中国绅字我术大空 University of Science and Technology of China 第七章脉冲波形的产生和整形电路 本章目录 >7.1概述 >7.2施密特触发电路 >7.3单稳态电路 >7.4多谐振荡电路 >7.5555定时器及其应用 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 §7.1概述 一、获取矩形脉冲的方法 0.9Vm 1.脉冲波形发生电路 0.5Vm 2.脉冲波形整形电路 0.1'm 二、描述矩形脉冲特性的主要参数 1.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。 2.脉冲幅度V：脉冲电压的最大变化幅度。 3.脉冲宽度w:从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿到达0.5'为 止的一段时间。 4.上升时间t：脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时间。 5.下降时间t：脉冲下降沿从0.9'm下降到0.1'm所需要的时间。 6.占空比g：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q=tT 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 2
2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 1 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 本章目录 ¾7.1 概述 ¾7.2 施密特触发电路 ¾7.3 单稳态电路 ¾7.4 多谐振荡电路 ¾7.5 555定时器及其应用 2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 2 一、获取矩形脉冲的方法 1. 脉冲波形发生电路 2. 脉冲波形整形电路 二、描述矩形脉冲特性的主要参数 §7.1 概述 1. 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。 2. 脉冲幅度Vm：脉冲电压的最大变化幅度。 3. 脉冲宽度tW：从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿到达0.5Vm为 止的一段时间。 4. 上升时间tr：脉冲上升沿从0.1Vm上升到 0.9Vm所需要的时间。 5. 下降时间tf ：脉冲下降沿从0.9Vm下降到 0.1Vm所需要的时间。 6. 占空比q ：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q ＝ tw /T
§72施密特触发电路 施密特触发电路：常用的一种脉冲整形电路 施密特触发电路具有两个性能特点： 第一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； 第二在电路状态转换时，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。 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 §7.2施密特触发电路 19/ 7.2.1施密特触发电路的结构和工作原理 1实例：集成施密特电路7413 二极管与门 施密特电路 电平偏移 输出电路 4 214 R3 D A D6 D B D2 09 图形符号 D 4802 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路
2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 3 §7.2 施密特触发电路 施密特触发电路：常用的一种脉冲整形电路 第一 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； 第二 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。 施密特触发电路具有两个性能特点： 2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 4 7.2.1 施密特触发电路的结构和工作原理 1 实例：集成施密特电路7413 §7.2 施密特触发电路
§7.2施密特触发电路 2施密特电路工作原理 VB1-VE=VBE10.7V时，T导通，并引起 R2 R3 2k21.4k21 ya个→ic,↑→vc1↓→ic2↓ ip2 1R3 ↓ VE1↑←yE↓ .迅速转为T饱和导通，T,截止 VE 1c2 v,从高电平下降至vg1=O.7V时，C开始减小 v1→ic1↓→yc1↑→ic2t 4802 ↓ VBI←VE↑ ∴.迅速转为T截止，T工，饱和导通 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 §7.2施密特触发电路 V+:T由截止变为导通时的输入电压 Vcc R2in2+VBE(2+Ra(iB2+ic2)=VCc R22 2字148 RjiR3+VCE(a2+R(iB2 +ic2)=Vcc iB2 R3 设iR3≈ie2,'Eam)=0.8V,'cEm=0.2V T c2 ic2≈2.2mA,ia2≈1.3mA C2 VE2=R,(B2+ic2)≈1.7V V1+=vE2+0.7≈2.4V 4802 V1-:T由导通变为截止时的输入电压 R VEI=(VCC-VCEI)- ≈0.8V R+R VB1-=VE1+0.7≈1.5V 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 6
2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 5 2 施密特电路工作原理 Vcc ⊥ vB1 − vE = vBE1 BE E B C C C B BE v v v i v i v v T 1 1 1 1 2 1 1 1 当 使 0.7V时， 导通，并引起 ∴迅速转为T1饱和导通，T2截止 vB1 从高电平下降至vBE1 = 0.7V时，iC1 开始减小 ↓← ↑ ↓ ↓→ ↓→ ↑→ ↑ BE E B C C C v v v i v i 1 1 1 1 2 ∴迅速转为T1截止，T2饱和导通 §7.2 施密特触发电路 2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 6 Vcc ⊥ vB1+ :T1 由截止变为导通时的输入电压 ⎩ ⎨ ⎧ + + + = + + + = R CE sat B C CC B BE sat B C CC R i V R i i V R i V R i i V ( ) ( ) 3 3 ( )2 4 2 2 2 2 ( )2 4 2 2 设iR3 ≈ iC2 ,VBE(sat) = 0.8V,VCE(sat) = 0.2V iC2 ≈ 2.2mA,iB2 ≈1.3mA vE2 = R4 (iB2 + iC2 ) ≈1.7V VB1+ = vE2 + 0.7 ≈ 2.4V vB1− :T1 由导通变为截止时的输入电压 ( ) 0.8V 2 4 4 1 1 ≈ + = − R R R v V v E CC CE vB1− = vE1 + 0.7 ≈1.5V §7.2 施密特触发电路
