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1、第六章第六章 脉冲波形的产生与整形脉冲波形的产生与整形主要内容：主要内容：介绍用于脉冲信号产生、整形和定时的几种基本电路。介绍用于脉冲信号产生、整形和定时的几种基本电路。6.1 概述概述 6.2 施密特触发器。施密特触发器。6.3 单稳态触发器。单稳态触发器。6.4 多谐振荡器。多谐振荡器。6.5 555定时器。定时器。6.1 概述概述 1.脉冲幅度脉冲幅度Vm2.脉冲宽度脉冲宽度tW0.5Vm0.5Vm3.上升时间上升时间tr0.1Vm0.9Vm4.下降时间下降时间tf0.9Vm0.1Vm5.周期周期T周期性脉冲信号，两脉冲间的时间间隔周期性脉冲信号，两脉冲间的时间间隔6.频率频率f周期的倒
2、数或每秒钟重复的次数。周期的倒数或每秒钟重复的次数。7.占空比占空比q脉冲宽度与周期之比脉冲宽度与周期之比描述矩形脉冲的几个参数描述矩形脉冲的几个参数理想波形：理想波形：实际波形：实际波形：0.9VmVmtr0.5Vm0.1VmtftWT6.2 施密特触发器施密特触发器功能特点：功能特点：1.输入信号从低电平上升时的转换电平和从高电平下降时输入信号从低电平上升时的转换电平和从高电平下降时 的转换电平不同。的转换电平不同。2.在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出在电路状态转换时，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。电压波形的边沿变得很陡。如图示：如图示：1vIvO
3、若若vI为低电平，则为低电平，则vO为低电平；若为低电平；若vI为高电平，则为高电平，则vO为高电平。为高电平。vI从低电平从低电平上升到上升到VT+时，时，vO由低变高；由低变高；vI从高电平从高电平下降到下降到VT-时，时，vO由高变低。由高变低。VT+VT-vIvOVT-VT+6.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器一、电路结构及工作原理一、电路结构及工作原理R111vOvOvIR2G1G2vO1vIG1、G2为为CMOS非门，非门，阈值电压为阈值电压为VTH=1/2VDD；R1R2工作原理工作原理(1)当当vI=0V时，时，vI为低电平，为低电平，vO=0V当当
4、vI增加到增加到vI=VTH时，使时，使vO=VOH=VDDvI增加，使增加，使vI增加，增加，0VvO OVDDVDDvI VDDVDDVTH=1/2VDD1vIvO发生转换时的发生转换时的vI即即VT+可由下式求得可由下式求得(2)当当vI=VDD时，时，vI为高电平，为高电平，vO=VDD当当vI下降到下降到vI=VTH时，使时，使vO=VOL=0VvI下降，使下降，使vI下降，下降，11vOvOvIR2G1G2vO1vIVDDVT+VTH发生转换时的发生转换时的vI即即VT-可由下式求得可由下式求得带入带入VDD=2VTH回差电压：回差电压：特点：特点：VT可调可调符号：符号：1vIv
5、O电压传输特性曲线：电压传输特性曲线：vIvOVTHVDD同向输出同向输出的施密特触发特性的施密特触发特性1vIvOvIvOVTHVDD以以vO做输出得到做输出得到反向输出反向输出的施密特触发特性的施密特触发特性11vOvOvIR2G1G2vO1vIvIvOVTHVDD6.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器集成施密特触发器集成施密特触发器7413&YACBD&ACBD1Y等效电路等效电路带与非功能的施密特触发器带与非功能的施密特触发器不可调不可调集成施密特触发器集成施密特触发器CC401061vIvO调节调节VDD可调可调6.2.3施密特触发器的应用施密特触发器的应用将正弦波、三角波等转
