第7章 脉冲波形的产生与处理电路

7.7 三角波发生器与锯齿波发生器
7.7.1 三角波发生器 图示电路中运放A1与电阻R1、R2构成同相输入的施密特触发 器，运放A2与R4、C构成积分电路，二者共同形成闭合回路。
R2 R1 vP vI vo1 R1 R2 R1 R2 可以求出vo1分别在VZ 和 VZ时, vP 等于0的vI 值，即： R1 Vth1 VZ ; R2 Vth 2 R1 VZ R2
7.1 脉冲波形的基础知识 图示波形为几种常见的脉冲波形，它们是时间函数，一般幅 值变化有突变点。
三角波
实际的脉冲波形与理想情况有 差别。 在输入理想的方波信号时，如 果输出信号的上升和下降沿越 陡，说明电路高频特性好，上 限截频高。顶部倾斜小，说明 低频特性好，下限截频低。 1.脉冲幅度Vm：脉冲的高、低电平之差。 2.平均脉宽tw：一般以脉冲前、后沿上瞬时值为0.5Vm的对应点之间的时 间间隔代表平均脉宽。 3.重复周期T：相邻两个脉冲对应点之间的时间间隔。 4.上升时间tr：脉冲波形从0.1Vm上升到0.9Vm所需的时间。 5.下降时间tf：脉冲波形从0.9Vm下降到0.1Vm，所需的时间。 6.占空比D：平均脉宽tw和重复周期T的比值称为占空比。方波占空比为50 ％。 7.顶部倾斜ΔVm：顶部高点与底点之差。
7.4门电路（将在下学期“数字电路”中学习）
关于门电路的简单介绍 与 门：
或 门：
非门、与非门、或非门：
7.5单稳态电路
翻转 稳态 外加脉冲 暂稳态 翻转 稳态
种类：门电路、施密特触发器、555定时电路以及分立元件 （晶体管）构成，也有专用的单片单稳态触发器。
7.5.1 由门电路构成的单稳态触发器
设：t=0时，vo1=VZ，vo=0,电容恒流充电，vo下降。 当vo=Vth2=-VZR1/R2时，施密特触发器翻转，电容恒流放电 并反向充电。 当vo =Vth1 =VZR1/R2时，施密特触发器再次翻转，电容恒流 放电并反向充电。
Vo1输出方波，vo输出三角波
vo1 p p 2VZ vop p R1 2 VZ R2
第7章 脉冲波形的产生与处理电路
王莹 Wangying@ 北京邮电大学
信号波形 •正弦波 •非正弦波：凡按非正弦规律变化的电压或电流波形都可以 称为脉冲波形。
脉冲波形发生电路：多谐振荡电路，一般是用来作信号源。 波形处理电路有限幅、钳位、整形、延迟电路等。 脉冲波形产生与处理电路中，半导体器件大都工作在大信号 状态，属于非线性运用。
假设放大电路的高频响应函数存在一个主 极点，特性可用RC低通网络来模拟，如 图。它的上限截止频率fH=1/(2πRC)。如果 在电路的输入端施加理想阶跃信号，输出 电压为： t
vo Vm (1 e

