第五章 脉冲信号的产生与整形
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脉冲信号的产生与整形(数字电路分析课件)
施密特触发器在ui上升和下降时，输出电压uo翻转时所对应的阀值电压值是 不同的，一个阈值电压Uth1，另一个为阈值电压Uth2，回差电压为：
回差电压的特点：
回 差 电 压 越 大 ，两 个 阈 值 电 压 区 间 内 的 输 入 信 号 干 扰 对 输 出 的 影 响 就 越 小 ，抗 干 扰 能 力 也 就 越 强 。
任务6.2 555定时器构成施密特触发器
目 录
施密特触发器的概述 施密特触发器的电路结构与原理 施密特触发器的应用实例
一、 施密特触发器的概述
• 施密特触发器的属于一种双稳态触发器。 • 具有两个稳定状态，两个稳定状态的转换都需要外加输入信号的触 发下才可以完成。
一、 施密特触发器的概述
施密特触发器具有下列特点：
通常 • TTL型555定时器具有较大的驱动能力，电源电压范围为+4.5~+16V • CMOS型555定时器具有低功耗、输入阻抗高的优点，电源电压范围是+3~+18
二、555定时器的组成及工作原理
1、 555定时器的组成 (1)分压器：由三个5KΩ电阻构成 (2)比较器：由两个单限电压比较器A1和A2构成 (3)R-S触发器: 由与非门构成的基本RS触发器 (4)放电开关管T: 晶体管VT
3号引脚为输出端。2号脚触发输入端外 接输入触发信号 。
注意
◆ 电路
输入端2采用 负脉冲触发
平时 ui =1
R、C 为定时元件
单稳态触发器
2、单稳态触发器的工作原理 （稳态的形成）
+UCC
接通电源
UCC 8
R1
5KΩ
5 6
VA
+C1+
01
ui 1 uC
回差电压的特点：
回 差 电 压 越 大 ，两 个 阈 值 电 压 区 间 内 的 输 入 信 号 干 扰 对 输 出 的 影 响 就 越 小 ，抗 干 扰 能 力 也 就 越 强 。
任务6.2 555定时器构成施密特触发器
目 录
施密特触发器的概述 施密特触发器的电路结构与原理 施密特触发器的应用实例
一、 施密特触发器的概述
• 施密特触发器的属于一种双稳态触发器。 • 具有两个稳定状态，两个稳定状态的转换都需要外加输入信号的触 发下才可以完成。
一、 施密特触发器的概述
施密特触发器具有下列特点：
通常 • TTL型555定时器具有较大的驱动能力，电源电压范围为+4.5~+16V • CMOS型555定时器具有低功耗、输入阻抗高的优点，电源电压范围是+3~+18
二、555定时器的组成及工作原理
1、 555定时器的组成 (1)分压器：由三个5KΩ电阻构成 (2)比较器：由两个单限电压比较器A1和A2构成 (3)R-S触发器: 由与非门构成的基本RS触发器 (4)放电开关管T: 晶体管VT
3号引脚为输出端。2号脚触发输入端外 接输入触发信号 。
注意
◆ 电路
输入端2采用 负脉冲触发
平时 ui =1
R、C 为定时元件
单稳态触发器
2、单稳态触发器的工作原理 （稳态的形成）
+UCC
接通电源
UCC 8
R1
5KΩ
5 6
VA
+C1+
01
ui 1 uC
数字电路 第五章 脉冲信号的产生与整形
5.3.1 环形振荡器
利用逻辑门电路的传输延迟时间，将奇数 个与非门首尾相接，就可以构成一个简单的环 形振荡器:
&
1
u o1
&
2
uo2
&
3
uo3
工作原理： 设 uo3 的初始 状态为 0: 01
u o1 & 1 10
&
2
uo2 01
&
3
0 10 uo3
1 0
用波形图来表示uo3 ，则为： uo3 t
7 6 5 4
555
电源电压范围: 4.5V ~ 18V
2
3
GND TR 地
Uo
输 出
RD 复 位
触 发
VCC
RD
4
阈值端
TH CO
TR D
8 6 5 2 7
R + R + A1 A2 T
RS 触发器功能表
R Q S Q
3 uo
R
1 0 0 1 RD
S
0 1 0 1
Q 0 1
Q
1 0
触发端
R
1
保持 保持 禁止 禁止
5.4.1 积分型单稳态触发器的工作原理
ui
1
uo1 R C
2
A
u o2
ui
0
uo1
t1
t
在 ui 脉冲到来以前，uo1是高 电平，uo2是高电平。
ui 正 跳变 uo1 负跳变 uA 不 突变 C放电 uo2负 跳变
uA
0
t
uA下降直到UT
uo2
UT 0
t
uo2上跳； uA继续下降
脉冲电路的产生和整形电路
v 重复此过程，则输出电压 O的波形变化即为一串脉冲波。
2
3.几种常见的脉冲波形
常见的波形有矩形波、锯齿波、钟形波、尖峰波、阶梯波等。
3
如何获得矩形脉冲信号？ （1）利用整形电路对不符合要求的脉冲信号 进行整形；