6、换成矩形波将正弦波、三角波等转换成矩形波tvOVT-VT+vIt1vIvO一、用于波形变换一、用于波形变换tvOVT-VT+tvOVT-VT+1vIvO二、用于脉冲整形二、用于脉冲整形tvOVT-VT+vItvItvIt将不理想的矩形波转换成理想矩形波将不理想的矩形波转换成理想矩形波如上升沿、下降沿不理想，如上升沿、下降沿不理想，寄生振荡，干扰脉冲造成的不理想脉冲寄生振荡，干扰脉冲造成的不理想脉冲三、用于脉冲鉴幅三、用于脉冲鉴幅将一些不同幅度的脉冲信号加到施密特触发器的输入端时，只有将一些不同幅度的脉冲信号加到施密特触发器的输入端时，只有那些大于那些大于VT+的脉冲才会产生输出信号。的脉冲才会
7、产生输出信号。vItvOtVT+VT-1vIvO6.3 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器的特点：单稳态触发器的特点：1.电路有稳态和暂稳态两个状态。电路有稳态和暂稳态两个状态。2.在触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持在触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持 一段时间后，再自动返回稳态。一段时间后，再自动返回稳态。3.暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲宽暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲宽 度无关。度无关。vIvO暂稳态暂稳态稳态稳态tWtw=RC6.3.1 用门电路组成的单稳态触发器用门电路组成的单稳态触发器微分型单稳态触
8、发器微分型单稳态触发器工作原理分析工作原理分析11vOvIRG1G2vO1vI2CVDDCMOS门门单稳态电路工作原理的分析方法：单稳态电路工作原理的分析方法：分别分析分别分析稳态稳态、暂稳态暂稳态、恢复过程恢复过程，定性地画出电路中各点电压的波形。定性地画出电路中各点电压的波形。注意或非门和非门都是注意或非门和非门都是CMOS门门vIvO暂稳态暂稳态 稳态稳态tW稳态稳态CMOS门的高电平门的高电平=VDD，低电平，低电平=0V，阈值电压，阈值电压VTH=1/2VDD（1）稳态）稳态vI=0，C开路，开路，vI2=VDD，vO=0；vO1=1，C无电荷无电荷（2）暂稳态）暂稳态11vOvIR
9、G1G2vO1vI2CVDDCMOS门门C充电，充电，vI2上升，当上升，当vI2=VTH时，使时，使vO=0，vO1=1暂稳态结束暂稳态结束充充当当vI 时，使时，使 vO1=0，vI2，vO=1进入暂稳态进入暂稳态（3）恢复过程：）恢复过程：放放vO1 vI2，C放电，放电，vI2按下降，很快放完电后，按下降，很快放完电后，vI2=VDD。恢复到稳态。恢复到稳态。VDDVDD00vItvO1tvI2VTHtvOt tW 充充主要参数主要参数(1)输出脉冲宽度输出脉冲宽度tW即充电过程中，即充电过程中，从从上升到上升到VTH所需的时间。所需的时间。根据根据三要素法三要素法：当当时，时，vIt
10、vO1tvI2VTHtvOt tW 充充放放已知已知再再求出求出即可。即可。充电等效电路：充电等效电路：RG1vI2CVDDG2RON充充vItvO1tvI2VTHtvOt tW 充充放放vI2RCVDDRONtW，则，则vI2=VTH 时，时，vO,但但vO1由于由于vI 的作用还保持的作用还保持0，工作不正常。，工作不正常。3.输入微分电路的作用输入微分电路的作用vdRdCdvI11vORG1G2vO1vI2CVDDvItvO1tvI2VTHtvOt tW 放放TrevdvItt措施：措施：在输入端加微分网络在输入端加微分网络Rd、Cd（足够足够小），将宽脉冲变为窄脉冲。小），将宽脉冲变为
