09 第六章 脉冲波形 的产生和整形.pptx

第1页：脉冲波形概述

第六章 脉冲波形的产生和整形 第一节 概述。本章只讨论矩形脉冲。矩形脉冲的主要参数：脉冲周期 T、脉冲频率 f = 1/T、脉冲幅度 V_M、脉冲宽度 t_W、上升时间 t_r、下降时间 t_f，占空比 q = t_W/T。

本章讨论三种脉冲电路：施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器。每种电路都有集成、用门电路构成、用 555 电路构成三种方式，本章只介绍用 555 电路构成的脉冲电路。

第2页：555 定时器

第二节 555 定时器及其应用。一、555 定时器的电路结构与功能。555 电路又称为集成定时器，1972 年由 Signetics 公司推出，既有双极型产品也有 MOS 型产品，产品型号的最后 3 位数码都是 555，如 CB555 是国产双极型电路、CH7555 是 CMOS 型电路。

引脚包括清零端、控制电压端 V_CO、阈值端（高触发端）TH、触发端（低触发端）TR 与放电端 TD。

第3页：555 定时器的功能表

有两个阈值电压：V_R1 = 2V_CC/3，V_R2 = V_CC/3。随着 TH 端和 TR 端的电压不同，其工作状态将发生变化。

当在 V_CO 端外接控制电压时阈值电压将随之变化：上限变为 V_CO，下限变为 V_CO/2。

第4页：施密特触发器的特点

二、构成施密特触发器 Schmitt Trigger。（一）电路的特点：

• 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电平不同
• 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很陡

工作原理：分析输入电压由 0 V 上升到 V_CC 和由 V_CC 下降到 0 V 时电路状态如何变化。把 TH 端和 TR 端并联作输入端接输入电压。

第5页：施密特触发器的传输特性

• V_T+：正向阈值电压或上限阈值电压
• V_T−：负向阈值电压或下限阈值电压
• ΔV_T = V_T+ − V_T−：回差电压

若改变 V_CO 值，V_T+、V_T− 的值将随之改变。

特点：由于有比较器，允许输入信号慢变化；由于有触发器，输出端边沿好。

第6页：施密特触发器的应用

（二）施密特触发器的应用：

• 1. 波形变换：把缓慢变化的信号变换为矩形波
• 2. 脉冲整形：把畸变的脉冲整成规整的矩形波
• 3. 脉冲鉴幅：只有幅度超过阈值的脉冲才有输出

第7页：集成施密特触发器

（三）其他类型的施密特触发器：用门电路也可构成施密特触发器（现已很少使用），此外还有集成的施密特触发器，既有 TTL 型也有 CMOS 型。

• 74LS14 是集成施密特触发六反相器，74LS132 是施密特触发的四—2 输入与非门
• CC40106 是集成施密特触发六反相器，CC4093 是施密特触发的四—2 输入与非门

第8页：门电路构成的施密特触发器

用集成门电路构成的施密特触发器：1. 电路组成——两个 CMOS 反相器与两个分压电阻。本页给出 (a) 电路与 (b) 逻辑符号。

第9页：门电路施密特触发器原理

2. 工作原理。（1）工作过程：设 CMOS 反相器的阈值电压 U_TH = V_DD/2，输入信号 u_I 为三角波。

第10页：第一稳态

当 u_I = 0 V 时，G1 截止、G2 导通，输出为 U_OL，即 u_O = 0 V。只要满足 u_I1 < U_TH，电路就会处于这种状态（第一稳态）。

当 u_I 上升使得 u_I1 = U_TH 时，电路会产生如下正反馈过程。

第11页：上限触发转换电平

电路会迅速转换为 G1 导通、G2 截止，输出为 U_OH，即 u_O = V_DD 的状态（第二稳态）。此时的 u_I 值称为施密特触发器的上限触发转换电平 U_T+。显然，u_I 继续上升电路的状态不会改变。

第12页：下限触发转换电平

如果 u_I 下降，u_I1 也会下降。当 u_I1 下降到 U_TH 时，电路又会产生以下的正反馈过程：电路会迅速转换为 G1 截止、G2 导通、输出为 U_OL 的第一稳态。此时的 u_I 值称为施密特触发器的下限触发转换电平 U_T−。u_I 再下降，电路将保持状态不变。

第13页：工作波形与传输特性

（2）工作波形与电压传输特性：施密特触发器将三角波 u_I 变换成矩形波 u_O。

3. 重要参数：上限触发转换电平 U_T+、下限触发转换电平 U_T−、回差 ΔU_T = U_T+ − U_T−（通常 U_T+ > U_T−）。改变 R1 和 R2 的大小可以改变回差 ΔU_T。

