第十章脈沖波形的產(chǎn)生和整形2023/7/28內(nèi)容提要

本章主要介紹矩形波的產(chǎn)生和整形電路。在矩形波產(chǎn)生電路中介紹幾種常用的多諧振蕩器－對稱式和非對稱多諧振蕩器、環(huán)形振蕩器以及用施密特觸發(fā)器和555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器等。在整形電路中，介紹了施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。本章也討論了最常用的555定時器及其所構(gòu)成的施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器的電路及工作原理。本章內(nèi)容10.1概述10.2施密特觸發(fā)器10.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器10.4多諧振蕩器10.5555定時器及其應(yīng)用10.1概述2023/7/28一、產(chǎn)生矩形脈沖的途徑1.利用各種形式的多諧振蕩器電路；2.通過各種整形電路把已有的周期性變化波形變換成符合要求的矩形脈沖。二、矩形脈沖特性的描述

通常的矩形脈沖波形如圖10.1.1所示。圖10.1.1圖10.1.1其中：10.1概述脈沖周期T：周期行重復(fù)的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖之間的時間間隔。有時也用頻率f＝1/T表示單位時間內(nèi)脈沖重復(fù)的次數(shù)脈沖幅度Vm：脈沖電壓的最大變化幅度。?上升時間tr：脈沖上升沿從0.1Vm上升到0.9Vm所需要的時間2023/7/28圖10.1.1?脈沖寬度tW：從脈沖前沿到達(dá)0.5Vm起，到脈沖后沿到達(dá)0.5Vm為止的一段時間。?下降時間tf：脈沖下降沿從0.9Vm

下降到0.1Vm所需要的時間10.1概述占空比q：脈沖寬度與脈沖周期的比值，即q＝tw/T圖10.1.110.1概述注：在脈沖整型或產(chǎn)生電路用于數(shù)字系統(tǒng)時，有時對脈沖有些特殊要求，如脈沖周期和幅度的穩(wěn)定性等，這時需要另增加一些參數(shù)來描述脈沖。10.2施密特觸發(fā)器（SchmittTrigger）2023/7/28第一輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同；第二在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。注：利用這兩個特點(diǎn)不僅能將邊沿變化緩慢地信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形波脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。

施密特觸發(fā)器時脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，它具有下面兩個性能特點(diǎn)：10.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器

將兩極反相器串接起來，通過分壓電阻把輸出端的電壓反饋到輸入端就夠成施密特觸發(fā)器電路，其電路及其圖形符號如圖10.2.1所示。圖10.2.1設(shè)反相器G1和G2均為CMOS門，其閾值電壓為VTH＝VDD/2，輸出高低電平分別為VOH＝VDD，VOL＝0，且R1<R21.其工作原理2023/7/2810.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器①當(dāng)vI＝0時，vo1＝VOH

，vo＝VOL≈0，此時G1門的輸入電壓為反相器電壓傳輸特性10.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器②當(dāng)vI從0逐漸升高到使得vA＝VTH時，反相器進(jìn)入電壓傳輸特性的放大區(qū)（轉(zhuǎn)折區(qū)），故vA的增加，會引起下面的正反饋，即使電路迅速跳變到vo＝VOH≈VDD由疊加原理得10.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器

設(shè)施密特觸發(fā)器在輸入信號vI正向增加時的門檻電壓（閾值電壓）為VT＋，稱為正向閾值電壓，此時vo＝0，G1門的輸入電壓為當(dāng)vA>VTH時，電路狀態(tài)維持在vo＝VOH＝VDD不變2023/7/2810.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器③當(dāng)vI從高電平VDD逐漸下降到vA＝VTH時，由于也存在正反饋，即使電路迅速跳變到vo＝VOL≈0此時施密特觸發(fā)器在vI下降時對應(yīng)輸出電壓由高電平轉(zhuǎn)為低電平時的輸入電壓為VT－，稱為負(fù)向閾值電壓，此時vo＝VDD，G1門的輸入電壓為2023/7/2810.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器由于VTH＝VDD/2，故只要vI<VT-，vo≈0將VT＋和VT－之間的差值定義為回差電壓，用△VT表示，即10.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性為圖10.2.2所示圖10.2.2施密特觸發(fā)器的兩個輸出電壓傳輸特性為圖10.2.3所示2023/7/2810.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器2023/7/2810.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器圖10.2.2(a)是以vo做為輸出的，vo和vI同相位；而圖10.2.2(b)是以vo做為輸出的，vo和vI反相位。另通過調(diào)節(jié)R1和R2的比值，可調(diào)節(jié)VT＋、VT－和回差電壓△VT的大小。利用施密特觸發(fā)器可以將邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖2.施密特觸發(fā)器的主要特點(diǎn)：10.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器

