第6章 脉冲波的产生与整形(6h)

第6章 脉冲波形 的产生和整形
勤学 务实 园融 卓越宋绍民1

数字电子技术2本章内容提要

脉冲波形概述 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

数字电子技术3一、脉冲波及其主要参数

1、脉冲波概述

脉冲波的主要参数

1、V m —脉冲幅度

2、T —脉冲周期

3、t w —脉冲宽度

4、t r —上升时间

5、t f —下降时间

6、q —占空比实际工程中，下图所示的脉冲波被广泛应用。如：时序电路中，为实现触发器之间的协同工作，经常需要使用精确、稳定的时钟脉冲作为同步信号。=×00T 100T

w q

数字电子技术4二、典型的脉冲波获取方法

1、脉冲波概述

1、波形整形法：将现有非脉冲波变换成参数满足实际需要的脉冲波。 脉冲波

i u 整形电路 (如施密特电路，单稳态电路等)o u t p

t p 2、直接产生法：利用自激正反馈，设计多谐振荡电路，直接产生脉冲波。

脉冲波

自激多谐

振荡器

o u 注：施密特触发器主要用于将非矩形脉冲变换成陡峭的矩形脉冲；

单稳态触发器主要用于将宽度不合要求的脉冲变换成宽度合适的矩形脉冲。

数字电子技术51、定义：

施密特触发器是同时具有如下特点的电路：

1) 电路仅有一个输出，并且输出有高电平、低电平两种稳定状态；

2) 两种稳定的输出状态之间能相互转换，并且转换速度迅速；

3) 输出与输入之间具有滞回电压传输特性。

2、施密特触发器(Schmitt Trigger)

一、施密特触发器的定义与特性

2、施密特触发器的滞回电压传输特性：

施密特

触发器

u i u +V V ?i

u t H

V L V o

u t 输入输出波形滞回传输特性+T V T V ?H V L V u

o u

数字电子技术62、施密特触发器(Schmitt Trigger)

滞回特性：在输入上升和下降过程中，导致输出电平翻转所需输入电压不一致的特性。

正向阈值电压：在输入上升过程(正行程)中，输出电平翻转时对应的输入电压称为正向阈值电压，记为V T +。

负向阈值电压：在输入下降过程(反行程)中，输出电平翻转时对应的输入电压称为负向阈值电压，记为V T -。

回差电压：正向、负向阈值电压之差，记为：。Δ+T T T V =V V ?? 施密特

触发器

u i u +V V ?i

u t H

V L V o

u 输入输出波形滞回传输特性+T V T V ?H V L V u

o u

数字电子技术72、施密特触发器(Schmitt Trigger)

3、施密特触发器的类型与图形符号： +T V T V ?H V L

V i u o

u 反相型施密特触发器特性与符号

1i u o u 正行程：<→=??>→=?++o H T o L

T V V V V i i u u u u 反行程：→=??<→=?o L T o H T >V V V V i i u u u u ?? +T V T V ?H

V L

V i u o u 同相型施密特触发器特性与符号1i

u o u 正行程：<→=??>→=?++o L T o H T V V V V i i u u u u 反行程：→=??<→=?o H T o L T >V V V V i i u u u u ??

数字电子技术81、CMOS 门构成的施密特触发器：

工作分析：

2、施密特触发器(Schmitt Trigger)

二、基于门电路的施密特触发器I V 1R II V o1V 2R o V 12G 1G 1电路特点：1)由两个CMOS 反相器串

接而成；2) 通过R 1, R 2, 输出反馈回输

入；3) 要求R 1

阈值电压V TH ≈0.5V DD ，输出高电平

为V OH ＝V DD 。1) V I 上升至V II =V TH 之前，电路一直稳定于V o =0状态；当V I 上升至V II =V TH 时，

引起正反馈：.电路迅速由V o

=0状态翻转至V o ＝V DD 状态，并且以后V I 继续上升，电路维持V o ＝V DD 状态不变。

→→↑↑↓↑→I II o1o V V V V 2) 若在电路处于V o ＝V DD 状态时V I 下降，则在V I 下降至V II =V TH 前，电路一直

稳定于V o ＝V DD 状态,当V I 下降至V II =V TH 时,又引起正反馈：

电路迅速由V o ＝V DD 状态翻转至V o =0状态，并且以后V I 继续下降，电路维持V o =0状态不变。→→↓↓↑↓→I II o1o

V V V V 若以V o 为输出，则是同相型；若以V o1为输出，则是反相型。

数字电子技术92、施密特触发器(Schmitt Trigger) I V 1R II V o1V 2R o

V 12G 1G 1参数计算：

1) 正向阈值电压：V I 上升至V II =V TH 时使电路状态由V o =0翻转至V o ＝V DD 的输入电压就是电路的正向阈值电压V T+。因而：

++2II I o o 12R V (V V )V R R ＝?+++2TH T 12R V (V 0)0R R ＝?2) 负向阈值电压：V I 下降至V II =V TH 时使电路状态由V o ＝V DD 翻转至V o =0的输入电压就是电路的负向阈值电压V T -。因而：

