脉冲波形的产生和整形电路.doc

课题
14.1脉冲的基本概念
14.2RC波形变换电路

课型
新课
授课班级

授课时数
2

教学目标
1．了解脉冲的基本概念。
2．掌握RC波形变换电路的结构和工作原理。

教学重点
1．脉冲的基本知识。
2．RC电路的充放电过程及波形变换电路。

教学难点
RC电路的充放电过程及波形变换电路。

学情分析

教学效果

教后记

新课
A．引入
在数字电路中，常常需要各种不同频率的矩形脉冲。获得矩形脉冲的方法一般有两种：一种是通过方波振荡器产生；另一种是利用整形电路产生。
B．新授课
14.1脉冲的基本概念
14.1.1脉冲的概念
脉冲：瞬间突变、作用时间极短的电压或电流信号，称为脉冲。广义上讲，凡是非正弦规律变化的电压或电流都可称为脉冲。
1．实验电路

2．现象和结论
（1）开关S闭合时，短接，输出电压。
（2）时，开关S断开，输出电压。
（3）时，开关S再闭合，又被短接，输出电压。
重复此过程，则输出电压的波形变化即为一串脉冲波。

14.1.2几种常见的脉冲波形
常见的波形有矩形波、锯齿波、钟形波、尖峰波、阶梯波等。

14.1.3矩形脉冲波形参数

（1）脉冲幅度——脉冲电压的最大变化幅度。
（2）脉冲上升沿时间——脉冲上升沿从0.1上升到0.9的时间。
（3）脉冲下降沿时间——脉冲上升沿从0.9下降到0.1的时间。
（4）脉冲宽度——脉冲前、后沿0.5处的时间间隔，说明脉冲持续时间的长短。
（5）脉冲周期T——指周期性脉冲中，相邻的两个脉冲波形对应点之间的时间间隔。
14.2RC波形变换电路
14.2.1RC电路的瞬态过程
所谓瞬态过程是指电路从一个稳定状态变化到另一个稳定状态所经历的过程。
1．RC电路的充电过程

（1）充电过程原理
① 开关S在B点，电容器C上没有电荷，。
② 开关S由B合到A后，电源对电容C充电。因电容器两端的电压不能突变，开关拔动瞬间。此时，充电电流最大，，R上的电压也最大，。
③ 随着电容C上的电荷的积累，电压随之增大，而随之下降，所以也逐渐下降。
④ 最后，，，= 0，充电结束。
（2）波形
电容器的充电速度与R和C的关系：电容C越大，上升就越慢；电阻R越大，上升就越慢。

时间常数：R和C的乘积称为RC电路的时间常数 t 。单位为s（秒）。
充电时间可以用时间常数t 来衡量，t 大则慢，t 小则快。
2．RC电路的放电过程
（1）放电过程原理
① 开关S重新合到B点，电容器将通过电阻R放电。
② 开始瞬间，电容器两端的电压不能突变，。此时，放电电流最大，。
③ 随后，按指数规律下降，也随之下降。
④ 最后，，= 0，放电结束。
（2）波形

放电时间可以用时间常数t 来衡量，t 大则慢，t 小则快。
14.2.2RC微分电路
1．电路组成

电路应具有如下条件：
（1）输出信号取自RC电路中电阻R的两端，即。
（2）电路的时间常数t 应远小于输入的矩形波脉冲宽度，即 t <<。
2．工作原理

（1）当时，，。
（2）在的瞬间，由0突变为，立即有充电电流通过R和C。由于电容电压不能突变，此时= 0，故，即输出电压由0跳为。
（3）在期间，输入电压保持不变，由于时间常数t 很小，所以电容C被快速充电，上升很快。而输出电压迅速下降。在之前，很快到达，而迅速下降为0，形成一个正的尖峰脉冲波。
（4）在时，从跳变到0，由于电容两端电压不能突变，仍为。所以，-。
（5）在时刻以后，同样因为电路时间常数 t 很小，电容迅速放电，很快由-上升到0，形成一个负的尖峰脉冲波。
3．电路特点
微分电路能对输入脉冲起到“突出变化量，压低恒定量”的作用。
14.2.3RC积分电路
1．电路组成

