《数字电子技术》课件-第7章 脉冲波形的产生和整形

第7章脉冲波形的产生和整形内容提要

本章主要介绍矩形波的产生和整形电路。在矩形波产生电路中介绍几种常用的多谐振荡器－对称式和非对称多谐振荡器、环形振荡器以及用施密特触发器和555定时器构成的多谐振荡器等。此外对几种不同类型的压控振荡器也做了介绍。在整形电路中，介绍了施密特触发器和单稳态触发器。本章也讨论了最常用的555定时器及其所构成的施密特触发器、单稳态触发器及多谐振荡器的电路及工作原理。本章内容7.1脉冲信号7.2施密特触发器7.3单稳态触发器7.4多谐振荡器7.5集成555定时器及其应用一、产生矩形脉冲的途径1.利用各种形式的多谐振荡器电路；2.通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变换成符合要求的矩形脉冲。二、矩形脉冲特性的描述通常的矩形脉冲波形如图7.1.1所示。图7.1.17.1脉冲信号图7.1.1其中：脉冲周期T：周期行重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。有时也用频率f＝1/T表示单位时间内脉冲重复的次数脉冲幅度Vm：脉冲电压的最大变化幅度。7.1脉冲信号☻上升时间tr：脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时间。图7.1.1☻脉冲宽度tW：从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿到达0.5Vm为止的一段时间。☻下降时间tf

：脉冲下降沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需要的时间。7.1脉冲信号☻占空比q：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q＝tw/T。图7.1.1注：在脉冲整型或产生电路用于数字系统时，有时对脉冲有些特殊要求，如脉冲周期和幅度的稳定性等，这时需要另增加一些参数来描述脉冲。7.1脉冲信号第一输入信号从低电平上升的过程中，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过程中对应的输入转换电平不同。第二在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。

注：利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢地信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形波脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。施密特触发器时脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它具有下面两个性能特点：7.2施密特触发器（SchmittTrigger）7.2.1用门电路组成的施密特触发器

将两极反相器串接起来，通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端就够成施密特触发器电路，其电路及其图形符号如图7.2.1所示。图7.2.1设反相器G1和G2均为CMOS门，其阈值电压为VTH＝VDD/2，输出高低电平分别为VOH＝VDD，VOL＝0，且R1<R21.其工作原理7.2.1用门电路组成的施密特触发器①当vI＝0时，vo1＝VOH

，vo＝VOL≈0，此时G1门的输入电压为7.2.1用门电路组成的施密特触发器②当vI从0逐渐升高到使得vA＝VTH时，反相器进入电压传输特性的放大区（转折区），故vA的增加，会引起下面的正反馈，即使电路迅速跳变到vo＝VOH≈VDD由叠加原理得7.2.1用门电路组成的施密特触发器设施密特触发器在输入信号vI正向增加时的门槛电压（阈值电压）为VT＋，称为正向阈值电压，此时vo＝0，G1门的输入电压为

当vA>VTH时，电路状态维持在vo＝VOH＝VDD不变③当vI从高电平VDD逐渐下降到vA＝VTH时，由于也存在正反馈，即使电路迅速跳变到vo＝VOL≈0此时施密特触发器在vI下降时对应输出电压由高电平转为低电平时的输入电压为VT－，称为负向阈值电压，此时vo＝VDD，G1门的输入电压为7.2.1用门电路组成的施密特触发器由于VTH＝VDD/2，故只要vI<VT-，vo≈0将VT＋和VT－之间的差值定义为回差电压，用△VT表示，即7.2.1用门电路组成的施密特触发器施密特触发器的电压传输特性为图7.2.2所示图7.2.2施密特触发器的两个输出电压传输特性为图7.2.3所示7.2.1用门电路组成的施密特触发器7.2.1用门电路组成的施密特触发器图7.2.3(a)是以vo做为输出的，vo和vI同相位；而图7.2.3(b)是以v

A做为输出的，v

A和vI反相位。另通过调节R1和R2的比值，可调节VT＋、VT－和回差电压△VT的大小。7.2.2集成施密特触发器由于施密特触发器的应用非常广泛，所以无论是在TTL电路中还是在CMOS电路中，都有单片集成的施密特触发器芯片。CMOS集成施密特触发器CD40106由N沟道和P沟道增强型晶体管组成。正向阈值电压和反向阈值电压温漂系数都极小，足以保证。所有输入级均有保护措施，以防止二极管放电时产生的浪涌电流对芯片的损坏，其框图如图7.2.4所示

