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数字电子技术脉冲波形的产生与整形

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数字电子技术第十章 脉冲信号的产生与整形

数字电子技术第十章 脉冲信号的产生与整形
一、常用脉冲波形及参数 1. 常见的脉冲波形 脉冲波形是指突变的电流和电压的波形。
常见的脉冲波形图
5
2. 矩形波及其参数 数字电路中用得最多的是矩形波，包括周期性与非周期性两种。
T ：脉冲周期；f： 脉冲频率 Vm ：脉冲幅度；Tw：脉冲宽度 tr：上升时间；tf：下降时间 q：占空比, q=Tw/T, q=50%时称为对称方波
0
t
(b) 波形
（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态
暂稳态期间，VDD对C充电，使uA升高。当uA上升到阈值电压UT时， uo2由1变为0。由于这时G1输入触发信号已经过去，uo1变为1 。uA
随之向正方向跳变，加速了G2的输出向低电平变化。最后使电路
退出暂稳态而进入稳态，此时uo1＝1，uo2＝0。
路会产生如下正反馈过程：
电路会迅速转换为VO=VOH≈VDD的状态(第二稳态)。 此时的VI值称为施密特触发器的正向阈值电压VT+。 VI继续上升，电路的状态不会改变。
正向阈值电压VT+的求解：
第一稳态， VO= VOL≈0V。CMOS反相器输入电流为0。
VA
VI R1 R2
R2
当VA
VTH ,VI
R1 R2 R2
VTH
此时的VI即VT
(1
R1 R2
)VTH
当VI=1，VO= VOH=1 ，第一稳态。 当VI下降，VA也会下降。当VA下降到VTH时，电路又会产生以下 的正反馈过程：
电路会迅速转换为VO=VOL ≈0 ，第二稳态。 此时的VI值称为施密特触发器的负向阈值电压VT－。 VI再下降，电路将保持状态不变。
10.3.1 用集成门电路构成的施密特触发器
1. 电路组成

数字电子技术脉冲波形产生及整形

数字电子技术脉冲波形产生及整形
数字电子技术脉冲波形产生及整 形
！ 8.0 本章概述
★ 基本内容 ★ 基本学习要求 ★ 学习重点
★ 本章基本内容
在前面各章的讨论中，常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿的脉冲信号， 如触发器就需要时钟脉冲（），等等。事实上，现代电子系统都离不开脉冲信号。获取这 些脉冲信号的方法通常有两种：①直接产生； ②利用已有信号变换得到。
: 263
★ 本章学习重点
·脉冲电路分析的关键 ·微分型单稳态触发器、晶体振荡器、
555定时器的基本原理 ·74221、4538、4098、7414、555
等集成电路的应用
！ 8.1 波形变换电路 8.1.1 积分与微分电路 8.1.2 单稳态触发器的工作原理 8.1.3 集成单稳态触发器 8.1.4 单稳态触发器应用举例
与产生模拟信号要用模拟振荡器一样，产生脉冲信号要用脉冲振荡器。 脉冲波形变 换则包括脉冲宽度、幅度、相位及上升和下降时间等等的改变，通过变换，使这些特性符 合要求。
本章振荡器，和一种多用途的定时电路——555定时器。
★ 基本学习要求 ·掌握脉冲电路的基本分析方法 ·掌握常用脉冲电路的工作原理 ·掌握几种集成电路的应用 ·理解双稳态—单稳态—无稳态等几种电路 原理的内在联系
基础知识
8.2.1施密特触发器 特性与原理
基础知识
8.2.1施密特触发器 特性与原理
基础知识
8.2.1施密特触发器 特性与原理
基础知识
8.2.1施密特触发器 特性与原理
基础知识
施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门。
特点：
①电路具有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压，二者的差值 称为回差。输出电平的变化滞后于输入，形成回环。