11、窄脉冲。l该电路要求输入触发脉冲宽度要小于暂稳态时间。该电路要求输入触发脉冲宽度要小于暂稳态时间。l该电路称为微分型单稳态电路，除此之外还有积分该电路称为微分型单稳态电路，除此之外还有积分型单稳态电路。型单稳态电路。l该电路为不可重复触发的单稳态电路，除此之外还该电路为不可重复触发的单稳态电路，除此之外还有可重复触发的单稳态电路。有可重复触发的单稳态电路。不可重复触发：在暂稳态不可重复触发：在暂稳态尚未结束时，又来一个触尚未结束时，又来一个触发脉冲，此脉冲不会引发发脉冲，此脉冲不会引发新的暂稳态。新的暂稳态。Retriggers tw可重复触发：如果在暂稳可重复触发：如果在暂稳态尚未结束时，又
12、来一个态尚未结束时，又来一个触发脉冲，可再引发一个触发脉冲，可再引发一个暂稳态。暂稳态。(1)上升沿触发上升沿触发(2)下降沿触发下降沿触发6.3.3 集成单稳态触发器集成单稳态触发器特点：特点：74121 TTL集成单稳态触发器集成单稳态触发器当当A1A2=0时，时，B上升沿触发上升沿触发当当B=1，A1=1时，时，A2下降沿触发下降沿触发当当B=1，A2=1时，时，A1下降沿触发下降沿触发Cext Rext Rin VCCA1A2BvOvOGND16753410 1191474121BtA1ttA2vOttWtWtW(3)暂稳时间可调暂稳时间可调1011914Rint内部有固定电阻，可外接
13、电容内部有固定电阻，可外接电容和电阻。通过调节外部电阻或和电阻。通过调节外部电阻或电容可调暂稳时间电容可调暂稳时间(4)不可重复触发型不可重复触发型Cext Rext Rin VCCA1A2BvOvOGNDVCCCext1671011 9145341Rextb.外接电容外接电容Cext，外接电阻外接电阻Rexta.外接电容外接电容Cext，内部电阻内部电阻RintCext Rext Rin VCCA1A2BvOvOGNDVCCC1671011 91453411011914RintCextRext1011914RintCext两种使用方法两种使用方法工作原理：工作原理：1RintCextVCCv
14、O1窄脉冲窄脉冲形成电路形成电路&11vOB A1A210119Rext14输出缓冲输出缓冲由基本单稳态触发器（微分型）、窄脉冲形成电路、输出缓冲构成由基本单稳态触发器（微分型）、窄脉冲形成电路、输出缓冲构成1RintCextVCCvO1窄脉冲窄脉冲形成电路形成电路B A1A210119Rext14等效电路等效电路74122、74123可重复触发型可重复触发型74121、74221不可重复触发型不可重复触发型74221、74122、74123 还设有直接清零端还设有直接清零端6.4多谐振荡器多谐振荡器特点：特点：无稳态无稳态输出信号自动地从输出信号自动地从1态翻到态翻到0态，再从态，再从0态翻
15、到态翻到1态，形成矩形脉冲。态，形成矩形脉冲。因矩形脉冲含有丰富的高次谐波分量，故矩形波发生器又称因矩形脉冲含有丰富的高次谐波分量，故矩形波发生器又称多谐振荡器。多谐振荡器。11vO2vI1RF1G1G2vO1vI2RF2C1C26.4.1对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器结构特点：结构特点：对称，对称，C1=C2，RF1=RF2TTL门门无输入端无输入端起振原理起振原理vO00.5 1.0 1.51.02.03.04.0vI vOvI静态时，静态时，G1、G2工作在线性区工作在线性区即放大状态即放大状态若若G1、G2有微小的扰动，则引起正反馈有微小的扰动，则引起正反馈使输出越来越大，直到最大值
