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脉冲产生电路
第6章脉冲产生及整形电路
在数字电路或系统中，常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、控制过程的定时信号等。
这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：
一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种则是通过对已有信号进行变换，使之满足系统的要求。
本章以中规模集成电路555定时器为典型电路，主要讨论555定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器以及555定时器的典型应用。
概述
一、矩形脉冲的基本特性
非正弦波都可称为脉冲波，如矩形波、三角波、锯齿波、阶梯波、梯形波等。
CP信号是矩形波，用来协调整个系统工作，波形质量对系统有直接影响。
描述矩形波的主要参数有
tw
0.9Um
0.5UmUm
0.1Um
trtf
T
①脉冲幅度Um：
脉冲电压的最大幅度。
②脉冲宽度tw：
脉冲前沿的0.5Um到脉冲后沿的0.5Um所对应的一段时间。
③上升时间tr：
脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需要的时间。
④下降时间tf：
脉冲后沿从0.9Um下降到0.1Um所需要的时间。
⑤脉冲周期T：
在周期性脉冲而言，两个相邻的间隔时间。
⑥脉冲频率f：
单位时间内重复脉冲的次数。
（f=1∕T）⑦占空比D：
脉冲宽度tw与脉冲周期T之比。
（0～100%）
理想矩形波的trtf；
tw、Um、T应稳定不变。
（本节可自学）
二、集成555定时器
555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。
1972年由美国西格奈蒂克（SIGNETICS）公司开发出来后，以其成本低廉、容易使用，稳定性高、适应面广等特点而赢得了市场。
该电路在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩
具等许多领域中都得到了广泛的应用。
目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。
通常，双极型产品型号最后的三位数码都是555，CMOS产品型号的最后四位数码都是7555，它们的结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。
一般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时电路具有低功耗、输入
阻抗高等优点。
555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。
双极
型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源
电压变化范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下。
归纳起来有三种使用模式：
只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和双稳态触发器（施密特触发器）。
1555
VDD
⑥
UTH
UCO
⑤
定时器的电路结构与工作原理
⑧
④
RD
R
1
UR2
+
C2
≥1Q
-
R
84
67
7555
23
15
R
≥1
1
1
③
+
≥1
UO
②
UR1
C1
UTR
-
S
Q
T
R
⑦
D
①
1）．电路结构与引脚功能
①脚为接地端，②脚为低电平触发端，③脚为输出端（AD方式），④脚为强制复位端，⑤脚为电压控制端，⑥脚为高电平触发端，⑦脚为放电端，⑧脚为电源端。
（1）三个5kΩ的电阻组成的分压器。
提供两个参考电压：
当⑧接电源，①接地，
⑤脚悬空时，UR1
1
DD，UR2
2
DD；若⑤脚接电压，则UR1
=
1
CO，UR2CO。
=
3
V
=
V
U
=V
3
2
（2）电压比较器C1、C2。
若⑥脚电压UTH＞UR2，则比较器C2输出高电平，即R=1。
否则，R=0；
若②脚电压UTR＜UR1，则比较器C1输出高电平，即S=1。
否则，S=0。
（3）基本RS触发器。
由或非门构成（也可以是与非门），根据比较器的输出结果决定Q、Q的状态。
（4）NMOS放电管T。
T导通时，①与⑦相当于开关闭合，若有外接电容，则放电。
T截止时，①与⑦相当于开关断开。
⑦脚也可以视为OD方式的输出端，逻辑电平与③脚一致。
④脚强制复位端。
当④脚为0，③脚输出为0，①与⑦经T接通。
当然也使RS
触发器的Q=0。