56知识资料第3章数字电子技术第7节脉冲波形的产生和整形

56知识资料第3章数字电子技术第7节脉冲波形的产生和整形

Word-可编辑第3章数字电子技术3.7脉冲波形的产生和整形➢脉冲信号：指骤然变化的电压或电流。

➢脉冲电路的研究重点：波形分析。

➢获得脉冲波形的主意主要有两种：1．利用脉冲振荡电路产生；2．是通过整形电路对已有的波形举行整形、变换，使之符合系统的要求。

➢以下主要研究几种常用脉冲波形的产生与变换电路：（功能、特点及其主要应用简介）1.施密特触发器：主要用以将非矩形脉冲变换成升高沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲；2.单稳态触发器：主要用以将脉冲宽度不符合要求的脉冲变换成脉冲宽度符合要求的矩形脉冲；3.多谐振荡器：产生矩形脉冲；3.7.1多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。

因为矩形脉冲中含有丰盛的高次谐波，故称为多谐振荡器。

另外多谐振荡器在工作过程中不存在稳定状态，惟独两个暂稳态，通过电容的充电和放电，使两个暂稳态互相交替，故又称为无稳态电路。

由门电路组成的多谐振荡器有多种电路形式，但它们均具有如下共同特点:首先，电路中含有开关器件，如门电路、电压比较器等。

这些器件主要用来产生高、低电平；第二，具有反馈网络,将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态；另外，还有延迟环节，利用RC 电路的充、放电特性可实现延时，以获得所需要的振荡频率。

在许多实用电路中，反馈网络兼有延时作用。

一．RC环形多谐振荡器1.电路组成：千里之行，始于足下图1RC 环形多谐振荡器电路原理图RC 环形多谐振荡器由三个非门G 1、G 2、G 3、两个电阻R 1、R 和一个电容C 组成。

R 1是G 3的限流保护电阻，R 和C 为定时器件，R 的阻值要小于门的关门电阻，R Ω<700,否则电路无法正常工作。

因为R 、C 值较大，门电路的延时可忽略不计。

2.工作原理：设A 点电位一直为低电平，G 1关闭，输出u 01为高电平。

它一方面使G 2开通，u 02为低电平；另一方面通过电容C 的耦合使B 点和D 点的电位u B 和u D 均为高电平，导致G 3开通，输出u 0为低电平。

数电脉冲波形的产生和整形

数电脉冲波形的产生和整形

少控制许电阻压容元件就V能CC(8)够组成R单D(4)稳、多谐和施密特触发器。
广泛用于信号产生5 k、 变换、控制与检测。
阀值输入
vIC (5)
+
R
&
vI1 (6)
- C1
输出缓冲反相器
电阻分压器
v I1
vI 1
vo
vO
vO1
作以下假定： VT VDD 2
R1< R2
I为三角波
I1
R2 R1 R2
I
R1 R1 R2
O
数电脉冲波形的产生和整形
第28页
R2
0
G1
G2
01
R1 vI
1
1
vO
vI1
vO1
I1
R2 R1 R2
I
R1 R1 R2
O
当vI1=0，vO=0V 当vI上升， vI1也上升
vI
vD
vI Rd
vo2 vO2
1
1
vR vc R
VCC
在暂稳态结束(t= t2)瞬间，门G2 输入电压R到达VDD+VTH，可 能损坏G2门，怎么办？
输入触发脉冲宽度能够是 任意吗？如触发脉冲宽度 太宽会有什么问题？
数电脉冲波形的产生和整形
第17页
集成单稳态触发器
不可重复触发
vI
不可重复触发
vI ` tpi
vO1
t
vDD
tw
RC ln VDD VDD Vth
tw≈0.7RC
vDD+vvvDRDth
vO2
vth
t t
(2) 恢复时间tre tre 3d
tw

