第六章 脉冲波形的产生和整形
6.1 概述脉冲周期 T：周期性脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔； 频率 f：单位时间内，脉冲重复的次数。
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 0.5Vm起，到脉冲后沿到达
0.5Vm为止的距离。
上升时间 tr：脉冲上升沿从 0.1Vm上升到 0.9Vm所需的时间。
下降时间 tr：脉冲下降沿从 0.9Vm下降到 0.1Vm所需的时间。
占空比 q：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即,Tt=q W
T
mVmV50.
mV90.
mV10,Wt
第 (51)页
6.2 施密特触发器施密特触发器,脉冲变换常用电路，或者脉冲信号整形电路。
相比一般触发器，有两个重要特点：
1）施密特触发器属于 电平触发,缓慢变化的信号也可作触发信号，当输入信号到达特定阈值时，输出电平会发生突变。对于正向和负向输入信号，电路有不同阈值电平 V+和
V-。也就是说，引起输出电平突变的输入电平不同；
2）在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程，使输出电平边沿变得很陡。
6.2.1 用门电路组成的施密特触发器
1 11R
2R
iV '
iV OV
'OV
iV OV
iV 'OV
假定两级反相器是 CMOS电路，阈值电压为且 R1〈 R2。
DDTH V2
1V ≈
当 Vi为 0V时,G1输出,1”电平,G2输出,0”电平，此,0”电平通过电阻 R2反馈到 G1输入端，使 保持低电平。
保持输出信号 VO为低电平稳态，假定为 第 Ⅰ 稳态 。
1 11R
2R
iV '
iV OV
'OV1G
2G
'iV
Vi逐渐上升,也上升，若 未上升到阈值 VTH时，电路稳定在 第 Ⅰ 稳态 。
'iV 'iV
2
21
i
O2
21
0i
i R?R+R
V=V+R?
R+R
VV=V -'
若 Vi继续上升，并使
2
21
i
THi R?R+R
V=V=V '
产生一个正反馈雪崩过程：
iV 'iV 'OV OV
正反馈施密特触发器翻转到 第 Ⅱ 稳态。
1=VV=V
0=V
DDOHO
O
≈
'
此时：
VT+,Vi上升过程中，
电路状态发生转换时对应的输入电平。
+Ti V=V
TH
2
21
+T V?R
R+R=V
VT+：正向阈值电压第 (52)页
1 11R
2R
iV '
iV OV
'OV1G
2G
当 Vi从高电平 VDD逐渐下降，并达到 时，将引发另一个正反馈雪崩过程。
THi V=V '
iV 'iV 'OV OV
正反馈此时,Vi=VT-
VT-,Vi下降过程中，电路状态发生转换时对应的输入电平。
VT-：负向阈值电压
DD2
21
i
O2
21
0i
i V+R?R+R
V=V+R?
R+R
VV=V DDV--'
Vi=VT-时当 THi V=V '
此时：
DD2
21
T
THi V+R?R+R
VV=V DD- V- ≈'
TH
2
1
T VR
R1=V )( -
-
VT-：负向阈值电压
VDD=2VTH
t
t
t
iV
1OV
OV
OHV
OHV
OLV
OLV
+TV
-TV
DDV
V
R
R
2=
V
R
R
V
R
R
+1=
VV=V
TH
2
1
TH
2
1
TH
2
1
T+TT
))( -(1-
-Δ
-
回差电压：
脉冲波形整形电路稳态 Ⅰ 稳态 Ⅱ 稳态 Ⅰ
分析时序电路
D1
C
D1
C
D1
C
CP
1Q 2Q 3Q
23
1n
3
12
1n
2
31
1n
1
QDQ
QDQ
QDQ
次态方程
0
1
1
1
0
0
0
Q
3
0
0
1
1
1
0
0
Q
2
0
0
0
1
1
1
0
Q
1
状态转换表第 (53)页
00 01 11 10
0
1
3Q
12QQ
1n1Q?
1 1 1 1
0 0 0 0
00 01 11 10
0
1
3Q
12QQ
1n2Q?
1 1
11
0
0
0
0
00 01 11 10
0
1
3Q
12QQ
1n3Q?