輸入信號在上升和下降過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換的輸入電平不同,電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時有正反饋過程，使輸出波形邊沿變陡3.施密特觸發(fā)器的應(yīng)用(1)用于波形變換

利用施密特觸發(fā)器將一系列幅度不同的脈沖信號，其中幅度大于正向閾值電壓的幅度鑒別出來。二、用于鑒幅10.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器三、用于脈沖整形10.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器

在數(shù)字系統(tǒng)中，經(jīng)常出現(xiàn)干擾信號，使得信號波形變差，這樣可通過施密特觸發(fā)器整型獲得比較理想的波形。10.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2023/7/28特點(diǎn)：第一它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(tài)；第二在外界觸發(fā)脈沖的作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間以后，再自動返回穩(wěn)態(tài)；第三暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。應(yīng)用：脈沖整形、延時、定時等10.3.1用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)通常是靠RC電路的充放電過程來維持的，根據(jù)RC的電路不同接法，把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分成微分型和積分型。一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖10.3.1是由CMOS門電路G1、G2和Rd、Cd微分電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。圖10.3.1設(shè)VOH≈VDD，VOL≈0，且CMOS門的轉(zhuǎn)折電壓為VTH≈VDD/2，RC微分電路a.無觸發(fā)信號時，電路處于穩(wěn)態(tài)，vo=02023/7/2810.3.1用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖10.3.1

在穩(wěn)態(tài)下vI=0，vI2=VDD，故vo=0，vo1=VDD，電容C兩端無電壓，vc=0b.外加觸發(fā)信號時，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)

當(dāng)輸入信號vI加觸發(fā)脈沖時，在Rd、Cd組成的微分電路輸出端得到很窄的正負(fù)脈沖vd，如圖10.3.2波形所示。圖10.3.2當(dāng)vI上升，vd也隨之上升，當(dāng)上升到VTH后，此時存在下列正反饋：2023/7/2810.3.1用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖10.3.2則vo1迅速跳變?yōu)榈碗娖剑捎陔娙蓦妷翰荒苘S變，故vI2同時為低電平，使得輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，此時電路進(jìn)入暫態(tài)，電容C隨后開始充電暫態(tài)c.電容C充電，電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返回至穩(wěn)態(tài)10.3.1用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖10.3.2電源VDD通過R和G1門的輸出電路給電容C充電C充電電路隨著vI2的增加，當(dāng)增加到vI2＝VTH，產(chǎn)生另一正反饋，即2023/7/2810.3.1用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖10.3.2此時vo1和vI2迅速跳變?yōu)楦唠娖剑娐否R上翻為穩(wěn)態(tài)，即vo＝010.3.1用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器此時電容C通過R和G2門的輸入保護(hù)電路很快放電，直到電容電壓為0，電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。圖10.3.2C放電電路C放電10.3.1用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖寬度為注：微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以用窄脈沖觸發(fā)，但輸出脈沖的下降沿較差。圖10.3.2RC積分電路二、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2023/7/28

圖10.3.5為由TTL與非門、反相器及RC積分電路構(gòu)成的積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。用于正脈沖觸發(fā)。a.無觸發(fā)信號時，電路處于穩(wěn)態(tài)10.3.1用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖10.3.5當(dāng)vI＝0時，輸出電壓vo＝VOH為高電平,vo1＝VOH，vo1通過R很快給電容C充電到vA＝VOH（R值比較小）b.當(dāng)有正脈沖輸入后，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)vI由低電平轉(zhuǎn)為高電平時，vo1＝VOL。由于電容不能突變，vA仍保持高電平，使得輸出vo＝VOL為低電平，電路進(jìn)入暫態(tài)過程，此時電容C放電C放電回路圖10.3.6其輸出波形如圖10.3.6所示10.3.1用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)暫態(tài)電容放電c.電容放電，電路回到穩(wěn)態(tài)

