脉冲波形的产生和整形上课讲义.ppt

脉冲波形的产生和整形以下主要讨论几种常用脉冲波形的产生与变换电路：（功能、特点及其主要应用简介）1.施密特触发器：主要用以将非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲；2.单稳态触发器：主要用以将脉冲宽度不符合要求的脉冲变换成脉冲宽度符合要求的矩形脉冲；3.多谐振荡器：产生矩形脉冲；4.555555定时器。返回返回2006年2常用脉冲波形及参数常用脉冲波形及参数 脉冲波形是指突变的电流和电压的波形。图6-1常见的脉冲波形图返回返回2006年3新疆大学信息科学与工程学院数字电路课题组图6-3矩形波的主要参数周期性矩形波的周期用T表示，有时也用频率f表示（f=1/T）。矩形波的另外几个主要参数：（1）脉冲幅度Vm（2）脉冲宽度tw（3）上升时间tr（4）下降时间tf（5）占空比q=t w/T。通常q用百分比表示，如果q=50%，则称为对称方波。返回返回2006年4主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿陡峭的矩形波。特点：电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持和转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平触发。电压传输特性特殊，电路有两个转换电平（上限触发转换电平VT+和下限触发转换电平VT_）。状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。返回返回6.2 6.2 施密特触发器施密特触发器2006年51.电路组成两个CMOS反相器，两个分压电阻（R1R2）。图6-7 用集成门电路构成的施密特触发器（a）电路 （b）逻辑符号返回返回6.2.16.2.1 用门电路构成的施密特触发器用门电路构成的施密特触发器2006年62.工作原理（1）工作过程设CMOS反相器的阈值电压VTH=VDD/2，输入信号uI为三角波。返回返回2006年7当uI=0V时，G1输出VOH、G2输出VOL，即uO=0V。只要满足uI1VTH，电路就会处于这种状态（第一稳态）。当uI上升，使得uI1=VTH时，电路会产生如下正反馈过程：返回返回2006年8电路会迅速转换为G1输出VOL、G2输出为VOH，即uO=VDD的状态（第二稳态）。此时的uI值称为施密特触发器的上限触发转换电平UT+。显然，uI继续上升，电路的状态不会改变。返回返回2006年9如果uI下降，uI1也会下降。当uI1下降到VTH时，电路又会产生以下的正反馈过程：电路会迅速转换为G1输出VOH、G2输出为VOL的第一稳态。此时的uI值称为施密特触发器的下限触发转换电平VT。uI再下降，电路将保持状态不变。返回返回2006年10（2）工作波形与电压传输特性施密特触发器将三角波vI变换成矩形波vO。图6.2.2施密特触发器的电压传输特性例6.2.1 已知VT、VT+和VT,求R1,R2和VDD的值。上限触发转换电平VT+下限触发转换电平VT回差回差VT=VT+VT（通常（通常VT+VT）改变改变R1和和R2的大小可以改变回差的大小可以改变回差VT 返回返回2006年11集成施密特触发器的VT+和VT的具体数值可从集成电路手册中查到。对于每个具体的器件而言是固定的，不可调节。如CT74132的VT+1.7 v、VT0.9 v，所以，VTVT+VT1.7 v0.9 v0.8 v。返回返回6.2.2 6.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器2006年121.施密特触发与非门电路 为了对输入波形进行整形，许多集成门电路采用了施密特触发形式。比如CMOS的CC4093和TTL的74LS13就是施密特触发的与非门电路。图6.2.4施密特触发与非门的逻辑符号返回返回2006年13图图6.2.4 6.2.4 带带与非与非与非与非功能的功能的TTLTTL集成施密特触发器集成施密特触发器返回返回2006年14新疆大学信息科学与工程学院数字电路课题组图图图图6.2.6 CMOS6.2.6 CMOS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CC40106CC40106为了提高电路的性能，电路在施密特触发器为了提高电路的性能，电路在施密特触发器的基础上，增加了整形级和输出缓冲级。的基础上，增加了整形级和输出缓冲级。整形级整形级可以使输出波形的边沿更加陡峭，可以使输出波形的边沿更加陡峭，输出缓冲级输出缓冲级可以提高电路的负载能力。可以提高电路的负载能力。2.施密特反相器CC40106TTL的74LS14和CMOS的CC40106均为六施密特触发的反相器。