数电第十章 脉冲波形的产生和整形

C ext
0 × ×
× 0 × 1
1 1 0 × 1
0 0 0 0
1 1 1 1
3 4
A1 A2
74121
vo 6 vo 1
1 1
5 B
1
1 1
GND 7
0 × (a)图形符号
× 0
(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
Cext和Rext为外接电容和外接电阻，通常Rext取值在 2KΩ～ 30KΩ之间， Cext的取值在10pF～10μF之间，得 到的脉冲宽度tW的范围为20ns～200ms。
传输线电容效应
阻抗不匹配效应
例10.2.1 由CMOS反相器构成的施密特触发器如图10.2.2 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。
vI
100 kΩ
6V
50 kΩ
0
t
图10.2.2 解：阈值电压为
10.4 多谐振荡器
多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需 要外加触发信号，便能自动产生矩形波形。由于矩形波 中含有高次谐波故把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。
10.4.1 对称式多谐振荡器
1. 构成：
TTL反相器G1、G2经耦 合电容C1、C2连接起来 的正反馈电路。
2.产生自激振荡的条件： 为了产生自激振荡，电路不能有 稳定状态，即静态（未振荡）时应是 不稳定的 由TTL反相器电压传输特性 可知，若静态时G1和G2工作在 转折区或线性区，它们即工作在 放大状态，其电压放大倍数为
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
微分型单 稳
输入控制 电路
输出缓冲 电路
A1和A2为下降沿触 发端，此时B＝1 ， B为上升沿触发端， 此时A1和A2当中至 少要有一个接低电 平
输 入 输出 A1 A2 B vo vo 10 11 9 14 C ext R ext R intVcc
v A VTH
R2 R1 VI VI VT (1 )VTH R1 R2 R2
当vI 1时，vo VOH 1。 当vI ,至v A VTH时，进入传输特性的放 大区，故 v A vO1 vO 使电路迅速跳变到 vO VOL R1 R1 v A VTH (VDD VI ) VI VI VT (1 )VTH 同相 R1 R2 R2
正向阈值电压： 输出
VI VT
R1 (1 )VTH R2
反相 输出
负向阈值电压：
VI VT
R1 (1 )VTH R2
回差电压：
ΔVT VT VT
vI
UI =0 UI上升过 程中 0 <VT+ => VT+ =VT+ >VT+ >VTUI下降过 程中 => VT=VT<VT-
本章内容
10.1 概述
10.2
10.3 10.4 10.5
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矩形脉冲。 二 、矩形脉冲特性的特性的主要参数
脉冲周期T ： 脉冲幅度Vm：脉冲电压的最大变化幅度。 脉冲宽度tW：从前沿0.5Vm起，到后沿0.5Vm止的一段时间。
1
图6.3.9 例6.3.1的电路
当vI＝0时，第一片A1＝A2＝1，其输出Q1＝0；第二片 的B＝0， A1＝A2＝0，其输出Q2＝0， Q2＝1 当vI跳变为高电平时，则第一片的A1、A2出现下降沿， 而B＝ Q2＝1，故在Q1端输出一个正脉冲。 而第二片B＝vI＝1， A1＝A2＝Q1，则在Q1的下降沿， Q2 输出正脉冲。而第一片的B＝ Q2，则A1＝A2＝0，在Q2上 升沿的作用下，Q1输出一个正脉冲，电路不断振荡下去
VOH≈ VDD， VOL≈ 0，VTH≈ VDD / 2，
稳态下：VI 0，Vd 0，VI 2 VDD，VO 0，VO1 VDD，C上无电压；
加触发信号VI , Vd VO1 VI 2 VO 电路迅速进入暂稳态 VO 1,VO1 0, C 开始充电
电源VDD通过R和G1门的 输出电路给电容C充电
充电馈 VI2 VO VO1 电路迅速返回稳态V
C放电电路
O
0, VO1 VDD , C放电至没有压降，恢 复稳态。
加触发脉冲
由于输入二极管 保护电路的钳位 作用
电容放电 电容充电
上升时间tr ：上升沿从0.1Vm上升到 0.9Vm所需要时间
下降时间tf ：下降沿从0.9Vm 下降到 0.1Vm所需要时间 占空比q ：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q ＝ tw /T
10.2 施密特触发器(Schmitt Trigger)
（常用的一类脉冲整形电路）
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
C1
R ext
14 R int Vcc
9
10 11
C ext R ext
14 R int Vcc
9
C ext
C ext
vI
1
3 4
A1 A2
74121
vo
vo
Q1 6 1
3 4
A1 A2
74121
Q2 vo 6
vo
vo
5 B
GND 7
5 B
GND 7
1
图6.3.9 例6.3.1的电路
Vcc R1 R2
输出脉冲宽度可由 下面公式计算：
输 入 A1 A2 B 10 11 9 14 C ext R ext R intVcc
C ext
0 × ×
× 0 × 1
1
1
tW 0.69Rext Cext
Rint为内置电阻， 可以代替外接电阻， 但阻值不大，约为 2KΩ。
0
3 4
A1 A2
74121
vo 6 vo 1
施密特触发器性能上的两个重要特点： 1. 电路电平的转换与输入信号的变化方向有关； 2. 电路内部的正反馈使输出电压的转换过程非常迅速。 施密特触发器与前述触发器（Flip-Flop）是两种性能完全 不同的电路 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。
td
电容放电
tre
稳态
暂态
输出的脉冲宽度为
V( ) V( 0) V tw RC ln RC ln OH V( ) V( t ) VTH
令VOL 0
恢复时间和分辨时间
tre (3 ~ 5)( R RO )C td tTR tre
G1输出高 电平时的 输出电阻 没考虑G2 输入电路 对C充电的 影响
Av
vo vi
1
此时只要输入电压有微小的波动， 就会被正反馈回路放大而引起振 荡
故为了使反相器工作在放大状态，则要给它们设置适 当的偏置电压，其数值在高、低电平之间。这个偏置 电压可以由 RF 来设定。
1 1
×
1 1
5 B
1
GND 7
1 0 × × 0
(b)功能 图10.3.6 集成单稳态触发器74121的图形符号及
(a)图形符号
工作波形
目前使用的单稳态触发器有不可重复触发型和重复触发型
**不可重复触发：一旦被触发进入暂稳态后，再加入触发脉
冲也不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束后，它才 能接受下一个触发脉冲而转入暂稳态
R1 R2，G1、G2均为 CMOS 电路，则： 1 VOH VDD，VOL 0，VTH VDD 2
当vI 0时，vo VOL 0。 当vI ,至v A VTH时，进入传输特性的放 大区，故 v A vO1 vO 使电路迅速跳变到 vO VOH
③暂稳态维持的时间长短取决于电路内部参数。
应用： 脉冲整形、延时以及定时等。
10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器
单稳态触发器的暂稳态通常是靠RC电路的充放电过 程来维持的，根据RC的电路不同接法，把单稳态触发器 分成微分型和积分型。 一、微分型单稳态触发器 G1、 G2 是CMOS门电路； Rd、Cd微分电路
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。
10.3.2 集成单稳态触发器（74121)
A
* 稳态下：VI 0,VO 1, (VO1 VOH ),VA VOH； 入电流很小，
当有正脉冲输入后 vI由低电平转为高电平， vo1 ＝VOL。由于电容不能突变， vA仍保持高电平，则vo＝VOL 电路进入暂态过程，此时电 容C放电
可忽略
C放电回路
期间G2的输
TH
*当放至VA VTH 后，VO 1, 返回稳态；
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。