第14页：单稳态触发器的特点

三、构成单稳态触发器。（一）电路的特点：

• 有两个状态——稳态与暂稳态
• 在外界触发脉冲作用下能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后再自动返回
• 暂稳态维持时间的长短取决于电路本身参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关

第15页：单稳态触发器工作原理

（二）工作原理：

• 1. 稳态：v_I = V_H，设 TD 工作在饱和状态，则 v_C = V_TH = 0 V，555 电路处于保持状态且一定是 v_O = V_L（若假设 TD 截止则不合理）
• 2. 触发：555 电路状态翻转为 v_O = V_H，此时 TD 截止，v_C 保持 0 V 不变
• 3. 暂稳态：电容 C 充电，三要素为 v_C(0) = 0 V、v_C(∞) = V_CC、τ = RC

第16页：自动返回与恢复

• 4. 自动返回：当 v_C = 2V_CC/3 时，555 电路翻转为输出 V_L
• 5. 恢复：由于 TD 导通，电容 C 向 TD 放电，使 v_C 迅速下降为 0 V

第17页：单稳态的参数计算

（三）参数计算：

• 1. 脉冲宽度 t_W：由电容电压从 0 充到 2V_CC/3 的时间得到，t_W = RC ln3 ≈ 1.1 RC
• 2. 恢复时间 t_re：t_re = (3~5) r_ceC
• 3. 分辨时间 t_d：t_d = t_W + t_re，即触发脉冲的最小周期

（四）电路特点：窄脉冲触发，触发脉冲宽度要小于输出脉冲宽度；若条件不满足可在输入端加微分电路。

第18页：微分电路

RC 电路的应用：可对矩形波进行变换，常用的有微分电路、积分电路和脉冲分压器。

1. 微分电路：可将矩形波变换为尖峰波（条件 RC << t_W）。由于电路的输出 u_O 只反映输入波形 u_I 的突变部分，故称为微分电路。

第19页：积分电路

2. 积分电路：可将矩形波变换为三角波（条件 RC >> t_W）。如果不满足积分电路的条件（即 RC << t_W），输出波形 u_O 的边沿会变差。

第20页：脉冲分压器的必要性

3. 脉冲分压器：在模拟电路中常用电阻分压器来实现正弦波信号的无失真传输；但是对脉冲信号的传输不能采用简单的电阻分压器，因为分布电容的影响会使输出波形的边沿发生畸变。

第21页：脉冲分压器

脉冲分压器：为了实现脉冲信号的无畸变传输，需要采用脉冲分压器，各种示波器的输入衰减器采用的就是这种电路。只要满足条件 C1R1 = C2R2，即可实现脉冲信号的无畸变传输。

第22页：555 单稳态电路波形

本页给出 555 单稳态电路的波形：输入窄触发脉冲作用下，输出 v_O 产生固定宽度的正脉冲，电容电压 v_C 由 0 V 充至 2V_CC/3 后迅速放电恢复。若触发脉冲宽度条件不满足，可在输入端加微分电路。

第23页：单稳态触发器的应用

（五）应用：

• 1. 整形——改变输入脉冲的占空比，输出固定宽度的脉冲
• 2. 定时（延时）控制

例 1：数字频率计，用单稳产生宽度为 1 秒的正脉冲作为计数闸门，配合计数器读出频率值。例 2：延时触发，用两级单稳串联，延迟时间为 t_W1，输出脉宽为 t_W2。

第24页：集成单稳态触发器 74121

（六）其他类型的单稳态触发器：用门电路可构成单稳态触发器，也有集成的单稳态触发器。1. 集成单稳态触发器既有 TTL 产品也有 CMOS 产品，这里介绍 74121。

• 有三个输入端：A1、A2 为下降沿触发输入端，B 为上升沿触发输入端
• 有两个互补的输出端
• 电容需外接，电阻可选择内部的也可外接

第25页：74121 功能表

74121 的功能可用功能表或波形图说明，包含三种工作方式：保持、A 端触发（下降沿）、B 端触发（上升沿）。

第26页：74121 的输出脉宽

工作波形与输出脉宽的计算：74121 的公式为 t_W ≈ 0.69 R_extC_ext。

• R_ext 取值在 2 kΩ 到 30 kΩ 之间
• C_ext 取值在 10 pF 到 10 µF 之间
• t_W 的范围在 20 nS 到 200 mS 之间