电路应具有如下条件：
（1）输出信号取自RC电路中电容C的两端，即。
（2）电路的时间常数 t 应远大于输入的矩形波脉冲宽度，即 t >>。
2．工作原理

（1）在时刻，由0跳变为，由于电容电压不能突变，此时= 0，故。
（2）在期间，输入电压保持不变，电容C被充电，按指数规律上升。因为电路时间常数 t 很大，所以充电速度缓慢，可近似认为线性增长。
（3）在时，从下跳变到0，相当于输入端短路，电容C通过R开始放电，输出电压下降，直到下一矩形脉冲到来。
3．电路特点
积分电路能对输入脉冲起到“突出恒定量，压低变化量”的作用。
4．积分电路的应用
（1）将矩形脉冲变换成近似的三角波。
（2）将上升沿、下降沿陡峭的矩形脉冲波变换成上升沿和下降沿较缓慢的矩形脉冲，使跳变部分“延缓”，也称为“积分延时”。
（3）从宽窄不的脉冲串中，把宽脉冲选出来。
例14-1图示电路中，R = 20 kW，C = 200 pF，若输入f = 10 kHz的连续方波，问此电路是RC微分电路，还是一般的RC耦合电路？

解先求电路的时间常数 t
t = RC =
再求方波的脉宽。因为方波脉宽为周期的一半，即

由上面计算知，，这是微分电路。
例14-2图示电路中，若C = 0.1 mF，输入脉冲的宽度=0.5 ms，欲组成积分电路，电阻R至少应为多少？

解组成积分电路必须 t ≥3，即RC≥3
则R≥
可见，电阻R至少为15 kW。

（实验演示）

（分析现象）

（引导学生参考教材资料）

（引导学生参考教材资料）

（引导学生分析工作原理）

（讲解）

（引导学生分析工作原理）

（讲解）

（引导学生分析原理）

（讲解）

（学生练习完成）

练习
1．常见的脉冲波形有哪些？
2．RC微分电路和积分电路有哪些异同？

小结
1．常用的脉冲波形有：矩形波、锯齿波、钟形波、尖峰波、阶梯波。
2．RC微分电路能对输入脉冲起到“突出变化量，压低恒定量”的作用。
3．RC积分电路的工作特点是在输入矩形脉冲的稳定部分，输出电压有明显变化，而在输入矩形脉冲的跳变时刻，输出电压保持不变。它对输入脉冲信号起到“突出恒定量，压低变化量”的作用。

布置作业
P257习题十四
14-3，14-4。

课题
14.3多谐振荡器

课型
新课
授课班级

授课时数
2

教学目标
知道多谐振荡器的作用，理解多谐振器的工作原理。

教学重点
1．多谐振荡器的概念。
2．几种多谐振荡器的电路组成和工作原理。

教学难点
与非门多谐振荡器的工作原理。

学情分析

教学效果

教后记

新课
A．引入
多谐振荡器具有两个暂稳态，它不需要外加触发信号，就能在两个暂稳态之间自行转换，产生特定频率和脉宽的矩形脉冲。
Ｂ．新授课
14.3多谐振荡器
14.3.1与非门基本多谐振荡器
1．电路组成

2．工作原理
（1）第一暂态电路对称差异的必然存在，导致正反馈过程发生，形成第一稳态。正反馈过程如下：假设与非门的输出电压高一些。

使与非门输出低电平，即0态；与非门输出高电平，即1态。此为第一暂态。
（2）第二暂稳态由于电容、的充放电，第一暂态不稳定。门的输出高电平对电容充电；而通过门的输出电路进行放电。、的充放电路径如图所示。

、的耦合，引入一个正反馈过程：

使与非门输出高电平，即1态；与非门输出低电平，即0态。此为第二暂稳态。
（3）再经过电容、的充放电，电路又将从第二暂稳态，返回到第一暂稳态。如此循环。产生波形如图。
3．振荡周期T的估算

其中
，C ==

14.3.2环形多谐振荡器
1．电路组成

三个非门首尾依次相连，构成一个闭环电路，所以称为环形多谐振荡器。
R、C：定时元件，决定振荡的周期和频率。
：非门的输入限流电阻。
2．工作原理
（1）第一暂态
初始
关闭，
开通，
通过C的耦合使，。
，通过C、R对C充电，使↓，↓→。
（2）第二暂态
= 1使开，，= 1，C反充电，↑，到达开门电平，开。
（3）返回第一暂态
vO = 0。
3．环形振荡器的振荡周期T
T » 2.2 RC
14.3.3石英晶体多谐振荡器
（1）电路符号

（2）电抗特性

（3）电路图

（4）特点
石英晶体相当于一个RLC串联谐振电路。在谐振频率下，阻抗最低，正反馈最强，易于起振；而在其他频率下，阻抗很高，阻止振荡，所以石英晶体可起选频作用。
石英晶体多谐振荡器能产生极其稳定的高频率的矩形脉冲信号。在数字系统中，常用作系统的基准信号源。

