脉冲波形的产生和整形

10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
c.电容放电，电路回到稳态 输出波形如图10.3.4所示。 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 新为高电平，并向电容C 充电。
电容放电
稳态
暂态
图10.3.4
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
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 vO翻转为高电平，此时电路 进入暂稳态，电容C随后开 始充电。
暂稳态开始 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
vI
100kΩ
6V
50kΩ
0
t
解：阈值电压为
VT＋＝(1
图10.2.4
t
VOH
R1 50 ）VTH＝（ 1 ） 3＝4.5V R2 100
R1 50 VT－＝（ 1 ）VTH＝（1 ） 3 1.5V vo R 100 2016/11/24 2
0
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
其输出波形如图10.2.5所示
100kΩ
50kΩ
回差电压为
△VT=VT＋-VT－
=4.5-1.5=3V
10.2.3 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 变换为边沿很陡的矩形脉冲。
10.2.3 施密特触发器的应用
(2)用于脉冲整形
10.2.3 施密特触发器的应用
C充电电路
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
随着vI2的增加，到vI2=VTH时， 产生另一正反馈，即
C充电
vI 2
，则vO1和vI2 迅速跳变为高电平，电路马上 翻为稳态，即 vO＝0
图10.3.2
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
电容C通过R和G2门的输入保 护电路（D1）向VDD很快放电， 直到电容电压为0，电路恢复 到稳态。 C放电电路
第十章 脉冲波形的 产生和整形
作业
题10.1 题10.3 题10.11 题10.13 题10.25
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 产生电路中介绍常用的多谐振荡器——对称式多谐振荡 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。 在整形电路中，介绍施密特触发器和单稳态触发器。 本章最后讨论常用的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。
C放电
图10.3.2
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
单稳态触发器的性能参数：
输出脉冲宽度（暂稳态时间）：tw； 输出脉冲幅度：Vm； 恢复时间：tre； 分辨时间（触发脉冲最小间隔时间）： td≥tw+tre；
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
电容C两端的充放电电压vC， 从充、放电初始到VTH的时间 t，可用下式计算，为
v A VTH R2 R1 vI vO 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。
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
将VT＋和VT－之间的差值定义为回差电压，用△VT表示， 即
图10.2.3
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 输入信号在上升和下降过程中，电路状态转换的输入 电平不同。 电路状态转换是正反馈过程，使输出波形边沿变陡。
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 10.2.4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。
v I VT
R1 (1 )VTH R2
v I VT
R1 (1 )VTH R2
R1 VT＝VT＋－VT－ 2 VTH R2
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
施密特触发器的电压传输特性
图10.2.2
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
施密特触发器的两个输出电压传输特性图
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
1.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 vO 0 R1 R2
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，引 起下面的正反馈，即
（3）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。
10.3 单稳态触发器
特点： 第一、它只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。
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。故， G1门的输入电压为
vA R2 R1 vI vO R1 R2 R1 R2
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
t RC ln
vC ( ) vC ( 0 ) vC ( ) VTH
图10.3.2
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
VDD 0 t w RC ln VDD VTH RC ln 2 0.69RC
Vm VOH VOL VDD
输出脉冲幅度Vm为 则输出的脉冲宽度tw为
R2 v A VTH＝ VT R1 R2
当vA>VTH时，电路状态维持在 vo＝VOH＝ VDD不变。
R1 R 2 VT ＝ VTH R2
R1 ＝（1 )VTH R2
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
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
vA
图10.3.2
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
恢复时间tre为
t re ( 3 ~ 5) RON C
分辨时间td为
t d t w t re
图10.3.2
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。
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。
图10.1.1
10.1 概述
占空比q ：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q ＝ tw /T。
图10.1.1
10.2 施密特触发器
施密特触发器（Schmitt Trigger）为脉冲波形变换中 经常使用的一种电路，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。
C放电回路
输出的脉冲宽度为
VO L－VO H tW ( R R0 )C ln VO L－VTH
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
两种单稳态触发器的比较：
微分型单稳态触发器
积分型单稳态触发器
微分型单稳态触发器输出波形比较理想，前后沿比较陡， 因为有正反馈存在，但抗干扰能力差； 积分型单稳态触发器抗干扰能力强，但输出波形边沿比 较差，而且要求输入触发脉冲的宽度要大于输出脉冲宽 度。
输 入 输出 A1 A2 B vo vo 0 × × 3 4 A1 A2 GND 7 74121 × 0 × 1 1 1 1 0 × 1 1 1 0 × (a)图形符号 × 0 0 0 0 0 1 1 1 1
本章内容
10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 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
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。
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
b.外加触发信号时，电路由稳 态翻转到暂稳态
图10.3.1 当加触发脉冲输入信号vI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。
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：
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）
图10.3.3
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 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。由于电容电压 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。 C放电回路
10.3.2 集成单稳态触发器
一、集成单稳态触发器74121
是在普通微分型单稳态触发器的基础上，附加了输入控 制电路和输出缓冲电路，是TTL逻辑电路。
图10.3.5
10.3.2 集成单稳态触发器
其图形符号和功能表如图所示
10 11 9 14 C ext R ext R intVcc
C ext
输 入 输出 A1 A2 B vo vo 0 × × × 0 × 1 1 1 1 0 × 1 1 1 0 × × 0 0 0 0 0 1 1 1 1
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
施密特触发器
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
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 vO R1 R2 R1 R2
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。 故，G1门的输入电压为
图10.1.1
10.1 概述
其中：
脉冲周期T ：周期性重复的脉冲序列中，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。
图10.1.1
10.1 概述
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。
3 4
A1 A2
74121
vo 6
vo 1
1 1
5 B
GND 7
(b)功能表 图10.3.6 集成单稳态触发器74121的图形符号及功能表
(a)图形符号
10.3.2 集成单稳态触发器
Cext和Rext为外接电 容和外接电阻； 通常Rext取值在2K30KΩ之间； Cext的取值在10pF10μF之间； 得到的脉冲宽度tW 的范围为20ns200ms。
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
一、微分型单稳态触发器
图10.3.1 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
图10.3.1 在稳态下vI=0，vI2=VDD 故vO=0， vO1=VDD，vO1、vI2两端电压相等； 电容C两端无电压， 即vc=0。