也可使用内部电阻 R_int（约 2 kΩ）代替外接电阻。74121 是不可重复触发的，而 74122 是可重复触发的。

第27页：CMOS 微分型单稳态触发器

2. CMOS 微分型单稳态触发器。（1）工作原理：由输入端微分电路提取上升沿。

• 稳态：v_I = V_DD，v_O1 = 0，v_O = 0
• 触发后进入暂稳态：v_I = 0，v_O1 = V_DD，v_O = V_DD
• 电容 C 充电，三要素为 v_C(0) = 0、v_C(∞) = V_DD、τ = RC
• 自动返回条件：v_I2 = V_TH

第28页：CMOS 单稳态的参数

（2）计算：脉宽 t_W 等于 v_I2 由 0 V 上升到 V_TH（约 0.5V_DD）所用的时间。

恢复过程：电容 C 放电至起始状态，所用时间 T_re = (3~5) C R_ON，其中 R_ON 为门 G1 的输出电阻。取消输入微分电路会使输出后沿变坏。

第29页：多谐振荡器的原理

四、构成多谐振荡器。（一）电路的特点：不需输入信号即可产生矩形脉冲。

（二）电路的原理：刚接通电源时 v_C = 0 V、TD 截止，此时为暂稳态 1，电容 C 充电，三要素为 v_C(0) = 0 V、v_C(∞) = V_CC、τ_充 = (R1 + R2)C；在 t1 时刻 v_C = 2V_CC/3，555 电路翻转为 v_O = V_L、TD 导通，进入暂稳态 2 并开始放电。

第30页：多谐振荡器的周期

暂稳态 2 中电容放电，三要素为 v_C(0) = 2V_CC/3、v_C(∞) = 0 V、τ_放 = R2C；在 t2 时刻 v_C = V_CC/3，555 电路再次翻转。

（三）计算周期：T = T1 + T2，其中 T1 = (R1 + R2)C ln2，T2 = R2C ln2，占空比 q = T1/T，频率 f = 1/T。

第31页：占空比可调的多谐振荡器

（四）改进电路：占空比可调的多谐振荡器，T1 = R1C ln2，T2 = R2C ln2，T = (R1 + R2)C ln2。上述基本电路占空比始终大于 50% 且不可调。

例：用 CB555 设计多谐振荡器，要求 T = 1 s、3 V < v_M < 5 V、占空比 q = 2/3。可选 V_CC = 5 V，由 T = (R1 + 2R2)C ln2 且 q = 2/3 可求出 R1 = R2；选 C = 10 µF 代入求出 R2 = R1 = 48 kΩ。

电容选择原则：过大则漏电流大，过小则电阻太大，二者均可使周期不准。

第32页：非对称式多谐振荡器

（五）用门电路构成的多谐振荡器。1. 非对称式多谐振荡器。（1）工作原理：采用 CMOS 门，R_F 使门 1 工作在转折区，输入有微小变化则输出变化剧烈，因此门 2 也工作在转折区，电容 C 引入正反馈使电路振荡。

设 t1 时刻 G1 输出低电平、G2 输出高电平，定为暂稳态 1；当 v_I1 = V_TH 时产生连锁反应，随之电路进入暂稳态 2。

第33页：非对称式振荡器的充放电

在暂稳态 2：v_O1 = V_DD、v_O2 = 0，v_I1 = V_TH − V_DD；在 t2 时刻进入暂稳态 1 的充电过程，三要素为 τ_放 = R_FC。

在 t3 时刻 v_I1 = V_TH 又发生连锁反应，进入暂稳态 1：τ_充 = R_FC，三要素为 v_C(0) = V_TH + V_DD、v_C(∞) = 0 等。

第34页：非对称式振荡器周期

（2）周期计算：T = T1 + T2。将三要素代入过渡过程公式即可求出 T1 和 T2，取 CMOS 门阈值 V_TH = V_DD/2 时得到 T1 = T2 ≈ 1.1 R_FC，故 T ≈ 2.2 R_FC。

用 TTL 门构成这种多谐振荡电路也可以，但分析较复杂。思考：若将 R_P 短路会发生什么情况？

第35页：对称式多谐振荡器

2. 对称式多谐振荡器。（1）电路组成：由两个 TTL 反相器经电容交叉耦合而成，通常令 C1 = C2 = C、R1 = R2 = R_F。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 R_OFF < R_F < R_ON 的条件。

第36页：对称式振荡器原理

（2）工作原理：假定接通电源后由于某种原因使 u_I1 有微小正跳变，必然会引起正反馈过程，使 u_O1 迅速跳变为低电平、u_O2 迅速跳变为高电平，电路进入第一暂稳态。