§7.2施密特触发电路 实例：7413 二极管与门 施密特电路 电平偏移 输出电路 4k2 14 R3 R R,3 1302 1R3 人T B-4- D D C A D,应 B D 图形符号 D 多R Uo/V 本本本本 802 V7+=vg1+-'o≈2.4-0.7=1.7V Vx-=yg1--'o≈1.5-0.7=0.8V △V,='t-V-=0.9V 0.51.01.52.0 v/V 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 §7.2施密特触发电路 7.2.2用门电路组成的施密特触发电路 R2 R v-5-. 设反相器G和G,均为CMOS门，其阈值电压为VTmF'DD2, 输出高低电平分别为LOH-VDD,VoL=0,且R1<R2 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 8
2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 7 实例：7413 VT + = vB1+ −VD ≈ 2.4 − 0.7 =1.7V VT − = vB1− −VD ≈1.5 − 0.7 = 0.8V ΔVT =VT + −VT − = 0.9V §7.2 施密特触发电路 2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 8 7.2.2 用门电路组成的施密特触发电路 I v o v ′ I v o v o v 设反相器G1和G2均为CMOS门，其阈值电压为VTH= VDD/2， 输出高低电平分别为VOH= VDD，VOL=0，且R1< R2 §7.2 施密特触发电路
§7.2施密特触发电路 V- *当y1=0时，Vo=0。 vo *当y,个，至v4=V时，G进入电压传输特性的转折区， 故v4个→01→vg个之 使电路迅速跳变到vo='og=Vpp 设输入”上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平为 V+,V+称为正向阈值电压 VA=VTH R →5，=1+yn R+R R 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 §7.2施密特触发电路 R2 *当v,='oo时，Vo=Vpo *当y,↓，至v4='时，G进入电压传输特性的转折区， 使电路迅速跳变到vo=VoL=0 个 设输入y下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平为 V,V称为负向阙值电压 .=Vm=Vpo-(po-V-)R →.=1-8ym R+R R 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 10
2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 9 ∗当vI = 0时，vO = 0。 O VOH VDD 使电路迅速跳变到 v = = + + A = TH = VT R R R v V 1 2 2 ∗当vI ↑,至vA =VTH时，G1进入电压传输特性的转折区， 故vA ↑→ vO1 ↓→ vO ↑ T VTH R R V (1 ) 2 1 ⇒ + = + 设输入vI上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平为 VT+，VT+称为正向阈值电压 §7.2 施密特触发电路 2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 10 ∗当vI =VDD时，vO =VDD。 使电路迅速跳变到 vO =VOL = 0 1 2 2 ( ) R R R vA VTH VDD VDD VT + = = − − − ∗当vI ↓,至vA =VTH时，G1进入电压传输特性的转折区， 故vA ↓→ vO1 ↑→ vO ↓ T VTH R R V (1 ) 2 1 ⇒ − = − 设输入vI下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平为 VT-，VT-称为负向阈值电压 §7.2 施密特触发电路
§7.2 施密特触发电路 ,=.=0+8g ,=4.=1-及rn R R 将V+和V之间的差值定义为回差电压，用△V表示，即 AV,=Vr.-Vr-=28Vm %1 R H TH (a) (b) 电压传输特性 (a)同相输出(b)反相输出 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 §7.2施密特触发电路 7.2.3施密特触发电路的应用 V]h 一、用于脉冲整形 (b) (a) 0 (c) 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 12
2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 11 将VT+和VT-之间的差值定义为回差电压，用△VT表示，即 T T T VTH R R V V V 2 1 Δ = + − − = 2 I T VTH R R v V (1 ) 2 1 = + = + I T VTH R R v V (1 ) 2 1 = − = − §7.2 施密特触发电路 2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 12 一、用于脉冲整形 (c) 7.2.3 施密特触发电路的应用 §7.2 施密特触发电路
§7.2施密特触发电路 7.2.3施密特触发电路的应用 二、用于波形变换 三、用于脉冲鉴幅 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 13 §7.3 单稳态电路 19 特点： ①有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。 ②在外界触发脉冲作用下，能从稳态→暂稳态，维持一段时间 后自动返回稳态。 ③暂稳态维持的时间长短取决于电路本身的参数。 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 14