16、使输出越来越大，直到最大值vI1vO1vI2vO2TTL门门维持振荡原理维持振荡原理由于有电容存在，故存在电容的充放由于有电容存在，故存在电容的充放电，使电，使vI处于不断变化中，处于不断变化中，vO则在高则在高低电平之间来回振荡。低电平之间来回振荡。v怎样保证工作在线性区？怎样保证工作在线性区？设置适当的偏置电压，使输入输出电压介于高低电平之间，设置适当的偏置电压，使输入输出电压介于高低电平之间，这个功能由这个功能由RF1、RF2完成完成11vI1RF1G1G2vO1vI2RF2C1C2vO2工作过程：工作过程：起振过程起振过程加电时，设加电时，设vI1有微小的正跳变，有微小的正跳变，则引起
17、正反馈则引起正反馈vI1vO1vI2vO2使使vO1=0，vO2=1；电路进入第一个暂稳态，同时电路进入第一个暂稳态，同时vI1，vI2 起振后起振后C1充电充电C2放电放电C1充电，快；充电，快；C2放电，慢放电，慢C2vO111vO2vI1RF1G1G2vI2RF2C1+01RF1vI1VOH2C2VOL1+VOH2R1VCCRFG2vI2C1VOL1+C1充电，充电，vI2上升，快；上升，快；C2放电，放电，vI1下降，慢下降，慢当上升至：当上升至：vI2=VTH时，时，引起正反馈引起正反馈vO2=0，vO1=1；电路进入第二个暂稳态，同时电路进入第二个暂稳态，同时vI1，vI211vO
18、2vI1RF1G1G2vO1vI2RF2C1C2+C1充电充电C2放电放电01C2充电，充电，vI1上升，快；上升，快；C1放电，放电，vI2下降，慢下降，慢当上升至：当上升至：vI1=VTH时，时，如此循环，输出端输出矩形波如此循环，输出端输出矩形波波形：波形：11vO2vI1RF1G1G2vO1vI2RF2C1C2+C1放电放电C2充电充电10tvO2tvO1vI1VTHVIKvI2VTHVIKC1充充C2放放C2充充C1放放vO2=0，vO1=1；参数计算：参数计算：T=T1+T2=2T1T1为为C1充电过程中，充电过程中，vI2从初始值从初始值vI2(0)上升到上升到VTH所需的时间所
19、需的时间根据三要素法得出的公式根据三要素法得出的公式充电等效电路：充电等效电路：R1VCCRFG2vI2VOH2C1VOL1RE1VE1虚线右边的戴虚线右边的戴维南等效电路维南等效电路RE1=R1/RFtvO2tvO1vI1VTHVIKvI2VTHVIKT1vI2RE1C1VOLVE1充电电路的等效电路：充电电路的等效电路：在在vI2产生负跳变时，只能下跳至输入端负的钳位电产生负跳变时，只能下跳至输入端负的钳位电压压VIK，所以所以C1充电的起始值为充电的起始值为R1VCCRFG2vI2VOH2C1VOL1 tvO2vI2VTHVIKT174LS系列反相器的参数系列反相器的参数近似公式：近似公
20、式：当当RFVR1，vI2VR2时，时，vC1=0，vC2=1，置置0有效，有效，Q=0，vO=0,TD导通导通vI1VR2时，时，vC1=1，vC2=1，保持，保持，Q保持，保持，vO保持，保持，TD保持保持vI1VR1，vI2VR1，vI2VR2时，时，vC1=0，vC2=0，不定，不定，Q=Q=1，vO=1，TD截止截止+C1+C2&1vC1vC2QQVR1VR25K5K5KVCCTDvOG1G2G3G434172658VCOvI1(TH)vO(DISC)vI2(TR)RD6.5.2 用用555构成施密特触发器构成施密特触发器方法：将方法：将vI1和和vI2连在一起做输入端，构成连在一起
