第10章 脉冲波形

uI U T
R1 R2 R1 U TH (1 )U TH R2 R2
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同理，当uI由高电平下降时， uI1也随之下降， 电路在极短的时间内发生另一次翻转，最后输出 uO=UOL≈0V。
uI U T -
R1 (1 )U TH R2
工作波形
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施密特触发器将三角波uI变换成矩形波uO。 负向阈值 正向阈值 电压UT－ 电压UT+
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t
t t (b) 波形图
(a) 电路图
在t1时刻， uo由0变为1，由于电容电压不能跃变，故ui1必 定跟随 u o 发生正跳变，于是 ui 2（ u o1）由 1变为0 。这个低电平 保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间， 电容C通过电阻R放电，使ui1逐渐下降。在t2时刻，ui1上升到门 电路的开启电压UT，使uo1（ui2）由0变为1，uo由1变为0。同 样由于电容电压不能跃变，故 ui 1 跟随 u o 发生负跳变，于是 ui 2 （uo1）由0变为1。这个高电平保持uo为0。至此，第一个暂稳 态结束，电路进入第二个暂稳态。
对称式 多谐振荡器
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二、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：
石英晶体振荡器电路
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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32768＝215，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。
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市面上的石英晶体管
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使电路迅速由暂稳态返回稳态，uO1=UOH、 uO= uO2=UOL。 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。
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单稳态触发器工作波形
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10.3.2 集成单稳态触发器
◆不可重复触发型 : 指在暂稳定时间 tw 之内，若有新的触 发脉冲输入，电路不会产生任何反应。
集成门电路构成的单稳态触发器
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（1） 输入信号uI为0时，电路处于稳态。 uI2=VDD，uO=UOL =0，uO1＝UOH =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：
若 UT＝0.5VDD，振荡周期为： T≈1.4RC
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5.3.4 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。
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第十章 脉冲波形的产生与整形
主要内容
★数字电路离不开脉冲信号，即需要不同幅度、宽度及有
陡峭边沿的脉冲信号。例如触发器就离不开时钟脉冲 （CP）信号，否则它就不能存入或输出存储的信息。 ★平时实验中所使用的矩形脉冲波如何得到？
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10.1 概 述
脉冲信号是指一种持续时间极短的电压或电流波形。
波形 畸变
脉冲整形
边沿 振荡
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3.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UT+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。
脉冲鉴幅
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施密特触发器小结
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： ⑴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。 ⑵电压传输特性特殊，电路有两个转换电平（正向 阈值电压UT+和负向阈值电压UT－）。 ⑶状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的 矩形脉冲。
脉冲下降 时间tf
脉冲幅度Uｍ
占空比： q = TW / T
脉冲宽度 t
W
脉冲周期 T 脉冲频率ｆ=1/T
阈值电压
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10.2 施密特触发器（Schmitt Trigger）
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： ⑴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。 ⑵电压传输特性特殊，电路有两个转换电平（正向 阈值电压UT+和负向阈值电压UT－）。 ⑶状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的 矩形脉冲。
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10.4 多谐振荡器
1. 多谐振荡器没有稳定状态，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，由于含有丰富的谐 波分量，故称作多谐振荡器。
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10.4.1 对称式多谐振荡器
一、电路结构
由两个TTL反相器经电容交叉耦合而成。 通常令C1=C2=C，RF1=RF2=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ROFF＜RF＜RON的条件。
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10.3 单稳态触发器
单稳态触发器的特点： 存在稳态和暂稳态两种不同的工作状态； 需要外界触发，才可以从稳态翻转到暂稳 态，但可以自动返回稳态； 暂稳态维持的时间取决于电路本身的参数， 通常是放电参数RC。
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10.3.1 微分型单稳态触发器
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。
当uI=0V时， G1截止、G2导通，输出 为UOL，即uO=0V。只要满足uI1＜UTH，电 路就会处于这种状态（第一稳态）。
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当uI上升，使得uI1 =UTH之前，电路会产生如下 正反馈过程：
R1 uI1 (uO uI ) uI R1 R2
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当 uI1 =UTH时，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。
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使电路迅速变为G1导通、G2截止的状态，此 时，电路处于uO1=UOL、uO=uO2=UOH的状态。然 而这一状态是不能长久保持的，故称为暂稳态。