（引导学生分析工作原理）

（讲解）

（讲解）

练习
1．微分电路通把矩形脉冲变换成_____脉冲波，积分电路能把矩形脉冲变换成_____波。
2．多谐振荡器是一种能输出矩形的_____器，电路能_____之间自行变换，没有_____状态，所以又称_____。

小结
1．多谐振荡器不需要外加触发信号系统，它在接通电源后，能自动反复地输出一定脉宽的矩形脉冲，常用于产生矩形脉冲信号。
2．多谐振荡器有：与门基本多谐振荡器、环形多谐振荡器和石英晶体振荡器。

布置作业
P257习题十四
14-6。

课题
14.4单稳态触发器

课型
新课
授课班级

授课时数
2

教学目标
1．知道单稳态触发器的作用。
2．会分析单稳态触发器的工作原理。
3．了解单稳态触发器集成电路的应用。

教学重点
单稳态触发的作用、工作原理。

教学难点
工作原理。

学情分析

教学效果

教后记

新课
A．引入
单稳态触发器是只有一个稳定状态的触发器，而另一个是暂稳态。如果没有外来触发信号，电路将保持这一稳定状态不变。

新课
B．复习
多谐振荡器作用。
C．新授课
14.4单稳态触发器
14.4.1微分型单稳态触发器
1．电路组成

门的输出电压经过R、C组成的微分电路，耦合到门的输入端，故称微分型单稳态电路。
2．工作原理
（1）电路的稳态
无触发信号时，是高电平，门的输入信号为低电平0，输出为高电平1态，而门的输出电压为低电平0态，这是电路的稳态。
（2）电路的暂稳态
当输入端A加入低电平触发信号时，门的输出电压为高电平1态，通过电容C耦合，门的输入端B处的信号是高电平1。输出信号为低电平0态。触发器翻转到暂稳态。
（3）暂稳态期间
与非门的输出电压为高电平，它通过C、R到接地端，对电容C充电。随电容电压的升高，充电电流逐渐变小。因此，电阻上的电压也逐渐下降。
（4）自动恢复为稳态
当B端的电平下降到与非门的关门电平时，门关闭，输出电压又跳为高电平。它反送到门的输入端。由于触发负脉冲的宽度很窄，A点已恢复高电平。下跳为低电平，电路又恢复稳态。
3．波形图

14.4.2集成单稳态触发器
集成组件CT74121单稳态触发器。
1．外引线排列及引出端符号

Q：暂稳态正脉冲输出端；：暂稳态负脉冲输出端。
：正触发输入端；、：两个负触发输入端。
：外接电容端；：内电阻端。/为外接电阻和电容的公共端。
：电源端；GND为接地端；NC为空脚。
2．逻辑功能及简要说明
（1）功能表
输 入
输 出
说 明

Q

0
´
1
0
1
稳 态
×
0
1
0
1
×
´
0
0
1
1
1
´
0
1
↓
1
1

暂态
1
↓
1
↓
↓
1
0
´
↑
×
0
↑
说明：´ 表示任意值；¯ 表示电平从高到低的跳变；­ 表示电平从低到高的跳变；“高”表示高电平脉冲；“低”表示低电平脉冲。
（2）触发方法
① 如果、、的初始状态为111，那么，当或上加上负跳变电压，或者在这个两个输入同时加负跳变电压，则电路翻转为暂态。
② 如果、、的初始状态为0 ´ 0或者为´00，则在端加上正跳变触发电压，电路就由稳态翻转为暂态。
（3）定时元件R、C的接法

（a）为外接电阻的接法；（b）为内电阻的接法。
脉冲宽度估算：

14.4.3单稳态触发器的应用
1．脉冲信号的整形
脉冲的整形，是把波形不规则的输入脉冲输入单稳态触发器，在输出端获得具有一定的宽度和幅度、前后沿比较陡峭的矩形脉冲波。
（1）方框原理图

（2）工作波形图

2．延时
（1）方框原理图

（2）工作波形图

3．定时
（1）方框原理图

（2）工作波形图

（引导学生分析工作原理）

（引导学生参考教材资料）

（讲解）

（讲解）

（引导学生分析完成）

练习
1．单稳态触发器只有____状态，在触发脉冲作用下，从____状态转换到____，经过一段时间，电路又自动返回____状态。
2．单稳态触发器在数字脉冲电路中，常用于脉冲的____和____、____。

