第六章脉冲波形的产生和整形

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第六章 脉冲波形的产生和整形
§6.1 概述
获得脉冲信号的方法通常有两种： 1）由多谐振荡器产生 2）将其它非脉冲信号经过整形电路变为脉冲信号。
多谐振荡器
本章两大内容
单稳态F-F
脉冲的整形
施密特F-F
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方波 尖顶波 锯齿波 阶梯波
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一.脉冲 为了定量地描述矩形脉冲波
的特性，我们来看看描述它的几个指标：
②产生输入信号的微分输出。 4）Vi— 一般是来自其它门的输出端。
若Vi 脉冲较宽，则需加微分电路，使其输出 为尖峰脉冲（脉宽较窄）。
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2.工作原理： 1）稳态阶段（输入端无触发脉冲
作用时电路的工作状态）
VI2=1→ VO =0
Vd =0、 VO =0 → VO1 =1
VDD
VI Cd V• d
4）自动返回阶段 随着电容C的不断充电，VI2的电位不断
上升，当升至VI2= VTH时，变会发生质变，引 发另一个正反馈过程：
VI2 ↑ → VO ↓ → VO1 ↑
如果此时： Vd = 0， 当VI2 ↑ ≥ VTH =5V 则 有：VO ↓ =0 → VO1 = 1（=10V），
VI2 =5V+10V=15V（作等幅上跳） VC= VI2 –VO1= 5V
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第 五十 三讲 主讲教师： 王晓蔚
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§6.3 单稳态触发器
单稳态触发器简称“单稳电路”， 其工作特性有以下三个特点：
1）有一个稳态，一个暂稳态； 2）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； 3）暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参 数，与触发脉冲无关。
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2）脉冲输出周期TO
TO= TI（输出脉冲=输入脉冲）
3）分辨时间 td 和最高触发脉冲频率fmax
td—触发脉冲最小触发周期
td = tw + tre fmax=1/ td
触发脉冲周期TI 应大于输出脉宽周期tw
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问：若出现TI < td，会出现什么情况？ 答： tw不定。当电路进入恢复阶段后，
G1 ≥1 VO1
R G2
•
1
• VO
Rd
C VI2
40
2）触发翻转阶段（外加正脉冲）
VI = → Vd = Vd ≥ VTH VO1↓=0
→ VI2↓=0（等幅下跳）→ VO=1
VDD
VI Cd V• d Rd
G1
R
≥1 VO1 C
•VI2
G2 1
• VO
此时，VC= VI2–VO1 = 0 41
1）稳态时，电容相当于开路
流过电容的电流ib=0； 电容相当于“开路”，起隔直作用；
电容两端的VC电压为常数。 E
KC +– R
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2）电容两端电压不能瞬间突变 VC
ic=∞
？
0
t
问：
A
C
8V + –
当A点波形为图示，
2V
能否得到B点波形？
6V
B 0V
•
•
17
三.微分电路的复习 Vi
0
t
VC
+
0
恢复过程使电容放电。
放电回路：
G1
VDD •
RON
R
C V• I2
G2
46
放电时间常数：
放 RON •C = tre
恢复时间：
tre （3~5） 放
电路的电压波形图：
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VI
Vd
VO1
VI2
15V
VO tw
t t
t
VTH=5V
t
若恢复过程尚未完成，又出现新的输入 信号，此时，电路虽仍会触发而输出脉 冲，但由于触发前电容上的电压尚未达 到稳定值，因而会使输出脉冲宽度发生 改变，最终导致脉宽不稳，这种现象称 为“脉宽抖动”，应避免。
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4. 单稳态电路的应用 1）定时 例：试设计一个电路，以实现如下控制要求。
灯1亮0.34S，灯2暗 灯2亮0.25S，灯1暗 灯1、灯2全灭0.41S
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一. 用门电路组成的单稳态触发器
微分型单稳态触发器
VI Cd V• d Rd
G1 ≥1 VO1
C
VDD R G2