隨著電容C的放電，vA下降到G2門的開啟電壓VTH時，輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，回到穩(wěn)定狀態(tài)（“1”）。當(dāng)vI回到低電平后，vo1重新為低電平，并向電容C充電。輸出的脈沖寬度為2023/7/2810.3.1用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖10.3.6C放電回路

微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形比較理想，前后沿比較陡，因?yàn)橛姓答伌嬖冢垢蓴_能力差；積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器抗干擾能力強(qiáng)，但輸出波形邊沿比較差，而且要求輸入觸發(fā)脈沖的寬度要大于輸出脈沖寬度。2023/7/2810.3.1用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的比較：10.4多諧振蕩器

多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號，便能自動產(chǎn)生矩形波形。由于矩形波中含有高次諧波故把矩形波振蕩器叫做多諧振蕩器。10.4.1對稱式多諧振蕩器圖10.4.1為對稱式多諧振蕩器的典型電路。1.構(gòu)成：

它是由兩個反相器G1、G2經(jīng)耦合電容C1、C2連接起來的正反饋電路。圖10.4.1電路中各處的電壓波形如圖10.4.5所示。若取RF1=RF2＝RF，C1＝C2=C，則振蕩周期為10.4.1對稱式多諧振蕩器圖10.4.5T≈1.3RFC10.4.2非對稱式多諧振蕩器

將對稱式多諧振蕩器的C1和RF2去掉，兩個反相器仍工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)上，輸出仍然沒有穩(wěn)定狀態(tài)。這就是非對稱式多諧振蕩器，其電路如圖10.4.6所示，反相器為CMOS門。1.自激振蕩的條件：

若反相器為CMOS反相器，則為了使電路靜態(tài)不穩(wěn)定，工作點(diǎn)仍在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，且工作點(diǎn)恰好在轉(zhuǎn)折區(qū)的中點(diǎn)，對RF的選擇沒有嚴(yán)格限制。圖10.4.6

vo2其各處波形如圖10.4.9所示其振蕩周期為其振蕩頻率為10.4.2非對稱式多諧振蕩器圖10.4.910.4.3環(huán)形振蕩器

利用閉合回路中的正反饋?zhàn)饔每梢援a(chǎn)生自激振蕩，而利用閉合回路中的延遲負(fù)反饋?zhàn)饔靡部梢援a(chǎn)生自激振蕩，但需要負(fù)反饋信號足夠強(qiáng)。

環(huán)形振蕩器就是利用延遲負(fù)反饋產(chǎn)生振蕩的。它是利用門電路的傳輸延遲時間將奇數(shù)個反相器首尾相接而構(gòu)成的。1.最簡單的環(huán)形振蕩器電路如圖10.4.10所示。圖10.4.1010.4.3環(huán)形振蕩器vI1由于某種原因產(chǎn)生一微小正跳變，則經(jīng)過G1門的傳輸時間tpd后，vI2產(chǎn)生幅度增大的負(fù)跳變，再經(jīng)過G2門的傳輸時間tpd后，vI3產(chǎn)生幅度增大的正跳變，再經(jīng)過G3門的傳輸時間tpd后，vo（vI1）產(chǎn)生幅度更大的負(fù)跳變，同理再經(jīng)過3tpd后vI1跳變?yōu)楦唠娖健Ｖ芏鴱?fù)始，產(chǎn)生振蕩。工作原理：圖10.4.10輸出波形如圖10.4.10所示振蕩周期為其中tpd為反相器的傳輸延遲時間圖10.3.1110.4.3環(huán)形振蕩器同理若將任何大于、等于3的奇數(shù)個反相器首尾相聯(lián)成環(huán)形電路，都你能產(chǎn)生自激振蕩，且周期為其中n為串聯(lián)反相器的個數(shù)6.4.4用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖10.4.15所示。其工作原理如下圖10.4.15其輸出波形如圖10.4.16所示其振蕩周期的計(jì)算公式為6.4.4用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖10.4.16圖10.4.1510.4.5石英晶體多諧振蕩器

