页，创作于2023年2月§10-3单稳态触发器10-3-1特点和用途一、特点1、开机（接通电源），电路出现稳态。2、外加触发信号，电路翻转为暂态。暂态维持一段时间，自动返回稳态3、暂态维持时间的长短，只和电路参数有关，与触发信号的幅度、电源电压的高低无关。二、用途1、整形→输出矩形波。2、定时→输出一定宽度的矩形波。3、延时→将输入信号延长一定时间后输出。第13页，课件共48页，创作于2023年2月10-3-2用门电路组成单稳态触发器一、微分型单稳态触发器1、组成（用CMOS或非门）UIUO1UI2UOUI，≥1≥1VDDCRG1G2第14页，课件共48页，创作于2023年2月2、工作原理（用正窄脉冲触发）UIUO1UI2UO说明接通VDD不触发VDDUOL00110稳态：UO=0C中无电荷触发1001暂态：UO=1C充电UI2↑↑=VTH000110返回稳态：UO=0C放电UI2↓①↓=VDD000110恢复为起始稳态

C中无电荷注释①：此时的逻辑电平“1”，对应的电位为（VDD+0.7）V。UI，UO1UI2UIUOUI，≥1≥1VDDCRG1G2第15页，课件共48页，创作于2023年2月总之：不触发：UO=0，C中无电荷触发：UO=1C充电：返回UO=0C放电：恢复为起始稳态，UO=0，C中无电荷第16页，课件共48页，创作于2023年2月3、电压波形tUIVTHtUO1tUI2tUO*为了保证触发时间极短，通常在UI端加RC微分电路：≥1G1UO1CdRdUIUdtUItUdtUOVDD+0.7注意；第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。

电压波形第17页，课件共48页，创作于2023年2月4、输出脉宽

TW和幅度

UOmVTHtUI2tUOTW根据一阶RC电路暂态过程中，求任意变量的一般公式：可得：tτA(t)=A(∞)+[A(0+)-A(∞)]eA(∞)-A(∞)-t=τln—————

从波形图中看出，TW是C充电使UI2从0上升到VTH对应的时间，UI2(∞)=VDD,

UI2(0+)=0,12UI2(TW)=VTH=VDD,τ≈RCTW=RCln1VDD-

0VDD-

VDD2Uom=UOH-UOL≈VDD1）求TW2）求Uom=RCln2A(0+)A(t)所以：=0.69RC第18页，课件共48页，创作于2023年2月5、分辨时间TdTd是指在保证电路正常工作的前提下，两个相邻触发脉冲之间，允许的最小时间间隔。VTHtUI2tUOTWTreTd由波形图知：Td=TW+TreTW：输出脉冲的宽度

Tre：恢复时间，即C放电达稳定值VDD所需的时间T放。ROND1G2G1R-+VDDC由放电回路知：放电回路（D1是G2

门输入保护电路中的二极管。）Tre=T放=

(3~5)(RON+R//rD)C当D1的等效电阻rD远远小于RON和R时，Tre=T放≈

(3~5)RONC第19页，课件共48页，创作于2023年2月二、积分型单稳态触发器1、组成可用TTL与非门组成，门之间用RC积分电路耦合。UAUBUO1UOUI2、工作原理（用正的宽脉冲触发）UIUAUBUO说明接通VCC不触发10↑≈VCC01自然稳态：UO=1触发10≈VCC10暂稳态：UO=01返回稳态：UO=1C放电UA↓↓≤VTH恢复为自然稳态101不触发10↑≈VCC01UO=1RCG1G2&&UO1第20页，课件共48页，创作于2023年2月3、电压波形tUItUO1tUAtUOVTHTTRTreTw4、输出脉宽

TW和幅度

UOmTW≈

RClnVOL-

UOHVOL-

VTHUom=UOH-UOL5、分辨时间TdTd由波形图知：Td=TTR+TreTTR：触发脉冲的宽度Tre：恢复时间，即UO1跳到UOH后，C充电达稳定值所需的时间T充。+-CRUOHRO+VCCG1UA由充电回路知：充电回路Tre=T充=(3~5)(RO+R)C第21页，课件共48页，创作于2023年2月10-3-3集成单稳态触发器1、不可重复触发触发进入暂稳态时，再加触发脉冲无效tUITWUOt2、可重复触发触发进入暂稳态时，再次触发有效，输出脉冲可再维持一个脉宽。tUIUOtTW常用74121，74221，74LS221等都是不可重复触发的单稳态触发器。其中，74121的电路符号如图：Cext

RextCextUo

RintVccGNDBA2A1Uo345167101191474121一、分类二、常用产品举例第22页，课件共48页，创作于2023年2月输入输出A1A2BUOUO0X101X0101XX00111X01电平触发111110XX0脉冲触发集成单稳态触发器74121的功能表第23页，课件共48页，创作于2023年2月下降沿触发时的接法1UI不利用Rint时的接法Cext

RextCextUo

RintVccGNDBA2A1Uo345167101191474121+VCCCext

RextCextUo

RintVccGNDBA2A1Uo345167101191474121上升沿触发时的接法UI利用Rint时的接法（Rint≈2KΩ）CRC+VCC三、应用举例1、脉冲整形Cext