1
1
1
10 0
0 0
000 001 011
100 110 111
101 010
非自启动同步六进制计数器分析时序电路
J
K"1"
J
K"1"
1Q 2Q
"1"
&
&CP
CPCP
]CP[QQQ
1
112
1n
1
12122
22
1n
2
QQCPQQCPCP
]CP[QQ
下降沿触发
3
2
1
0
CP
初始状态 00
0
1
0
0
Q
2
0
0
1
0
Q
1
0
CP2
0
CP1
当 Q2Q1=10时,CP2=CP
t
t
t
iV
1OV
OV
OHV
OHV
OLV
OLV
+TV
-TV
DDV
TH
2
1
TH
2
1
TH
2
1
TTT
V
R
R
2
V)
R
R
V)
R
R
1(
VVV
-(1-
-Δ
-
回差电压：
脉冲波形整形电路稳态 Ⅰ 稳态 Ⅱ 稳态 Ⅰ
电压传输特性：（ CMOS）
THV DDV
iVO
OV
THV DDV
iVO
1OV
TV Δ
同相输出反相输出
1 11R
2R
iV '
iV OV
'OV1G
2G
TV Δ
+TV-TV
第 (54)页
-(1-
-Δ -
TH
2
1
TH
2
1
TH
2
1
T+TT
V
R
R
2=V
R
R
V
R
R
+1=
VV=V
))(
回差电压,可以通过调节 R1,R2阻值来调节回差电压。
若 VDD=10V,R1=50k,R2=100k,VTH=5V
则施密特触发器得各特性参数为：
7,5 V)100k50k5 V ( 1 =+=VRR+1=V TH
2
1
+T )(
V52=VRR=V TH
2
1
T,)-(1-
6.2.2 施密特触发器的应用
1）波形变换利用施密特触发器状态转换的正反馈作用，可以把边沿变换缓慢的周期性信号变为边沿陡峭的矩形脉冲信号。
o
o
t
t
iV OVOV
iV
-TV
+TV
2）脉冲整形某测量装置输出信号经放大后，可能是不规则波形。
iV
t
iV
too
o ot t
OVOV
+TV+TV
-TV
-TV'
适当加大回差，可以提高电路抗干扰能力
3）幅度鉴别
t
t
-TV
+TV
iV
o
o
OV
第 (55)页
6.3 单稳态触发器特点
1）有一个稳态和一个暂稳态两个工作状态；
2）在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动返回稳态；
3）暂稳态维持时间的长短，取决于电路本身的参数，和触发脉冲的宽度和幅度无关。
作用脉冲整形、延时、定时等
6.3.1 门电路组成单稳态触发器微分型单稳态触发器
CMOS门电路：
DDTH
OL
DDOH
V
2
1
V
0V
VV
≈
≈
≈
R
C
DDV
11 ≥iV OVdV
dC
dR
1G 2G
2iV
1OV
在稳态下,DD2ii V=VV0=V,
因此有,DD1OO V=V0=V,电容 C上没有电压当触发脉冲 Vi加到输入端时，在 Rd和 Cd作用下,Vd为一很窄的正负脉冲。
R
C
DDV
11 ≥iV OVdV
dC
dR
1G 2G
2iV
1OV
当 Vd上升到 VTH时，将引发 正反馈过程,VdVO1Vi2VO?
VO1迅速跳变为低电平。由于电容上的电压不能发生突变，
Vi2同时跳变为低电平，使得 VO跳变为高电平。 电路进入暂稳态 。此时，即使 Vd回到低电平,VO高电平仍将维持。
同时，电容 C开始充电,Vi2逐渐升高。当 Vi2=VTH时，
引发另外 正反馈过程,
Vi2VOVO1?
R
C
DDV
11 ≥iV OVdVd
C
dR
1G 2G
2iV
1OV
第 (56)页
R
C
DDV
11 ≥iV OVdVd
C
dR
1G 2G
2iV
1OV
iV
dV
1OV
2iV
OV
THV
t
t
t
t
t
初始 Vi=0,VO=0
稳态稳态暂稳态 暂稳态
wtwt
输出脉冲宽度 tw等于电容 C充电开始到 Vi2上升到 VTH这段时间。
积分型单稳态触发器
1G 2G
&
1 R
C
AV
1OV
OV
iV
稳态情况,Vi=0,VO=VOH,VA=VO1=VOH
Vi输入正脉冲,VO1=0，由于电容上电压不能突变，所以在 一段时间 内,VA仍在 VTH以上。使得 VO=VOL，电路进入 暂稳态 。
同时，电容开始放电
1G 2G
&1 R
C
AV
1OV
OV
iV
随着电容 C的放电,VA
下降至 VTH后,VO回到高电平。
Vi回到低电平,VO1为高电平，为 C充电。
当 Vi跳变为高电平时，
进入下一个暂稳态。
iV
tO
1OV
tO
AV
tO
THV
OV
tO
稳态暂稳态放电充电
wt
脉冲宽度 tw等于从电容 C放电开始到 VA下降至 VTH的时间。
AV
t
THV
O
Wt
第 (57)页
6.4 多谐振荡器
6.4.1 对称式多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，不需外加触发信号，便可自动产生矩形脉冲。电路没有稳态，只有两个暂稳态。交替变化。
1 1
1C
1C
1G 2G
2OV
1OV
1FR 2FR
1iV
2iV
两个反相器 G1,G2经耦合电容 C1,C2连接的正反馈振荡回路。
6.1 概述脉冲周期 T：周期性脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔； 频率 f：单位时间内，脉冲重复的次数。
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 0.5Vm起，到脉冲后沿到达
0.5Vm为止的距离。
上升时间 tr：脉冲上升沿从 0.1Vm上升到 0.9Vm所需的时间。
下降时间 tr：脉冲下降沿从 0.9Vm下降到 0.1Vm所需的时间。
占空比 q：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即,Tt=q W
T
mVmV50.
