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第6章 脉冲波形的产生与整形 内容提要 现代电子系统常常需要不同幅度、宽度以及具有陡峭边沿的脉冲信号，如时序逻辑电路中的时钟信号（CP）等等获取脉冲信号的方法通常有两种：一种是直接产生，一种是利用已有的信号变换得到 本章将介绍常用的脉冲波形产生与整形电路——施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器重点介绍这三种电路的功能、电路组成、工作原理、主要参数和应用 6.1 脉冲信号的基本参数 是按非正弦规律变化的信号均可称脉冲信号常见的脉冲信号有以下几种： 1．矩形波 矩形波也称为方波其波形如图 6.1-1所示 （a） （b） 图6.1-1 方波波形 （a）对称方波 （b）非对称方波 2．三角波 上升/下降都是线性变化的波形称为三角波，其波形如图 6.1-2所示 3．锯齿波 锯齿波是三角波的特例，它是从零电压开始上升，到达一定电压后迅速返回到零其波形如图6.1-3所示 图6.1-2 三角波波形 图6.1-3 矩齿波 数字电路最常用的脉冲信号就是方波信号如时序逻辑电路中的时钟信号就是典型的方波信号。

为了描述方波信号的特性，这里对方波信号的主要参数进行描述如图 6.1-4PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 6.2 施密特触发器 267 所示，方波信号的参数有： 图6.1-4 方波信号的主要参数 （1）脉冲周期T：两个相邻脉冲之间的时间间隔有时也使用频率 Tf 1= 表示单位时间内脉冲的重复次数； （2）脉冲幅值Vm ：脉冲电压变化的最大幅度； （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所需要时间； （5）下降时间tf ：脉冲下降沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需要时间； （6）占空比q ：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q=TW/T 理想方波信号的上升时间tr和下降时间tf均为0 获取方波信号的途径不外乎两种：一种是直接用各种形式的多谐振荡器直接产生，另一种是利用整形电路将已有的周期性变化波形变换为符合要求的方波信号本章内容主要介绍脉冲波形产生和整形的三种典型电路：施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器 6.2 施密特触发器（Schmitt Trigger） 6.2.1 施密特触发器的基本概念 施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门，它具有以下特点： （1）施密特触发器输出有两种状态：0态和1态 ，也就是说，它输出的是数字信号，要么是高电平，要么是低电平； （2）施密特触发器采用电平触发，也就是说，它输出是高电平还是低电平取决于输入信号的电平； （3）对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平VT+和VT-。

也就是说，输入信号电压上升时，与 VT+比较，大于 VT+，输出状态翻转；输入信号电压下降时，与VT-比较，小于VT-，输出状态翻转 最后一条是施密特触发器最主要的特点，是与电压比较器的区别所在 施密特触发器分同相施密特触发器和反相施密特触发器两种，其符号图6.2-1所示 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 268 第6章 脉冲波形的产生与整形 （a） （b） 图6.2-1 施密特触发器的电路符号 （a）同相施密特触发器 （b）反相施密特触发器 同相施密特触发器和反相施密特触发器的电压传输特性如图6.2-2所示 （a） （b） 图6.2-2 施密特触发器的电压传输特性 （a）同相施密特触发器传输特性 （b）反相施密特触发器传输特性 施密特触发器可将缓慢变化的模拟信号整形成方波信号，例如，将一正弦信号加到反相施密特触发器的输入端，可得到频率相同的方波信号图 6.2-3 所示为施密特触发器的输入和输出波形 图6.2-3 正弦输入信号和对应输出波形 与电压比较器相比，施密特触发器具有较强的抗干扰能力。

6.2.2 由CMOS门构成的施密特触发器 1．电路组成 将两个CMOS反相器级连起来，通过分压电阻将输出端的电压反馈到输入端，就构成了施密特触发器，如图6.2-4所示 1R1GIv2ROv2G’Iv O1v图6.2-4 CMOS反相器构成的施密特触发器 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 6.2 施密特触发器 269 2．工作原理分析 G1、G2为 CMOS门电路，其阈值电压为VDD /2为了使电路正常工作，电路中要求R1＜R2 （1） 当vI=0V时，由于R1＜R2，不难分析得到G1输出高电平，vO1≈VDD， vO≈0V注意，如果 R 1＞R 2，则有可能出现vO1≈0V， vO≈VDD的结果，所以电路必须要求R1＜R2 （2） 当 vI升高时，G1门的输入电压vI＇也升高当 vI＇达到 VDD/2 时， G1、G2输出状态将翻转，此时对应的vI值就是施密特触发器的正向阈值电压VT+由于CMOS门电路输入阻抗非常大，其输入端相当于开路，因此可以得到图6.2-5所示的求取VT+的电路模型 DD21 V图6.2-5 求取VT+ 的电路模型 DD221TI 21 VRRRVv =⋅+=′+ 得： )1(2121DDT RRVV +=+ （6.2-1） （3）当vI大于VT+时，电路迅速转到另一稳态：vO1≈0， vO≈VDD。