（2）利用脉冲振荡器直接产生脉冲信号；
矩形脉冲的特性： 为了定量描述矩形脉冲的特性通常给出几个主要参数。
2)暂稳态： ui负脉冲到来时刻，因ui＜VCC/3为0， uc 仍为0， ∴ uo由0变为1，放电管T截止，VCC经R对C充电，电路进入暂稳态。
3）暂稳态自动恢复到稳态：当uc充电到2VCC/3为1时， ui负脉冲已消 失ui =1， ∴输出uo＝0，T导通，C放电，电路自动恢复到稳态。
VCC
ui
0 twH twL
t
电路
工作波形
接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0， T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0 变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在 输出端uo产生了连续的矩形脉冲。
2.电路组成、工作原理
振荡后,电路没有稳态,只有两个暂稳态在作交替变化， 是无稳态电路。
属于脉冲产生电路。
二.电路组成、工作原理
1、方法
①先构成施密特触发器; ②加R2在VI和VO之间，VI 和地之间接C;
2.电路组成、工作原理
VCC
uc
R1
84
2VCC/3
7
3
uo
VCC/3
R2
6 555
0
t
uc
2
5
uo
C
1
0.01μF
2
3.几种常见的脉冲波形
常见的波形有矩形波、锯齿波、钟形波、尖峰波、阶梯波等。
3
如何获得矩形脉冲信号？ （1）利用整形电路对不符合要求的脉冲信号 进行整形；
（2）利用脉冲振荡器直接产生脉冲信号；
矩形脉冲的特性： 为了定量描述矩形脉冲的特性通常给出几个主要参数。
2)暂稳态： ui负脉冲到来时刻，因ui＜VCC/3为0， uc 仍为0， ∴ uo由0变为1，放电管T截止，VCC经R对C充电，电路进入暂稳态。
3）暂稳态自动恢复到稳态：当uc充电到2VCC/3为1时， ui负脉冲已消 失ui =1， ∴输出uo＝0，T导通，C放电，电路自动恢复到稳态。
VCC
ui
0 twH twL
t
电路
工作波形
接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0， T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0 变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在 输出端uo产生了连续的矩形脉冲。
2.电路组成、工作原理
振荡后,电路没有稳态,只有两个暂稳态在作交替变化， 是无稳态电路。
属于脉冲产生电路。
二.电路组成、工作原理
1、方法
①先构成施密特触发器; ②加R2在VI和VO之间，VI 和地之间接C;
2.电路组成、工作原理
VCC
uc
R1
84
2VCC/3
7
3
uo
VCC/3
R2
6 555
0
t
uc
2
5
uo
C
1
0.01μF
脉冲信号产生以及整形
+VCC
R
8
4
CO 5 TH 6
TR 2
5kΩ + C1 －
5kΩ
+ －ห้องสมุดไป่ตู้
C2 5kΩ
G1
G3
Q &
&
3 uo
G2 &Q
7 V
1
脉冲信号产生以及整形
555定时器功能表
uTH
uTR
R
×
×
0
﹤2/3VCC
﹤1/3VCC
1
﹥2/3VCC
﹥1/3VCC
1
﹤2/3VCC
﹥1/3VCC
1
输出uo
0 1 0 不变
振荡周期为T=2N tpd
脉冲信号产生以及整形
2. 带RC延迟电路的环形振荡器 在两个反相器之间插入RC延时电路实现的。利 用电容C的充放电，实现延时并改变输出电平，形成 电路两暂稳态的交替变换，产生矩形脉冲信号。加入 RC电路，既降低了振荡频率，又可通过改变R、C的 数值来实现对振荡频率的调节。图中RS为限流电阻。
脉冲信号产生以及整形
6.1.2 CMOS多谐振荡器 为便于电路分析，假定图中CMOS反相器开门 电平与关门电平相等，统称为阈值电平，记为UT并 设UT=0.5VDD。
脉冲信号产生以及整形
当t1时刻到来时，uo由0跳变为1，由于电容C上的 电压不能跃变，故ui1跟随uo发生正跳变，瞬间达到阈值电压UT， 使得ui2由1变到0。这个低电平也保证了G2的输出uo稳定为1。此 时电路进入第一暂稳态。在此期间，电容C通过电阻R放电，使 ui1逐渐下降，在t2时刻达到阈值电压，产生如下正反馈：
2. 555定时器实现多谐振荡器 R1、R2和C是外接定时元件，2 端（低电平触发端）和6端（高电平触发端）并联起来接uC，7端 （放电端）接到R1和R2之间。5端通过电容接地，旁路高频干扰。
第5章 脉冲信号的产生与整形..
