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1、第六章第六章 脉冲波形的产生和整形脉冲波形的产生和整形6.1 概述概述作用：产生和规整数字电路中的脉冲波形。作用：产生和规整数字电路中的脉冲波形。一、一、产生脉冲波形产生脉冲波形 利用利用自激多谐振荡电路自激多谐振荡电路产生脉冲波形。产生脉冲波形。一般场合可以使用低成本的一般场合可以使用低成本的 RS定时电路定时电路 来产来产生脉冲信号，在需要精确频率的场合，使用生脉冲信号，在需要精确频率的场合，使用石英晶石英晶体振荡电路体振荡电路。2.脉冲波形的整形脉冲波形的整形 由电路处理过或远程传输过的脉冲信号常常会由电路处理过或远程传输过的脉冲信号常常会有一定的失真或叠加干扰、杂波等，造成脉冲信号有一
2、定的失真或叠加干扰、杂波等，造成脉冲信号的失真。需要通过的失真。需要通过脉冲整形电路脉冲整形电路将其整型为规整的将其整型为规整的脉冲方波。脉冲方波。脉冲波形的整形脉冲波形的整形三、矩形脉冲的主要参数三、矩形脉冲的主要参数图图6.1.1 描述矩形脉冲特性的主要参数描述矩形脉冲特性的主要参数描述矩形脉冲特性的主要参数描述矩形脉冲特性的主要参数脉冲周期脉冲周期 T 周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲冲 之间的时间间隔。有时也使用频率之间的时间间隔。有时也使用频率 表示单位时间内脉冲重复的次数。表示单位时间内脉冲重复的次数。脉冲幅度脉冲幅度 Vm 脉冲电压的最大变化
3、幅度。脉冲电压的最大变化幅度。脉冲宽度脉冲宽度 t w 从脉冲前沿到达从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿到起，到脉冲后沿到 达达0.5Vm为止的一段时间。为止的一段时间。上升时间上升时间 t r 脉冲上升沿从脉冲上升沿从0.1Vm上升到上升到0.9Vm所需要的所需要的 时间。时间。下降时间下降时间 t f 脉冲下降沿从脉冲下降沿从0.9Vm下降到下降到0.1Vm所需要的所需要的 时间。时间。占空比占空比 q 脉冲宽度与脉冲周期的比值，亦即脉冲宽度与脉冲周期的比值，亦即 q=TWT。此外，在将脉冲整形或产生电路用于具体的此外，在将脉冲整形或产生电路用于具体的数字系统时，有时还可能有一些特殊的
4、要求，例如数字系统时，有时还可能有一些特殊的要求，例如脉冲周期和幅度的稳定性等等。这时还需要增加一脉冲周期和幅度的稳定性等等。这时还需要增加一些相应的性能参数来说明。些相应的性能参数来说明。6.2 施密特触发器施密特触发器 施密特触发器施密特触发器（Schmitt Trigger）是）是脉冲波脉冲波形变换中形变换中经常使用的一种电路。经常使用的一种电路。它在性能上有两个重要的特点：它在性能上有两个重要的特点：第一，输入信号从低电平上升的过程中，电路第一，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（即阈值状态转换时对应的输入电平（即阈值 VTH），与输），与输入信号从高电平下降过
5、程中对应的输入转换电平不入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。（有两个不同的阈值同。（有两个不同的阈值 VT+和和VT-）第二，在电路状态转换时，通过电路内部的正第二，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。反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。施密特触发器的传输特性（滞迴特性）施密特触发器的传输特性（滞迴特性）图图6.2.2 图图6.2.1电路的电压传输特电路的电压传输特（a）同相输出同相输出 （b）反相输出反相输出同相输出的传输特性同相输出的传输特性VT+VT-反相输出的传输特性反相输出的传输特性VT+VT-施密特触发器的应用施密特触发器的应用 一
6、、用于波形变换一、用于波形变换 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。的矩形脉冲信号。在图在图628的例子中，输入信号是由直流分量的例子中，输入信号是由直流分量和正弦分量叠加而成的，只要输入信号的幅度大于和正弦分量叠加而成的，只要输入信号的幅度大于VT+，即可在施密特触发器的输出端得到同频率的，即可在施密特触发器的输出端得到同频率的矩形脉冲信号。矩形脉冲信号。图图6.2.8 用用施密特触发器实现波形变换施密特触发器实现波形变换图图6.2.8
7、用用施密特触发器实现波形变换施密特触发器实现波形变换图图6.2.9 用用施密特触发器对脉冲整形施密特触发器对脉冲整形脉冲整形（脉冲整形（a）脉冲整形（脉冲整形（b）脉冲整形（脉冲整形（c）图图6.2.10 用用施密特触发器鉴别脉冲幅度施密特触发器鉴别脉冲幅度6.3 单稳态触发器单稳态触发器一、单稳态触发器的工作特性：一、单稳态触发器的工作特性：第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；第二，在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到第二，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以后，再自动返回暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返
8、回稳态；稳态；第三，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的第三，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。参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。二、单稳态触发器的用途二、单稳态触发器的用途 由于单稳态触发器具备输出由于单稳态触发器具备输出定时脉冲定时脉冲的特点，的特点，所以被广泛应用于：所以被广泛应用于：1.脉冲整形，产生等宽度的信号。脉冲整形，产生等宽度的信号。2.延时（产生滞后于触发脉冲的输出脉冲）。延时（产生滞后于触发脉冲的输出脉冲）。3.定时（产生固定时间宽度的脉冲信号）。定时（产生固定时间宽度的脉冲信号）。三、三、RC电路的时间效应电路的时间效应1.RC时间电路
