脉冲波形的产生与整形.docx

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脉冲波形的产生与整形

第6章脉冲波形的产生与整形

§6.1概述

§6.2施密特触发器（2学时）

§6.3单稳态触发器（1.5学时）

§6.4多谐振荡器（1.5学时）

§6.5555定时器及其应用（3学时）

【教学目的】

通过本章学习，让学生掌握施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工作原理、工作波形以及参数计算；掌握555定时器电路结构及其应用；掌握基本脉冲电路的设计。

【教学重点】1、施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工作特点；2、555定时器电路结构与功能以及典型应用。

3、555定时器的典型应用。

【教学难点】上述典型电路的特点与应用。

【教学方法和手段】多媒体课堂教学

【课外作业】6.2，6.12，6.25，6.29

【学时分配】共8学时

【自学内容】压控振荡器

【教学内容】见下

第6章脉冲波形的产生与整形

§6.1概述

在数字电路或数字系统中，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；另一种则是对已有信号进行整形，使之满足系统的要求。

脉冲波形的整形电路中，最常用的有施密特触发器和单稳态触发器电路；脉冲波形的产生电路中，最常用的有多谐振荡器电路。

施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器可以用基本门组成，也可以用555定时器构成。

脉冲波形的形式多种多样，本章主要介绍矩形脉冲波形的产生和整形电路。

§6.2施密特触发器

6.2.1特点与电压传输特性

一、特点

施密特触发器是典型的脉冲整形电路。

施密特触发器在性能上有两个重要特点：

第一为电平触发：

触发信号UI可以是变化缓慢的模拟信号，UI达某一电平值时，输出电压UO突变。

所以UO为脉冲信号。

第二为电压滞后传输：

输入信号UI从低电平上升过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与UI从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同。

利用上述两个特点，施密特触发器不仅能将边沿缓慢变化的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，还可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声信号有效地清除。