第5章脉冲信号的产生与整形一、学习目的脉冲信号的产生与整形是在实际工作和较大规模的电路系统中经常遇到的技术环节。
通过本章二、内容概要本章讨论的施密特触发器和单稳态触发器是常用的脉冲整形电路，主要介绍它们的工作原理和三、学习指导本章重点：本章难点：方法提示5、1 概述了解波形发生电路的基本情况概述获得脉冲波形的方法主要有两种，一种是利用多谐振荡器直接产生符合要求的矩形脉冲；另一种施密特触发器和单稳态触发器是两种不同用途的脉冲波形的整形、变换电路。
施密特触发器主要5555．2 施密特触发器教学要求了解施密特触发器的电路结构理解施密特触发器的工作原理掌握集成施密特触发器的应用一、用门电路组成的施密特触发器1．电路结构逻辑符号。
框内的“”为施密特触发器的限定符号。
2．工作原理3．施密特触发器的电压传输特性二、集成施密特触发器施密特触发器的应用十分广泛，因此，TTL和CMOS数字集成电路中都有施密特触发器。
集成施密特触发器具有较好的性能，其正向阈值电压UＴ+和负向阈值电压UＴ－也很稳定，有很强的抗干扰能力，使用也十分方便。
1．TTL集成施密特触发器可将变化非常缓慢的信号变换成上升沿和下降沿都很陡直的脉冲信号。
具有阈值电压和回差电压温度补偿。
因此，电路性能的一致性好。
具有很强的抗干扰能力。
2．ＣＭＯＳ集成施密特触发器可将变化非常缓慢的信号变换为上升沿和下降沿很陡直的脉冲信号。
在电源电压电源电压抗干扰能力很强。
三、施密特触发器的应用5、3 多谐振荡器了解多谐振荡器的电路结构和工作原理理解用门电路、一、用门电路组成的多谐振荡器1、电路结构多谐振荡器由门电路和阻容元件构成，它没有稳定状态，只有两个暂稳态，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，输出周期性的矩形脉冲信号。
如要求输出振荡频率很稳定的矩形脉冲时，则可采用石英晶体振荡器。
由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，因此，常将矩形脉冲产生电路称作多谐振荡器。
脉冲信号的产生电路
1
D S
& G3 电路
0
(a)
1
t
（1）ui＝0 时， R ＝1， S ＝0，uo 为高电平，这是第一种稳态。
ui
0
G1 1 R
G2 & uo
ui (V) 1.4 0.7 0 uo 0 (b) 工作波形 UT+ UT－ t
1
D S
& G3 电路
1
(a)
1
t
（1）ui＝0 时，R ＝1， S ＝0，uo 为高电平，这是第一种稳态。
ui
0
G1 1 R
G2 & uo
ui (V) 1.4 0.7 0 uo 0 (b) 工作波形 UT+ UT－ t
1
D S
& G3 电路
1
(a)
0
t
（1）ui＝0 时，R ＝1， S ＝0，uo 为高电平，这是第一种稳态。
（ 2 ） u i 上升到 UD =0.7V 时， R ＝ 1 ， S ＝ 1 ， RS 触发器不翻转， u o 仍为 高电平，电路仍维持在第一种稳态。 （ 3 ） ui 继续上升到 UT+=UT=1.4 V 时， R ＝ 0， S ＝ 1， RS 触发器翻转 ， u o 为低电平，这是第二种稳态。电路翻转后 ui 再上升，电路状态不变。 （4）ui 上升到最大值后下降时，若 ui 下降到 UT， R ＝1。 S =1，RS 触发器不
5.2 施密特触发器
5.2.1 由门电路构成的施密特触发器 5.2.2 集成施密特触发器 退出
5.2.1 由门电路构成的施密特触发器
施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合 于数字电路需要的矩形脉冲的电路。
脉冲波形产生与整形
图6-13 脉冲鉴幅
4.构成多谐振荡器
工作原理：
电容上初始电压为零，即uI＝0，则uO＝1，并经R向 C充电，当充至uI＝U+时，输出翻转uO＝0。电容C又经R 进行放电，当放电至uI＝U-时，输出翻转uO＝1。
6.3 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。 例：楼道的路灯 。
6.1 概述
一、脉冲信号
脉冲是脉动和短促的意思，凡是具有不连续波形的信 号均可称为脉冲信号。广义讲，各种非正弦信号都是脉冲 信号。
(a)矩形波
(b)方波
(c)尖脉冲
(d)锯齿波
6.1 概述
在数字系统中常常需要用到各种幅度、宽度以及具有