1 • VI2
• VO
1.电路组成：1）两级CMOS门构成正反馈；
2） G1 → G2由RC微分电路耦合；
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G1 → G2为直接耦合； 3）Cd 、Rd是输入端的微分隔直电路 作用：①截断输入信号中的直流成分；
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三. 施密特触发器的应用
1. 波形的变换
将正弦波（或三角波）变换成矩形波
VI
VT+
VT–
VO
t
t
30
2. 波形整形 矩形脉冲经传输后发生畸变，可用施密特
触发器整形而获得较理想的矩形波。
31
当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共 电源线迭加到矩形脉冲信号上时，信号上将出 现附加的噪声。
32
传输线较长且接收端的阻抗与传输线的阻抗 不匹配时，波形的上升(下降)沿出现振荡现象
33
3. 用于脉冲鉴幅 如果信号是幅度不相等的
一连串的脉冲,要求从中剔除幅度不够大的脉 冲,此时可利用施密特电路作脉冲鉴别器。
只有那些幅度大于VT+的脉冲才会在输出 端产生输出信号。
34
VI
t VO
t
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VO1
• C1
VO2
C2 •
RF1
1
2
RF2
•
VI1
•
VI2
充= RF1 • C2
使VI1
②VO1→ C1 →RF2 →VO2 C1放电
放= RF2 • C1
使VI2
63
2）自动翻转Ⅰ 当VI1 ≥ VT时→ VO1↓=0 → VO2↑=1 C2耦合 VI1↑↑
C1耦合VI2↓=0
该电路有8个输入端，分为两路；有8个 输出端，也分为两路，分别由两个门控信号控 制。
9
2. 锁存器74LS373 Q
•
•
•
•
•
Q
Q
Q
Q
Q
Q
D
D
D
D
D
D
•
•
•
•
•
D OE
输出控制
CP
10
74LS373是一种8D锁存器， 具有三态驱动输出。
功能表：
CP OE D
Qn+1
1
00
0
1
01
1
0
0
Qn
1
高阻态
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灯1
灯2
VI1
单稳
VO1•
VI2
1
单稳
VO2
0.34S
0.25S
VI1 1S
VO1
0.34S
VO2
0.25S
0.41S
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2）整形
VI
VO tw
t t
56
3）延时
单稳态 tw 微分 tw
限幅
tw
57
§6.4 多谐振荡器
多谐振荡器的特点：
1）自激振荡，产生周期性的矩形波；
2）无稳态。 在TTL与非门的电压传输特性曲线中，我
Leabharlann Baidu
26
4）翻转II VI VI’ VT VO1 1 VO 0
此时的输入电平为“断开电平”，又称“ 负向
阈值电压”用VT 表示，因为它又使VO 发生了
翻 转。
VI 1（3VI’ 10） 1（3VTH 10）
2
2
1（3 5 10） 2.5V VT
2
27
由前面的讨论可见，VT+ ≠ VT– ， 将此现象称为“回差现象”。
24
3）稳态II VI VI’ VO1 0 VO 1 VI VI’（VO1 0 VO 1） 只要VI’ VT，就有VO 1 对CMOS来说，VO 1相当于VO VDD 10V
25
此时：
VI’
VI R1
VO R2
R2
VO
32（VI 10V） 10V
1（2VI 10V） 3
方法一:置零法
&
1•
T Q0 Q1 Q2 Q3
P CP
74LS161
C LD
RD D0 D1 D2 D3
10000
3
方法二:置位法
1 • T Q0 Q1 Q2 Q3C
P 74LS161
1
CP
LD
RD D0 D1 D2 D3
10010
多余状态=(24 –M)10 =(16 – 12)10
= 410 = (0100)2
回差电压： △VT = VT+ – VT–
3.电压传输特性
VO △VT
0
VT–
VT+ VDD
VI
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二. 集成施密特触发器— 7413
TTL施密特触发与非门具有如下特点： 输入边沿变化非常缓慢的信号仍能工作； 全部采用图腾柱推拉输出结构； 具有阈值电压温差补偿； 具有回差温差补偿，回差典型值为0.8V； 具有高抗干扰性。
4
状态图：
Q3Q2Q1Q0 0100 0101 0110 0111
1111
1000
主循环图
1110
1001
1101 1100 1011 1010
5
例1. 用74LS161构成200进制计数器。 方法二:置位法 多余状态=(28 –M)10 =(256– 200)10
= 5610 = (00111000)2
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第 五十 一讲 主讲教师： 王晓蔚
1