数字电子技术脉冲波形的产生与整形

数字电子技术脉冲波形的产生与整形

tf
Vm tW T
2.脉冲宽度tW
0.5Vm～0.5Vm
3.上升时间tr
0.1Vm～0.9Vm
4.下降时间tf
0.9Vm～0.1Vm
5.周期T
周期性脉冲信号，两脉冲间的时间间隔
6.频率f
周期的倒数或每秒钟重复的次数。
7.占空比q
脉冲宽度与周期之比
3
6.5 555定时器的电路结构与功能
6. 5.1 555 定时器的电路结构与功能
6
5K
vC1 =1，vC2 =1， Q =1不变， vO=1不变
vI> 2/3VCC时， vC1 =0，vC2 =1，
vI2
2 VR2
－+C2 5K
&
vC2 Q
G2
& G3
TD
7
Q=0， vO =0，所以VT+=2/3VCC 1
1
3 vO
G4
10
(2)vI从高于 2/3VCC下降的情况
vI>2/3VCC时，
vC1=vC2=0，工作不正常。
vO
t
措施：在输入端加微分网络Rd、 Cd（足够小），将宽脉冲变为
vC
tw
窄脉冲。
+UCC
R 0.01µF
Cd vd vI
Rd
.
uC C
58 4
6
2
3
71
vI
uO
vd
2 3VCC
t
t t
24
该电路为不可重复触发的单稳态电路，除此之外还 有可重复触发的单稳态电路。
在暂稳态尚未结束时，又 来一个触发脉冲，此脉冲 不会引发新的暂稳态。

数字电子技术06-脉冲波形的产生与整型

数字电子技术06-脉冲波形的产生与整型
可重复触发
触发 触发
25
6.3 单稳态触发器 应用电路：
作业：6- 9* 、6- 11 、6-6(画vA、vO、求tW) 并设：VTH＝VDD/2、VT+=0.6VDD VT-=0.4VDD
26
6.4 多谐振荡器—第23讲
6.4 多谐振荡 器
第23讲
多谐振荡器：能产生矩形脉冲波的自激振荡器。
一、对称式多谐振荡器
C充放电：
之后: vO2 = H , vI1 =↑, vO1 = L, vI 2 = L
33
6.4 多谐振荡器
¾波形参数计算
设：RF>>RON，VOH=VDD， VOL=0V， VTH=VDD/2
Vm = VOH − VOL = VDD
T1
= =
RF C RF C
ln ln
0 3
−
(VTH + VDD 0 − VTH
②脉冲宽度
tW
= (R+
很小
U(∞) − U(0) RO )Cln U (∞) − U (t )
= (R + RO )Cln
充电等效电路
VOL VOL
− VOH − VTH
vA vO
R'C tW
VTH
③恢复时间 tre ≈ 3 ~ 5(R + RO′ )C
21
6.3 单稳态触发器 ④分辨时间
由于该电路中，触发脉冲宽度tTR要大于tW，所以
特点：一个稳态和一个暂态。 触发后，状态从稳态→暂态→(经一定时间)稳态。 6.3 单稳态暂触发器态维持时间由电路参数决定，与触发脉冲无关。
第22讲
一、门电路构成的单稳态触发器
1. 微分型 ¾电路结构 (CMOS门，正脉冲触发)

数电第十篇-脉冲波形的产生与整形

02
03
锯齿波的线性整形
通过调整锯齿波的斜率， 使其线性化，从而改善脉 冲的形状。
锯齿波的幅度整形
通过改变锯齿波的幅度， 可以调整脉冲的宽度和高 度，实现脉冲的整形。
锯齿波的对称整形
通过调整锯齿波的上升沿 和下降沿，使其对称，从 而改善脉冲的形状。
三角波的整形
01
三角波的对称整形
时间测量
01
利用脉冲波形产生与整形技术，测量系统可以精确测量时间间
隔、速度和加速度等参数。
频率和周期测量
02
通过脉冲波形产生与整形技术，测量系统能够实现高精度的频
率和周期测量。
距离和位移测量
03
利用脉冲波形产生与整形技术，测量系统能够实现非接触式距
离和位移测量。
在控制系统中的应用
伺服电机控制
脉冲波形产生与整形技术 用于控制伺服电机的运动， 实现精确的位置和速度控 制。
三角波的产生
一种常见的脉冲波形，其形状类似于三角形，具有对 称性。
输入 标题
差分电路
利用差分电路可以产生三角波。差分电路将输入的矩 形脉冲进行差分运算，形成三角波。
三角波
波形发生器
通过模拟电路（如运算放大器等）也可以产生三角波。 模拟电路将输入信号进行线性放大或缩小，形成三角
波波形。
模拟电路
波形发生器（如函数发生器）也可以产生三角波。波 形发生器内部通常包含差分电路，将输入信号进行差 分运算，形成三角波波形。
02
脉冲波形的整形
矩形脉冲的整形
矩形脉冲的对称整形
通过调整矩形脉冲的上升沿和下降沿， 使其对称，从而改善脉冲的形状。
矩形脉冲的幅度整形
矩形脉冲的延迟整形
通过引入适当的延迟，可以调整矩形 脉冲的起始时间和持续时间，实现脉 冲的整形。

