脉冲波形的产生和整形

10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
2.施密特触发器的主要特点： VT 输入信号在上升和下降过程中，电路状态转换的 VOH 输入电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 3.施密特触发器的应用 (1)用于波形变换 利用施密特触发器可以将边沿变化缓慢的周期性信号 VT－ VTH VT＋ VDD vI 变换为边沿很陡的矩形脉冲 （b）反相输出
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图10.1.1
10.1 概述
其中：
图10.1.1
脉冲周期T ：周期行重复的脉冲序列中，两个相邻脉 冲之间的时间间隔。有时也用频率f＝1/ T表示单位时 间内脉冲重复的次数 脉冲幅度Vm：脉冲电压的最大变化幅度。
10.1 概述
图10.1.1
☻脉冲宽度tW：从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿 到达0.5Vm为止的一段时间。 ☻上升时间tr ：脉冲上升沿从0.1Vm上升到 0.9Vm所需要 的时间 ☻下降时间tf ：脉冲下降沿从0.9Vm 下降到 0.1Vm所需 要的时间
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10.2.1 用门电路组成的Baidu Nhomakorabea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10.2.1所示。
R2 vI R1 v G1 I
vo1 1 1
G2 （a） 电路
vo vo
图10.2.1
vI vI
vo vo
vA vo
vo
使电路迅速跳变 到vo＝VOL≈ 0
此时施密特触发器在vI下降时对应输出电压由高电平 转为低电平时的输入电压为VT－，称为负向阈值电压， 此时vo＝VDD， G1门的输入电压为
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10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
R2 R1 vA vI v0 R1 R2 R1 R2
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10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
②当vI 从0逐渐升高到使得vA＝ VTH时，反相器进入电压传输特 性的放大区（转折区），故vA的 增加，会引起下面的正反馈，即
vA
vo1
vo
使电路迅速跳变 到vo＝VOH≈ VDD
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
由叠加原理得
R2 R1 vA vI v0 R1 R2 R1 R2
其输出波形如图10.2.3所示
100 kΩ
vI
6V 4.5V 1.5V 0 VT+ VT-
50 kΩ
vo
t
VOH
回差电压为
0
VOL
t
VOH
△VT＝VT＋－VT－ ＝4.5-1.5=3V
vo
VOL 0
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t
图10.2.3 例10.2.1电路的波形
10.3 单稳态触发器
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
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 2013-6-28 暂态
图10.3.2
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
c.电容充电，电路由暂稳态自 动返回至稳态
电源VDD通过R和G1门的输出 电路给电容C充电
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
C放电回路
输出的脉冲宽度为
VOL－VOH tW ( R R0 )C ln VOL－VTH
第十章 脉冲波形 的产生和整形
内容提要
本章主要介绍矩形波的产生和整形电路。在矩形 波产生电路中介绍几种常用的多谐振荡器－对称式和 非对称多谐振荡器、环形振荡器以及用施密特触发器 和555定时器构成的多谐振荡器等。此外对几种不同 类型的压控振荡器也做了介绍。在整形电路中，介绍 了施密特触发器和单稳态触发器。本章也讨论了最常 用的555定时器及其所构成的施密特触发器、单稳态 触发器及多谐振荡器的电路及工作原理。
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
二、 积分型单稳态触发器 图10.3.3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。 C放电回路 a.无触发信号时，电路处于稳态 图10.3.3 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 2013-6-28
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10.1 概述
图10.1.1
占空比q ：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q ＝ tw /T 注：在脉冲整型或产生电路用于数字系统时，有时 对脉冲有些特殊要求，如脉冲周期和幅度的稳定性 等，这时需要另增加一些参数来描述脉冲。
10.2 施密特触发器（Schmitt Trigger）
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。
vI
100 kΩ
6V
50 kΩ
0
t
图10.2.2
解：阈值电压为 V ＝(1 R1 ）V ＝（ 50 ） 3＝4.5V 1 T＋ TH
R2 100 R1 50 0 VT－＝（ ）VTH＝（ 1 1 ） 3 1.5V R2 100 vo VOH
t
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10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
设施密特触发器在输入信号vI正向增加时的门槛 电压（阈值电压）为VT＋，称为正向阈值电压，此时vo ＝0， G1门的输入电压为 R1 R2 VT ＝ VTH R2 R1 v A VTH＝ VT R1 R2 R2 ＝（ 1 )VTH R1
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