二、电压传输特性

1、同相传输特性

同向传输特性和图形符号如图6.2.1（a）所示

图6.2.1施密特触发器的电压传输特性（a）同相传输特性（b）反相传输特性

1）当UI=0时，UO=UOL；

2）当UI上升到大于等于VT+时，UO突变为UOH；

3）当UI从最大值下降到小于等于VT-时，UO突变为UOL

VT+是UI上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平，称为正向阈值电平；

VT-是UI下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平，称为负向阈值电平。

2、反相传输特性

反相传输特性和图形符号如图6.2.1（b）所示：

1）当UI=0时，UO=UOH；

2）当UI上升到大于等于VT+时，UO突变为UOL；

3）当UI从最大值下降到小于等于VT-时，UO突变为UOH

其中：

6-2-2用门电路构成施密特触发器

一、构成

用CMOS非门构成的施密特触发器

如图6.2.2所示。

二、工作原理

设UI是变化缓慢的三角波，其工作原理为：

1、UI=0V时，

＝0，UO1＝1，所以UO＝UOL，电路输出低电平。

2、UI上升时，

也上升；当UI上升使

趋于G1门的阈值电平VTH时，G1门和G2门处在要翻转的边缘；当UI上升使

＝VTH时，UO1＝0，UO1＝UOH≈VDD。

由此可求出此电路的正向阈值电平VT+。

因为这时有

所以

3、当UI从高电平下降时，

也下降；当UI下降使

趋于G1门的阈值电平VTH时，G1门和G2门又处在要翻转的边缘；当UI下降使

＝VTH时，UO1＝1，UO1＝UOL≈0。

由此可求出此电路的负向阈值电平VT－。

因为这时有

所以

将VDD＝2VTH代入上式后得

结果，UO波形如图6.2.3所示。

VT+与VT－之差定义为回差电压ΔVT，即

ΔVT＝VT+－VT-＝

常用TTL集成施密特触发器有7413等，常用CMOS集成施密特触发器有CC40106等。

6-2-3集成施密特触发器

施密特触发器应用十分广泛，所以市场上有专门的电路产品出售，称之为施密特触发门电路。

集成施密特触发器性能的一致性好，触发阈值稳定，使用方便。

一.CMOS集成施密特触发器

图6.2.4（a）是CMOS集成施密特触发器CC40106（六反相器）的引线功能图，表6.2.1所示是其主要静态参数。

图6.2.4集成施密特触发器CC40106和74LS14外引线功能图

表6.2.1集成施密特触发器CC40106的主要静态参数

电源电压VDDVT+最小值VT+最大值VT－最小值VT－最大值ΔVT最小值ΔVT最小值单位

52.23.60.92.80.31.6V

104.67.12.55.21.23.4V

156.810.847.41.65V

二.TTL集成施密特触发器

图6.2.4（b）是TTL集成施密特触发器74LS14外引脚图，其主要参数的典型值如表6.2.2所示。

TTL施密特触发器具有以下特点：

（1）输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作。

（2）对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿。

（3）带负载能力和抗干扰能力都很强。

表6.2.2TTL集成施密特触发器几个主要参数的典型值

器件型号延迟时间（ns）每门功耗（mW）VT+（V）VT－（V）ΔVT（V）

74LS14158.61.60.80.8

74LS132158.81.60.80.8

74LS1316.58.751.60.80.8

集成施密特触发器不仅可以做成单输入端反相缓冲器形式，还可以做成多输入端与非门形式，如CMOS四2输入与非门CC4093，TTL四2输入与非门74LS132和双4输入与非门74LS13等。

6.2.4施密特触发器的应用举例

一、用作接口电路

将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形，见图6.2.5。

二、用作整形电路

把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲，见图6.2.6。

图6.2.5慢输入波形的TTL系统接口图6.2.6脉冲整形电路的输入输出波形

三、用于脉冲鉴幅

将幅值大于VT+的脉冲选出，见图6.2.7。

图6.2.7用施密特触发器鉴别脉冲幅度

§6.3单稳态触发器

6.3.1单稳态触发器的特点

单稳态触发器具有下列特点：

第一，它有一个稳定状态和一个暂稳状态；

第二，在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；

第三，暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳定状态。

暂稳态时间的长短，与触发脉冲以及电源电压无关，仅决定于电路本身的参数。

单稳态触发器在数字系统和装置中，一般用于定时（产生一定宽度的脉冲）、整形（把不规则的波形转换成等宽、等幅的脉冲）以及延时（将输入信号延迟一定的时间之后输出）等。

6.3.2用门电路组成单稳态触发器

用门电路组成单稳态触发器有微分型和积分型两大类。

一、微分型单稳态触发器

1、构成

用CMOS或非门构成的微分型单稳态触发器如图6.3.1所示。

2、工作原理

此电路用负脉冲触发无效，只有在正的窄脉冲触发时，电路才有响应。

接通电源VDD不触发时，UI＝0，而UI2＝VDD＝1，所以UO2＝0。

故有自然稳态：

UO=0。

这时UI，＝0，UO1＝1≈VDD，自然稳态时，电容C两端均为VDD，C中无电荷。

C中无电荷，是稳态的标志。

触发时，UI＝1，UO1＝0，由于电容C两端的电压在触发瞬间不能突变，所以UI2＝0，使UO2＝1。

故有暂态：

UO=1。

接下来，C充电，充电回路为：

VDD→R→C→UO1，充电使UI2↑。

当UI2↑到等于G2门的阈值电平VTH时，UO2突跳为0，电路返回到自然稳态：

UO=0。

当UO=0时，UI，＝0，UI＝0（因为触发高电平已经消逝），所以UO1从“0”突跳为“1”（即上升了VDD）；由于电容C两端的电压瞬间不能突变，所以UI2也应该从VTH突跳为UI2＝VTH＋VDD；但实际上由于G2门输入端有钳位二极管，所以UI2实为UI2＝VDD＋0.7。

接下来，C放电，放电回路为：

UI2→VDD→UO1→C→UI2，放电使UI2↓，当UI2↓到等于VDD时（此时，C两端均为VDD，C中无电荷），电路稳定，保证UO=0。

根据以上的分析，即可画出电路中各点的电压波形，如图6.3.2所示。

3、输出电压脉宽TW的计算

由图6.3.1可知，TW等于UI2从0上升到VTH所对应的时间。

这里，电容C的充电时间常数τ=RC，起始值UI2（0+）=0，稳定值UI2（∞）=VDD，转换值UI2（TW）=VTH，带入RC过渡过程计算公式进行计算可得：

6.3.3集成单稳态触发器

一、TTL集成单稳态触发器74121的逻辑功能和使用方法

图6.3.3（a）是TTL集成单稳态触发器74121的逻辑符号，（b）是工作波形图。

该器件是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加以输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。