RC
)
根据定义，上升时间为：tr≈2.2RC 上限截频与上升时间的关系： tr*fH ≈0.35
>VREF2
H H H
H L 不变
截止 导通 不变
>VREF2
阈值输入 vI1⑥ X <VREF1 0 >VREF1 1 <VREF1 0
阈值输入 vI2② X <VREF2 0 >VREF2 1 >VREF2 1
复位输入 L H H H 0 1 1 1
③脚输出 L 0 H 1 L 0 不变
泻放管T28 导通 截止 导通 不变
与非门组成的单稳态触发器 设计电路时要求R的阻 值小于与非门的关门 电阻Roff及Rd的阻值大 于开门电阻Ron。以保 证稳态下G1输出为低 电平，G2输出为高电 平。
输入微 分环节
定时元件
t w RC ln 2.7 0.99 RC
7.6多谐振荡器
7.6.2 由施密特触发器组成的多谐振荡器 方波（准三角波）发生器
一般：toff>ton
7.3 波形的限幅与钳位
7.3.1 波形的限幅 限幅电路（限幅器）是将输入波形的一部分传送到输出 端，而将其余部分抑制掉。因此，限幅器应能够鉴别信号的 幅度，它的传输特性必须具有线性区和限幅区。一般是利用 器件的开关特性实现限幅功能。 1.下限幅器：
2.上限幅器：将下限限幅器中的二极管反接即可，实现将高于 限幅电平的部分抑制掉。 3.双向限幅器：由并联二极管的上限限幅器＋下限限幅器构 成。上限电平大于下限电平。
▲ T1－T6，及T14、T15组成比较器C1。T15的集电极输 出控制电压vc1。 ▲ T7－T13组成比较器C2。T12的集电极输出控制电压 vc2。 ▲ T16－T21，组成基本RS触发器，T19的集电极即是触发 器的输出 ▲ T22一T26组成推挽式倒相放大输出。 ▲ T28是集电极开路输出的泄放(放电)晶体管，其灌电流 能力达50mA ▲ T27为复位晶体管。当④脚(复位端)加低电平或接地 时， T27导通，③脚输出为低电平。即：电路的复位功 能。
极管导通时的RC时间常 数越小越好，截止时越 大越好。
设：输入信号vI为矩形脉 冲， 电容电压的初始值为零。
底部钳位电路： 将上图电路中的二极管反接，就构成了底部 钳位于零电平的钳位电路（输入电平的底部 小于0电平时，将底部钳位于零电平）。 顶部（或底部）钳位于任意电平： 若需改变钳位电平，可以在 输出支路中接如适当的直流 偏压。
555定时器具有良好的电特性： ▲电源电压范围宽，可在4.5V~18V下工作； ▲驱动电流大，其拉电流与灌电流均大于 50mA； ▲定时时间范围大，可从微秒级到几个小时： ▲温度稳定性好 ▲输出可与TTL、CMOS电平兼容。
t
2 R2 T 2 RC ln( 1 ) R3
t - vc(t)=VC ()+ VC (0+) -VC () e ,=RC VC (0+)=
V th 2 R2 V oL R2 R3 （负值）
VC ()=+VOH t=T2时, vc(t =T2)= V th 1
R2 V oH R2 R3 （正值）
7.2.2 晶体管的开关特性
在大幅度脉冲信号vI作用下，晶体管交替 工作于截止区与饱和区。
反 向 器
vI=-V2时晶体管截止，输出高电平 vI=V1时：iB>IBS=ICS/β，晶体管饱 和， 输出低电平； 饱和深度：N=iB/IBS
波形参数： 延迟时间td: ic从0上升到0.1ICS的时间 上升时间tr: ic从0.1ICS上升到0.9ICS的时间 开通时间ton: ton=td+tr 存储时间ts: ic从ICS下降到0.9ICS的时间 下降时间tf: ic从0.9ICS下降到0.1ICS的时间 关断时间toff: toff=ts+tf
时间tS之后，反向电流减小 经过tf时间，反向电流接近二极管的反向饱 和电流。 ts: 存储时间 tf: 下降时间 trr=ts+tf: 反向恢复时间
trr由电荷存储效应引起，反向 恢复时间就是存储电荷消失所 需的时间。 trr与管子本身性能有关(例如结 面积），还和正向电流及反向 电流的大小有关。 二极管由截止导通：开通时 间。由于正向压降很小，电路 中的正向电流主要由外电路参 数决定，几乎与二极管无关。 所以二极管的开通时间比trr短 得多，可以忽略不计。
由于电容的恒流充电电流为：VZ/R4 在半个周期内电容的电压变化为(2R1/R2)VZ,有周期为：
4 R1 R4 C 1 T R2 f
7.7.2 锯齿波发生器
电路近似前面分析的三角波、方波发生器，只是对电容的 充、放电电流不同。 设：正向(电容左负右正)充电电流为VZ/R4” 反向充电电流为VZ/R4’ R4”> R4’，所以正向充电时间长。
vi
1.双向稳压管接于输出端 RF
t
R限流电阻 一般取100
vi
R1
+

A +
R DZ
v0
VZ +VD
vo
VZ稳压值, VD正向压降
t
DZ双向稳压管
-(VZ +VD)
7.3.2 波形的钳位 功能：将脉冲信号波形位移，固定在一个选定的电位上， 而信号波形形状保持不变。 又称为直流恢复电路。
顶部钳位 电路 参数满足： (1)电阻R>>rD (2) τ1=rDC<<T1(输入脉 宽)； (3) τ2=RC>>T2(休止期)。 为保证失真小，应使二 vI=vc+vo vc不能突变 t1~t2：D导通，C充电； t3~t4：D截止，C放电；
vo
Vth2 vo VOH t T
2 R2 ) T 2 RC ln( 1 R3
0 VOL
f = 1/T
此期间是分析问题时的假设,实际上用 示波器观察波形时看不到这段波形.
周期与频率的计算： V
vc + R － + + R3

vc
OH
Vth1
vo
C R2
0 Vth2 VOL T1 T T2
t
由电压比较器C1、和C2、基本RS触发器、推挽式结构的倒相 放大输出级以及集电极开路输出的泄放晶体管等四部分组成。
基本RS触发器：
R
0 0 1 1
S
0 1 0 1
Q Q
Q Q
1 0
0 1
不允许
555功能表
输入 输出 阈值输入 阈值输入 复位输入 ③脚输出 泻放管 vI2 ② T28 vI1 ⑥ X X L L 导通 <VREF1 >VREF1 <VREF1 <VREF2
反向限幅放大
vo VZ 时，稳压管导通，VN虚地
vo VZ
vo VZ 时，稳压管截止，
运放负反馈线性应用
RF vo vi R1
RF vi VZ R1
即 vi