不用时应接高电平，通常接正电源。
2．555的功能
输入
输出
④脚
⑥脚
②脚
③脚
⑦对①
L
×
×
L
ON
H
×（注）
＜VDD∕3
H
OFF
H
＞2VDD∕3
＞VDD∕3
L
ON
H
＜2VDD∕3
＞VDD∕3
保持原状态
注：
三个输入端的优先顺序为4，2，6。
（也有4，6，2的产品）
6.1施密特触发器
一、用555定时器组成的施密特触发器
具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。
1.电路组成
ui
VDD
VDD
8
4
2VDD
3
6
7
VDD
3
uI
7555
uO
O
t
2
3
uo
15
C0.01
Ot
2．工作原理（根据功能表）
（1）uI=0V时，②脚电平＜VDD∕3，输出uO为高电平。
uI上升到＞VDD∕3，且＜2VDD∕3时，输出仍保持高电平。
（2）当uI上升到（使⑥脚电平）≥2VDD∕3时，uO输出低电平。
uI继续上升，uO保持不变。
uI重新下降时，到等于VDD∕3之前，uO都保持不变。
（3）当uI下降到VDD∕3时，输出uO跳变为高电平。
而且在uI继续下降到0V时，电路的这种状态不变。
3.电压滞回特性
uO
ui
uO
从上述分析看出：
ui从低到高变化，使电路改变状
UOH
态对应的电压是2VDD，用U+表示；
3
ui从高到低变化，使电路改变状
回差电压
态对应的电压是1
-表示。
3VDD，用U
UOL
ui
两者的差值称回差电压
U。
O
2VDD
U=U+U-
VDD
3
3
U越大，电路的抗干扰能力
越强，但灵敏度降低。
施密特触发器有专用的集成电路，TTL系列的有74LS14、74LS132等产品，CMOS系列的有CC40106、CC14093等产品。
内部还增加了温度补偿、缓冲输出等电路，性能优良，应用广泛。
一般电子产品应用时，可选555构成的施密特触发器，价格低廉。
在要求较高的场合应选专用的集成施密特触发器。
用当555当基本RS触发器。
R
R
S
VDDVDD1
84
67Q
555
23Q
15
6．1．2集成施密特触发器
一、CMOS集成施密特触发器——CC40106、CC4093
1．引出端功能图P403
2．主要静态参数二、TTL集成施密特触发器
1．引出端功能图P4047414（74LS14）——六反相缓冲器
74132（74LS132）——四2输入与非门
7413（74LS13）——双4输入与非门
2．主要参数典型值
6.1.3施密特触发器的应用
1．波形变换
可将三角波、正弦波变换成矩形波。
2．脉冲波的整形
脉冲波在传输过程中可能发生畸变、附加噪声，整形后可获得较理想的矩形脉冲波
3．脉冲鉴别
将幅度不同、不规则的脉冲信号输入到施密特触发器，能选择幅度大于U+的脉冲信号输出。
ui
U+
U-
Otuo
Ot
除去噪声
ui
U+
U-
Ot
uo
Ot
脉冲整形
ui
U+
U-
Ot
uo
Ot
脉冲鉴别
6.3多谐振荡器
多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。
多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。
6.3.1用555定时器构成的多谐振荡器
一.电路组成和工作原理
1.电路组成
由555定时器构成的多谐振荡器如图所示，R1、R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1、R2的连接处。
2.工作原理
由于接通电源瞬间,电容C来不及充电，电容器两端电压uC为低电平小于
（1/3）VCC，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管V截止。
这时，电源经R1、R2对电容C充电，使电压uC按指数规律上升，当uC上升到（2/3）VCC时，输出uo为低电平，放电管V导通，我们把uC从（1/3）VCC上升到（2/3）VCC这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。
充电时间常数τ充=（R1+R2）C。
由于放电管V导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二暂稳态。
其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关,放电时间常数τ放=R2C。
随着C的放
电,uC下降，当uC下降到（1/3）VCC时，输出uo为高电平，放电管V截止，VCC再次对电容C充电，电路又翻转到第一暂稳态。
不难理解，接通电源后，电路就在两个
暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。
电路一旦起振后，
uC电压总是在（1/3～
2/3）VCC之间变化。