陡峭边沿的矩形脉冲信号，如触发器的时钟脉冲（CP）。
获取这些脉冲信号的方法通常有两种： ①脉冲产生电路直接产生； ②利用已有的周期信号整形、变换得到。
6.3.1 用集成门电路构成的单稳态触发器
1. 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6-14 集成门电路构成的单稳态触发器
当uI上升，使得uI1 =UTH时，电路会产生如下正 反馈过程：
电 路 会 迅 速 转 换 为 G1 导 通 、 G2 截 止 ， 输 出 为 UOH，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。
4.构成多谐振荡器
工作原理：
电容上初始电压为零，即uI＝0，则uO＝1，并经R向 C充电，当充至uI＝U+时，输出翻转uO＝0。电容C又经R 进行放电，当放电至uI＝U-时，输出翻转uO＝1。
6.3 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。 例：楼道的路灯 。
6.1 概述
一、脉冲信号
脉冲是脉动和短促的意思，凡是具有不连续波形的信 号均可称为脉冲信号。广义讲，各种非正弦信号都是脉冲 信号。
(a)矩形波
(b)方波
(c)尖脉冲
(d)锯齿波
6.1 概述
在数字系统中常常需要用到各种幅度、宽度以及具有
陡峭边沿的矩形脉冲信号，如触发器的时钟脉冲（CP）。
获取这些脉冲信号的方法通常有两种： ①脉冲产生电路直接产生； ②利用已有的周期信号整形、变换得到。
6.3.1 用集成门电路构成的单稳态触发器
1. 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6-14 集成门电路构成的单稳态触发器
当uI上升，使得uI1 =UTH时，电路会产生如下正 反馈过程：
电 路 会 迅 速 转 换 为 G1 导 通 、 G2 截 止 ， 输 出 为 UOH，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。
医学专题第5章脉冲信号的产生与整形.3196
EXIT
脉冲信号的产生与整形
2. CT74121 逻辑功能的分析与应用
CT74121 的功能表
+VCC TR-A
输入
TR-A TR-B TR+ 0×1 ×0 1 ×× 0 1 1×
输出 QQ 01 01 01 01
TR-那B 么 CT74121 的触发信 Q
TR号+ (xìnhào)应如何加呢？ Q
信号有输入3的而个端且正触，工跃发作变稳触T定发R-性，A 好又。可因用此负应跃用变很触广发泛，。使用稳十的分不限方可定便重符(fā复号ngb触iàn发)，型单
TR-A和 TR-B 用
负脉冲触发，
TR-B
Q
TR+ 用正脉冲
TR+
触发。
Q 有 2 个互补输出端
“×”号表示非逻辑
连接，即没有任何逻辑信
息的连接，例如外接 R、 C 和 VCC 等。
获取(huòqǔ)脉冲 信号的方法
用多谐振荡器直接产生。 用整形电路对已有波形进行整形、变换。
施密特触发器常用(chá脉nɡ 冲yòn主变ɡ)要的换用有成以施陡将密峭特缓的触慢矩发变形器化脉和或冲单快。稳速态变触化发的器非。矩形
单稳态触发器
主要用以将宽度不符合要求的脉冲变 换成符合要求的矩形脉冲。
脉冲信号产生与整 形电路的实现
O
t 翻转，uO 重新跃变为高电平 UOH，电
uO
路又充电。
UOH
UOL O
电容如此周而复始地充电和放电，电
振荡频率与充放电元t件路值便R产、到到生C达达了及C振CUUV充荡T放TD+-，D电之电、之输，前U，前出T使u+使周、OuuO期u=UCC=性TU上下-UO矩有升H降O形。L关，。，波。在。在
脉冲信号的产生和变换
整形
通过比较器和触发器等元件将不规则的脉冲信号整形为规则 的脉冲波。
脉冲信号的调制与解调
调制
将低频信息信号调制到脉冲信号上， 实现信息的传输和加载。
解调
从调制后的脉冲信号中提取出低频信 息信号，完成信息的解调和恢复。
04
脉冲信号的应用
在通信领域的应用
数字通信
脉冲信号用于数字通信中，以表示二进制信息，如0和1。通过不同的脉冲形状 和持续时间，可以有效地传输数据。
雷达和声呐
在雷达和声呐系统中，脉冲信号用于探测目标并获取距离、速度和角度等数据。
在测量领域的应用
时间测量
脉冲信号可以用于精确测量时间间隔，例如在计时器和原子钟中。
长度和距离测量