9、时间电路RC微分网络微分网络RC积分网络积分网络(1)RC微分网络的特性微分网络的特性微分网络输出尖脉冲微分网络输出尖脉冲Vo=iCRuC=Vi-VouCiC当当VO很小时，可以记为：很小时，可以记为：uCiCVo 与与 Vi 是微分关系。是微分关系。图图6.3.1 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器6.4 多谐振荡器多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩以后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形
10、波振荡器叫做多谐振荡器。所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。多谐振荡器应至少能够设置振荡频率，完善的多谐振荡器应至少能够设置振荡频率，完善的振荡器还应能改变占空比，改变振幅。振荡器还应能改变占空比，改变振幅。6.5 555定时器及其应用定时器及其应用 555 定时器是一种多用途的数字定时器是一种多用途的数字模拟混合集模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以便，所以 555 定时器在波形的产生与变换、测量定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用
11、电器、电子玩具等许多领域中都得与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。到了应用。一、电路结构一、电路结构1.分压网络分压网络 3个个5K电阻组成分压网络。电阻组成分压网络。2.模拟比较器模拟比较器 C1、C2是模拟比较器。是模拟比较器。3.基本基本 RSFF4.输出电路输出电路G1、G2组成基本组成基本 RSFF。G3、G4、TD。图图6.5.1 CB555的电路结构图的电路结构图6V4V2V555定时器的工作特性定时器的工作特性高触发高触发保持保持低触发低触发禁止禁止6.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器 将将555定时器的定时器的 vI1 和和
12、vI2 两个输入端连在一起两个输入端连在一起作为信号输入端，如图作为信号输入端，如图6.5.2所示，即可得到施密特所示，即可得到施密特触发器。触发器。当当时，（假设时，（假设VCC=4V，vI=1V）：）：VO=VOHTD 截止截止低触发低触发()图图6.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器6V1V4V2V01110截止截止置置1图图6.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器6V3V4V2V11110截止截止vI=3V 时时保持保持图图6.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器6V5V4V2V10001导通导
13、通vI=5V 时时置置0当当时：时：VO、TD保持上次的状态保持上次的状态当当时：时：VO=VOLTD导通导通保持保持高触发高触发图6.5.3 图6.5.2电路的电压传输特性高触发高触发保持保持低触发低触发6.5.3 用用555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器RC组成暂稳态定时器组成暂稳态定时器1.RC积分网络的电路积分网络的电路RC积分网络积分网络RC积分电路的测试电路积分电路的测试电路5mS根据根据RC电路的瞬态过程分析，可得到：电路的瞬态过程分析，可得到：当取当取 t=t P，=RC 时，可以得到：时，可以得到：式中：式中：vC(0)是电容充电的初始电压，从是电容充电的初
14、始电压，从0V开始开始，vC()=VCC一、一、555组成的单稳态触发器的稳态组成的单稳态触发器的稳态未触发前，未触发前，vI 为高电平（为高电平（5V），），vC2=1。电容电容 C 未充电未充电 vC=0V，vI1 VR1，vC1=1 vO=0，TD截止。截止。电路处于稳态。电路处于稳态。图图6.5.4 用用555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器5V100101初始状态初始状态 vI=5V vc=0V4V2V0导通导通二、低电平触发，进入暂稳态二、低电平触发，进入暂稳态图图6.5.4 用用555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器0V0110充电充电1低电平触发
15、低电平触发vI=0V进入暂稳态进入暂稳态电容电容C开始开始充电充电 4V2V截止截止ic注意：注意：vI22V,vC1=1vI14V1vI 恢复恢复 5V 4V2V4VRC电路电路继续充电继续充电使使vC 4Vic图图6.5.4 用用555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器5V10014V04V2V4V导通导通vC 4VTD导通导通图图6.5.4 用用555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器5V1001放电放电0电容电容C放电放电4V2V导通导通vC=0Vvi14V vC1=1暂稳态结束暂稳态结束图图6.5.4 用用555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触
16、发器5V100101初始状态初始状态 vI=5V vO=0V4V2V0图6.5.5 图6.5.4电路的电压波形图单稳态电路延时计算单稳态电路延时计算从图中可以看出，从图中可以看出，tW 就是就是 vC(tP)6.5.4 用用555定时器接成的多谐振荡器定时器接成的多谐振荡器一、电路一、电路图图6.5.6 用用555定时器接成的多谐振荡器定时器接成的多谐振荡器二、工作原理二、工作原理555电路接成施密特触发器形式，电路接成施密特触发器形式，RC充电电路充电电路:(R1+R2）CRC放电电路：放电电路：R2C高电平脉宽：高电平脉宽：低电平脉宽：低电平脉宽：（6.5.3）电路的振荡周期电路的振荡周期（6.5.4）电路的振荡频率为：电路的振荡频率为：（6.5.5）占空比：占空比：（6.5.7）图6.5.7 图6.5.6电路的电压波形图图图6.5.8 用用555定时器组成的占空比可调的多谐振荡器定时器组成的占空比可调的多谐振荡器图图6.5.9 例例6.5.1设计的多谐振荡器设计的多谐振荡器