图为工作波形。
uc
VCC2/3VCC
R1
1/3VCC
8
4
7
3
u0
o
t
R26
555
uo
uc
2
5
C
1
0.01μF
tPL
tPH
o
t
（a）555定时器构成多谐振荡器电路
（b）工作波形
555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形
二、参数的估算
首先计算电路的振荡周期T
根据uC（t）的波形图可以确定振荡周期，T=Tw1+Tw2
1.充电时间tw1
w1时间的求取可以通过过渡过程公式，
Tw1
对应充电时间，时间常数
τ=（R12
，
T
CC，无穷大值uC
∞
CC，当t=Tw1
时，uC
+R）C
初始值为uC
（
w1
CC，
（0+）=（1/3）V
）=V
（T）=（2/3）V
代入过渡过程公式，可得
uC（
uC（0
VCC
1VCC
tw1
）
）
（R1
R2）Cln
3
ln
uC（Tw1）
2
uC（
）
VCC
VCC
3
（R1
R2）Cln20.7（R1
R2）C
2.放电时间
tw2
，初始值为C
CC，无穷大值uC
tw2
对应放电时间，时间常数τ
2
=RC
u（0+）=（2/3）V
（∞）=0V，当t=tw2时，uC（tw2）=（1/3）VCC，代入过渡过程公式
uC（
）
uC（0
）
0
2VCC
tw2ln
R2Cln
3
uC（
uC（TPL）
1
）
0
VCC
3
R2Cln2
0.7R2C
3.振荡频率
周期T=tw1+tw2=0.7（R1+2R2）C
振荡频率f=1/T
显然，改变R1、R2和C的值，就可以改变振荡器的频率。
如果利用外接电路改
变5号端的电位，则可以改变多谐振荡器触发端的电平，从而改变振荡周期T。
图
所示的多谐振荡器电路，由于电容充、放电途径不同，因而C的充电和放电时间常数不同，使输出脉冲的宽度tw1和tw1也不同，在实际应用中，常常需要调节tw1和tw1。
在此，引进占空比的概念。
4．占空比
输出脉冲的占空比为
tw1
Tw1
R1
R2
100%
q
Tw1Tw2
100%
2R2
T
R1
由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响较小。
上述电路的TPH≠TPL，而且占空比固定不变。
5.占空比可调的多谐振荡器
如果将电路改成如图所示的形式，电路利用VD1、VD2单向导电特性将电容C充、放电回路分开，再加上电位器调节，便构成了占空比可调的多谐振荡器。
图中，VCC通过RA、VD1向电容C充电，充电时间为tw1=0.7RAC
电容C通过VD2、RB及555中的晶体管V放电，放电时间为
tw2=0.7RBC
因而振荡频率为
1
1
1.43
f
tW1tW2
（RARB）C
T
可见，这种振荡器输出波形的占空比为
RA
q100%
RARB
图占空比可调的方波发生器
如果调节电位器使RA=RB，可以获得50%的占空比,即输出对称的矩形波。
6.3.2石英晶体多谐振荡器
在许多数字系统中，都要求时钟脉冲频率十分稳定，例如在数字钟表里，计数脉冲频率的稳定性，就直接决定着计时的精度。
上述的多谐振荡器，由于其工作频率取决于电容C在充、放电过程中，电压到达转换值的时间，因此稳定度不够高。
原因有三：
①转换电平易受温度变化和电源波动的影响；②电路的工作方式易受干扰，从而使电路状态转换提前或滞后；③电路状态转换时，电容充、放电的过程已经比较缓慢，转换电平的微小变化
或者干扰，对振荡周期影响都比较大。
一般在对振荡器频率稳定度要求很高的场合，都需要采取稳频措施，其中最常
用的一种方法，就是利用石英谐振器（简称石英晶体或晶体），构成石英晶体多谐振荡器（石英晶体的选频特性已在模拟电子技术中介绍过）。
有两种形式：
（1）串联式振荡器
R1、R2的作用：
使两个反相器在静态时都工作在转折区，成为具有很强放大能力的放大电路。
G1
C
G2
1
1
uO
C
R
R
对于TTL门，常取R1=R2=R=0.7～2kΩ，若是CMOS门则常取R1=R2=10～100MΩ；C1=C2=C是耦合电容。
石英晶体工作在串联谐振频率f0下，只有频率为f0的信号才能通过，满足振荡条件。
因此，电路的振荡频率=f0，与外接元件R、C无关，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。
（2）并联式振荡器
R=10M
F是偏置电阻，保证在静态时使G1工作
R
G1
G2
在转折区，构成一个反相放大器。
1
1uO
晶体工作在fS与fP之间，相当于电感，与
C1、C2共同构成电容三点式振荡电路。
电路的振荡频率=f0。
反相器G2起整形缓冲作用，同时G2还可
C2
C1
以隔离负载对振荡电路工作的影响。
20pF
5～50pF
6.3.3多谐振荡器应用举例
模拟声响电路等电路
例题:
电路如图所示，其中R1=47kΩ;R2=39kΩ,C=12μf
1.画出Q0;Q1;的波形