下面以CC40106为例说明其功能。返回返回2006年151.波形变换将变化缓慢的波形变换成矩形波（如将三角波或正弦波变换成同周期的矩形波）。图图图图6.2.8 6.2.8 用用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施密特触发器实现波形变换施密特触发器实现波形变换6.2.3 6.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用返回返回2006年162.脉冲整形在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，或者边沿产生振荡等。通过施密特触发器整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。图6.2.9脉冲整形波形波形畸变畸变边沿边沿振荡振荡返回返回2006年173脉冲鉴幅将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些幅度大于VT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。可见，施密特触发器具有脉冲鉴幅能力。图6.2.10脉冲鉴幅返回返回2006年186.3 6.3 单稳态触发器单稳态触发器工作特点：第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；第二，在外加脉冲作用下，触发器能从稳态翻转到暂稳态；第三，在暂稳态维持一段时间后，将自动返回稳态，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外加触发信号无关。返回返回2006年191.电路组成及工作原理暂稳态是靠RC电路的充放电过程来维持的。由于图示电路的RC电路接成微分电路形式，故该电路又称为微分型单稳态触发器。图图图图6.3.1 6.3.1 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器6.3.16.3.1 用门电路构成的单稳态触发器用门电路构成的单稳态触发器返回返回2006年20新疆大学信息科学与工程学院数字电路课题组（1）输入信号uI为0时，电路处于稳态。uI2=VDD，uO=VOL=0，uO1VOH=VDD。（2）外加触发信号，电路翻转到暂稳态。当uI产生正跳变时，uO1产生负跳变，经过电容C耦合，使uI2产生负跳变，G2输出uO产生正跳变；uO的正跳变反馈到G1输入端，从而导致如下正反馈过程：返回返回2006年21使电路迅速变为G1导通、G2截止的状态，此时，电路处于uO1=VOL、uO=uO2=VOH的状态。然而这一状态是不能长久保持的，故称为暂稳态。返回返回2006年22（3）电容C充电，电路由暂稳态自动返回稳态。在暂稳态期间，VDD经R对C充电，使uI2上升。当uI2上升达到G2的VTH时，电路会发生如下正反馈过程：返回返回2006年23使电路迅速由暂稳态返回稳态，uO1=VOH、uO=uO2=VOL。从暂稳态自动返回稳态之后，电容C将通过电阻R放电，使电容上的电压恢复到稳态时的初始值。返回返回2006年24图图图图6.3.2 6.3.2 图图图图6.3.16.3.1电路的电压波形图电路的电压波形图电路的电压波形图电路的电压波形图返回返回2006年252.主要参数（1）输出脉冲宽度tw输出脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间。根据uI2的波形可以计算出：tw 0.7RC（2）恢复时间tre暂稳态结束后，电路需要一段时间恢复到初始状态。一般，恢复时间tre为（35）放电时间常数（通常放电时间常数远小于RC）。返回返回2006年26设触发信号的时间间隔为T，为了使单稳态触发器能够正常工作，应当满足Ttw+tre的条件，即Tmin=tw+tre。因 此，单 稳 态 触 发 器 的 最 高 工 作 频 率 为 fmax=1/Tmin=1/（tw+tre）在使用微分型单稳态触发器时，输入触发脉冲uI的宽度tw1应小于输出脉冲的宽度tw，即tw1tw，否则电路不能正常工作。如出现tw1tw的情况时，可在触发信号源uI和G1输入端之间接入一个RC微分电路。3.对输入触发脉冲宽度的要求对输入触发脉冲宽度的要求（3）最高工作频率fmax（或最小工作周期Tmin）2006年274.积分型单稳态触发器图图6.3.5 6.3.5 积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器返回返回2006年28新疆大学信息科学与工程学院数字电路课题组图图6.3.6 6.3.6 图图6.3.56.3.5电路的电压波形图电路的电压波形图返回返回2006年29新疆大学信息科学与工程学院数字电路课题组用集成门电路构成的单稳态触发器虽然电路简单，但输出脉冲宽度的稳定性较差，调节范围小，而且触发方式单一。