数电：脉冲波形的产生与整形


ui uo tp
t
t
描述矩形脉冲特性的主要参数
1、脉冲幅度 Vm 3、上升时间 tr 5、周期 T
2、脉冲宽度 tw 4、下降时间 tf 6、占空比 q
4、如何产生脉冲以及对其进行整形？ 利用多谐振荡器产生脉冲。 利用单稳态触发器和施密特触发器对脉冲进 行整形。 如何利用555定时器产生脉冲以及对不理 想的脉冲整形，是本章讨论的重点。
+VCC 8 6 555 4 7 3 5 1
+VCC1
R
v o1 vo v CO
控制电压 调节回差
vi
2
说明： ①在5脚上加控制电压VCO可以改变VT+,VT- ， 以调节回差电压的大小 ②在7脚外接一电阻，并与VCC1 相连， vO=1时，vO1= VCC1; vO=0时，vO1=0， 可以实现电平移动。
VR1 =
2 Vcc 3
VR2 =
1 Vcc 3
当电压控制端5 CO接外置电源Ecc： VR1 = Ecc VR2 = Ecc/2
+Vcc
8 R
RD 0
4
C1
CO TH TR
5 6 2
+ R + R
＆
Q1 03
＆
C2
Q0
1
vo
D
7 1
T
Rb
(1) RD ＝0 时： Q ＝1， Vo＝ 0 , T 导通
vC ( t ) = vC () ＋ ［vC (0 + ) - vC ()］e τ
或
t
vC () - vC (0 + ) t =τ ln vC () - vC ( t )
τ＝RC
第七章 脉冲波形的产生与整形

第7章 脉冲波形的产生和与整形电路

12
vIC=VCO vI2=1/2VCO
7.3 单稳态触发器
单稳态触发器的特点：
1) 电路有一个稳态和一个暂稳态; 2) 在外加触发信号的作用下，电路由稳态变为暂稳态； 3) 经过一段时间，电路将自动由暂稳态返回到稳态； 4)暂态的持续时间只取决于电路参数，而与所加触发信号 的宽度无关。
注意:
与基本RS触发器区别！ ——后者为双稳态电路
7.1 概述
(1)双稳态触发电路具有两个稳定状态，其状态的转
换需要在外加触发脉冲的作用下才能进行
脉 冲
(2)单稳态触发电路只有一种稳定状态 ， 另一种状态
产 称为暂稳态 ， 不能长久保持 。 当外加触发信号触发时 ，
生 电
电路便从稳定状态转换到暂稳态 ， 经过一定的时间之后 ，
路 电路又会由暂 稳态重新回到稳态。
7.2 555定时器
7.2.2 555定时器工作原理 设RD =1,5脚悬空
2/3VCC 1/3VCC
RD =0时，TD导通，vO=0
由于三个电阻的分压关系， (1) vI1>2/3VCC，vI2>1/3VCC R=0,S=1→Q=0→ vO=0，TD导通 (2)vI1<2/3VCC，vI2>1/3VCC R=1,S=1→Q保持→vO保持，TD保持
vC VTH
VCC
vO tW
tW对应vC从0V充电到2/3VCC所需的时间
tW
R1C
ln
vC () vC (0 ) vC () vC (tW )
R1C
ln
VCC 0 VCC 2 / 3VCC
R1C ln 3 1.1R1C
7.3 单稳态触发器
4. 恢复时间tre 暂稳态结束后， 还需要一段恢复时间，使电容 C在暂