RextCextUo

RintVccGNDBA2A1Uo345167101191474121+VCCCRUItUItUOTW=0.69RC第24页，课件共48页，创作于2023年2月2、输出脉冲延时UI+VCCUO2VCCUOBA1A2C1R1UO（1）VCCUOBA1A2C2R2UO（2）tUItUO1tUO2tUO1TW1TW2触发后，电路延时TW1时间再输出。TW1=0.69R1C1TW2=0.69R2C23、定时输出UIUO27412174121UABA1A2UO74121&tUItUAtUOTW只在触发之后的TW时间内有UA输出。UO2t第25页，课件共48页，创作于2023年2月§10-4多谐振荡器特点：不需要外加触发信号，电路自激振荡，没有稳态。用途：产生脉冲方波。10-4-1

用门电路构成多谐振荡器一、对称式多谐振荡器1、组成（用TTL门电路）UI1UO2UO1UI211C1C2G1G2RF1RF22、工作原理则，暂态Ⅰ：

UO1=0、UO2=1

接下来：C1充电、C2放电假设，某一时刻，电路出现UO1=0、UO2=1的状态，第26页，课件共48页，创作于2023年2月0011UI1UO2UO1UI211C1C2G1G2RF1RF2++C2放电回路：UI1UOL1UOH2RF1C2+-C2+

→RF1→

UOL1→

UOH2→

C2-C2放电使UI1↓。C2放电：UI2UOH2UOL1R1VCCG2RF2C1-+C1充电：暂态Ⅰ：

UO1=0、UO2=1C1充电等效回路：UOH2→RE1→

C1→

UOL1（RE1=RF2∥R1）C1充电使UI2↑。第27页，课件共48页，创作于2023年2月由于RE1<RF1（当电路对称时），所以，充电比放电快。C1充电→

UI2=VTH时→

G2导通→

UO2=0UI1=0→UO1=1暂态Ⅱ：UO1=1、

UO2=0C2充电→

UI1=VTH时→

G1导通→

UO1=0UI2=0→UO2=1电路回到暂态Ⅰ。循环往复，直到关机。总之：UO1=0UO2=1UO2=0UO1=1UO1=1UO2=0UO1=0UO2=1→

C1充电→

UI2→→

C2充电→UI1→→C2放电→UI1→

C1放电→UI2第28页，课件共48页，创作于2023年2月tUI1tUO1tUO2tUI2VTHVTHVIKVIKT1T4、计算在RF1=RF2=RF，C1=C2=C时：T1≈RFC

ln————UOH-UOH-如果G1、G2为74LS系列反相器，UOH=3.4V，VIK=-1V，VTH=1.1V在RF<<R1时，T1=0.65RFC振荡周期：T=2T1=1.3RFC振荡频率：f=1/T占空比：q=(T1/T)100%3、电压波形C2放电、充电C1充电、放电VTHVIK第29页，课件共48页，创作于2023年2月二、环形振荡器1、组成利用门电路的传输延迟时间tpd，将奇数个反相器首尾相接。UO1UO2UO31G11G21G32、工作波形tUO1tUO2tUO3tpd3、计算TW=ntpd；T=2TW；f=1/T一般，tpd=TTL类几十nsCMOS类几百ns（所以，环形振荡器的振荡频率f特别高）为了获得较低的、可调的f，可在环形回路中增加RC延时环节。TWn是门的数目。第30页，课件共48页，创作于2023年2月6-4-2

用施密特触发器构成多谐振荡器1、组成UIUO2、工作原理接通VCC瞬间，C中无电荷，所以：1）UC=0→

3、电压波形2）UO=1→C充电→UI，3）UO=0→C放电→UI，tUotUI00VT+VT-若是CMOS电路，T1T2T1RC+UI=VT+→UO=0UI=VT-→UO=1T1=RCln————VDD-VDD-T=T1+T2；f=1/T；q=T1/TUI=0→

UO=1VT-VT+T2=RCln———0-0-VT+VT-则：第31页，课件共48页，创作于2023年2月5、电路改进占空比可调电路如图：1CUIUOR2R1+充电经过R2，放电经过R1，T1=R2Cln————VDD-VT-VDD-VT+T2=R1Cln——VT+VT-q=T1/TT=T1+T2调节R1或R2，即可调节q第32页，课件共48页，创作于2023年2月10-4-3石英晶体多谐振荡器一、石英晶体许多应用场合。要求多谐振荡器的振荡频率f十分稳定，（如数字钟的秒脉冲频率）。上述电路的f都达不到要求。最简便的稳频方法是在多谐振荡器中接入石英晶体，构成石英晶体多谐振荡器。石英晶体的固有振荡频率fo

