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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。
本章内容10.4 多谐振荡器10.5 555定时器及其应用一、产生矩形脉冲的途径形如图10.1.1所示。
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上升时间t r ：脉冲上升沿从0.1V m 上升到 0.9V m 所需要的时间图10.1.1W ：从脉冲前沿到达0.5V m 起，到脉冲后沿到达0.5V m 为止的一段时间。
下降时间t ：脉冲下降沿从图10.1.1占空比q ：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q ＝t w 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10.2 施密特触发器（Schmitt Trigger）换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程在电路状态转换时，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。
图10.2.111I v 1R 2R I v ′o v 1o v ov ′G 1G 2图6.2.1 用C M O S 反相器构成的施密特触发器（a ）电路I v v ′I v o v 设反相器G 1和G 2均为CMOS 门，其阈值电压为＝011≈+=v R R v A ①当v I ＝0时， v o1＝ V OH ， v o ＝ V OL ≈0，此时G 1门的输入电压为逐渐升高到使得v A＝时，反相器进入电压传输特性的放大区（转折区），故v A的增加，会引起下面的正反馈，即v1o v vA设施密特触发器在输入信号v I 正向增加时的门槛电T ＋，称为正向阈值电压，此时v o ＝0， G 1门的输入电压为++=T 212TH V V R R R v A ＝121T V V R R R R ++＝于也存在正反馈，即ov 使电路迅速跳变到v o ＝V OL ≈ 0此时施密特触发器在v I 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DD 211T 2120211I 212TH V V V R R R R R R v R R R v R R R v A ++++++=－＝＝TH21T V )1V R R −＝（－由于V TH ＝ V DD / 2，故只要v ITH21T T T V 2V V V R R =∆－＋－＝THT I V R R V V )(211+==+THT I V R R V V )(211−==−施密特触发器的电压传输特性为图10.2.2所示图10.2.2TH V DDV Iv ov V O L＋T V －T V TV ∆TH V DD V Iv Av 0＋T V －T V TV ∆(a ）同相输出（b ）反相输出V O HV O LV O H用门电路组成的施密特触发器TH DDV Iv ＋T －T TH V V Av 0＋T V －T V TV ∆(a ）同相输出（b ）反相输出图100..2.3由C M OS 反相器构成的施密特触发器的电压传输特性V O LV O H图10.2.3(a)是以v o 做为输出的， v o 和v I 同相位；而图10.2.3(b)是以v ′A 做为输出的，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DD V I v ＋（b ）反相输出反相器构成的施密特触发器的电压传输特性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。
数字电子技术脉冲波形的产生和整形数字电子技术在现代电子领域中扮演着重要的角色。
脉冲波形的产生和整形是数字电子技术中的一项基础技术，它在数字信号处理、通信系统、计算机科学等领域中得到广泛应用。
本文将探讨数字电子技术脉冲波形的产生和整形的原理、方法以及应用。
一、数字电子技术脉冲波形的产生原理数字电子技术脉冲波形的产生基于逻辑门电路的输出状态变化。
逻辑门电路由多个逻辑门组成，逻辑门的输入和输出可以是0或1。
通过逻辑门的组合和控制，可以产生各种复杂的波形。
例如，当使用非门电路时，其输出与输入相反。
如果输入为0，则输出为1；如果输入为1，则输出为0。
通过在非门电路后面串联非门电路，可以得到一个稳定的高电平或低电平信号。
通过适当的时钟控制和信号切换，可以产生各种脉冲波形。
二、数字电子技术脉冲波形的整形方法1. 单稳态整形电路单稳态整形电路可将输入的窄脉冲波形整形为较宽的方波信号，以确保输入脉冲的稳定性和准确性。
单稳态整形电路的核心是单稳态多谐振器，其通过一个触发器和适当的电容电阻网络实现。
输入脉冲触发触发器，逐渐充放电电容，最终输出一个较宽的方波脉冲。
2. 升降沿整形电路升降沿整形电路能够将输入脉冲波形的上升沿和下降沿进行整形，使其变得更为陡峭和准确。
升降沿整形电路由施密特触发器、比较器和延时电路等组成。
在输入脉冲波形的上升或下降沿触发触发器，输出经过比较器和延时电路后得到整形后的脉冲波形。
三、数字电子技术脉冲波形的应用1. 数字信号处理数字信号处理是数字电子技术的重要应用领域之一。
脉冲波形的产生和整形技术在数字信号处理中起到至关重要的作用。
通过产生和整形不同的脉冲波形，可以实现信号滤波、频率分析、解调等功能。
2. 通信系统在通信系统中，数字电子技术脉冲波形的产生和整形对信号的传输和接收起着重要作用。
通过产生和整形不同的脉冲波形，可以实现数据的编码、解码、调制和解调等功能，提高信号传输的可靠性和效率。