《数字电子技术基础》第十章 脉冲波形的产生和整形


(
EC 2
)
ln 3
T tW tW 2 ln 3
10.4.5石英晶体多谐振荡器
quartz crystal multistable oscillator
1、 石英晶体的电抗频率特性 2、石英晶体多谐振荡器原理图
晶体接入正反馈环路中，频率为fo的信号容易通过， 其余被衰减， 故：振荡频率为fo
ln 2
图10.3.9 集成单稳态触发器74121的逻辑图
3、 功能表说明： 边沿触发，稳态为0 用A端下降沿触发时，B端置1 用B端上升沿触发时，A端至少有一个为0
4、 触发器的外部连接方法及工作波形： P473图10.3.9、10.3.10
*二、MOS集成单稳触发器 电路：p475，图10.3.13，三态门，积分电路，控制 电路，输出缓冲电路 基本原理：三态门的通、断控制电容充放电， 电容的端电压通过控制电路对三态门控制
Vi VT
VVii
(0) VT () 0
Vi (tW ) VT
tW
ln
0 VT 0 VT
ln
VT VT
3、 占空比可调多谐 P487图10.4.17 补充:运放构成多谐振荡器 1、 电路
2、 工作原理 （1） 设t=0： Vo=VOL（0-）→VOH（0+）
V
0
V0 L 2
VV（ （ 0+））==VVOH20L EC
不加外触发信号，自动产生矩形脉冲波。
10.4.1对称式多谐振荡器（双RC）
1、 电路：P477 图10.4.1
2、 工作原理
Vi1↑→Vo1↓→Vi2↓→Vo2↑→Vi1↑ 很快使Vo1为低电平，Vo2为高电平， 进入了第一暂稳态 C1充电，使Vi2上升 C2放电，使Vi1下降
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<1/3Vcc
1
不允许
出
TD 通 通 不变 截止 截止
6.5.2 用555构成施密特触发器
施密特触发器
功能特点：
1.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，及输入信号从高电平下降过程中对应的
输入转换电平不同。
2.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。 vO
555定时器是由于其型号的最后三位是555而命名的。世界上 各个厂家都有各自的555产品。尽管其型号各不相同，但其最后 几位都是555。
电路结构： ★
由分压器，C1、C2比较器,
基本 RS触发器， VCO
集电极开路的放电 vI1
三极管TD四部分构成。(TH)
vI2
主要原理：
(TR)
定时器的主要功能
Q=0不变， vO=0不变
vI2
vI<1/3VCC时， vC1 =1，vC2 =0， Q=1， vO =1，所以VT-=1/3VCC
VCC RD
84
5K
G1
VR1 5
－+C1vC1 & Q
6
5K
2 VR2
－+C2 5K
&
vC2 Q
G2
& G3
TD
7 1
1
3 vO
G4
电压传输特性：
vO
VT- VT+ vI
➢vI1>VR1，vI2<VR2时，
vC1=0，vC2=0，不定，
不允许
Q=Q=1，vO=1，TD截止
1
3 vO
G4
所以，CB555的功能如下表（VCO悬空时）
输入
输
RD
vI1
0
×
vI2
vO
×
0
1
>2/3Vcc
>1/3Vcc
0
1
<2/3Vcc
>1/3Vcc 不变
1
<2/3Vcc
<1/3Vcc
1
1
>2/3Vcc
6
5K
2 VR2
－+C2 5K
&
vC2 Q
G2
& G3
TD
7 1
1
3 vO
G4
置1端vC2，置0端vC1，低电平触发，RD为清零端。
➢TD放电管： 工作状态由vO决定，工作时需外接电阻和电源。
由图可知：
➢vI1>VR1，vI2>VR2时，
VCC
RD
84
vC1=0，vC2=1，置0有效，
5K
G1
Q=0，vO=0, TD导通 ➢vI1<VR1，vI2>VR2时，
C1、C2参考电压由 电阻分压器和外接
控制电压VCO决定。
VCO
若VCO悬空
vI1
则： VR1=2/3Vcc (TH)
VR2=1/3Vcc
vI2
若外加电压VCO
(TR)
