第七章 脉冲波形的产生与整形

v A＝VTH
R2 R1 vI v0 R1 R2 R1 R2
R2 R1 ＝ VT－ VDD R1 R2 R1 R2
由于VTH＝ VDD / 2，故
R1 VT－＝（ 1 )VTH R2
只要vI<VT-，vo≈0
VI VT VI VT
R1 (1 )VTH R2 R1 (1 )VTH R2
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5
概述 施密特触发器 单稳态触发器 多谐振荡器 555定时器及其应用
7.1
概述
1、什么是脉冲波形？ 2、为什么要产生脉冲？ 3、为什么要对脉冲波形进行整形？ 4、如何产生脉冲以及对其进行整形？
1、什么是脉冲？
脉冲：电压(V)或电流(A)的波形像心电图上的脉搏跳动的波形。
vd
vo1
vI 2
vo
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
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
C充电
vI 2
vo
vo1
此时vo1和vI2迅速跳变为高电平， 电路马上翻为稳态，即 vo＝0
vo2
若反相器为CMOS反相器，则为了使电路静态不稳定，工 作点仍在电压传输特性的转折区，且工作点恰好在转折区的中 点，对RF的选择没有严格限制。
当vI1由于某种原因 产生正跳变时，存在下 面的正反馈
vo2
vI 1
vI 2
vo 2
这样使得vo1迅速跳变为低电 平， vo2跳变为高电平，电路 进入第一暂稳态，同时电容放 电
VDD
（b）反相输出 构成的施密特触发器的电压传输特性
沿很陡的矩形脉冲
T－
TH
T＋
DD
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。
vA
VOH
VT
vI
VOL 0VT－Fra bibliotekVTH
VT＋
VDD vI
（b）反相输出 的施密特触发器的电压传输特性
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。
脉冲电路分类： 无稳态电路（多谐振荡器）
双稳态电路（施密特触发器）
脉冲电路作用： 脉冲波形的产生和整形。 脉冲电路构成： 开关电路 + RC电路 破坏电路的稳态， 产生暂态。 脉冲电路与数字电路的比较： ★脉冲电路侧重波形，数字电路侧重逻辑关系。 ★数字电路的信号波形也是一种脉冲波形。 控制暂稳态时 间的长短。
T 6t pd
其中tpd为反相器的传输延迟 时间 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
R1 VT＝VT＋－VT－ 2 VTH R2
施密特触发器的电压传输 特性为右图所示
vA
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
输入信号在上升和下降过程中，电路状态转换的输入电 VOH
VT
3.施密特触发器的应用
(1)用于波形变换
VOL vI 0 V 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 V V vI V
假使当电路接通电源后，由于电冲击，使得输入有微小的正 跳变，则由于下列正反馈：
vI 1
vo1
vI 2
vo 2
此正反馈使得vo1迅速跳变为 低电平， v 翻转成高电平， C 充电回路 o2 1 电路进入第一个暂稳态。同 时C1充电，而C2放电
C2放电回路
vI 2
vo 2
vI 1
vo1
vo2迅速跳变为低电平，而vo1跳变为高 电平，电路进入第二个暂稳态，同时C1 放电C2充电。由于电路对称， 过程与 前相似，C2充电的速度比C1充电快， 很快vI1首先达到阈值电压VTH，使得vo1 迅速跳变为低电平，而vo2跳变为高电 平，又回到第一暂稳态
C放电电路
C放电
t w RC ln
V( ) V(0) V( ) V(t )
VDD 0 RC ln VDD VTH RC ln 2
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。
右图为由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。
vI
100 kΩ
6V
50 kΩ
0
t
解：阈值电压为
VT＋＝(1
R1 50 ）VTH＝（ 1 ） 3＝4.5V R2 100
R1 50 0 VT－＝（ 1 ）VTH＝（ 1 ） 3 1.5V R2 100 vo VOH
t
100 kΩ
50 kΩ
回差电压为
△VT＝VT＋－VT－ ＝4.51.5=3V
RF1 R1 vI (VCC VBE ) vo R1 RF 2 R1 RF
RF1 R1 vI (VCC VBE ) vo R1 RF 2 R1 RF
在反相器的电压传输特性上做出 此直线，交点P即为反相器的静 态工作点，如图所示。计算标明， 对于74系列的门电路而言，RF1 的阻值应取0.5KΩ～1.9KΩ。
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： 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。
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。
R2 vI R1 v I G1
vo1 1 1
G2 （a） 电路
vo vo
图10.2.1
vI vI
vo vo
图6.2.1 用CMOS反相器构成的施密特触发器 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< R2
2、为什么要产生脉冲？
数字电路经常用到各种宽度和幅值的边沿陡峭 的脉冲信号：时钟信号、定时信号。 最常用的脉冲信号是方波或矩形波。
3、为什么要对脉冲波形进行整形？
脉冲有各式各样的形状，有矩形、三角形、 锯齿形、钟形、阶梯形和尖顶形的等等。
vI
VT+ VTVT+
v
I
t vO t
VT-
t vO t
ui uo tp
C放电回路
a.无触发信号时，电路处于稳态 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
设VOH≈ VDD， VOL≈ 0，且CMOS门的转折电压为 VTH≈ VDD / 2，
在稳态下vI=0， vI2=VDD，故vo=0， vo1=VDD，电容C两端 无电压， vc=0 b.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10.3.2波形所示。
C1充电回路
C2放电回路
若取RF1=RF2＝RF，C1＝ C2=C，则振荡周期为
VE－VIK T＝2R E Cln VE VTH
VE VOH
RF 2 (VCC VBE VOH ) R1 RF 2
RE R1 // RF 2
将对称式多谐振荡器的C1和RF2去掉，两个反相器仍工作 在电压传输特性的转折区上，输出仍然没有稳定状态。这就是 非对称式多谐振荡器，其电路如图所示，反相器为CMOS门。 1. 自激振荡的条件：
微分型单稳态触发器
积分型单稳态触发器
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 对称式多谐振荡器
图为对称式多谐振荡器的典型电路。 1.构成： 它是由两个反相器 G1、G2经耦合电容C1、 C2连接起来的正反馈 电路。
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
2015-6-26
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 右图是由CMOS门电 路G1、 G2和Rd、Cd 微分电路构成的单稳 态触发器。
VT+ VT-
vI
t
vO t
描述矩形脉冲特性的主要参数
1、脉冲幅度 Vm 3、上升时间 tr 5、周期 T
2、脉冲宽度 tw 4、下降时间 tf 6、占空比 q
4、如何产生脉冲以及对其进行整形？
利用多谐振荡器产生脉冲。 利用单稳态触发器和施密特触发器对脉冲进 行整形。
单稳态电路（单稳态触发器）
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。