因此实际应用中常采用集成单稳态触发器。1.输入脉冲触发方式上升沿触发下降沿触发6.3.2 6.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器返回返回2006年302.不可重复触发型与可重复触发型 图图（a）为为不不可可重重复复型触发单稳态触发器型触发单稳态触发器该该电电路路在在触触发发进进入入暂暂稳稳态态期期间间如如再再次次受受到到触触发发，对对原原暂暂稳稳态态时时间间没没有有影影响响，输输出出脉脉冲冲宽宽度度tw仍仍从从第第一一次次触触发发开开始始计算。计算。图图（b）为为可可重重复复触发型单稳态触发器触发型单稳态触发器 该该电电路路在在触触发发进进入入暂暂稳稳态态期期间间如如再再次次被被触触发发，则则输输出出脉脉冲冲宽宽度度可可在在此此前前暂暂稳稳态态时时间的基础上再展宽间的基础上再展宽tw。因因此此，采采用用可可重重复复触触发发单单稳稳态态触触发发器器时时能能比比较较方便地得到持续时间更长的输出脉冲宽度。方便地得到持续时间更长的输出脉冲宽度。2006年313.TTL集成单稳态触发器电路74121的功能及其应用74121是一种不可重复触发的单稳态触发器，它既可采用上升沿触发，又可采用下降沿触发，其内部还设有定时电阻Rint(约为2k)。表6-174121电路的功能表图6-1674121的电路符号触发输入端输出端外接定时元件引脚内部电阻引脚2006年32功能：（1）触发方式：2006年33图6-1774121应用电路（2）定时元件接法：输出脉冲uO的宽度：tw 0.7RCext外接电容Cext一般取值范围为10 pF10F，在要求不高的情况下最大值可达1000F。图图(a)：外接电阻：外接电阻R=Rext（1.440k）。）。图图(b)：用内部电阻：用内部电阻RRint(约为约为2k)。2006年341多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。2通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，无需外触发。3输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的谐波分量，故称作多谐振荡器。6.4 6.4 多谐振荡器多谐振荡器返回返回2006年351.电路组成由两个TTL反相器经电容交叉耦合而成。通常令C1=C2=C，R1=R2=RF。为了使静态时反相器工作在转折区，具有较强的放大能力，应满足ROFFRFRON的条件。图6-20对称式多谐振荡器 返回返回6.4.16.4.1 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器2006年36新疆大学信息科学与工程学院数字电路课题组2.工作原理假定接通电源后，由于某种原因使uI1有微小正跳变，则必然会引起如下的正反馈过程：使uO1迅速跳变为低电平、uO2迅速跳变为高电平，电路进入第一暂稳态。此后，uO2的高电平对C1电容充电使uI2升高，电容C2放电使uI1降低。由于充电时间常数小于放电时间常数，所以充电速度较快，uI2首先上升到G2的阈值电压UTH，并引起如下的正反馈过程：返回返回2006年37使uO2迅速跳变为低电平、uO1迅速跳变为高电平，电路进入第二暂稳态。此后，C1放电、C2充电，C2充电使uI1上升，会引起又一次正反馈过程，电路又回到第一暂稳态。这样，周而复始，电路不停地在两个暂稳态之间振荡，输出端产生了矩形脉冲。返回返回2006年38图6.4.1对称式多谐振荡器的工作波形返回返回2006年393.主要参数矩形脉冲的振荡周期为 T1.4RFC当取RF1k、CI00 pF100 F时，则该电路的振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内变化。返回返回2006年406.4.2 6.4.2 非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器图图6.4.6 6.4.6 非对称式多谐振荡器电路非对称式多谐振荡器电路返回返回2006年41新疆大学信息科学与工程学院数字电路课题组图图6.4.7 6.4.7 图图6.4.66.4.6电路中电路中CMOSCMOS反相器静态工作点的确定反相器静态工作点的确定返回返回2006年42新疆大学信息科学与工程学院数字电路课题组图图6.4.8 6.4.8 图图6.4.66.4.6电路中电容的充、电路中电容的充、放电等效电路放电等效电路（a a）放电的等效电路（）放电的等效电路（b b）充电的等效电路）充电的等效电路返回返回2006年43新疆大学信息科学与工程学院数字电路课题组图图6.4.9 6.4.9 图图6.4.66.4.6电路的工作波形图电路的工作波形图返回返回2006年44新疆大学信息科学与工程学院数字电路课题组1.