通过测量脉冲信号传播的时间，可以计算长度和距离，这种方法在激光测距和 GPS定位中非常有用。
在控制领域的应用
电机控制
在电机控制系统中，脉冲信号用于控 制电机的旋转速度和方向。通过改变 脉冲的频率或持续时间，可以实现精 确的速度和位置控制。
缩小
通过衰减器将脉冲信号的幅度减 小，使其满足特定应用需求。
脉冲信号的延迟与提前
延迟
通过延迟线或存储元件使脉冲信号在时间上滞后，实现信号的时 序控制。
提前
通过提前器或触发器使脉冲信号在时间上提前，满足快速响应或 同步要求。
脉冲信号的滤波与整形
滤波
通过滤波器滤除脉冲信号中的噪声和干扰，提高信号质量。
脉冲信号的产生和变换
目
CONTENCT
录
• 引言 • 脉冲信号的产生 • 脉冲信号的变换 • 脉冲信号的应用 • 结论
01
引言
目的和背景
研究脉冲信号的产生和变换在通信、控制、测量等领域具有重要 意义。
脉冲信号产生与整形
触发器
利用触发器（如RS触发器、D触发器等）可以产生具有特定 时序的脉冲信号。
软件实现（如FPGA、DSP等）
FPGA
通过在FPGA上编程，可以设计数字逻辑电路，实现各种复杂的脉冲信号产生 与整形。
DSP
利用DSP的数字信号处理功能，可以对输入信号进行滤波、调制等处理，从而 生成所需的脉冲信号。
05
高性能脉冲信号处理算法与硬件实现
基于深度学习的脉冲信号处理算法
利用深度学习算法对脉冲信号进行自动学习和优化，提高信号处理效率和准确性。
并行计算技术在脉冲信号处理中的应用
利用并行计算技术加速脉冲信号处理算法的实现，提高处理速度和实时性。
硬件加速器在脉冲信号处理中的应用
设计专用硬件加速器，对脉冲信号处理算法进行硬件实现，提高处理性能和能效。
人工脉冲信号的产生
雷达
脉冲电源
雷达通过发射脉冲信号并接收目标反 射回来的信号，可以实现对目标的探 测、定位和跟踪。
脉冲电源产生高电压、大电流的脉冲 信号，用于触发电子设备、加速带电 粒子等。
通信系统
通信系统中的信号通常采用脉冲形式 传输，如脉冲编码调制（PCM）等， 以提高信号传输的效率和可靠性。
感器系统的智能化水平。
THANKS
感谢观看
脉冲信号的参数与特性
脉冲宽度
指脉冲信号的持续时间，通常以微秒或纳秒 为单位。
脉冲频率
指单位时间内脉冲信号的重复次数，通常以 赫兹或千赫兹为单位。
脉冲幅度
指脉冲信号的最大电压或电流值，通常以伏 特或安培为单位。
波形
指脉冲信号的形状，常见的波形有矩形波、 三角波、正弦波等。
03
脉冲信号的整形
脉冲信号整形的目的与重要性
利用触发器（如RS触发器、D触发器等）可以产生具有特定 时序的脉冲信号。
软件实现（如FPGA、DSP等）
FPGA
通过在FPGA上编程，可以设计数字逻辑电路，实现各种复杂的脉冲信号产生 与整形。
DSP
利用DSP的数字信号处理功能，可以对输入信号进行滤波、调制等处理，从而 生成所需的脉冲信号。
05
高性能脉冲信号处理算法与硬件实现
基于深度学习的脉冲信号处理算法
利用深度学习算法对脉冲信号进行自动学习和优化，提高信号处理效率和准确性。
并行计算技术在脉冲信号处理中的应用
利用并行计算技术加速脉冲信号处理算法的实现，提高处理速度和实时性。
硬件加速器在脉冲信号处理中的应用
设计专用硬件加速器，对脉冲信号处理算法进行硬件实现，提高处理性能和能效。
人工脉冲信号的产生
雷达
脉冲电源
雷达通过发射脉冲信号并接收目标反 射回来的信号，可以实现对目标的探 测、定位和跟踪。
脉冲电源产生高电压、大电流的脉冲 信号，用于触发电子设备、加速带电 粒子等。
通信系统
通信系统中的信号通常采用脉冲形式 传输，如脉冲编码调制（PCM）等， 以提高信号传输的效率和可靠性。
感器系统的智能化水平。
THANKS
感谢观看
脉冲信号的参数与特性
脉冲宽度
指脉冲信号的持续时间，通常以微秒或纳秒 为单位。
脉冲频率
指单位时间内脉冲信号的重复次数，通常以 赫兹或千赫兹为单位。
脉冲幅度
指脉冲信号的最大电压或电流值，通常以伏 特或安培为单位。
波形
指脉冲信号的形状，常见的波形有矩形波、 三角波、正弦波等。
03
脉冲信号的整形
脉冲信号整形的目的与重要性
数电实验考试题
04
实验四：数模转换与模数转 换
实验目的
掌握数模转换器（DAC）和模数转换 器（ADC）的工作原理。
学会使用数模转换器和模数转换器进 行信号的转换。
了解数模转换器和模数转换器在现实 生活中的应用。
实验设备
DAC芯片（如： DAC0832）
信号发生器