3. 计算机科学在计算机科学领域，数字电子技术脉冲波形的产生和整形广泛应用于时序控制、时钟信号生成、数据同步等方面。
脉冲波形的产生和整形【本章主要内容】本章主要介绍矩形脉冲波形的产生和整形电路。
在脉冲整形电路中，介绍两类最常用两类整形电路─施密特触发器和单稳态触发器；在脉冲振荡电路中，介绍多谐振荡电路。
上述电路可以采用门电路构成，也可以采用555集成定时器构成。
重点讨论555集成定时器的工作原理及其应用。
【本章学时分配】本章共分2讲，每讲2学时。
第二十八讲用门电路组成的脉冲波形产生与整形电路一、主要内容1、基础知识脉冲在数字电路中应用极为普遍，它的获取和分析是数字电路的一个组成部分。
1）矩形脉冲的获取方法a.利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲；b.通过各种整形电路把已有的周性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。
2）矩形脉冲的主要参数为了定量描述矩形脉冲的特性，通常为了定量描述矩形脉冲的特性，通常给出P308图9.1中所标注的几个主要参数。
这些参数是：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。
有时也使用频率f=1/T表示单位时间内脉冲重复的次数。
脉冲幅度V m—脉冲电压的最大变化幅度。
脉冲宽度t w—从脉冲前沿到达0.5V m起，到脉冲后沿到达0.5V m为止的一段时间。
上升时间t r——脉冲上升沿从0.1V m升到0.9V m所需要的时间。
t f——脉冲下降沿从0.9V m下降到0.1V m所需要的时间。
下降时间t w／T。
占空比q——脉冲宽度与脉冲周期的比值，亦即q＝2、用门电路组成的施密特触发器1）施密特触发器的工作特点a.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。
电路有不同的阈值电压，即具有滞后的电压传输特性。
b.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。
利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的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脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。
2）滞后的电压传输特性滞后的电压传输特性，即输入电压上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入电压的下降过程中对应的输入转换电平不同（阈值电平不同），这是施密特触发器固有的特性。
上升时的阈值电压V T+称为正向阈值电压，下降时的阈值电压V T—称为负向阈值电压，它们之间的差值称为回差电压△V T。
3）用门电路组成的施密特触发器的工作原理将两级反相器串接起来，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就构成了P309图9.2（a）所示的施密特触发器电路。
a.分析v I从0逐渐升高并达到v’I=V T+引发的正反馈过程；b.分析v I从高电平V DD逐渐下降并达到v’I=V T—引发的正反馈过程；c.计算V T+、V T—和回差电压；d.绘制同相施密特和反相施密特的电压传输特性。
4)施密特触发器的应用a.用于波形变换利用施密触触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。
b.用于脉冲整形在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。
c.用于脉冲鉴幅由P313图9.7可见，若将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端时，只有那些幅度大于V T+的脉冲才会在输出端产生输出信号。
因此，施密特触发器能将幅度大于V T+的脉冲选出，具有脉冲鉴幅的能力3、用门电路组成的单稳态触发器1）单稳态触发器的工作特点a.它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；b.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以后，再自动返回稳态；c.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。
由于具备这些特点．单稳态触发器被广泛应用于脉冲整形、延时(产生滞后于触发脉冲的输出脉冲)以及定时(产生固定时间宽度的脉冲信号)等。
2)单稳态触发器的工作原理单稳态触发器的暂稳态通常都是靠RC电路的充、放电过程来维持的。
根据RC电路的不同接法(即接成微分电路形式或积分电路形式)，又把单稳态触发器分为微分型和积分型两种。
a.微分型单稳态触发器P314 图9.8是用CMOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器。
其工作原理如下：稳态：没有触发电平，v I为低电平，v O为低电平，v O1为高电平，电容C上没有电压。
稳态至暂稳态：当v I正跳变，v O1由高电平到低电平，v I2为低电平，于是v O为高电平。
即使v I触发信号撤除，由于v O的作用，v O1仍然为低电平。
暂稳态至稳态：暂稳态期间，电容C充电，v I2升高，当v I2=V TH时，v O下降，v O1上升，促使v I2进一步升高，最终v O1=1，v O=0。
电路的电压波形如P315图9.9所示。
主要参数：脉冲宽度RCRCRCVVVtTHDDDDw69.02lnln==--=b.积分型单稳态触发器P316图9.12是用TTL与非门和反相器以及RC积分电路组成的积分型单稳态触发器。