2.求输出波形Q2的频率
6.2单稳态触发器
单稳态触发器的特点是电路有一个稳定状态和一个暂稳状态。
在触发信号作用下，电路将由稳态翻转到暂稳态，暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态，并在输出端获得
一个脉冲宽度为tw的矩形波。
在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw就是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路的参数值。
6.2.1用555定时器构成的单稳态触发器
一、电路组成及工作原理
由555构成的单稳态触发器电路及工作波形如图所示。
图中R、C为外接定时元件，输入的触发信号ui接在低电平触发端（2脚）。
稳态时，输出uo为低电平,即无触发器信号（ui为高电平）时，电路处于稳定状态—输出低电平。
在ui负脉冲作用下，低电平触发端得到低于（1/3）VCC触发信号，输出uo为高电平，放电管T截止，电路进入暂稳态，定时开始。
在暂稳态期间，电源+VCC→R→C→地，对电容充电，充电时间常数τ=RC，uC按指数规律上升。
当电容两端电压uC上升到（2/3）VCC后，6端为高电平,输出uo变为低电平，放电管V导通，定时电容C充电结束，即暂稳态结束。
电路恢复到稳态uo为低电平的状态。
当第二个触发脉冲到来时，又重复上述过程。
工作波形图如图所
示。
Ui
VCC
R
8
4
o
t
UoUc
7
3
2/3VCC
6
555
Ui
2
5
o
t
Uo
1
C
C
0.01μF
0.01μF
tW
o
t
（a）
单稳态触发器电路
（b）工作波形
二、参数计算
1．输出脉冲宽度tW
输入一个负脉冲，就可以得到一个宽度一定的正脉冲输出，其脉冲宽度tw取决于电容器由0充电到（2/3）VCC所需要的时间。
可得
uC（0+）≈0V，uC（∞）=VDD，uC（tW）2VDD，代入一阶电路的三要素公式，可得
3
tW1lnuC（
）
uC（0）
1ln
VDD
2
0
＝1ln3≈1.1RC
uC（
）
uC（tW）
VDD
VDD
3
上式说明，单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅取决于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便地调节tW。
通常R的取值在几百欧至几兆欧之间，电容取值为几百皮法到几百微法。
2．恢复时间tre
一般取tre=（3～5）2，即认为经过3～5倍的时间常数，由于放电管的饱和电阻非常小，tre非常小。
需要指出的是，上图中输入触发信号uI的脉冲宽度（低电平的保持时间），必须小于电路输出uO的脉冲宽度（暂稳态维持时间tW），否则电路将不能正常工作。
因为当单稳态触发器被触发翻转到暂稳态后，如果uI端的低电平一直保持不变，那么555定时器的输出端将一直保持高电平不变。
6.2.2集成单稳态触发器
74121、74221、74LS221都是不可重复触发的单稳态触发器。
属于可重复触发的触发器有74122、74LS122、74123、74LS123等。
有些集成单稳态触发器上还设有复位端，通过复位端加入低电平信号能立即终止暂稳态过程，使输出端返回低电平。
例如74221、74122、74123等。
一、非重复触发单稳态触发器74121
非重复触发—只能在稳态接受输入信号。
1．符号
2.功能表
3.主要参数
1）输出脉宽tw:
tWRCln2
0.7RC
2）输入触发脉冲最小周期Tmin
TmintWtre
二、可重复触发单稳态触发器74122
可重复触发—在暂稳态期间,能够接受新的触发信号
2.功能表
当定时电容C>1000pF时
tW
0.32RC
6.2.3单稳态触发器应用
1．触摸定时控制开关
利用555定时器构成单稳态触发器，只要用手触摸一下金属片
P，人体感应电
压相当于在触发输入端（②脚）加入一个负脉冲，
555输出端（③脚）输出高电平，
灯泡（RL）发光，当暂稳态时间（tW）结束时，555输出端恢复低电平，灯泡熄灭。
该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由RC参数调节。
+6V
R
8
4
7
555
6
3
2
C
1
5
0.01
uI
1
uO
&
uFO
uF
图中，单稳态触发器的输出电压uO，用做与门的输入定时控制信号。
当uO为高电平时，与门打开，uFOuF；当uO为低电平时，与门关闭，uFO为低电平。
显然与
门打开的时间就是单稳态触发器输出脉冲uO的宽度tW，是恒定不变的。
uI
Ot
uOtW
Ot
uF
Ot
uFO
O
t
2．整形
单稳态触发器能够把不规则的输
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