图7.2.4图7.2.5给出了CD40106的电压传输特性以及为确保芯片正常工作的输入电压和供电电压的关系。7.2.2集成施密特触发器图7.2.5图7.2.6给出了CD40106的工作电压波形。7.2.2集成施密特触发器图7.2.6以下给出CD40106的一典型应用，电路示意图如图7.2.7所示。其工作电压波形如图7.2.8所示7.2.2集成施密特触发器图7.2.7图7.2.8电路相关参数计算如下：利用施密特触发器可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲。2.施密特触发器的主要特点：7.2.3施密特触发器的应用

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。3.施密特触发器的应用(1)用于波形变换利用施密特触发器将一系列幅度不同的脉冲信号，其中幅度大于正向阈值电压的幅度鉴别出来。（2）用于鉴幅7.2.3施密特触发器的应用（3）用于脉冲整形

在数字系统中，经常出现干扰信号，使得信号波形变差，这样可通过施密特触发器整型获得比较理想的波形。7.2.3施密特触发器的应用例7.2.1由CMOS反相器构成的施密特触发器如图7.2.2所示，设VTH＝3V，VDD＝6V，输入电压为峰－峰值6V的三角波。试画出输出电压vo的波形，注明VT＋和VT－的大小，并求回差电压△VT。7.2.3施密特触发器的应用图7.2.2解：阈值电压为回差电压为△VT＝VT＋－VT－

＝4.5-1.5=3V其输出波形如图7.2.3所示7.2.3施密特触发器的应用特点：第一它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；第二在外界触发脉冲的作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态；第三暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。应用：脉冲整形、延时、定时等7.3单稳态触发器7.3.1用门电路组成的单稳态触发器单稳态触发器的暂稳态通常是靠RC电路的充放电过程来维持的，根据RC的电路不同接法，把单稳态触发器分成微分型和积分型。一、微分型单稳态触发器图7.3.1是由CMOS门电路G1、G2和Rd、Cd微分电路构成的单稳态触发器。图7.3.1设VOH≈VDD，VOL≈0且CMOS门的转折电压为VTH≈VDD/2，a.无触发信号时，电路处于稳态，vo=07.3.1用门电路组成的单稳态触发器在稳态下vI=0，vI2=VDD，故vo=0，vo1=VDD，电容C两端无电压，vc=0b.外加触发信号时，电路由稳态翻转到暂稳态

当输入信号vI加触发脉冲时，在Rd、Cd组成的微分电路输出端得到很窄的正负脉冲vd，如图7.3.2波形所示。图7.3.210.3.1用门电路组成的单稳态触发器当vI上升，vd也随之上升，当上升到VTH后，此时存在下列正反馈：图7.3.2则vo1迅速跳变为低电平，由于电容电压不能跃变，故vI2同时为低电平，使得输出翻转为高电平，此时电路进入暂态，电容随后开始充电暂态c.电容充电，电路由暂稳态自动返回至稳态7.3.1用门电路组成的单稳态触发器图7.3.2电源VDD通过R和G1门的输出电路给电容C充电C充电电路7.3.1用门电路组成的单稳态触发器随着vI2的增加，当增加到vI2＝VTH，产生另一正反馈，即图7.3.2此时vo1和vI2迅速跳变为高电平，电路马上翻为稳态，即vo＝07.3.1用门电路组成的单稳态触发器此时电容C通过R和G2门的输入保护电路很快放电，知道电容电压为0，电路恢复到稳态。图7.3.2C放电电路C放电7.3.1用门电路组成的单稳态触发器输出的脉冲宽度为注：微分型单稳态触发器可以用窄脉冲触发，但输出脉冲的下降沿较差。图7.3.2二、积分型单稳态触发器图7.3.3为由TTL与非门、反相器及RC积分电路构成的积分型单稳态触发器。用于正脉冲触发。a.无触发信号时，电路处于稳态7.3.1用门电路组成的单稳态触发器图7.3.3当vI＝0时，输出电压vo＝VOH为高电平,vo1＝VOH，vo1通过R很快给电容C充电到vA＝VOH（R值比较小）b.当有正脉冲输入后，电路进入暂稳态当vI由低电平转为高电平时，vo1＝VOL。由于电容不能突变，vA仍保持高电平，使得输出vo＝VOL为低电平，电路进入暂态过程，此时电容C放电C放电回路图7.3.4其输出波形如图7.3.4所示7.3.1用门电路组成的单稳态触发器稳态暂态电容放电c.电容放电，电路回到稳态随着电容C的放电，vA下降到G2门的开启电压VTH时，输出翻转为高电平，回到稳定状态（“1”）。当vI回到低电平后，vo1重新为低电平，并向电容C充电。输出的脉冲宽度为7.3.1用门电路组成的单稳态触发器图7.3.4C放电回路微分型单稳态触发器输出波形比较理想，前后沿比较陡，因为有正反馈存在，但抗干扰能力差；积分型单稳态触发器抗干扰能力强，但输出波形边沿比较差，而且要求输入触发脉冲的宽度要大于输出脉冲宽度。10.3.1用门电路组成的单稳态触发器微分型单稳态触发器积分型单稳态触发器