mV90.
mV10,Wt
第 (51)页
6.2 施密特触发器施密特触发器,脉冲变换常用电路，或者脉冲信号整形电路。
相比一般触发器，有两个重要特点：
1）施密特触发器属于 电平触发,缓慢变化的信号也可作触发信号，当输入信号到达特定阈值时，输出电平会发生突变。对于正向和负向输入信号，电路有不同阈值电平 V+和
V-。也就是说，引起输出电平突变的输入电平不同；
2）在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程，使输出电平边沿变得很陡。
6.2.1 用门电路组成的施密特触发器
1 11R
2R
iV '
iV OV
'OV
iV OV
iV 'OV
假定两级反相器是 CMOS电路，阈值电压为且 R1〈 R2。
DDTH V2
1V ≈
当 Vi为 0V时,G1输出,1”电平,G2输出,0”电平，此,0”电平通过电阻 R2反馈到 G1输入端，使 保持低电平。
保持输出信号 VO为低电平稳态，假定为 第 Ⅰ 稳态 。
1 11R
2R
iV '
iV OV
'OV1G
2G
'iV
Vi逐渐上升,也上升，若 未上升到阈值 VTH时，电路稳定在 第 Ⅰ 稳态 。
'iV 'iV
2
21
i
O2
21
0i
i R?R+R
V=V+R?
R+R
VV=V -'
若 Vi继续上升，并使
2
21
i
THi R?R+R
V=V=V '
产生一个正反馈雪崩过程：
iV 'iV 'OV OV
正反馈施密特触发器翻转到 第 Ⅱ 稳态。
1=VV=V
0=V
DDOHO
O
≈
'
此时：
VT+,Vi上升过程中，
电路状态发生转换时对应的输入电平。
+Ti V=V
TH
2
21
+T V?R
R+R=V
VT+：正向阈值电压第 (52)页
1 11R
2R
iV '
iV OV
'OV1G
2G
当 Vi从高电平 VDD逐渐下降，并达到 时，将引发另一个正反馈雪崩过程。
THi V=V '
iV 'iV 'OV OV
正反馈此时,Vi=VT-
VT-,Vi下降过程中，电路状态发生转换时对应的输入电平。
VT-：负向阈值电压
DD2
21
i
O2
21
0i
i V+R?R+R
V=V+R?
R+R
VV=V DDV--'
Vi=VT-时当 THi V=V '
此时：
DD2
21
T
THi V+R?R+R
VV=V DD- V- ≈'
TH
2
1
T VR
R1=V )( -
-
VT-：负向阈值电压
VDD=2VTH
t
t
t
iV
1OV
OV
OHV
OHV
OLV
OLV
+TV
-TV
DDV
V
R
R
2=
V
R
R
V
R
R
+1=
VV=V
TH
2
1
TH
2
1
TH
2
1
T+TT
))( -(1-
-Δ
-
回差电压：
脉冲波形整形电路稳态 Ⅰ 稳态 Ⅱ 稳态 Ⅰ
分析时序电路
D1
C
D1
C
D1
C
CP
1Q 2Q 3Q
23
1n
3
12
1n
2
31
1n
1
QDQ
QDQ
QDQ
次态方程
0
1
1
1
0
0
0
Q
3
0
0
1
1
1
0
0
Q
2
0
0
0
1
1
1
0
Q
1
状态转换表第 (53)页
00 01 11 10
0
1
3Q
12QQ
1n1Q?
1 1 1 1
0 0 0 0
00 01 11 10
0
1
3Q
12QQ
1n2Q?
1 1
11
0
0
0
0
00 01 11 10
0
1
3Q
12QQ
1n3Q?