当vA>VTH时，电路状态 维持在vo＝VOH＝ VDD不 变 ③当vI从高电平VDD逐渐 下降到vA＝VTH时，由 于也存在正反馈，即
图10.3.1
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。 2013-6-28 图10.3.2
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
当vI上升，vd也随之上升， 当上升到VTH后，此时存在 下列正反馈：
vd vo1
vI 2
vo
图10.3.2
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
输出的脉冲宽度为
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。
图10.3.2
设VOH≈ VDD， VOL≈ 0，且CMOS门的转折电压为 VTH≈ VDD / 2，
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
a.无触发信号时，电路处于稳态，vo=0 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
施密特触发器的两个输出电压传输特性为图10.2.3所示
vo
VOH
VT
vA
VOH
VT
VOL 0
VT－
VTH
VT＋
VDD
vI
VOL 0
VT－
VTH
VT＋
VDD vI
(a）同相输出 （b）反相输出 2013-6-28 图10.2.3 由CMOS反相器构成的施密特触发器的电压传输特性
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器 v v
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－＝（ )VTH 1 R2
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只要vI<VT-，vo≈0
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
vI
VOL 0
vA
VDD
构成的施密特触发器的电压传输特性
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
二、用于鉴幅 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 0
VT－
VTH
VT＋
VDD vI
（b）反相输出 的施密特触发器的电压传输特性
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本章内容
10.1 概述
10.2
10.3 10.4 10.5
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
10.1 概述
一、 产生矩形脉冲的途径 1.利用各种形式的多谐振荡器电路； 2.通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变换成 符合要求的矩形脉冲。 二 、矩形脉冲特性的描述 通常的 矩形脉冲波 形如图10.1.1 所示。
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10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
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 图10.3.1是由 CMOS门电路G1、 G2和Rd、Cd微分 电路构成的单稳 态触发器。
图10.3.1
o
VT
A
VT
VOH
VOH
VOL 0
VT－
VTH
VT＋
VDD
vI
VOL 0
VT－
VTH
VT＋
VDD vI
(a）同相输出 （b）反相输出 图10.2.3 由CMOS反相器构成的施密特触发器的电压传输特性
图10.2.3(a)是以vo做为输出的， vo和vI同相位；而图 10.2.3(b)是以v A做为输出的， v A和vI反相位。另通过 调节R1和R2的比值，可调节VT＋、VT－和回差电压 2013-6-28 △VT的大小。
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
其输出波形如图10.3.4 所示
c.电容放电，电路回 到稳态 随着电容C的放电， vA下降到G2门的开启 电压VTH时，输出翻转 为高电平，回到稳定 状态（“1”）。当vI回 到低电平后， vo1重新 为低电平，并向电容C 充电。 稳态 暂态 电容放电
图10.3.4
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
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
1.其工作原理 ①当vI＝0时， vo1＝ VOH ， vo＝ VOL≈0，此时G1门的 输入电压为 R1 vA v0 0 R1 R2
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
三、用于脉冲整形 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。
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
例10.2.1 由CMOS反相器构成的施密特触发器如图 10.2.2所示，设VTH＝3V，VDD＝6V，输入电压为峰 －峰值6V的三角波。试画出输出电压vo的波形，注明 VT＋和VT－的大小，并求回差电压△VT。
将VT＋和VT－之间的差值定义为回差电压，用△VT表示， 即
VI VT VI VT
R1 (1 )VTH R2 R1 (1 )VTH R2
R1 VT＝VT＋－VT－ 2 VTH R2
施密特触发器的电压 传输特性为图10.2.2所 示 图10.2.2
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
C充电电路
图10.3.2
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
随着vI2的增加，当增加到vI2 ＝VTH，产生另一正反馈，即
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
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图10.3.2
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
此时电容C通过R和G2门的输 入保护电路很快放电，知道 电容电压为0，电路恢复到稳 态。 C放电电路 C放电