两种单稳态触发器的比较：7.3.2集成单稳态触发器（74HC123)用门电路组成的单稳态触发器虽然电路简单，但输出脉宽的稳定性差，调节范围小，且触发方式单一。为适应数字系统中的广泛应用，在TTL电路和CMOS电路的产品中，都生产了单片集成的单稳态触发器芯片。CMOS集成器件74HC123内部有两个独立的集成单稳态触发器构成，可高/低电平触发，输出一组相反的脉冲信号，且带有复位控制端。其输出脉冲的宽度主要取决于外部电阻与电容。当<10000pF时，输出脉冲宽度可由图7.3.5大致得出。图7.3.57.3.2集成单稳态触发器（74HC123）其管脚图和逻辑符号如图7.3.6所示。引脚定义功能表图7.3.67.3.2集成单稳态触发器（74HC123)7.3.2集成单稳态触发器（74HC123)典型应用电路如图7.3.7所示。系统一上电，输出会产生一噪声脉冲，其宽度由和决定，图（a）可用于消除该噪声脉冲。同样，系统掉电时，大容值的电容也是芯片损坏的隐患之一。这是因为该电容需通过输入级的保护二极管放电，便会损坏芯片。为避免该类情况的发生，推荐使用一只锗二极管或肖斯特二极管以抵抗大电容放电时产生的大浪涌电流。接法如图（b）所示。图7.3.77.3.3单稳态触发器的应用1.定时由于单稳态触发器能产生一定宽度tw的矩形输出脉冲，如利用这个矩形脉冲作为定时信号去控制某电路，可使其在tw时间内动作（或不动作）。例如，利用单稳态输出的矩形脉冲作为与门输入的控制信号（见图7.3.8），则只有在这个矩形波的tw时间内，信号vA才有可能通过与门