它有两种触发方式：

下降沿触发和上升沿触发。

A1和A2是两个下降沿有效的触发输入端，B是上升沿有效的触发信号输入端。

UO和

是两个状态互补的输出端。

Rext/Cext、Cext是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻Rext（阻值可在1.4～40kΩ之间选择）应一端接VCC（引脚14），另一端接引脚11。

外接定时电容C（一般在10pF～10μF之间选择）一端接引脚10，另一端接引脚11即可。

若C是电解电容，则其正极引脚10，负极接引脚11。

74121内部已经设置了一个2kΩ的定时电阻，Rint（引脚9）是其引出端，使用时只需将引脚9与引脚14连接起来即可，不用时则应让引脚9悬空。

表6.3.1是集成单稳态触发器74121的功能表，表中1表示高电平，0表示低电平，

集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法见图6.3.5，图（a）是使用外部电阻Rext且电路为下降沿触发连接方式，图（b）是使用内部电阻Rint且电路为上升沿触发连接方式（Rint=2KΩ）。

表6.3.1集成单稳态触发器74121的功能表

图6.3.4集成单稳态触发器74121的逻辑符号和波形图

二、主要参数

1、输出脉冲宽度tW

使用外接电阻：

tW≈0.7RextC

使用内部电阻：

tW≈0.7RintC

2、输入触发脉冲最小周期Tmin

Tmin=tW＋tre（tre是恢复时间）

图6.3.5集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法

（a）使用外接电阻Rext（下降沿触发）（b）使用内部电阻Rint（上升沿触发）

3、周期性输入触发脉冲占空比q

定义：

q=tW/T

式中T是输入触发脉冲的重复周期，tW是单稳态触发器的输出脉冲宽度。

最大占空比：

qmax=tW/Tmin

74121的最大占空比qmax，当R=2kΩ时为67%；当R=40kΩ时可达90%。

不难理解，若R=2kΩ且输入触发脉冲重复周期T=1.5μS，则恢复时间tre=0.5μS，这是74121恢复到稳态所必需的时间。

如果占空比超过最大允许值，电路虽然仍可被触发，但tW将不稳定，也就是说74121不能正常工作，这也是使用74121时应该注意的一个问题。

三、关于集成单稳态触发器的重复触发问题

集成单稳有不可重复触发型和可重复触发型两种。

不可重复触发的单稳一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束以后，它才能接受下一个触发脉冲而转入下一个暂稳态，如图6.3.6（a）所示。

而可重复触发的单稳态在电路被触发而进入暂稳态以后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个tW宽度，如图6.3.6（b）所示。

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（例如74221、74122、74123等）。

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。

6.3.4单稳态触发器的应用

一、延时与定时

1、延时

在图6.3.7中，U/O的下降沿比UI的下降沿滞后了时间tW，即延迟了时间tW。

单稳态触发器的这种将脉冲延时的作用常被应用于时序控制中。

2、定时

在图6.3.7中，单稳态触发器的输出电压U/O，用做与门的输入定时控制信号，当U/O为高电平时，与门打开，UO=UF，当U/O为低电平时，与门关闭，UO为低电平，这显示了单稳态触发器的定时选通作用。

显然，与门打开的时间是恒定不变的，就是单稳态触发器输出脉冲U/O的宽度tW。

二、整形

单稳态触发器还能够把不规则的输入信号UI，整形成幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲UO。

UO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，UO的宽度tW取决于暂稳态时间。

图6.3.8是单稳态触发器用于波形的整形的一个简单例子。

§6.4多谐振荡器

6.4.1多谐振荡器的特点

多谐振荡器也称自激振荡器，是产生矩形脉冲波的典型电路，常用来做脉冲信号源。

多谐振荡器没有输入端，接通电源便自激振荡。

多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此又称它为无稳态电路。

6.4.2用门电路组成多谐振荡器

一、电路组成

用门电路组成多谐振荡器的电路形式有多种，图6.4.1所示为对称式多谐振荡器，其中非门为TTL门电路。

二、工作原理

设某一时刻，电路出现UO1=0、UO2=1的状态，则有暂态Ⅰ：

UO1=0、UO2=1。

接下来，C1充电、C2放电.