最简单的环形振荡器图6.4.10 最简单的环形振荡器(a)电路 (b)工作波形利用集成门电路的传输延迟时间，将奇数个反相器首尾相连便可构成最简单的环形振荡器。该电路没有稳定状态。如此周而复始，便产生了自激振荡。振荡周期T=6tpd。6.4.3 6.4.3 环形振荡器环形振荡器返回返回2006年452.RC环形振荡器最简单的环形振荡器构成十分简单，但是并不实用。因为集成门电路的延迟时间tpd极短，而且振荡周期不便调节。增加RC延迟环节，即可组成RC环形振荡器电路。图6.4.12 RC环形振荡器 利利用用电电容容C的的充充放放电电，改改变变uI3的的电电平平(因因为为RS很很小小,在在分分析析时时往往往往忽忽略略它它。)来来控控制制G3周周期期性性的的导通和截止，在输出端产生矩形脉冲。导通和截止，在输出端产生矩形脉冲。RS是是限限流流电电阻阻（保保护护G3），通通常选常选100左右。左右。返回返回2006年46图6.4.13 RCRC环形振荡器的工作波形 电路的振荡周期为T2.2RCR不能选得太大（一般1k左右），否则电路不能正常振荡。返回返回2006年476.4.4 6.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器用施密特触发器构成的多谐振荡器l利用施密特触发器电压传输特性中的滞回区，使得输入电压在VT+和VT-之间不停往复变化，输出端就得到了矩形波。图图6.4.15 6.4.15 用施密特触发器用施密特触发器构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器图图6.4.16 6.4.16 电压波形图电压波形图2006年48图图6.4.17 6.4.17 脉冲占空比可调的多谐振荡器脉冲占空比可调的多谐振荡器返回返回2006年49新疆大学信息科学与工程学院数字电路课题组6.4.6.4.5 5石英晶体振荡器石英晶体振荡器 前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC参数误差的影响。而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号频率不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。返回返回2006年50图6.4.18石英晶体的阻抗频率特性图石英晶体具有很好的选频特性。当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率fo相同时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易通过，而其它频率的信号则被衰减掉。返回返回2006年51因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率fo，而与RC无关。图6.4.19石英晶体振荡器电路在对称式多谐振荡器的基础上，串接一块石英晶体，就可以构成一个石英晶体振荡器电路。该电路将产生稳定度极高的矩形脉冲，其振荡频率由石英晶体的串联谐振频率fo决定。返回返回2006年52目前，家用电子钟几乎都采用具有石英晶体振荡器的矩形波发生器。由于它的频率稳定度很高，所以走时很准。通常选用振荡频率为32768HZ的石英晶体谐振器，因为32768215，将32768HZ经过15次二分频，即可得到1HZ的时钟脉冲作为计时标准。返回返回2006年53*6.4.6 *6.4.6 压控振荡器压控振荡器l压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，简称VCO）是一种频率可控的振荡器，其振荡频率随输入控制电压的变化而改变。1、施密特触发器型2、电容交叉充、放电型3、定时器型返回返回2006年54新疆大学信息科学与工程学院数字电路课题组为数字模拟混合集成电路。可产生精确的时间延迟和振荡，内部有3个5K的电阻分压器，故称555。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。6.5 6.5 555555定时器及其应用定时器及其应用返回返回2006年55各公司生产的555定时器的逻辑功能与外引线排列都完全相同。