由结晶方向、外形尺寸决定；频率稳定度（Δfo/fo)可达10-10~10-11。fo电容性电感性fXO电抗频率特性曲线当外加电压的频率f=fo时，其电抗X=0。第33页，课件共48页，创作于2023年2月UI1UOUO1UI211C1C2G1G2RF1RF22、工作原理当UO的频率f=fo时，反馈最强，电路才起振。fo的稳定度极高，这就解决了多谐振荡器的稳频问题。结果：f=fo。符号二、石英晶体振荡器1、组成将石英晶体接到多谐振荡器的正反馈回路中。第34页，课件共48页，创作于2023年2月3、参数选择各种固有振荡频率fo的石英晶体已做成成品，可根据所购晶体的fo选择电路的外接RF和C，fo一般都很高，应利用分频器将fo分频为所需频率。例如，需要频率为1HZ的秒脉冲,可选购fo=32768HZ的晶振，通过15次二分频获得1HZ。第35页，课件共48页，创作于2023年2月§10-5555定时器及其应用555定时器是单片集成电路，用途广，可构成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等。双极型产品型号的后三位数码为555。单极型产品型号的后四位数码为7555。其功能和外部引脚的排列完全相同。第36页，课件共48页，创作于2023年2月10-5-1555定时器的电路结构与功能一、组成与特点VR1VR2UOTD+VCCCOU6U212658437（TH）（TR）RD当CO端不接控制电压UCO时：VR2=VCC，13VR1=VCC23国产CB555的结构框图：它由三个5KΩ电阻、比较器C1和C2、基本RS触发器和放电管TD组成。QQC1+-C2+-RdSd5KΩ5KΩ5KΩTD相当于：C1出1；C1出0。C1将U6和进行比较

VCC23当U6<

时，

VCC23当U6>

时，

VCC23U6和比较的结果，由C1反相输出。

VCC23第37页，课件共48页，创作于2023年2月反相同相U6U2RDUOTDQQRdSd23VCC13VCC放电管TD的作用：给外接电容C提供放电通路。QQC1+-C2+-RdSdVR1VR25KΩ5KΩ5KΩUOTD+VCCCOU6U212658437（TH）（TR）RD结构图的等效简化电路：相当于：C2出0；C2出1。C2将U2和进行比较

VCC13当U2<

时，

VCC13当U2>

时，

VCC13U2和比较的结果，

VCC13由C2同相输出。第38页，课件共48页，创作于2023年2月二、工作原理输入过渡输出RDU6U2RdSdQQTD状态0XXXX导通123VCC<>23VCC>13VCC导通113VCC<截止123VCC<>13VCC保持表1CB555功能表（CO端悬空时）表1

的主要内容见表2：U6U223VCC<>23VCC>13VCC13VCC<23VCC<>13VCCQ01保持工作原理见表1表2RD=1时的表1由表2可得如下口诀：大于、大于、出0；小于、小于、出1；小于、大于、保持011011010110第39页，课件共48页，创作于2023年2月当CO端接有UCO时：12UCO，VR2=三、说明VR1=UCO、换为13VCC将上述分析中的换为23VCC12UCO，所有结论仍成立。四、电路符号555定时器的电源电压范围较宽，CMOS类：VDD为3~18伏，（UOH≥VDD95%，IOm≤4mA）TTL类：VCC为5~16伏，（UOH≥VCC90%），IOm≈200mA）UOTHTDCOVCC12345678555TRRDGNDUCO，第40页，课件共48页，创作于2023年2月10-5-2555定时器接成施密特触发器二、工作原理（设：UI为模拟三角波）UIU6U2UO23VCC<>23VCC>13VCC13VCC<23VCC<≥23

VCC010≤13VCC13VCC<1三、电压波形一、组成UIUO+VCC12345678555tUItUO13VCC23VCCVT+=23VCCVT-=13VCCΔVT=13VCC0.01uF从电压波形知：此为施密特反相器。第41页，课件共48页，创作于2023年2月10-5-3555定时器接成单稳态触发器UO+VCC123456785550.01uFRCUI+-二、工作原理U2=UI

，和比较；13VCCU6=UC，和比较。23VCC要求触发信号为负的窄脉冲CUCU6（UC）U2（UI）UO（Q）TD说明充电=23VCC>23VCC>13VCC0导通稳态：UO=0放电=023VCC<>13VCC保持接通VCC不触发UI=1023VCC<13VCC<1截止暂态：UO=1充电=23VCC>23VCC>13VCC0导通返回：UO=0放电=023VCC<>13VCC保持UI=1一、组成无电荷触发第42页，课件共48页，创作于2023年2月总之：不触发，UO=0；UO=1维持一段时间又返回UO=0充电回路：VCC+→R→C→VCC-（充电慢）放电回路：C+→TD→C-（放电快）三、电压波形tUITW23VCCtUOtUCTW≈RCln—————VCC-02VCC-3VCCTW≈RCln3=1.1RC触发,UO=1注意；第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。第43页，课件共48页，创作于2023年2月10-5-4555定时器接成多谐振荡器UO+VCC123456785550.01uFR1R2C等效为施密特触发器构成的多谐振荡器，R11UCUOR2+R2电压UC是施密特触发器的输入电压，其VT+=23VCCVT-=13VCC二、工作原理UCU6U2UOTD起始时023VCC<13VCC<1截止C充电=23VCC>23VCC>13VCC0导通C放电23VCC<1截止=13V