C1充电等效回路：

UOH2（VCC+）→R2→C1→UOL1（VCC-），→C1充电使UI2↑。

C2放电等效回路：

C2→R1→UOL1（VCC-）→UOH2（VCC+）→C2，→C2放电使UI1↓。

C1充电→UI2↑=VTH时→G2导通→UO2=0→UI1=0→UO1=1时

出现暂态Ⅱ：

UO1=1、UO2=0。

接下来，C1放电、C2充电。

C2充电→UI1↑=VTH时→G1导通→UO1=0→UI2=0→UO2=1。

电路回到暂态Ⅰ。

就这样，循环往复，直到关机。

三、电压波形

图6.4.1所示多谐振荡器的工作电压波形如图6.4.2所示。

四、参数计算

当C1=C2=C；R1=R2=R时，参数计算如下。

1、脉冲宽度T1

由图6.4.2可知，T1等于UI2从0上升到VTH所对应的时间。

这里，电容C的充电时间常数τ=RC，起始值UI2（0+）=VIK，稳定值UI2（∞）=VDD，转换值UI2（T1）=VTH，带入RC过渡过程计算公式进行计算可得：

如果G1、G2为74LS系列反相器，UOH=3.4V，VIK=-1V，VTH=1.1V，T1≈0.65RC

2、脉冲间歇时间T2：

由于电路对称，所以T2＝T1

3、电路振荡周期T：

振荡周期T=T1＋T2≈1.3RC

4、电路振荡频率f：

f=1/T

5、脉冲占空比q：

定义：

脉冲宽度与脉冲周期之比为输出脉冲占空比，即q=（T1/T）100%

6.4.3．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。

在上面介绍的多谐振荡器中，由于其工作频率取决于电容C充、放电过程中电压到达转换值的时间，因此稳定度不够高。

这是因为第一，转换电平易受温度变化和电源波动的影响；第二，电路的工作方式易受干扰，使电路状态转换提前或滞后；第三，电路状态转换时，电容C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，因此频率稳定度不够高。

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。

一.石英晶体的选频特性

石英晶体本身的固有振荡频率（也称晶体的标称频率）常记为f0，由晶体本身的特性决定。

石英晶体的电抗频率特性和符号如图6.4.3所示。

当晶体的工作频率f＜f0时，晶体呈电容性，电抗值X≠0；当f＞fO时，晶体呈电感性，电抗值X≠0；当f＝fO时，晶体的电抗值X＝0。

石英晶体的选频特性极好，f0十分稳定，其稳定度可达10-10～10-11。

二.石英晶体多谐振荡器

常用的石英晶体多谐振荡器如图6.4.4所示，R1、R2的作用是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。

若是TTL门，常取R1=R2=0.7～2kΩ；若是CMOS门则常取R1=R2=10～100MΩ；C1=C2是耦合电容。

石英晶体工作在固有振荡频率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f=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。

§6.5555定时器及其应用

555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。

该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。

因而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（TTL类）和单极型（CMOS类）两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。

通常，双极型产品型号的后三位数字是555，单极型产品型号的后四位数字是7555，它们的结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。

6.5.1555定时器的电路结构与功能

一．555定时器的电路结构与工作原理

1．555定时器内部结构

图6.5.1555定时器电原理图和电路符号

（a）原理图（b）电路符号

555定时器内部结构可见电原理图6.5.1，其组成为：

（1）三个阻值为5kΩ的电阻组成分压器，分得的电压分别为VR1和VR2；

（2）两个电压比较器C1和C2，比较原理为：

v+＞v－，vo=1；

v+＜v－，vo=0。

（3）一个基本RS触发器，0触发有效。

（4）一个放电三极管TD。

2．工作原理

1、5脚（CO端）悬空时

当5脚悬空时，比较器C1的比较电压为

；比较器C2的比较电压为

。

（1）当U6>

，U2>

时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器被置0，输出端UO为低电平，放电三极管TD导通。

（2）当U6<

，U2<

时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS触发器被置1，输出端UO为高电平，放电三极管TD截止。