ADC芯片（如： ADC0809）
示波器
实验步骤
数模转换器（DAC）实验步骤 1. 将DAC芯片连接到电脑，通过软件设置需要转换的数字信号。
2. 将数字信号通过DAC芯片转换为模拟信号。
实验步骤
01
02
03
3. 使用示波器观察DAC 输出的模拟信号波形，
并记录下来。
4. 分析DAC输出的模拟 信号，并与原始数字信 号进行比较，评估转换
精度。
模数转换器（ADC）实验 步骤
实验设备
数字逻辑电路实验箱
逻辑门电路（与门、或门、 非门）
02
01 03
信号源
示波器
04
05
实验导线若干
实验步骤
实验前准备
检查实验设备是否齐全，确保实验 环境安全。
搭建电路
根据实验要求，选择合适的逻辑门 电路，使用实验导线连接信号源和 示波器。
测试与门
设置信号源产生一组高低电平信号 ，通过与门电路，观察示波器显示 的输出信号，记录结果。
实验步骤
步骤二：设计电路
根据逻辑功能，选择合适的逻辑门电路（如AND、 OR、NOT等）。
使用逻辑门电路构建电路图，实现所需的逻辑功 能。
实验步骤
01
注意合理安排门电路的连接方式，尽量减少使用的门电路数量。
02
步骤三：搭建与测试
脉冲信号的产生与整形(4)幻灯片PPT
暂稳态时间结束，电路能自动回到原来状态，从而输出一 个矩形脉冲。由于这种电路只有一种稳定状态，因而称之 为“单稳态触发器”，简称“单稳电路”或“单稳”。
单稳电路的暂态时间的长短，与外界触发脉冲无关，仅由 电路本身的耦合元件RC决定，因此称RC为单稳电路的定 时元件。
这种电路被广泛应用于数字系统中，可用于脉冲信号的宽 度调整及延时等。
触发器之所以具有这种特点，是由触发器电路的内部结 构决定的。如果将基本RS触发器的两条交叉耦合支路的 其中一条改为RC耦合(电阻电容耦合)，则电路的工作情况 就大不一样。这种电路平时总是处于一种稳定状态。
在外来触发信号的作用下，它能翻转成新的状态，但这种 状态是不稳定的，只能维持一定时间，因而称之为暂稳态。
当VI1跳变到高电平后，G1导通，电容C开始充电，直至电 路恢复到稳定状态。其工作波形如图12.5所示。
图12.5 积分型单稳电路工作波形
脉冲宽度tw的估算公式为： tw = (R+Ro)C lnVDD/(VDD－VT) 典型情况下VT =1/2VDD ，则 tw ≈ 0.7(R+Ro)C
该正反馈过程使电路快速翻转到G1导通（输出低电平）、 G2截止（输出高电平），进入暂稳状态。接着VDD通过R 及G1的输出电阻对电容C充电，VI2按指数规律上升，当 VI2上升到VT时，又会产生下列正反馈过程（假设此时VI1 已回到低电平）： VI2↑→ VO2↓→ VO1↑
这个正反馈过程使电路快速返回到G1截止、G2导通的稳 定状态。此后电容C通过G2输入端保护电路的二极管及G1 的 输 出 电 阻 放 电 ， VI2 基 本 保 持 在 VDD ， Vo1 逐 渐 上 升 到 VDD。
其中Ro为G1门的输出电阻。
例如，若R=1kΩ，Ro=0.2kΩ，C=150pF，则单稳电路 的输出脉 冲宽度 tw = 0.7（1kΩ+0.2kΩ）×150pF = 126nS。
脉冲信号的产生和整形
B
G1
R G2
C
≥1
1
vO＇
1
1
vO
G3
G4
输出缓冲
控制电路用于产生窄脉冲。当输入满足以下条件时，
控制电路产生窄脉冲：
（1）若A1、A2中至少有一个为0时，B由0↗1； （2）若B=1，A1、A2中至少有一个由1↗0。
集成单稳态触发器
74LS121内部结构和逻辑符号
Cext Rext/Cext Rext 10 11 9
单稳态触发器主要有两类： （1）微分型单稳态触发器 （2）积分型单稳态触发器
微分型单稳态触发器
电路组成
门电路+RC微分电路→微分型单稳态触发器
触发脉冲
vI
RC微
VDD
分电路
R
≥1
C
1
vO1
vI2
vO
G1
G2
G1、G2为CMOS或非门，vO1、vO分别为G1、G2的输出 ，vI2为G2输入。
微分型单稳态触发器
1
N1状态 导通 截止 导通 不变 截止
用555构成的施密特触发器
电路结构
VDD RD
48
vI
vI1 7 vI2 6
555
3
vO
2
1
vI
vO
15
VCO
0.01μF
用555构成的施密特触发器
原理分析
vI
2VDD/3 VDD/3
2VDD/3
vI ⑥
－
+ C1
R
0
t
vO
0
VDD/3
vI ②
+
－
单稳态触发器