前面介紹的多諧振蕩器的振蕩周期或頻率不僅與時間常數(shù)RC有關(guān)，而且還取決于門電路的閾值電壓VTH。VTH容易受溫度、電源電壓及干擾的影響，故頻率的穩(wěn)定性很差，不能適應(yīng)對頻率穩(wěn)定性要求較高的場合。１９２２年美國卡第提出用石英壓電效應(yīng)調(diào)制電磁振蕩的頻率。巴黎廣播電臺首先用嚴(yán)濟(jì)慈制作的石英振蕩片實(shí)現(xiàn)了無線電播音中的穩(wěn)頻，隨后各國相繼采用，使無線廣播振蕩電磁回路穩(wěn)頻成為壓電晶體的最重要應(yīng)用之一。

為了提高振蕩頻率的穩(wěn)定性，目前普遍采用的一種穩(wěn)頻方法是在多諧振蕩器電路中，接入石英晶體，組成石英晶體多諧振蕩器右圖給出了石英晶體的外形、符號和電抗頻率特性。10.4.5石英晶體多諧振蕩器圖10.4.18由電抗頻率特性可知，當(dāng)外加電壓頻率為fo時，其阻抗最小，此頻率的信號最易通過，其他頻率被衰減，故振蕩器的工作在頻率fo處。圖10.4.19為對稱式石英晶體多諧振蕩器

由于振蕩器的頻率只取決于石英晶體的固有頻率fo，與外接電容、電阻和門電路的閾值電壓無關(guān)，其固有頻率fo是由石英晶體本身特性決定，故石英晶體多諧振蕩器的頻率穩(wěn)定性極高，到達(dá)10-10～10-11。目前石英晶體已被制成標(biāo)準(zhǔn)化和系列化出售。10.4.5石英晶體多諧振蕩器圖10.4.1910.5.1555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能10.5555定時器555定時器是一種多用途的數(shù)字－模擬混合的集成電路。它可以很方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。555定時器為雙極型產(chǎn)品，7555為CMOS型的產(chǎn)品，為了實(shí)際需求，又出現(xiàn)了雙極型556和CMOS型7556.盡管廠家不同，但各種；類型的555定時器的功能及外部引腳排列都是相同的。一、電路結(jié)構(gòu)

圖10.5.1為國產(chǎn)雙極型定時器CB555的電路結(jié)構(gòu)圖

它由電壓比較器（C1，C2）觸發(fā)器輸出緩沖器（G3，G4）OC輸出的三極管（TD）組成圖10.5.1其圖形符號和功能表如圖所示10.5.1555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能2.各管腳的名稱和功能1－接地端2－低電平觸發(fā)端3－輸出端，輸出電流可達(dá)200mA，直接驅(qū)動繼電器、發(fā)光二極管、揚(yáng)聲器、指示燈等，輸出電壓約低于電源電壓1－3V。10.5.1555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能4－復(fù)位端，若此端輸入一負(fù)脈沖，而使觸發(fā)器直接復(fù)位。不用時加以高電平。5－電壓控制端，此端可外加一電壓以改變比較器的參考電壓，不用是可懸空或通過0.01μF的電容接地。10.5.1555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能8－電源端，可在5－18V范圍內(nèi)使用。6－高電平觸發(fā)端7－放電端，當(dāng)觸發(fā)器的Q＝0時，TD導(dǎo)通，外接電容C通過此管放電。10.5.1555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能10.5.2用555定時器接成的施密特觸發(fā)器電路如圖10.5.3所示圖10.5.3二六搭一

其電壓傳輸特性如圖10.5.2所示。由圖可知，這是個典型的反相輸出的施密特觸發(fā)器。圖10.5.210.5.2用555定時器接成的施密特觸發(fā)器工作原理：10.5.2用555定時器接成的施密特觸發(fā)器圖10.5.2（1）當(dāng)vI<VCC/3，Q=1（vo＝VOH），Q=0；當(dāng)vI增加時，2VCC/3>vI>VCC/3，Q=1，Q=0，觸發(fā)器保持原態(tài)；當(dāng)vI>2VCC/3時，Q=0（vo＝VOL），Q=1。圖10.5.210.5.2用555定時器接成的施密特觸發(fā)器（2）當(dāng)vI>2VCC/3時，Q=0，Q=1；當(dāng)vI減少時，2VCC/3>vI>VCC/3，Q=0，Q=1，觸發(fā)器保持原態(tài)；當(dāng)vI

減少到vI<VCC/3，Q=1（vo＝VOH），Q=0；

故其正向閾值電壓為VT＋＝2VCC/3，負(fù)向閾值電壓為VT－＝VCC/3，故電路的回差電壓為△VT＝VCC