（3）当U6<

，U2>

时，比较器C1输出高电平，C2也输出高电平，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。

2、5脚（CO端）不悬空时

如果在外接电压控制端（5脚）施加一个外加电压UCO（其值在0～VCC之间），比较器C1的比较电压

；比较器C2的比较电压

。

由于比较器的参考电压发生了变化，所以电路的工作状态也将发生变化（读者可自行分析）。

另外，

端为复位输入端，当

＝0时，不管其它输入端的状态如何，输出Uo为低电平，即

的控制级别最高。

正常工作时，一般应将其接高电平。

二．555定时器的功能表

表6.5.1555定时器功能表

阈值输入（U6）触发输入（U2）复位（RD）输出（vO）放电管T

××00导通

<

<

11截止

>

>

10导通

<

>

1不变不变

555定时器的电源电压变化范围很宽，双极型的电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA，具有较大的驱动能力；单极型的电源电压范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下，驱动能力相对小一些，但它具有低功耗、输入阻抗高等优点。

6.5.2用555定时器构成的施密特触发器

一、电路组成及工作原理

555定时器构成的施密特触发器如图6.5.2（a）所示。

图6.5.2555定时器构成的施密特触发器

设UI是变化缓慢的三角波，其工作原理为：

1、UI=0V时，由于U6＝0<

，U2＝0<

，所以UO输出高电平。

2、当UI上升到

时，UO跳变为低电平。

当UI由

继续上升时，UO保持不变。

3、当UI下降到

时，UO跳变为高电平。

当UI继续下降到0V时，UO保持不变。

结果，UO波形如图6.2.2（b）所示。

二、电压滞回特性和主要参数

555定时器构成的施密特触发器的电压滞回特性如图6.2.3所示。

其主要静态参数为：

图6.5.3555定时器构成的施密特触发器的电路符号和电压传输特性

1、正向阈值电平VT+=

2、负向阈值电平VT－=

。

3、回差电压ΔVT=VT+－VT—=

若在电压控制端（5脚）外加电压UCO，则将有

和

。

，当改变UCO时，它们的值也将随之改变。

6.5.3．用555定时器构成单稳态触发器

一、.电路组成及工作原理

555定时器构成单稳态触发器如图6.5.4所示，它有一个触发端，低电平触发有效，工作原理如下：

1、无触发信号输入时电路工作在稳定状态

当电路无触发信号时，UI保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端UO保持低电平，555内放电三极管T饱和导通，管脚7“接地”，电容电压UC为0V。

2、UI下降沿触发

当UI下降沿到达时，555触发输入端（2脚）由高电平跳变为低电平，电路被触发，UO由低电平跳变为高电平，电路由稳态“0”转入暂稳态“1”。

图6.5.4用555定时器构成的单稳态触发器及工作波形

3、暂稳态的维持时间

在暂稳态期间，555内放电三极管T截止，VCC经R向C充电。

其充电回路为VCC→R→C→地，时间常数τ1=RC，电容电压UC由0V开始上升，在电容电压UC上升到阈值电压

之前，电路将保持暂稳态不变。

UC由0V上升到

所对应的时间即暂稳态的维持时间（tW）。

4、自动返回稳态

当UC上升至阈值电压

时，输出电压UO由高电平跳变为低电平，555内放电三极管T由截止转为饱和导通，管脚7“接地”，电容C经放电三极管对地迅速放电，电压UC由

迅速降至0V（放电三极管的饱和压降），电路由暂稳态重新转入稳态。

5、恢复过程

当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的三极管TD放电，时间常数τ2=RCESC，式中RCES是T的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此τ2之值亦非常小。

经过（3～5）τ2后，电容C放电完毕，恢复过程结束。

恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可以接收新的触发信号。

二、主要参数估算

1、输出脉冲宽度TW

输出脉冲宽度就是暂稳态维持时间，也就是定时电容的充电时间。

由图6.5.3（b）所示电容电压UC的工作波形不难看出UC（0+）≈0V，UC（∞）=VCC，UC（tW）=

，代入RC过渡过程计算公式，可得

上式说明，单稳态触发器输出脉冲宽度TW仅决定于定时元件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，即可方便的调节TW。

2、恢复时间tre

一般