++2TH DD DD T 12R V (V V )V R R ＝??3) 回差电压： ==+11T TH DD T T 22

R R V V V 2V V R R ＝?Δ? ++1TH T 2

R V (1)V R ＝ + ≈+111TH DD TH T 222

R R R V (1)V V (1)V R R R ＝??结论：1) 触发器的参数是可调的；2) 触发器的回差电压不可能超过供电电源电压，因此电路要求R 1

数字电子技术102、TTL 门构成的施密特触发器：

电路参数：2、施密特触发器(Schmitt Trigger) I V 1R 1D II V 1G 2R O1V 2G o

V 电路特点：1)输入信号分两路加于G 1；2) 在电路由V o =V oL 稳态翻转到V o =V oH 稳

态时和V I 从高往低下降过程中,二极管D 1都截止，可有效防止G 2负载电流过大。

3) G 1的翻转由V I 和V II 共同决定。1) 正向阈值电压：V I 上升至V I >V TH 且V II =V TH 时的V I (之前V o =0)，故

++2II I D o o 12

R V (V V V )V R R ＝??+++2TH D T 12R V (V V 0)0R R ＝?? +1TH D T 2R V (1+)V +V R ＝2) 负向阈值电压：V o =V OH 期间，D 1总处于截止，因此只要V I 下降至V TH ，电路即可翻转到V o =V OL 状态。故+TH

T V V ＝3) 回差电压： =?+T 12TH D T T V V V R R V +V ＝?Δ?

数字电子技术111、典型TTL 集成施密特触发器：

典型TTL 集成施密特触发器主要有74LS13、74LS14、74LS132等。2、施密特触发器(Schmitt Trigger)

三、集成施密特触发器

TTL 施密特触发器对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿，具有较强的带负载能力和抗干扰能力。

集成施密特触发器74LS132:

1) 内部包括4个互相独立的2输入施密特触发器，都

是在基本施密特触发电路的基础之上，在输入端增

加了与的功能，在输出端增加了反相器。因此称为

施密特触发与非门。

2) 74LS132的输入输出关系满足Y=AB ，两个输入必

须同时低于施密特触发器的负向阈值电压，输出Y

才是高电平。

数字电子技术122、典型CMOS 集成施密特触发器：

典型TTL 集成施密特触发器主要有CC40106(六反相器)、CC4093(四2输入与非门)等。

2、施密特触发器(Schmitt Trigger)

两种CMOS 集成施密特触发器的引脚排列图

:

数字电子技术

13

1、波形变换：将三角波、正弦波和其它不规则信号变换成矩形脉冲。

2、施密特触发器(Schmitt Trigger)

四、施密特触发器的应用

u

u O U T+ U T -

t

U

OH

U

OL 波形变换

u o

u I 2、脉冲整形：将受到干扰或边沿不合要求的信号整形成较好的矩形脉冲。

O u I O

u O t

U T+U T -U OH U OL 脉冲整形

数字电子技术143、脉冲鉴幅：鉴别并取出幅度大于U T+的脉冲。

2、施密特触发器(Schmitt Trigger)

u o u

I O

u I

t u O

U U T -

O U OL U OH

注意：从以上应用中可以看出，回差电压越大，施密特触发器的抗干扰能力越强，但过大则引起触发器的“触发灵敏度”变差，因此实际应用时需要合理设置施密特触发器的回差电压。

数字电子技术154、基于施密特触发器的多谐振荡器：

2、施密特触发器(Schmitt Trigger) R

I

V C o V 1t 2T 1T +T V I V T V ?o V 电容C 在V o ＝V oH 期间充电,在V o ＝V oL 期间放电，电容C 的反复充电和放电使电路连续输出周期性的矩形脉冲波。 因为输出矩形脉冲具有多种谐波成分，因此电路称为多谐振荡器。

电容C 的充、放电规律(三要素法)和充放电时间：

[]e +?RC

I C C C C V ()V ()V ()V (0)V ()?==∞+?∞t t t ???????

C C C C V ()V (0)RC V ()V ()∞?+=∞?t In t

数字电子技术162、施密特触发器(Schmitt Trigger) t 2T 1

T +T V I V T V ?V 输出矩形脉冲的周期：

???????oH T 1oH T V V T RC V V ?+?=?In 9一个周期内，输出高电平维持时间对应于电容C 从V T -充电至V T+所需要的时间，并且该情况下电容电压的最终稳态值为V oH 。所以???????