2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 13 7.2.3 施密特触发电路的应用 二、用于波形变换 三、用于脉冲鉴幅 §7.2 施密特触发电路 2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 14 §7.3 单稳态电路 特点： ①有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。 ②在外界触发脉冲作用下，能从稳态→暂稳态，维持一段时间 后自动返回稳态。 ③暂稳态维持的时间长短取决于电路本身的参数
§7.3 单稳态电路 波形分析法一单稳态电路和多谐振荡电路的分析方法 步骤： ①分析电路的工作过程，定性地画出电路中各点电压的波形，找出 决定电路状态发生转换的控制电压。 ②画出控制电压充、放电的等效电路，并将得到的电路化简。 ③确定每个控制电压充、放电的起始值、终了值和转换值。 ④计算充、放电时间，求出所需的计算结果。 电压充、放电开始到变化至某一数值所经过的时间为： 由一阶电路三要素公式：v(t)=v(oo)+[v(0+)-v(o)】e 所以：t=rln以o)-0+) v()-v(t) 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 §7.3 单稳态电路 7.3.1用门电路组成的单稳态电路 一、微分型单稳态电路 G,和G2为CMOS门 C R G VOH VDD:VOL =0,VTH 12 2 1原理分析 稳态下：y,=0,va=0,y2='o,'o=0,(vo1=VD),C上无电压； 加触发信号y,个， "t→o↓→y2→vo个 vo=','o1=0,电路迅速进入暂稳态，C开始充电 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 16
2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 15 波形分析法——单稳态电路和多谐振荡电路的分析方法 步骤： ① 分析电路的工作过程，定性地画出电路中各点电压的波形，找出 决定电路状态发生转换的控制电压。 ② 画出控制电压充、放电的等效电路，并将得到的电路化简。 ③ 确定每个控制电压充、放电的起始值、终了值和转换值。 ④ 计算充、放电时间，求出所需的计算结果。 电压充、放电开始到变化至某一数值所经过的时间为： 由一阶电路三要素公式： t τ v t v v v e− ( ) = (∞) +[ (0+) − (∞)] 所以： ( ) ( ) ( ) (0 ) ln v v t v v t ∞ − ∞ − + =τ §7.3 单稳态电路 2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 16 7.3.1 用门电路组成的单稳态电路 一、微分型单稳态电路 G1和G2为CMOS门 VOH VDD VOL VTH VDD 2 1 = , = 0, = 1 原理分析 稳态下：vI = 0, vd = 0, vI 2 =VDD , vO = 0,(vO1 =VDD ),C上无电压； 电路迅速进入暂稳态 开始充电 加触发信号 v V v C v v v v v O DD O d O I O I , 0, , , 1 1 2 = = ↑→ ↓→ ↓→ ↑ ↑ §7.3 单稳态电路
§7.3 单稳态电路 7.3.1用门电路组成的单稳态电路 一、微分型单稳态电路 G1和G,为CMOS门 R G G VI- 01 'oH='p,'oL=0,'H= vo 2 1原理分析 充电至y2=Vm时，y2个又引起正反馈 y2↑→o→o1个 电路迅速返回=0，Vo1='o,C放电至没有电压，恢复稳态。 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 §7.3 单稳态电路 2性能参数计算 ●输出脉冲宽度w 电容C开始充电到y2上升至'的时间 ●输出脉冲幅度Vm 输出脉冲的最大变化幅度 ●恢复时间tre v返回低电平后，电容C放电至恢复为 起始稳态的时间 ●分辨时间ta 电路正常工作时，允许两个相邻触发 脉冲之间的最小时间间隔 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 18
2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 17 7.3.1 用门电路组成的单稳态电路 一、微分型单稳态电路 G1和G2为CMOS门 VOH VDD VOL VTH VDD 2 1 = , = 0, = 1 原理分析 电路迅速返回 放电至没有电压，恢复稳态。 充电至 时 又引起正反馈 v v V C v v v v V v O O DD I O O I TH I 0, , , 1 2 1 2 2 = = ↑→ ↓→ ↑ = ↑ §7.3 单稳态电路 2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 18 2 性能参数计算 z分辨时间td z输出脉冲宽度tW 电容C开始充电到vI 2上升至VTH的时间 z输出脉冲幅度Vm z恢复时间tre 起始稳态的时间 vo返回低电平后，电容C放电至恢复为 脉冲之间的最小时间间隔 电路正常工作时，允许两个相邻触发 输出脉冲的最大变化幅度 §7.3 单稳态电路
§7.3单稳态电路 2性能参数计算 V R 李R G2 UR RoN C 输出脉冲宽度v t= RCIn vc(oo)-vc(0) Vop-0 =RCIn2=0.69RC Vc(o)-Vr VoD-Vm 输出脉冲幅度Vm 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 19 §7.3单稳态电路 2性能参数计算 RON R U12 G G2 恢复时间t。 te=(3~5)(R/∥ro1+RN)C≈(3~5)RC 分辨时间ta ld =tw+tre 2017-8-4 第七章脉冲波形的产生和整形电路 20
2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 19 2 性能参数计算 RC RC V V V RC v V v v t RC DD TH DD C TH C C w ln 2 0.69 0 ln ( ) ( ) (0) ln = = − − = ∞ − ∞ − = 输出脉冲幅度Vm 输出脉冲宽度tW Vm =VOH −VOL =VDD §7.3 单稳态电路 2017-8-4 第七章 脉冲波形的产生和整形电路 20 2 性能参数计算 tre = (3 ~ 5)(R //rD1 + RON )C ≈ (3 ~ 5)RONC d w re t = t + t 恢复时间tre 分辨时间td §7.3 单稳态电路