则：VR1=VCO VR2=1/2VCO
v'O
(DISC)
➢基本RS触发器：
VCC
RD
84
5K
G1
VR1 5
－+C1 vC1 & Q
ui
回差电压： △VT =VT+ -VT- =1/3Vcc
RD
84
D 7
TH 6
555 3
+UCC
uo
2 TR
15 VCO
0.01µF
如果参考电压由UCO提供， 则VT+= UCO ， VT－=1/2 UCO
△VT =VT+ -VT- =1/2 UCO
改变5脚的电压值，可改变回差电压， 提高抗干扰能力。
集成施密特触发器 集成施密特触发器7413
B D
A C
&
Y 等效电路
B D
A C
&1
Y
带及非功能的施密特触发器
VT 1.7V VT 0.8V
VT0.9V 不可调
集成施密特触发器CC40106
vI 1
vO
V V 1 T 2 DD
VT 12VDD
调节VDD可调
VT
施密特触发器的应用
vI
一、用于波形变换
取决于比较器和基 v'O
本RS触发器。 (DISC)
VCC
RD
8
4
5K
G1
VR1 5
－+C1 vC1 & Q
6
5K
2 VR2
－+C2 5K
&
vC2 Q
G2
& G3
TD R1
7
1
1
3 vO
G4
➢比较器：C1输入信号 vI1（也称阈值端，用 TH 标识） C2输入信号 vI2（也称触发端，用 TR 标识）
反相输出
如图示： vI
1
vO
施密特触发器
VT- VT+ vI
若vI为低电平，则vO为高电平；若vI为高电平，则vO为低电平。
vI从低电平上升到VT+时，vO由高变低； vI从高电平下降到VT-时，vO由低变高.
VT+ >VT-
6.5.2 用555构成施密特触发器
方法：将vI1和vI2连在一起做输入端，构成反相施密特触发器。
6.频率f
周期的倒数或每秒钟重复的次数。
7.占空比q
脉冲宽度及周期之比
6.5 555定时器的电路结构及功能
6. 5.1 555 定时器的电路结构及功能
555定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的多功 能中规模集成电路。利用它能极方便地构成施密特触发器，单稳 态触发器，多谐振荡器等多种电路。在脉冲波形的产生、整形、 波形变换、定时等方面应用极广。
VCO
vI1
(TH)
VR1 5 6
－+C1vC1 & Q
vC1 =1，vC2 =1，保持， Q保持，vO保持，TD保持
➢vI1<VR1，vI2<VR2时，
5K
vI2
(TR)
2 VR2
－+C2 5K
&
vC2 Q
G2
& G3
vC1=1，vC2=0，置1有效， v'O
TD
Q=1，vO=1，TD截止
(DISC) 7 1
vI2
2 VR2
－+C2 5K
&
vC2 Q
G2
& G3
TD
7
Q=0， vO =0，所以VT+=2/3VCC 1
1
3 vO
G4
(2)vI从高于 2/3VCC下降的情况
vI>2/3VCC时，
vC1=0，vC2 =1，
Q=0，vO=0
vI
1/3VCC<vI<2/3Vcc时，
vI1
vC1 =1，vC2 =1，
VT+
将正弦波、三角波等转换成矩形波
VT-
vO
t
vI 1
vO
t
二、用于脉冲整形 vI
将不理想的矩形波转换成理想矩形波
VT+
脉冲造成的不理想脉冲
vI 1
vO
t
vI
vI
VT+
VT+
VT-
VT-
vO
t
vO
t
t
t
三、用于脉冲鉴幅
(1)vI从0上升的情况
VCC RD
vI<1/3VCC时， vC1=1，vC2 =0， Q=1，vO=1
1/3VCC<vI<2/3Vcc时，
vI
vI1
84
5K
G1
VR1 5
－+C1vC1 & Q
6
5K
vC1 =1，vC2 =1， Q =1不变， vO=1不变
vI> 2/3VCC时， vC1 =0，vC2 =1，
数字电子技术脉冲波形的产生与 整形
6.1 概述
描述矩形脉冲的几个参数
理想波形： 实际波形：
1.脉冲幅度Vm
tr 0.9Vm 0.5Vm 0.1Vm
tf
Vm tW T
2.脉冲宽度tW
0.5Vm～0.5Vm
3.上升时间tr
0.1Vm～0.9Vm
4.下降时间tf
0.9Vm～0.1Vm
5.周期T
周期性脉冲信号，两脉冲间的时间间隔