第一节几种常用的脉冲波形的产生和整形电路

第一节 几种常用的脉冲波形的产生和整形电路 • 概述 • 施密特触发器 • 单稳态触发器 • 多谐振荡器总目录推出下页

一、概述 • 获取矩形脉冲波形的途径有两种： • 利用多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲。 • 通过整形电路把已有的周期性变化波形， • 变换为符合要求的矩形脉冲。但以能够找到频率和幅度都符合要求的一种已有电压信号为前提。在同步时序电路中，时钟脉冲控制和协调着整个系统的工作，因此时钟脉冲的特性直接关系到系统能否正常工作。上页下页返回

矩形脉冲的特性： 为了定量描述矩形脉冲的特性通常给出几个主要参数。下降时间脉冲幅度上升时间占空比 q = tW / T 脉冲宽度脉冲周期上页下页返回

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。脉冲幅度Vm — 脉冲电压的最大变化幅度。脉冲宽度tw — 从脉冲前沿到达0.5 Vm起，到脉冲后沿到达0.5 Vm为止的一段时间。上升时间tr — 脉冲上升沿从0.1 Vm上升到0.9 Vm所需要的时间。下降时间tf — 脉冲上升沿从0.9 Vm下降到0.1 Vm所需要的时间。占空比q — 脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q = tw /T 。在脉冲整形或产生电路用于具体的数字系统时，有时还可能有一些特殊的要求，如脉冲周期和幅度的稳定性等，这时还需要增加一些相应的性能参数来说明。上页下页返回

二、施密特触发器 施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。 • 它在性能上有两个重要的特点： • 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。 • 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消除。上页下页返回

1. 用门电路组成的施密特触发器 VT+ 0 VTH 用CMOS反相器构成的施密特触发器 G1、G2 的 VTH ≈ 1/2VDD R1<R2 当vI= 0 时 vO= vOL≈ 0, 当vI从0逐渐升高并达到v'I= VTH时， G1进入转折区。电路状态迅速转换为vO= vOH≈ VDD 。上页下页返回

0 VT+ VTH 得正向阈值电压：上页下页返回

VT- VDD VTH 当vI从高电平逐渐下降并达到v'I= VTH时， v'I的下降引发又一个正反馈过程。电路的状态迅速转换为vO= vOL≈ 0。上页下页返回

VT- VDD VTH 得负向阈值电压：已得知正向阈值电压：上页下页返回

(a)同相输出 (b)反相输出电压传输特性通过改变R1和R2的比值可以调节VT+、VT-和回差电压的大小。但R1必须小于R2，否则电路将进入自锁状态，不能正常工作。上页下页返回

仿真 2. 集成施密特触发器带与非功能的TTL集成施密特触发器上页下页返回

3. 施密特触发器的应用 • 用于波形变换 • 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用， • 可把边沿变化缓慢的周期性信号变成边沿很陡的矩形脉冲信号。 • 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， • 可通过施密特触发器整形获得比较理想的矩形脉冲波形。 • 用于脉冲鉴幅 • 施密特触发器能将幅度大于VT+的脉冲选出，具有脉冲鉴幅能力。 • 4. 构成多谐振荡器上页下页返回

三、单稳态触发器 • 单稳态触发器的特点： • 有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。 • 在触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态， • 暂稳态维持一段时间后，自动返回到稳态， • 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。 • （触发脉冲应满足电路要求）。上页下页返回

单稳态触发器在数字电路中的作用： • 定时（产生一定宽度的矩形波）。 • 整形（把不规则的波形变为规则的脉冲波形）。 • 延时（将输入信号延迟一定时间后输出）。上页下页返回

VDD R Cd G1 vd G2 vO1 vO vI vI2 C Rd CMOS或非门微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 1. 电路结构 RC微分电路 -- 上页下页返回

VDD R Cd G1 vd G2 vO1 vO vI vI2 C Rd 微分型单稳态触发器 2. 工作原理当触发脉冲vI加到输入端时，在微分电路输出端得到很窄的正负脉冲vd，当vd上升到VTH以后，将引发如下的正反馈过程 vd vO vO1 vI2 使vO1迅速跳变为低电平。上页下页返回

VDD R Cd G1 vd G2 vO1 vO vI vI2 C Rd 微分型单稳态触发器 2. 工作原理 vI2同时跳变至低电平，并使vO跳变为高电平，电路进入暂稳态。这时即使vd回到低电平， vO的高电平仍将维持。同时，电容C开始充电。 vI2逐渐升高，当升至vI2 = VTH时，又引发另外一个正反馈过程 vO1 vI2 vO 上页下页返回