单稳态触发器是数字电路中的常用的基本单元电路，这里主要给出其两种典型的应用。图7.3.87.3.3单稳态触发器的应用2.“看门狗”（WatchingDog)“看门狗”电路在数字电路中具有极其重要的作用。当软件“跑飞”或硬件出现故障时，系统自动唤醒“看门狗”，系统将被立即复位，以使系统恢复正常工作。单稳态触发器可用于看门狗电路，如图7.3.9所示。图7.3.97.4多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形波形。由于矩形波中含有高次谐波故把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。7.4.1环形振荡器利用闭合回路中的正反馈作用可以产生自激振荡，而利用闭合回路中的延迟负反馈作用也可以产生自激振荡，但需要负反馈信号足够强。环形振荡器就是利用延迟负反馈产生振荡的。它是利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成的。1.最简单的环形振荡器电路如图7.4.1所示。图7.4.1vI1由于某种原因产生一微小正跳变，则经过G1门的传输时间tpd后，vI2产生幅度增大的负跳变，再经过G2门的传输时间tpd后，vI3产生幅度增大的正跳变，再经过G3门的传输时间tpd后，vo（vI1）产生幅度更大的负跳变，同理再经过3tpd后vI1跳变为高电平。周而复始，产生振荡。工作原理：图7.4.2输出波形如图7.4.2所示7.4.1环形振荡器振荡周期为其中tpd为反相器的传输延迟时间图7.4.2同理若将任何大于、等于3的奇数个反相器首尾相联成环形电路，都你能产生自激振荡，且周期为其中n为串联反相器的个数7.4.1环形振荡器改进电路如图7.4.3所示，其中增加了RC积分环节，加大了第二节的延迟时间图7.4.1所示的环形振荡器电路虽然简单，但由于门电路的传输时间很小，故振荡频率很高，频率很难调节。2.实用的环形振荡器图7.4.1图7.4.37.4.1环形振荡器但RC电路的充、放电的持续时间很短，为了获取更大的延迟，将C的接地端改到G1的输出端，如图7.4.4所示图7.4.3图7.4.4其中Rs为保护电阻7.4.1环形振荡器各处的波形如图7.4.5所示7.4.1环形振荡器图7.4.5其振荡周期可由下式估算注：上式成立的条件应满足R1+RS>>R.，VOL≈0vo27.5.1555定时器的电路结构与功能7.5555定时器555定时器是一种多用途的数字－模拟混合的集成电路。它可以很方便地构成多谐振荡器、单稳态触发器和多谐振荡器。

555定时器为双极型产品，7555为CMOS型的产品，为了实际需求，又出现了双极型556和CMOS型7556.尽管厂家不同，但各种；类型的555定时器的功能及外部引脚排列都是相同的。一、电路结构

图7.5.1为国产双极型定时器CB555的电路结构图它由电压比较器（C1，C2）触发器输出缓冲器（G3，G4）OC输出的三极管（TD）组成其图形符号和功能表如图7.5.2所示7.5.1555定时器的电路结构与工作原理2.各管脚的名称和功能1－接地端2－低电平触发端3－输出端，输出电流可达200mA，直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等，输出电压约低于电源电压1－3V。7.5.1555定时器的电路结构与工作原理4－复位端，若此端输入一负脉冲，而使触发器直接复位。不用时加以高电平。5－电压控制端，此端可外加一电压以改变比较器的参考电压，不用是可悬空或通过0.01μF的电容接地。7.5.1555定时器的电路结构与工作原理8－电源端，可在5－18V范围内使用。6－高电平触发端7－放电端，当触发器的Q＝0时，TD导通，外接电容C通过此管放电。7.5.1555定时器的电路结构与工作原理7.5.2用555定时器接成的施密特触发器电路如图7.5.3所示图7.5.3

其电压传输特性如图所示。由图可知，这是个典型的反相输出的施密特触发器。图7.5.37.5.2用555定时器接成的施密特触发器工作原理：图7.5.3（1）当vI<VCC/3，Q=1（vo＝VOH），Q

=0；当vI增加时，2VCC/3>vI>VCC/3，Q=1，Q

=0，触发器保持原态；当vI>2VCC/3时，Q=0（vo＝VOL），Q

=1。7.5.2用555定时器接成的施密特触发器图7.5.3（2）当vI>2VCC/3时，Q=0，Q

=1；当vI减少时，2VCC/3>vI>VCC/3，Q=0，Q

=1，触发器保持原态；当vI

减少到vI<VCC/3，Q=1（vo＝VOH），Q

=0；7.5.2用555定时器接成的施密特触发器故其正向阈值电压为VT＋＝2VCC/3，负向阈值电压为VT－＝VCC/3，故电路的回差电压为△VT＝VCC/3。若改变回差电压的大小，则可通过5脚外接电压VCO来改变。图7.5.37.5.2用555定时器接成的施密特触发器7.5.3用555定时器接成的单稳态触发器其电路如图7.5.5所示图7.5.5R波形如图7.5.6所示其工作过程如下7.5.3用555定时器接成的单稳态触发器图7.5.5图7.5.6当vI处于高电平时，电路的稳定状态为vo＝0当vI脉冲下降沿到达时，Q＝1，Q

＝0，此时放电管TD截止，VCC通过R给C充电，vC增加。当vC≥2VCC/3时，Q＝0（v0＝0），Q

＝1，C通过TD放电。vI变成高电平，此时vC1和vC2输出均为高电平，电路保