小结
1．单稳态触发器是一个稳态和一个暂稳态，它在外加触发脉冲的作用下，能从稳态翻转到暂态，经过一段时间的延迟后，触发器自动地从暂稳态翻转回稳态，从而输出一个具有一定脉冲宽度的矩形波。
2．单稳态触发器主要应用于：脉冲信号的整形、延时、定时等。

布置作业
P258习题十四
14-10，14-11。

课题
14.5施密特触发器

课型
新课
授课班级

授课时数
2

教学目标
1．了解施密特触发器的特性。
2．熟悉施密特触发器的应用。

教学重点
施密特触发器的应用。

教学难点
施密特触发器的逻辑功能及其应用。

学情分析

教学效果

教后记

A．引入
施密特触发器是脉冲数字系统中常用的电路，电路的特点是具有两个稳态，电路从第一稳态翻到第二稳态，而后再从第二稳态翻回到第一稳态，两次所需的触发电平存在回差。

新课
B．复习
1．单稳态触发器的作用。
2．单稳态触发器的应用。
C．新授课
14.5施密特触发器
14.5.1用集成与非门组成的施密特触发器
1．电路组成
（1）组成电路

由三个与非门、、和一个二极管VD组成。
和构成基本RS触发器，二极管VD起到电平移动作用，用来产生回差电压。
（2）逻辑符号

2．工作原理

与非门的开关电平为1.4 V，二极管导通电压为0.7 V。
（1）初始稳定状态——第一稳态
，门输出高电平1，；高出一个二极管的正向导通电压0.7 V，所以，为小于1.4 V门坎电压的低电平0。则输出电压为高电平1，而为低电平0。这是电路的第一稳态。（Q = 1，= 0）。
当上升，只要 < 1.4 V，则，故RS触发器保持1态不变，即电路保持第一稳态。
（2）电路的第一次翻转
当上升至1.4 V时，门输出端，而仍比高0.7 V，保持高电平1态。于是RS触发器被置0，则输出电压由高电平1翻转为0态。此是电路的第二稳态。（Q = 0，= 1）。
继续升高，电路将保持第二稳态不变。
（3）电路的第二次翻转
当下降至1.4 V以下时，门输出端，而仍比高0.7 V，保持高电平1态。于是RS触发器保持0态不变，即电路维持第二稳态不变。
当下降至0.7 V以下时，门输出端，。电路将翻转1态。电路重返第一稳态：Q = 1，= 0。
3．回差特性
电路两次触发电平存在差值，即是施密特触发器的回差现象。
回差电压：上升触发电压，下降触发电压。两次触发电平的差值称为回差电压。

施密特触发器这种固有的特点，称为回差特性，也称为滞回特性。
施密特触发器的回差特性曲线，也称电压传输特性曲线。如图所示。

14.5.2集成施密特触发器
1．TTL集成施密特触发器
（1）型号、外引线排列
CT74LS14：六反相器。图（a）所示。
CT74LS132：四2输入与非门。图（b）所示。

（2）主要参数
上升触发电压；下降触发电压；电源电压等。
2．CMOS集成施密特触发器
CC40106：六反相器。图（a）所示。
CC4093：四2输入与非门。图（b）所示。

14.5.3施密特触发器的应用
1．波形变换
施密特触发器可以把连续变化的输入电压变换为矩形波输出。

2．脉冲整形
（1）整形电路
脉冲信号在传输过程中，会变得不规则。用施密特触发器整形，可以使它恢复为合乎要求的矩形脉冲波。

（2）整形波形

3．幅度鉴别
（1）电路构成

（2）输出与输入关系
只有输入信号的幅度大于上升触发电压，才能使电路翻转，从而有脉冲输出。否则，没有矩形脉冲输出。这样，就达到鉴别输入信号幅度大小的目的。

4．组成单稳态电路

（1）没有外加触发信号时，图中的A端为高电平，所以输出为低电平，这是电路的稳态。
（2）当输入负触发脉冲信号时，由于电容C上的电压不能突变，A点的电平也随之跳为负电平，输出就翻转为高电平，电路进入暂稳态。
（3）暂稳态期间，电源对电容C充电，A点电平升高，当A点电压上升到上升触发电平时，电路状态又发生翻转，输出低电平，暂态结束，电路返回稳定状态。
5．组成多谐振荡器

（1）接通电源瞬间，= 0，输出电压为高电平。输出电压对电容C充电, 上升，当达到上升触发电平时，电路翻转，输出电压跳变为低电平。
（2）由此电容放电，下降。当下降到触发电平时，电路发生翻转，输出电压跳变为高电平。如此反复，形成振荡。