21、做输入端，构成反相反相施密特触发器。施密特触发器。(1)vI从从0上升的情况上升的情况1/3VCCvI 2/3VCC时，时，vC1=0，vC2=1，vI1/3VCC时，时，Q=1，vO=1vC1=1，vC2=0，+C1+C2&1vC1vC2QQVR1VR25K5K5KVCCTDvOG1G2G3G434172658vI1vI2RDvI回差电压：回差电压：VT=VT+-VT-=1/3Vcc(2)vI从高于从高于 2/3VCC下降的情况下降的情况1/3VCCvI2/3Vcc时，时，vC1=1，vC2=1，Q=0不变，不变，vO=0不变不变Q=1，vO=1，所以所以VT-=1/3VCCvI2/3VCC
22、时，时，Q=0，vO=0vC1=0，vC2=1，+C1+C2&1vC1vC2QQVR1VR25K5K5KVCCTDvOG1G2G3G434172658vI1vI2RDvI电压传输特性：电压传输特性：vOvIVT-VT+6.5.3 用用555构成单稳触发器构成单稳触发器vI2作触发输入，作触发输入，vI1与与vO相接，相接，上接上接R到到VCC，下接下接C到地到地vOtwvI功能：功能：方法：方法：+C1+C2&1vC1vC2QQVR1VR25K5K5KVCCTDvOG1G2G3G434172658vI1vI2RDvIRC特点：特点：低电平触发低电平触发(1/3VCC），vI1=0，vC1=1，
23、vC2=1，Q=0，vO=0，C上无电荷，上无电荷，TD导通导通反证：反证：C放电，放电，vC下降，下降，当当vC下降到下降到2/3VCC时，时，vC1=0，置置0,Q=0，vO=0，则则TD导通导通+C1+C2&1vC1vC2QQVR1VR25K5K5KVCCTDvOG1G2G3G434172658vI1vI2RDvIRCvC(2)(2)暂稳过程暂稳过程vI下降沿到来时，下降沿到来时，vC2=0，置置1，故故vO=1，进入暂稳态，进入暂稳态，TD止止C充电，当充电，当vC上升到上升到2/3VCC时时，vC1=0，vI2上升沿到来上升沿到来时，时，vC2=1，置置0，vO=0，暂稳结束暂稳结束
24、+C1+C2&1vC1vC2QQVR1VR25K5K5KVCCTDvOG1G2G3G434172658vI1vI2RDvIRCvCtvIvOvCtTD通，通，C放电，放电，vC下降使下降使vC VT-。当输入电平升高到大于当输入电平升高到大于VT+时，输出一个状态，时，输出一个状态，当输入电平降低到小于当输入电平降低到小于VT-时，输出另一个状态。时，输出另一个状态。整形整形单稳态单稳态触发器触发器输出有一个稳态，一个暂稳态；从稳态翻转到暂输出有一个稳态，一个暂稳态；从稳态翻转到暂稳态靠触发脉冲触发，从暂稳态自动翻转到稳态；稳态靠触发脉冲触发，从暂稳态自动翻转到稳态；暂稳态的持续时间由电路参数
25、暂稳态的持续时间由电路参数RC决定。决定。定时定时多谐多谐振荡器振荡器没有稳态，电路从一个状态自动翻转到另一个状没有稳态，电路从一个状态自动翻转到另一个状态，从而产生矩形波。态，从而产生矩形波。产生产生矩形矩形波波555定时器定时器是是一一种种多多功功能能集集成成定定时时电电路路，外外接接少少量量电电阻阻和和电电容容，即即可可完完成成各各种种功功能能。典典型型如如：施施密密特特触触发发器器、单单稳稳态态触触发发器器、多多谐谐振振荡荡器器等等。其其内内部部主主要要由由比比较器，基本较器，基本RS触发器，放电三极管构成。触发器，放电三极管构成。整形整形定时定时单稳态触发器和多谐振荡器的分析方法单稳态触发器和多谐振荡器的分析方法波形分析法波形分析法分析电路的工作过程，定性地画出电路中各点电压的波形，分析电路的工作过程，定性地画出电路中各点电压的波形，找出决定电路状态发生转换的控制电压。找出决定电路状态发生转换的控制电压。画出控制电压充放电的等效电路，并将得到的电路化简画出控制电压充放电的等效电路，并将得到的电路化简确定每个控制电压充放电的起始值、终了值和转换值。确定每个控制电压充放电的起始值、终了值和转换值。计算充放电时间，求出所需的计算结果。计算充放电时间，求出所需的计算结果。作业作业 6.26.86.126.206.256.276.31