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（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UTH时，电路会发生如下正反馈过 程：
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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。
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对称式多谐振荡器的工作波形
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方波 矩形波
尖顶脉冲
锯齿波
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获得脉冲波形的方法主要有两种： 1．利用脉冲振荡电路产生； 2 ．通过整形电路对已有的波形进行整形、 变换，使之符合系统的要求。
本章主要讲： ◆施密特触发器 ◆多谐振荡器 ◆单稳态触发器 ◆555定时器的应用
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脉冲信号定义与参数
脉冲上升 时间 tr
施密特触发器的工作波形及电压传输特性 （a）工作波形 （b）电压传输特性 回差电压ΔUT = UT+－UT－（通常UT+＞UT－） 改变R1和R2的大小可以改变回差ΔUT
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施密特触发器的电压传输特性
U
O
U
U OH
O
U OH
U OL
0
U
U OL
I
UT -
UT +
0
UT -
UT +
U I
同相传输
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10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
一、电路结构
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。
两个CMOS反相器， 两个分压电阻。
用集成门电路构成的施密特触发器 （a） 电路 （b）逻辑符号
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二、工作原理：
设CMOS反相器的阈值电压UTH=VDD/2，输入信号uI为三角波。
ui Q tW
◆可重触发型 : 指在暂稳定时间 tw 之内，若有新的触发脉 冲输入，可被新的触发脉冲重新触发。
ui Q tW tW
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单稳态触发器的应用举例
脉冲整形
ui
ui 单稳 uo
0
t
uo
0 t
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定时
CP
ui
单稳
CP
uo ＆ L
ui uO
tW
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脉冲延时
如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳
三、振荡周期
矩形脉冲的振荡周期为：
T≈1.3RFC
当取RF＝1kΩ、C＝100 pF～100 μ 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。
不对称多谐振荡器 第一暂稳态及其自 动翻转的工作过程
ui 1 G1 & uo1 ui 2 R G2 & C uo uo ui 2 (uo1 ) 0 ui 1 UT 0 0 t1 t2 t3
回差电压
反相传输
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10.2.3 施密特触发器的应用
1. 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）。
波形变换
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2.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。
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 5KΩ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。
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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 单555型号的最后几位数码 双555型号的最后几位数码 优点 电源电压工作范围 负载电流 555 556 驱动能力较大 5~16V 可达200mA CMOS产品 7555 7556 低功耗、高输入阻抗 3~18V 可达4mA
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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。
石英晶体的阻抗频率特性图
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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。 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谐振频率fo决定。
电路来实现。
uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间。
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单稳态触发器小结
单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由 555定时器构成。在单稳态触发器中，由一个暂稳 态过渡到稳态，其“触发”信号也是由电路内部 电容充（放）电提供的，暂稳态的持续时间即脉 冲宽度也由电路的阻容元件决定。
单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但 却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途 很广。
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多谐振荡器小结
多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外 加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。 在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个 暂稳态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放） 电提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的 振荡周期与电路的阻容元件有关。
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10.5
555定时器及其应用
第二暂稳态及其自 动翻转的工作过程
ui 1 G1 & uo1 ui 2 R G2 & C uo
uo ui 2 (uo1 ) 0 ui 1 UT 0 0 t1 t2 t3
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t
t t (b) 波形图
(a) 电路图
在 t 2 时刻， u o1 变为高电平，这个高电平通过电阻 R 对电 容C充电。随着放电的进行，ui1逐渐上升。在t3时刻，ui1上 升到UT，使uo（ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电 路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。