1
1
1
10 0
0 0
000 001 011
100 110 111
101 010
非自启动同步六进制计数器分析时序电路
J
K"1"
J
K"1"
1Q 2Q
"1"
&
&CP
CPCP
]CP[QQQ
1
112
1n
1
12122
22
1n
2
QQCPQQCPCP
]CP[QQ
下降沿触发
3
2
1
0
CP
初始状态 00
0
1
0
0
Q
2
0
0
1
0
Q
1
0
CP2
0
CP1
当 Q2Q1=10时,CP2=CP
t
t
t
iV
1OV
OV
OHV
OHV
OLV
OLV
+TV
-TV
DDV
TH
2
1
TH
2
1
TH
2
1
TTT
V
R
R
2
V)
R
R
V)
R
R
1(
VVV
-(1-
-Δ
-
回差电压：
脉冲波形整形电路稳态 Ⅰ 稳态 Ⅱ 稳态 Ⅰ
电压传输特性：（ CMOS）
THV DDV
iVO
OV
THV DDV
iVO
1OV
TV Δ
同相输出反相输出
1 11R
2R
iV '
iV OV
'OV1G
2G
TV Δ
+TV-TV
第 (54)页
-(1-
-Δ -
TH
2
1
TH
2
1
TH
2
1
T+TT
V
R
R
2=V
R
R
V
R
R
+1=
VV=V
))(
回差电压,可以通过调节 R1,R2阻值来调节回差电压。
若 VDD=10V,R1=50k,R2=100k,VTH=5V
则施密特触发器得各特性参数为：
7,5 V)100k50k5 V ( 1 =+=VRR+1=V TH
2
1
+T )(
V52=VRR=V TH
2
1
T,)-(1-
6.2.2 施密特触发器的应用
1）波形变换利用施密特触发器状态转换的正反馈作用，可以把边沿变换缓慢的周期性信号变为边沿陡峭的矩形脉冲信号。
o
o
t
t
iV OVOV
iV
-TV
+TV
2）脉冲整形某测量装置输出信号经放大后，可能是不规则波形。
iV
t
iV
too
o ot t
OVOV
+TV+TV
-TV
-TV'
适当加大回差，可以提高电路抗干扰能力
3）幅度鉴别
t
t
-TV
+TV
iV
o
o
OV
第 (55)页
6.3 单稳态触发器特点
1）有一个稳态和一个暂稳态两个工作状态；
2）在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动返回稳态；
3）暂稳态维持时间的长短，取决于电路本身的参数，和触发脉冲的宽度和幅度无关。
作用脉冲整形、延时、定时等
6.3.1 门电路组成单稳态触发器微分型单稳态触发器
CMOS门电路：
DDTH
OL
DDOH
V
2
1
V
0V
VV
≈
≈
≈
R
C
DDV
11 ≥iV OVdV
dC
dR
1G 2G
2iV
1OV
在稳态下,DD2ii V=VV0=V,
因此有,DD1OO V=V0=V,电容 C上没有电压当触发脉冲 Vi加到输入端时，在 Rd和 Cd作用下,Vd为一很窄的正负脉冲。
R
C
DDV
11 ≥iV OVdV
dC
dR
1G 2G
2iV
1OV
当 Vd上升到 VTH时，将引发 正反馈过程,VdVO1Vi2VO?
VO1迅速跳变为低电平。由于电容上的电压不能发生突变，
Vi2同时跳变为低电平，使得 VO跳变为高电平。 电路进入暂稳态 。此时，即使 Vd回到低电平,VO高电平仍将维持。
同时，电容 C开始充电,Vi2逐渐升高。当 Vi2=VTH时，
引发另外 正反馈过程,
Vi2VOVO1?
R
C
DDV
11 ≥iV OVdVd
C
dR
1G 2G
2iV
1OV
第 (56)页
R
C
DDV
11 ≥iV OVdVd
C
dR
1G 2G
2iV
1OV
iV
dV
1OV
2iV
OV
THV
t
t
t
t
t
初始 Vi=0,VO=0
稳态稳态暂稳态 暂稳态
wtwt
输出脉冲宽度 tw等于电容 C充电开始到 Vi2上升到 VTH这段时间。
积分型单稳态触发器
1G 2G
&
1 R
C
AV
1OV
OV
iV
稳态情况,Vi=0,VO=VOH,VA=VO1=VOH
Vi输入正脉冲,VO1=0，由于电容上电压不能突变，所以在 一段时间 内,VA仍在 VTH以上。使得 VO=VOL，电路进入 暂稳态 。
同时，电容开始放电
1G 2G
&1 R
C
AV
1OV
OV
iV
随着电容 C的放电,VA
下降至 VTH后,VO回到高电平。
Vi回到低电平,VO1为高电平，为 C充电。
当 Vi跳变为高电平时，
进入下一个暂稳态。
iV
tO
1OV
tO
AV
tO
THV
OV
tO
稳态暂稳态放电充电
wt
脉冲宽度 tw等于从电容 C放电开始到 VA下降至 VTH的时间。
AV
t
THV
O
Wt
第 (57)页
6.4 多谐振荡器
6.4.1 对称式多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，不需外加触发信号，便可自动产生矩形脉冲。电路没有稳态，只有两个暂稳态。交替变化。
1 1
1C
1C
1G 2G
2OV
1OV
1FR 2FR
1iV
2iV
两个反相器 G1,G2经耦合电容 C1,C2连接的正反馈振荡回路。