在状态转换过程中将引发如下正反馈现象： （4）当vI由高变低时，vI＇也由高变低当vI＇≤VDD/2时，电路又将发生转换，此时对应的vI就是施密特触发器的反向阈值电压VT－利用如图6.2-6所示的电路模型可以求得VT－ DD21 V图6.2-6 求取VT- 的电路模型 DDT211TDD21)( VVRRRVV =++⋅−−− 得： PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 270 第6章 脉冲波形的产生与整形 )1(2121DDT RRVV −=− （6.2-2） （5）当 vI小于 VT－时，电路迅速转到另一稳态：vO1≈VDD， vO≈0V 这时，电路同样存在正反馈现象： （6）回差电压 回差电压= DD2121DD21DDTT )1(21)1(21 VRRRRVRRVVV =−−+=−−+ （6.2-3） 从上式可知，回差电压可通过R1、R2改变 从上述原理分析中可知，施密特触发器输出状态发生改变时存在正反馈现象，该正反馈可使vO1和vO的上升沿和下降沿变陡，从而使施密特触发器的输出波形更接近于理想的方波信号。

图 6.2-4 所示的施密特触发器既可以当作同相施密特触发器，也可当作反相施密特触发器当用vO作为输出信号时，为同相施密特触发器；当用 vO1作为输出信号时，为反相施密特触发器 6.2.3 施密特触发器的应用 施密特触发器除了可用于波形变换之外，还有以下几方面用途： 1．用于脉冲整形 在数字系统中，矩形脉冲经过传输以后，往往会产生波形畸变如当传输线上电容较大时，矩形波的上升沿和下降沿将变坏，如图 6.2-7（a）所示当传输线较长，而且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象，如图6.2-7（b）所示这两种情况都可通过施密特触发器整形而获得较为理想的矩形脉冲信号（方波信号） （a） （b） 图6.2-7 施密特触发器对脉冲整形 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 6.2 施密特触发器 271 2．用于脉冲鉴幅 若将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有幅值大于VT+的脉冲才会在输出端产生输出信号，因此，施密特触发器还可用于脉冲鉴幅。

如图6.2-8所示 图6.2-8 施密特触发器用于脉冲鉴幅 3．用于构成多谐振荡器 用施密特触发器构成的多谐振荡器的原理图如图6.2-9（a）所示 （a） （b） 图6.2-9 由施密特触发器构成的多谐振荡器 （a）原理图 （b）工作波形 刚上电时，电容C上无电荷，vC=0 V，施密特触发器输出高电平，该高电平通过电阻R向电容C充电，vC按指数规律上升当 vC上升到VT+ 时，施密特触发器输出低电平，这时，电容 C进入放电状态，vC按指数规律下降当vC下降到VT- 时，施密特触发器输出高电平如此周而复始，就在电路输出端产生方波，其工作波形如图6.2-9（b）所示 4．用于冰箱温度控制系统 冰箱温度控制系统是一个典型的反馈控制系统当温度传感器检测到的实际温度值与设定的温度值作比较，如果实际温度值高于设定值，则启动冰箱压缩机进行制冷，否则，停止压缩机显然，采用电压比较器构成的冰箱温度控制系统原理图如图6.2-10（a）所示假设温度传感器输出电压与温度之间的关系为1V/℃，4V电压相当于温度设定值为4℃ PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 272 第6章 脉冲波形的产生与整形 （a） （b） 图6.2-10 采用电压比较器的温度控制系统 （a）原理图 （b）工作波形 当温度高于设定值，比较器就会启动压缩机，使温度下降。

温度微小的降低，就会使比较器输出发生跃变结果压缩机被频繁地启动和停止其工作波形如图6.2-10（b）所示 虽然上述温度控制系统能获得精确的温度控制，但对家用电冰箱来说，没有必要对温度进行这么精确的调节只需将温度控制在一定的范围，就能得到满意的食品保存效果而且，压缩机被频繁地启动和停止将大大缩短压缩机的使用寿命，发出的噪音也令人难以接受因此，在实际的冰箱温度控制系统中，一般采用施密特触发器作为温度比较器假设同相施密特触发器的 VT+=6V，VT-=2V，采用如图 6.2-11（a）所示的温控系统可将冰箱温度控制在2℃~6℃之间工作波形如图6.2-11（b）所示从工作波形可知，冰箱压缩机启动间隔明显加长，因此，在冰箱压缩机通断控制中利用施密特触发器可以避免压缩机过于频繁的通断工作 （a） （b） 图6.2-11 采用施密特触发器的温度控制系统 （a）原理图 （b）工作波形 6.3 单稳态触发器 6.3.1单稳态触发器的基本概念 前面学过的基本RS触发器有两种状态：0态或1态，而且这两种状态都能长久保持，有时也称它为双稳态触发器。

单稳态触发器则不同，它虽然也有两种状态：0 态和 1 态，但只有一种状态能长久保持，实际上一种为稳态，一种为暂稳态，故名单稳态触发器 稳态：能够长久保持的状态 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 6.3 单稳态触发器 273 暂稳态：不能长久保持的状态 单稳态触发器的特点： （1）它有稳态和暂稳态两种状态； （2）平时处于稳态，在外部触发脉冲作用下，由稳态进入暂稳态； （3）暂稳态维持一定时间后自动回到稳态 单稳态触发器在实际生活中也有应用的例子如楼道灯控。