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1、第十五章第十五章 脉冲波形的产生和整形脉冲波形的产生和整形 1 第十五章 脉冲波形的产生和整形. 390 15.1 概述. 390 15.1.1 脉冲电路的分析. 391 15.1.2 RC 电路的应用. 392 15.2 单稳态触发器. 395 15.2.1 用门电路组成的单稳态触发器. 395 15.2.2 集成单稳态触发器. 398 15.2.3 单稳态触发器的应用. 401 15.3 多谐振荡器. 402 15.3.1 自激多谐振荡器. 402 15.3.2 环形振荡器. 404 15.3.3 石英晶体多谐振荡器. 407 15.4 施密特触发器. 407 15.4.1 用门电路组成的
2、施密特触发器. 408 15.4.2 集成施密特触发器. 409 15.4.3 施密特触发器的应用. 410 15.5 555 定时器及其应用. 412 15.5.1 555 定时器的电路结构与工作原理. 413 15.5.2 555 定时器的典型应用. 414 习 题. 419 390 第三篇 数字逻辑电路基础 第三篇 数字逻辑电路基础 第十五章第十五章 脉冲波形的产生和整形脉冲波形的产生和整形 15.1 概述概述 数字电路又称为脉冲(pluse)数字电路，所以脉冲信号在数字电路中扮演着重要的角 色。脉冲这个词包含着脉动和短促的意思，在脉 冲技术中，我们的主要研究对象是一些具有间断 性和突发
3、性特点的、短暂出现的、周期或非周期 性时间函数的电压或电流。 矩形波 尖顶波 常见的一些脉冲波形如图 15-1 所示。 矩形波是最常用的脉冲波形。矩形波具有两 个固定电平，其电平转换时间与每个电平的持续 时间相比可以忽略。 图 15-2 所示为一个实际的矩 形脉冲波的波形，描述矩形波的主要参数有： 锯齿波 钟形波 脉冲幅度 Um：矩形脉冲的高电平和低电平 之差，它反映了脉冲信号的大小。 梯形波 脉宽 tw（或称为脉冲持续时间） ：矩形脉冲 起始和终了时刻之间的时间间隔。若将脉冲前、 后沿上瞬时值为 0.5Um的对应点之间的时间间隔 定为脉宽，则称为平均脉宽。此外，还有顶部脉 宽和底部脉宽。 阶
4、梯波 图 15-1 脉冲波形举例 重复周期 T：相邻两个脉冲对应点之间的时 间间隔。重复周期的倒数称为重复频率 f。 脉冲占空系数 Q-1（或称为脉冲占空比） ：脉宽 tw和重复周期 T 的比值。Q-1的倒数 Q 称为空度比。 tf顶部 脉宽重复周期 T0.9Um0.5Um0.1Um tr底部 脉宽tw 平均 脉宽Um 幅度上升时间 tr：脉冲电压从 0.1Um上 升到 0.9Um所需的时间。理想情况下 tr 等于 0。 下降时间 tf：脉冲电压从 0.9Um下 降到 0.1Um所需的时间。理想情况下 tf 等于 0。 获取矩形脉冲波形的图形的途径主 要有两种：一种是利用各种形式的多谐 振荡器
5、电路直接产生所需要的矩形脉 冲，另一种则是通过各种整形电路把已图 15-2 矩形脉冲波形参数 第十五章第十五章 脉冲波形的产生和整形脉冲波形的产生和整形 391 有的周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。 在时序电路中，矩形脉冲作为时钟信号控制和协调着整个系统的工作。因此，其波 形的特性直接关系到系统能否正常地工作。 15.1.1 脉冲电路的分析 15.1.1 脉冲电路的分析 脉冲电路通常是指能产生和变换脉冲波形的电路。脉冲电路包含两个主要部分：开 关电路与惰性电路。开关电路用来破坏电路的稳态，使之产生暂态过程；而惰性电路则 用来控制暂态过程的变化情况。各种脉冲波形就是通过这两部分电路的工作
6、而获得的。 由于脉冲波形是在电路暂态过程中形成的，因此，脉冲电路的分析是在时域中按时间分 段分析电路中的电压、电流的变化情况。 由电阻 R 和电容 C 构成的 RC 电路是脉冲电路中最常见的基本电路。 由于电容的充放电有一个过程，这一不断变化的过程称为暂态过程。暂态过程结束 之后，电路进入一个新的稳定状态。 有关 RC 电路的暂态过程的分析请参见第四章。 例 15-1 在图 15-3(a)电路中， 开关 K 在 2 的位置很久， 电路已处于稳定状态。 在 t=0 时，开关由 2 突然转换到 1 位置，画出 uc的波形。 1 K R 10k + 2 Ua C 10V 100pF Ub 6V (a
7、) ui 10V 0 t uc 4V 0 t -6V (b) 图 15-3 例 15-1 的电路与波形ui uc 解：用求过渡过程的三要素法来解此题。 （1）求起始值。因为在 t=0 以前，电路处于稳定状态，流过电容的电流等于 0A， 所以 uc(0-)=-Ub=6V。在 t=0 时，开关动作，由于电容电压不能跃变，所以 uc(0+)=uc(0-)=6V （2）求稳态值。暂态过程结束以后，流过电容的电流为 0A，电容相当于开路，故 uc()=Ua-Ub=10-6=4V （3）求时间常数。 sRC11011010010106123=于是 ttt cccceeeuuutu+=+=+=1041646
8、1)0()()0()(/上式中 t 的单位是s。其波形图如图 15-3(b)所示。 392 第三篇 数字逻辑电路基础 第三篇 数字逻辑电路基础 15.1.2 15.1.2 RC 电路的应用 电路的应用 一、微分电路一、微分电路 微分电路如图 15-4 所示，当输入信号 ui 为理想矩形脉冲，且其宽度 tw远大于电路时间 常数时，输出波形 uo如图 15-5 所示，图中 还给出了电容 C 两端的电压 uc的波形。 由于输出电压 uo的波形形状与输入电压 ui对时间的微分dtdui的曲线形状相近似，故图15-4 电路有微分电路之称。事实上，dtduRCc o=u，当时间常数很小时，电容两端的电压
9、uc可以迅速地跟随输入电压 ui变化，导致dtduRCuuui oic，。 C 47p + + uc - + R ui 51k uo - - 图 15-4 微分电路 ui Um T/2 T/2 0 t uc 0 t uo 0 t (a) RCT/2 图 15-6 不同 RC 时间常数的波形图 twui E 0 t1 t2 t uc E 0 t1 t2 t uo E 0 t1 t2 t -E 图 15-5 微分波形 第十五章第十五章 脉冲波形的产生和整形脉冲波形的产生和整形 393 如果 RC 电路的时间常数远大于输入脉冲宽度 tw， 则图 15-4 电路就成为耦合电路。 所谓耦合电路就是电容隔离 ui的直流成份，而不改变输入电压的波形频率和波形形状， 图 15-6(a)是时间常数远远小于脉冲周期的情况， 图 15-6(b)所示为时间常数远远大于脉冲 周期时所对应输入波形的情况（输入脉冲的周期为 T） 。 二、积分电路二、积分电路 积分电路如图 15-7 所示，设电路的时间常数远大于输入信号脉冲宽度。输出波形如图 15-8 所示。经计算可得到输出电压 uo的数学表达式为 + R 10k + C ui 2000p uo -