其工作原理如下：稳态：稳态下当v I=0，G1、G2同时截止，v O1、v A、v O均为高电平。
当输入正脉冲后，G1导通，v O1产生负跳变，由于电容电压不能突变，G2导通，使v O= v O1，电路进入暂稳态。
暂稳态：在暂稳态随着电容放电，当v A=V TH时，G2截止，v O回到高电平，待输入信号回到低电平，G1又截止，电容又开始充电，经过恢复时间t re以后，电路达到稳态。
电路中各点电压的波形如P317图9.13所示。
4、多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号能自动地产生矩形脉冲。
由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。
1）对称式多谐振荡器P318图9.15所示电路是对称式多谐振荡器的典型电路，它是由两个反相器G 1、G 2经耦合电容C 1、C 2连接起来的正反馈振荡回路。
第一暂稳态：电路最初v O1=0、v O2=1，电容C 1开始充电而C 2开始放电，C 1经R 1和R F2两条支路充电，所以充电速度较快。
当v I2=V TH时，v O1增大，v O2减小，电路进入第二暂稳态。
第二暂稳态： v O1=1、v O2=0，电容C 2开始充电而C 1开始放电， 当v I1=V TH时，使v O1减小，vO2增大，电路返回第一暂稳态。
P320图9.19为图9.15电路中各点电压的波形。
2）石英晶体多谐振荡器当对频率稳定性有较高要求时，要采用石英晶体多谐振荡器。
石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率f 0，而与外接电阻、电容无关，具有极高的频率稳定性。
它的频率稳定度（△f 0/ f 0 ）可达10-10~10-11，足以满足大多数数字系统对频率稳定性的要求。
P322图9.20给出了石英晶体的符号和电抗的频率特性。
把石英晶体和对称式多谐振荡器中的耦合电容串联起来，就组成了P322图9.21所示的石英晶体多谐振荡器。
二、本讲重点1、脉冲数字电路的基础知识。
2、用门电路构成的施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的特点与典型电路的工作原理。
三、本讲难点各典型电路的工作原理：依赖于各电路的工作特点，采用反馈流程图和波形分析法，效果较好。
四、教学组织过程由于本讲内容较多及采用波形分析法效果较好，所以本讲宜采用多媒体教学。
五、课后习题见相应章节的“习题指导”。
第二十九讲 555定时器及其应用一、主要内容1、 555定时器的结构及工作原理 1）555定时器的电路结构555定时器的型号和种类繁多，但它们的功能和外部引脚的排列基本相同。
P323图9.23是国产双极型定时器CB555的电路结构图。
它由比较器C1和C2、基本RS 触发器、集电极开路的放电三极管T D 和三个5k Ω电阻组成的分压器4个部分组成。
各管脚引线端的功能如下： 1为接地端。
8为电源端。
可在5—16V 范围内使用。
5为控制电压输入端。
当V CO 悬空时，比较器C 1和C 2的参考电压（电压比较的基准）VR1和VR2由VCC 经三个5k Ω电阻分压给出，比较器C1的参考电压为32V CC ，比较器C 2的参考电压为31V CC ；如果V CO 外接固定电压，则V R1=V CO ，V R2=21V CO 。
V CO 端不用时，一般经0.01μF 的电容接“地”，以防止干扰的引入。
3为输出端。
输出电流可达200mA ，因此可直接驱动继电器，发光二极管扬声器，指示灯等。
6为比较器C 1的输入端（也称阈值端，用TH 标注）。
当V I1＜V R1时，比较器C 1的输出V C1=1(高电平)；当V I1＞V R1时，V C1=0（低电平）。
2为比较器C 2的输入端（也称触发端，用TR 标注）。
当V I2＜V R2时，比较器C 2的输出V C2=0；当V I2＞V R2时，V C2=1。
4为复位端。
当R D =0时，使触发器及555定时器的输出直接复位（置“0”）。
7为放电端。
当Q =0时，放电晶体管T D 导通，外接电容元件通过T D 进行放电。
2）555定时器的工作原理2、 用555定时器接成的施密特触发器将555定时器的v I1和v I2两个输入端连接在一起作为信号输入端，即可构成施密特触发器，如P325图9.24所示。
其工作原理如下：a.v I 从0逐渐升高的过程：当v I <31V CC 时，v C1=1、v C2=0，Q=1，故v O = V OH ； 当31V CC < v I <32V CC 时，v C1=v C2=1，故v O = V OH 保持不变；当v I >32V CC 以后，v C1=0、v C2=1，Q=0，故v O = V OL 。
因此，V T+ =32V CC 。
b.v I 从高于32V CC 逐渐下降的过程：当v I >32V CC 时，v C1=0、v C2=1，Q=0，故v O = V OL 。
当31V CC < v I <32V CC 时，v C1=v C2=1，故v O = V OL 保持不变；当v I <31V CC 时，v C1=1、v C2=0，Q=1，故v O = V OH ；因此，V T — =31V CC 。
电压传输特性如P325图9.25所示。
回差电压为△V T = V T+—V T —=31V CC 。
3、用555定时器接成的单稳态触发器若以555定时器的v I2端作为触发信号的输入端，并将由T D 和R 组成的反相器输出电压v ’O 接至v I1端．同时在v I1对地接入电容C ，就构成了如P327图9.26所示的单稳态触发器。
其工作原理分析与用门电路构成的单稳态触发器的工作原理相同，可以采用波形分析法。