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516V318V负载电流可达200mA可达4mA返回返回2006年566.5.16.5.1 555 555定时器电路结构与功能定时器电路结构与功能 1.电路组成图6-28555定时器(a)原理图(b)外引线排列图电阻分压器电压比较器基本RS触发器放电管T缓冲器返回返回2006年57新疆大学信息科学与工程学院数字电路课题组（1）电阻分压器由3个5k的电阻R组成，为电压比较器C1和C2提供基准电压。返回返回2006年58（2）电压比较器C1和C2。当UU时，UC输出高电平，反之则输出低电平。返回返回2006年59CO为控制电压输入端。当CO悬空时，UR12/3VCC，UR21/3VCC。当COUCO时，UR1UCO，UR21/2UCO返回返回2006年60TH称为高触发端，TR称为低触发端。返回返回2006年61（3）基本RS触发器其置0和置1端为低电平有效触发。R是低电平有效的复位输入端。正常工作时，必须使R处于高电平。返回返回2006年62（4）放电管TT是集电极开路的三极管。相当于一个受控电子开关。输出为0时，T导通，输出为1时，T截止。返回返回2006年63（5）缓冲器缓冲器由G3和G4构成，用于提高电路的负载能力。返回返回2006年642.工作原理TH接至反相输入端，当THUR1时，UC1输出低电平，使触发器置0，故称为高触发端（有效时置0）；TR接至同相输入端，当TRUR2时，UC2输出低电平，使触发器置1，故称为低触发端（有效时置1）。表6.5.2 555定时器的功能表返回返回2006年656.5.2 5556.5.2 555定时器的应用举例定时器的应用举例1.构成施密特触发器思考：施密特触发器的特点？思考：施密特触发器的特点？回回差差特特性性：上上升升过过程程和和下下降降过过程程有有不不同同的的转转换换电平电平VT和和VT。如何与如何与555定时器发生联系？定时器发生联系？内部比较器有两个不同的基准电压内部比较器有两个不同的基准电压VR1和和VR2。返回返回2006年66图6.5.2 555定时器构成的施密特触发器（a）电路 （b）工作波形如果在如果在UIC加上控制电压，加上控制电压，则可以改变电路的则可以改变电路的VT+和和VT。返回返回2006年672.构成单稳态触发器（1）得到负脉冲外触发：使高触发置0端TH有效暂稳态0自动返回：通过电容C的充放电使低触发置1端TR有效稳态1思路：外触发自动返回（2）得到正脉冲外触发：使低触发置1端TR有效暂稳态1自动返回：通过电容C的充放电使高触发置0端TH有效稳态0返回返回2006年68图6-30555定时器构成的单稳态触发器（a）电路（b）工作波形工作原理：稳态为0低触发有效置1T截止，C充电自动高触发返0提高基准电压稳定性的滤波电容输出脉冲的宽度tw1.1RC。当触发脉冲uI为高电平时，VCC通过R对C充电，当TH=uC2/3VCC时，高触发端TH有效置0；此时，放电管导通，C放电，TH=uC=0。稳态为0状态。此时放电管T截止，VCC通过R对C充电。当TH=uC2/3VCC时，使高触发端TH有效，置0状态，电路自动返回稳态，此时放电管T导通。电路返回稳态后，C通过导通的放电管T放电，使电路迅速恢复到初始状态。2006年69工作原理：当触发脉冲uI下降沿到来时，低触发端TR有效置1状态，电路进入暂稳态。当触发脉冲uI为高电平时，VCC通过R对C充电，当TH=uC2/3VCC时，高触发端TH有效置0；此时，放电管导通，C放电，TH=uC=0。稳态为0状态。此时放电管T截止，VCC通过R对C充电。当TH=uC2/3VCC时，使高触发端TH有效，置0状态，电路自动返回稳态，此时放电管T导通。电路返回稳态后，C通过导通的放电管T放电，使电路迅速恢复到初始状态。返回返回2006年703.构成多谐振荡器设计思想：是无稳态电路，两个暂稳态不断地交替。利用放电管T作为一个受控电子开关，使电容充电、放电而改变TH=TR，则交替置0、置1。图6-29555定时器构成的多谐振荡器（a）电路（b）工作波形电容C充电充=(R1+R2)C电容C放电放=R2C振荡器输出脉冲uO的工作周期为：T0.7(R1+2R2)C 返回返回2006年71本章介绍了各种产生和变换矩形脉冲的电路。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。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。本章小结本章小结返回返回2006年72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。读者可参阅有关书籍自行设计出所需的电路。2006年73此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