（分析工作原理）

（讲解）

（讲解）

（学生参考教材）

（讲解）

（学生参考教材）

练习
施密特触发器有_____，电路从_____翻转到_____，然后再从_____番到_____，两次翻转所需的_____是不同的。

小结
1．施密特触发器有两个稳定状态，电路状态的维持和翻转，由外加的输入电平决定。两个翻转的触发电平不同，形成回差电压。
2．施密特触发器具有回差特性，可以进行波形变换、整形、鉴幅以及构成多谐振荡器等。

布置作业
P258习题十四
14-12。

课题
14.6555集成定时器

课型
新课
授课班级

授课时数
2

教学目标
1．了解555集成电路引脚。
2．了解555组成的单稳态电路和施密特电路的工作原理。

教学重点
555组成的单稳态电路和施密特电路的工作原理。

教学难点
555集成电路的等效电路与功能表。

学情分析

教学效果

教后记

A．引入
555时基电路开始出现时，通常作为定时器应用，所以称为555定时器或555时基电路。
优点：工作可靠，使用方便、价格低廉。

新课
用途：可用作定时控制；用于调光、调温、调压、调速等多种控制；组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路等。
B．新授课
14.6555集成定时器
14.6.1电路组成
1．电路结构

电路可分为电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器和输出缓冲级等部分。
2．外引线排列图

14.6.2工作原理
1．电阻分压器和电压比较器
电阻分压器由三个等值电阻R组成，对电源电压分压。
比较器的“-”端：；比较器的“+”端：
当进入TH的电压大于时，比较器输出高电平1；
若加在的电压小于，比较器也输出高电平1。
2．基本RS触发器
（1）当= 1，= 0，即R = 1，S = 0时，Q = 0，= 1；
（2）当= 0，= 1，即R = 0，S = 1时，Q = 1，= 0；
（3）当= 0，= 0，即R = 0，S = 0时，RS触发器保持原态不变；
（4）如果，则Q = 0。为直接置0端，平时应接高电平1。定时器的输出OUT = Q。
3．放电管V和输出缓冲器
（1）若Q = 0，= 1，放电管的栅极为高电平，V导通。
（2）若Q = 1，= 0，放电管的栅极为低电平，V截止。
输出端的反相器构成输出缓冲器。主要作用是提高电流驱动能力，同时还可隔离负载对定时器的影响。
（3）功能表
复位
高触发端TH
低触发端
输出OUT
放电管V
0
×
×
0
导通
1
>2/3
>1/3
0
导通
1
<2/3
>1/3
不变
不变
1
<2/3
<1/3
1
截止
14.6.3集成定时器的应用
用7555定时器可构成单稳态电路。
（1）电路组成

R、C：定时元件；高触发端TH与放电端DIS相连；输入触发电平加于低触发端处，低电平有效；OUT为信号的输出端。
（2）工作原理
① 电路的稳态
接通电源后，电源电压对电容C充电，电压上升。当高达时，输出电压为低电平0。同时，放电管V导通，电容对过放电端DIS放电。电路进入稳态，输出低电平0。
② 低电平触发，电路翻转，进入稳态
当低电平到来时，端的电平小于。电路的输出将发生翻转，由低电平0变为高电平1。同时，放电管截止，电源对电容C充电。定时开始，直到电容上的电压升高到，这时暂态结束。
③ 自动返回稳态的过程
电容上的电压上升到后，定时器自动复位，输出电平由1翻转为0。电路重返稳定状态。
（3）工作波形

输出脉冲宽度：
» 1.1 RC
14.6.4集成定时器的其他应用
1．路灯自动控制器

（1）白天因光线亮，光电三极管3DU的C—E间电阻下降，高触发端⑥脚将大于，定时器的输出端③脚为低电平，所以灯L不亮。
（2）天黑时，光电管C—E间电阻增大，使低触发端②脚电压小于，于是③脚为高电平，灯发光。
2．60 s定时电路

当按下定时按钮SB时，低触发端②脚就输入了一个小于的负脉冲，输出端③脚输出高电平，发光二极管LED亮。而定时器中的放电管V则截止，电源对电容C充电。当电容上电压升高到时，定时器翻转，③脚输出低电平，LED灭，表示定时结束。

（讲解）

（引导学生分析工作原理）

（讲解）

（学生参考教材）

（引导学生分析）

（学生参考教材）

练习
555定时器可由_____、_____、_____和_____等组成。

小结
555集成定时器是一种功能灵活多样，使用方便的集成器件。可以用作脉冲波的产生和整形，也可用于定时或延时控制，广泛地用于各种自动控制电路中。

布置作业
P258习题十四
14-13。

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