此后 u_O2 的高电平对 C1 充电使 u_I2 升高，电容 C2 放电使 u_I1 降低。由于充电时间常数小于放电时间常数，充电速度较快，u_I2 首先上升到 G2 的阈值电压 V_TH 并引起又一次正反馈。

第37页：对称式振荡器的振荡过程

正反馈使 u_O2 迅速跳变为低电平、u_O1 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 u_I1 上升，又引起一次正反馈过程，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，输出端产生矩形脉冲。

第38页：对称式振荡器波形

本页给出对称式多谐振荡器的工作波形，展示两个反相器输入端 u_I1、u_I2 与输出端 u_O1、u_O2 的电压变化关系。

第39页：对称式振荡器的参数

（3）主要参数：矩形脉冲的振荡周期为 T ≈ 1.4 R_FC。当取 R_F = 1 kΩ、C = 100 pF ~ 100 µF 时，该电路的振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内变化。

说明：源文件中电容下限写法为 I00 pF，按标准器件参数应为 100 pF，此处订正。

第40页：环形振荡器

3. 环形振荡器。（1）最简单的环形振荡器：利用集成门电路的传输延迟时间，将奇数个反相器首尾相连便可构成最简单的环形振荡器。该电路没有稳定状态，如此周而复始便产生自激振荡，振荡周期 T = 6 t_pd。

第41页：RC 环形振荡器

（2）RC 环形振荡器：最简单的环形振荡器构成十分简单但并不实用，因为集成门电路的延迟时间 t_pd 极短且振荡周期不便调节。

增加 RC 延迟环节即可组成 RC 环形振荡器，利用电容 C 的充放电改变 u_I3 的电平来控制 G3 周期性地导通和截止，在输出端产生矩形脉冲。R_S 是限流电阻（保护 G3），通常选 100 Ω 左右，因其阻值很小在分析时往往忽略。

第42页：RC 环形振荡器波形

本页给出 RC 环形振荡器的工作波形，电路的振荡周期为 T ≈ 2.2 RC。R 不能选得太大（一般 1 kΩ 左右），否则电路不能正常振荡。

第43页：CMOS 反相器多谐振荡器

（3）CMOS 反相器构成的多谐振荡器：R 的选择应使 G1 工作在电压传输特性的转折区。此时由于 u_O1 即为 u_I2，G2 也工作在电压传输特性的转折区，若 u_I 有正向扰动必然引起下述正反馈过程。

第44页：CMOS 振荡器的暂稳态

正反馈使 u_O1 迅速变成低电平而 u_O2 迅速变成高电平，电路进入第一暂稳态。此时电容 C 通过 R 放电，然后 u_O2 向 C 反向充电；随着放电与反向充电 u_I 不断下降，达到 u_I = V_TH 时电路又产生一次正反馈过程，从而进入第二暂稳态，此时 u_O1 通过 R 向电容 C 充电。

第45页：CMOS 振荡器波形

随着电容 C 的不断充电 u_I 不断上升，当 u_I ≥ V_TH 时电路又迅速跳变为第一暂稳态。如此周而复始，电路不停地在两个暂稳态之间转换，输出矩形波。振荡周期为 T = 1.4 RC。

第46页：石英晶体多谐振荡器

4. 石英晶体多谐振荡器：构成是在对称式多谐振荡器的反馈回路中串入石英晶体。石英晶体电抗的频率特性中 f₀ 称为固有频率。

• 特点：f₀ 的稳定度极高，可达 10⁻¹⁰ ~ 10⁻¹¹，因此可构成高精度多谐振荡器，克服其他振荡器频率稳定度低、抗干扰能力差的缺点
• 原理：只有振荡频率等于 f₀ 时晶体的阻抗为 0（最小），电路才能产生振荡，因此输出频率一定为 f₀

用 TTL 或 CMOS 门都可构成石英晶体多谐振荡器。

第47页：脉冲电路自我检测题

练习。自我检测题（二）：给出输出波形图；自我检测题（五）：加大输出脉冲宽度可采取的方法是（3）加大 C，其他四种都不可——（1）加大 R_D、（2）减小 R、（4）提高 V_DD、（5）增加输入脉冲宽度。

第48页：脉冲电路习题答案

（六）为提高振荡频率可采取的措施是（2）减小电阻 R 值；不可采取的是（1）加大电容 C 容量、（3）提高电源电压。

【题 6.31】振荡频率：代入公式得 9.66 kHz；延迟时间为 11 s。