C C C C V ()V (0)RC ∞?+=∞?t In t 9一个周期内，输出低电平维持时间对应于电容C 从V T+放电至V T -所需要的时间，并且该情况下电容电压的最终稳态值为V oL 。所以

???????

oL T 2oL T V V T RC +??=?In 9周期T 的计算：

???????

?oH oL T T 12oH oL T T V V V V T T +T RC ?++???==??In

数字电子技术171、单稳态触发器的特点：

有一个稳态和一个暂稳态(注：稳态和暂稳态肯定互补)。 在没有外部触发信号作用时，单稳态触发器保持其稳态不变。

在外界触发信号作用后，电路状态呈现：稳态→暂稳态→稳态的变化，暂稳态只能维持一段时间，之后电路自动返回稳态。

暂稳态通常由内部RC 延迟环节维持，维持时间取决于RC 环节的参数。

3、单稳态触发器(monostable flip-flop)

一、单稳态触发器概述

i u o

u w t w t t 窄脉冲触发

稳态暂稳态i u o u w t w t t t

稳态宽脉冲触发暂稳态单稳态

触发器 i u o u 结论：单稳态触发器是一种能在触发信号作用下输出一定宽度矩形脉冲而后又恢复到稳态的电路。(每触发一次，就输出固定宽度的矩形脉冲波)

数字电子技术182、单稳态触发器的种类：

按RC 环节：微分型、积分型。

按触发脉冲形式：1) 宽脉冲与窄脉冲触发；2) 正脉冲与负脉冲触发； 按电路的工作特点：可重触发的、不可重触发的。

按电路结构：基于门电路实现的，基于555定时器实现的和MSI 集成产品。3、单稳态触发器(monostable flip-flop)

注1：不可重触发是指暂稳态期间若再次被触发，则对原暂稳时间无影响，输出脉冲宽度t W 仍从第一次触发开始计算。

注2：可重触发是指暂稳态期间若再次被触发，则输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽t W 。

数字电子技术191、微分型单稳态触发器：

电路结构：3、单稳态触发器(monostable flip-flop)

二、基于门电路的单稳态触发器i u ?C u +R DD V C A 1≥1

G 1o u A u o

u 2

G 1正窄脉冲触发

微分RC 1) 电路的稳态： 工作分析：}??→?→??1C A D 1C D 0101V 0

0电路稳态:o i o o o u u u u u u u u ==?==?====2) 电路的暂态分析：正脉冲触发后电路进入暂稳态

①触发时，电路中存在正反馈：，迅速使，

，，即电路迅速进入暂稳态；

②暂稳态期间，,电容充电，，当上升至时又引起正反馈：,迅速使，电路自动返回到稳态。→→↑↓↓↑→1A i o o u u u u 11,0o o u u ==1o u =A 0u =10o u =↑A u A u A TH u u =↑↓→→↑A 1o o u u u 10o u =

数字电子技术20 电路波形：3、单稳态触发器(monostable flip-flop)

i u o u A u u DD V TH u TH oH oL ()u u u ?+o H u o L u t t t t o H u o L u w t re t w t 暂稳态稳态 i u ?C u +

R DD

V C A 1≥1

G 1o u A u o

u 2G 1从波形图可知：1) 电路每触发1次就输出一个宽度等于t w 的正脉冲。t w 是电路暂稳态的维持时间，对应于从充电至所需时间。2) 暂稳态结束后，电路要真正恢复到稳态还需要经历一个恢复过程。恢复时间t re 为(3~5)倍放电时间常数。

3) 要求相邻两次触发脉冲的间隔时间(称分辨时间)t d ：

C 0u =C TH u u =C u ≥+d w re t t t 思考：如何防止触发脉冲过宽？

C 0u =C u

数字电子技术暂态结束后，电容C 的放电回路如图，所以电路的恢复时间：21 参数计算：3、单稳态触发器(monostable flip-flop)G 1

G 2R ON R V DD

充电回路C

A u i u ?C u +

R DD V C A 1≥1G 1o u A u o u 2G 1t w 是电路暂稳态的维持时间，对应于从充电至所需时间。C 0u =C TH u u =C u 在期间电容C 充电回路如图,并且所以o10u =C C DD 0V R +R C

，，on u u +(0)=(∞)==()τ[]

??DD DD TH R +R C V (V )w on t In u =()特别地，对于CMOS 门，因，故TH DD V u 1=2?≈R +R C 20.69RC

w on t In =()≈R C

re on t (3～5)放电回路G 1

G 2R ON R V DD C A u

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