数据输出端
使能端 计数脉冲
T Q0 Q1 Q2 Q3
P 74LS161 C
CP
LD
RD D0 D1 D2 D3
进位输出 同步加载端 (预置数据)
异
步 清
预置数据输入端
零
端
2
3）任意进制加计数器（借助同步
加载端）
例1. 用74LS161构成十二进制计数器。
t
Vi
Vo
–
0
t
C +– •+
VC R Vo •–
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第 五十 二讲 主讲教师： 王晓蔚
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§6.2 施密特触发器
一. 用门电路组成的施密特触发器 施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的
一种电路。它在性能上有两个重要特点： 1）电路有两个稳态，所以是一种双稳态F-F； 2）电路状态的翻转依赖于外加触发信号的幅
一般： 0.5K ≤ R ≤ 1.9K
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一. 对称式多谐振荡器
C2
VI1•
1 V•O1 V•I2 2
C1
•VO2
RF1
RF2
61
VO1
• C1
VO2
C2 •
RF1
1
2
RF2
•
•
VI1
VI2
1.工作原理：
1）暂稳Ⅰ
设：VO1=1， VO2=0 则：① VO1→RF1→C2 →VO2 对C2充电
62
们看到，当门电路工作在转折区或线性区时，
相当于一个反相放大器，电压放大倍数
Av
VO VI
1
58
VO
AB
C
△VO
0
D E Vi
△VI
为使门电路工作在转折区或线性区，须
给门电路设置适当的输入偏置电压，此电压可
通过输入与输出之间接反馈电阻得到。 59
R
Vi
1
VO
适当地选择电阻R，可使逻辑门工作在线性 放大区，输入电压的微小扰动即可产生强烈的反 馈信号。
6
1
•
T Q0 Q1 Q2 Q3
P 74LS161 C
CP
LD
RD D0 D1 D2 D3
10001
CP •
• T Q0 Q1 Q2 Q3C
P 74LS161
1
CP
LD •
RD D0 D1 D2 D3
11100
7
补充： 1.缓冲器74LS244
VCC
•
•
•
•
•
•
GND
8
74LS244是一种三态输出的八 缓冲器和线驱动器，在数据传输中 用作驱动和隔离。如用于三态输出的存储地址 驱动器、时钟驱动器、总线定向接收器和发送 器等。
0.9Vm 0.5Vm 0.1Vm
tr tf
•
•
•
• Vm
•
•
tw
T
14
T — 脉冲周期。 Vm— 脉冲电压最大变化幅度。 tw— 脉冲宽度。 tr— 上升时间。 tf— 下降时间。 q — 占空比，脉冲宽度与脉冲周期的比值，
即：q = tw / T
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二.电容的复习
1.含电容的电路具有两个重要性质：
值，因此，施密特触发器不具有记忆功能。
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由CMOS门构成的施密特触发器：
1. 电路图 R2
100K
VI
R1 •VI’ 1 V•O1 1 •
50K
VTH
1 2
VDD
5V
同相输出端 VO
VO’ 反相输出端
21
VT+ VT–
VI VO1
VO
22
2.工作原理
1）稳态 I
VI 0 VI’ 0 VO1 1 VO 0
翻转后，电路进入新的状态， 此状态是否稳定？即电容上是否有 电流流过？ 稳态的定义： ①能长时间维持； ②电路中物理量在此阶段不变。
42
3）暂稳态阶段
此时，VDD→R→C→ RON →地
给电容充电。
充电回路： VDD
R
充电时间常数：
G1 RON
C V• I2
G2
充=（R+ RON ）•C
R•C
43
44
注意：自动返回的前提条件是 VI 必须是窄脉冲，必须 在VI2上升到5V之前就恢复低电平。 所以，在输入端加微分电路的目的是
为了获得窄脉冲（否则翻不动）。
45
5）恢复阶段
因为自动返回过程完成以后，
除了电容两端电压与第一阶段不同以外，其余
全相同（ VO =0 、 VO1 = 1），所以，还需一个
t
49
单稳态触发器的作用： 在一个输入触发脉冲作用下，
输出端能输出一个一定宽度的脉冲，其脉冲 宽度tw取决于电路内部的参数R、C，而它的 周期由外加脉冲信号控制。
50
3. 参数：
1）输出脉宽tw— 暂稳态维持时间
根据经验公式：
tw =0.7RC
在定时电路中，为了调整tw ，通常以改
变电容 C 作为粗调，改变R 作为细调。
VI VI’
V I’
VI R1
VO R2
• R2
VO
VI R1
• R2 R2
100 150
VI
2 3
VI
只要VI’ VT — 维持“稳态 I”。
23
2）翻转I VI VI’ VT VO1 0 VO 1
使VO 发生翻转的输入电压称“接通电平” ，
又V称T“ 正V向I 阈 值23 V电I’压 ”23 V，TH用VT23+表5示 。7.5V