VDD R Cd G1 vd G2 vO1 vO vI vI2 C Rd 微分型单稳态触发器 2. 工作原理如果这时触发脉冲已消失（ vd已回到低电平），则vO1、vI2迅速跳变为高电平，并使输出返回vO=0的状态。同时，电容C通过电阻R和门G2的输入保护电路向VDD放电，直至电容上的电压为0，电路恢复到稳定状态。上页下页返回

vI O t vd O t vO1 O t vI2 VTH O t vO tW tW O t 输出脉冲的幅度恢复时间分辨时间td是指在保证电路能正常工作的前提下，允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔。上页下页返回

+VDD + C R A vO vI vO1 CMOS积分型单稳态触发器 CMOS或非门 CMOS积分型单稳态触发器积分型延时环节 1. 电路结构上页下页返回

+VDD + C R A vO vI vO1 稳定状态 CMOS积分型单稳态触发器 2. 工作原理 “1” “0” vI≈UDD（为“1”）， vO1≈ 0V（为“0”）， vA为“0”，输出vO为“0”。上页下页返回

vI +VDD + C R T A O vI vO vO1 t vO1 O t vA UTH O t vO tp O t VDD vO1 = 1 暂稳态 vI = 0 vO = 1 C放电暂稳态 vO = 0 恢复 C充电 vO1 = 0 vI = 1 稳态要求 T > tp 上页下页返回

vI VDD +VDD O t vO1 + C R O vO A t vI vO1 vA UTH O t vO O t 要求 T > tp 的原因若不满足 T > tp ，则： vO随着vI的变化而变化。上页下页返回

vA UTH O t vO tp O t 暂稳态状态持续时间上页下页返回

9 14 10 11 3 6 4 5 1 7 集成单稳态触发器集成单稳态触发器74121的功能表上页下页返回

10 14 11 9 10 14 11 9 3 3 6 6 4 4 5 5 1 1 1 7 7 使用内部电阻Rint (上升沿触发）使用外接电阻Rext (下降沿触发）集成单稳态触发器74121的外部连接方法上页下页返回

四、多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡器，接通电源以后，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲，由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。上页下页返回

C2 G2 vI2 vO1 G1 vI1 vO C1 RF2 RF1 对称式多谐振荡器假定由于某种原因使vI1有微小的正跳变，则必然会引起如下的正反馈过程 vO2 vI1 vO1 vI2 使vO1迅速跳变为低电平、 vO2迅速跳变为高电平，电路进入第一个暂稳态。同时电容 C1开始充电而 C2开始放电。上页下页返回

C2 G2 vI2 vO1 G1 vI1 vO C1 RF2 RF1 C1充电速度较快，vI2首先上升到G2的阈值电压VTH，并引起如下的正反馈过程 vO1 vI2 vO2 vI1 使vO2迅速跳变至低电平、 vO1迅速跳变为高电平，电路进入第二个暂稳态。同时电容 C2开始充电而 C1开始放电。上页下页返回

vI1 VTH O t VIK vO1 在 RF1 = RF2 = RF、 C1 = C2 = C的条件下， O t vI2 VTH O t VIK vO2 O t 上页下页返回

vI1 vO2 vO vI3 vI2 vO vI1 RS R G1 G2 G3 vI2 O t C vO1 O t vO2 vIH2 vOL2 VCC O t vI3 C R1 R vI3 R O C t vOL2 vIH2 vI3 RS RC 环形多谐振荡器假设vI1 = 0 则vI2 = 1 vO2 = 0 vI3跃变为 1 vO = 0 上页下页返回

vI1 vO2 vO vI3 vI2 vO vI1 RS R G1 G2 G3 vI2 O t C vO1 O t vO2 vIH2 O t vI3 C vI3 R O t vOL2 假设vI1 = 0 则vI2 = 1 vO2 = 0 vI3跃变为 1 vO = 0 电容 C 放电 vI3电位下降上页下页返回

vI1 vO2 vO vI3 vI2 vO vI1 RS R G1 G2 G3 vI2 O t C vO1 O t vO2 vOH2 VCC R1 R O t vI3 vI3 UT RS C O t vIL2 vI3下降至 vT vO = 1 vI2 = 0 vO2 = 1 vI3跃变为 0 电容 C 充电 vI3电位上升上页下页返回

课堂练习 上页返回

第一节 几种常用的脉冲波形的 产生和整形电路