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5-1-6 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）
UI 接通VDD 不触发 触发 C充电 UI2↑ C放电 UI2↓ 0 1 UI， 0 UO1 1 0
VDD R
UI2 说 明 稳态：UO=0 C中无电荷 暂态：UO=1 G2
≥1
UI
G1
≥1
C UO1
UO
UI， 2、工作原理（用正窄脉冲触发）
第5章
脉冲信号的产生与整形
概 述 555 定时器及其应用 本章小结
5.1 概 述 主要要求： 了解脉冲信号产生与整形的方法。 了解多谐振荡器的常用电路及其工作原理。 了解施密特触发器和单稳态触发器的逻辑 功能、工作特点和典型应用。
一、脉冲信号产生与整形的方法
获取脉冲信 号的方法 用多谐振荡器直接产生。 用整形电路对已有波形进行整形、变换。 主要用以将缓慢变化或快速变化的 常用的有施密特触发器和单稳态触发器。 非矩形脉冲变换成陡峭的矩形脉冲。 主要用以将宽度不符合要求的脉 冲变换成符合要求的矩形脉冲。 用门电路构成。
+
1
R2 R1
UO
C
q =T1/T
调节R1 或 R2 ，即可调节q
5-1-5 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。 X 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 （Δ fo / fo)可达10-10~10-11 。 当外加电压的频率f = fo 时，其电抗 X=0 。 二、石英晶体振荡器 1、组成
三、用途
整形，构成单稳态触发器，构成多谐振荡器。
5-1-2
用门电路构成施密特触发器
R2 R1 G1 1 G2 1
一、构成（用CMOS非门）
二、工作原理 UI
UI’ 0 <VTH = VTH > =VTH >VTH >VTH = VTH > =VTH <VTH
UI’
UO1
说 明
UO
UI
UI =0
UI上升 过程中 0 <VT+ = VT+ > =VT+ >VT+ >VT= VT> =VT<VT-
0
VT
VT+
UI
0
VT
VT+
UI
UI = VT+ 时， Uo = UoH UI = VT- 时， Uo = UoL
UI = VT+时， Uo = UoL UI = VT- 时， Uo = UoH
U 正向阈值电平VT+： I 上升时，引起Uo 突变时对应的UI 值。 U 负向阈值电平VT- ： I 下降时，引起Uo 突变时对应的UI值。
UI2
VIK
t
t
UO2 T1 T
5-1-4 用施密特触发器构成多谐振荡器
2、工作原理 1、组成 接通VCC瞬间，C中无电荷，所以： UI + 1）UC=0 → UI =0 → UO=1 2）UO=1 → C充电 →UI ， I =VT+ → UO=0 U 3）UO=0 → C放电 →UI ，UI =VT- → UO=1 3、电压波形 UI
t
脉冲整形 uI
将受到干扰的或不符合边沿要求 的信号整形成较好的矩形脉冲。
UT+ UTO
t
uO
O
t
脉冲幅度鉴别 uI UT+ UTO uO t 鉴别并取出幅度 大于 UT+ 的脉冲。
UOH UOL O
t
三、多谐振荡器
(一)多谐振荡器的工作特点和符号
即距形脉冲产生电路，由于距形脉冲中 (1)不需输入信号。 含有丰富的谐波分量，故常称多谐振荡器。 工作特点 (2)无稳定状态，只有两个暂稳态。 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，输出周期性的矩形脉冲信号。
电感性
O
fo
电容性
f
电抗频率特性曲线
将石英晶体接到多谐振荡器的正反馈回路中。
符号
2、工作原理
当UO的频率f = fo 时， 反馈最强，电路才起振。
结果： f = fo 。
UI1
G1 1 UO1 C1
C2 G2 UI2 1 RF2
UO
fo 的稳定度极高，这就解
决了多谐振荡器的稳频问题。 3、参数选择
UI2 VDD 1 0
UO UOL 0 1
0 ↑=VTH 1① 0 0 1 0 0 ↓=VDD 0 0 1 1 0 注释①：此时的逻辑电平“1”， 对应的电位为（VDD+0.7）V。
返回稳态：UO=0
恢复为起始稳态 C中无电荷
总之：
不触发：UO=0，C中无电荷 触发：UO=1 C充电：返回 UO=0 C放电：恢复为起始稳态， UO=0， C中无电荷 3、电压波形 * 为了保证触发时间极短， 通常在UI端加RC微分电路： Ud G1 UO1 UI ≥1
uI
1
uO
限定符号“1 ” 表示不可重复触发型单稳 态触发器。
暂稳态期间如再次被触发，输出脉冲宽 度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽 tW 。
uO 限定符号“ ”表 示可重复触发型单稳态 触发器。
uI
uI
输 入 波 形 暂稳态期间 不能再次触发。
单 稳 工 作 波 形 举 例
下面通过工作波形的分析来说明可 O t 重复触发型和不可重复触发型触发器的 触发脉冲到来 单 不 uO 区别。 稳可 时，输出翻转为暂 重 输复 tW tW 稳态，经暂稳态持 出触 续时间 tW 后重新自 波发 动回到稳态。 形型 O t 外触发脉冲未来 暂稳态期间能再 uO 时，输出为稳态。 单可 次触发。其输出脉将 稳重 在原暂稳态时间宽基 输复 tW tW 础上再展宽 tW 。 出触 波发 形型 O t
UO1
1 1 1 0 0 0 0 1 1
UO
0 0 0 1 1 1 1 0 0
同相施密特触发器 G1、G2门将要翻转 UO突变
UI下降 过程中
G1、G2门将要翻转 UO突变
三、举例
设UI为缓慢变化的三角波： UI G1门的阈值电平 VTH t UO UOH UOL t
VT+
VT-
四、计算回差电压 Δ VT
+
C2 UO2 1
UI1 1
G1 G2 1 UO1 + UI2 1 0 0 C1 RF1 RF2
+ -
暂态Ⅰ ： UO1=0、UO2=1 C1充电： G2 VCC
R1
C2放电：
UI1 RF1 C2放电回路：
C2
UOL1 C1
-
UI2
+
UOH2
UOL1
UOH2
RF2 C1充电等效回路： UOH2 →RE1 → C1 → UOL1
3、电压波形 UI1
C2放电、充电
4、计算 在RF1=RF2=RF，C1=C2=C 时：
VTH
VIK
t t
UOH - IK V T1≈ RFC ln ———— UOH -VTH 如果G1、G2为74LS系列反相器，
UO1
C1充电、放电 VTH
UOH=3.4V，VIK= -1V，VTH=1.1V
在RF<<R1时， T1=0.65 RFC 振荡周期：T = 2T1=1.3RFC 振荡频率：f =1/T 占空比： q = (T1/T)100%
Cd Rd
UI
UO1 UI2 UO
VDD+0.7
3、求回差电压ΔVT R1 R1 Δ VT =VT+ - VT- = 2 R VTH = R VDD 2 2
当VDD一定时，调R1、R2 ，可调Δ UT ， 即可调VT+ VT-，可调UO脉宽。
五、电压传输特性
∵ UI =0时，UO=UOL
∴ 是同相施密特特性
UO
R1 2 R VTH 2
六、逻辑符号
从求UI 入手求VT- ：
,
UI = UTH =
,
UOH – UR2
=
UOH –[（UOH –
R2 VT – ） +R ] R1 2
R1 U ∴ – R2 OH 1 又： UOH = VDD； VTH = 2 VDD 故： VT- =（1 – R1 ）VTH R2 R1+R2 VT- = R VTH 2
1 1 &
VT- VTH VT+ VDD UI
≥1
(二)施密特触发器应用举例
波形变换 uI 将三角波、正弦波和其它 不规则信号变换成矩形脉冲。 uI > UT+ 后，uO = UOL, 只有当 uI下降到经过 UT时，uO 才会发生跃变。
UT+ UTO uO UOH UOL O
t
uI < UT-后，uO = UOH只 有当 uI 上升到经过 UT+时， uO 才会发生跃变。
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。
二、 输出特性
同向输出特性： 当UI = 0时，Uo= UoL Uo UoH UoL 反向输出特性： 当UI = 0时， Uo= UoH Uo UoH UoL
施密特触发器
单稳态触发器
脉冲信号产生与 整形电路的实现
用专用的集成电路。 用 555 定时器构成。
是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容元件就可构成施密 特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便、灵活，应用 广泛。