第十章 脉冲波形的产生与整形 (1)

第十章 脉冲波形的产生与整形
10.1 概述
10.2 555定时器电路及其功能
10.3 施密特触发器 10.4 单稳态触发器
10.5 多谐振荡器
10.1
概 述
数字系统中除了组合逻辑电路和时序逻辑电路外， 还有一种脉冲电路。 脉冲电路主要的作用是 产生脉冲信号和进行脉冲信号的变换，本章就是叙 述这方面的内容。
vI升高时，在未到达2VCC/3以前，vo＝VOH的状态不 会改变。
+VCC 8 6 555
+VCC1 R 1
ui UT+ UT－
2VCC/3 VCC/3 t
0 4
7 3 5 C
uo1
ui
2 1 (a)
1
电路
0
uo uCO
控制电压 调节回差
uo
0
0
0 (b) 工作波形 t
∴ VT +
2 = VCC 3
二、功能
0
1
0
0
①R'D=0时， vo=0， TD导通。
VCO没接电压源
1
0
＞2VCC/3 ＞VCC/3 1 0
1 1 0 0
②R'D=1、UTH＞2VCC/3、UTR'＞VCC/3时，
vo=0， TD饱和导通。
1
1
＜2VCC/3 ＞VCC/3
不变
1
不变
不变
③R'D=1、UTH＜2VCC/3、UTR'＞VCC/3时， TD状态不变。 Q'、Q不变， vo不变，
1 1 ＜2VCC/3 ＜VCC/3 1 0 0 1
0
1
④R'D=1、UTH＜2VCC/3、UTR'＜VCC/3时， Q'=0、Q=1， vo=1， TD截止。
1 0 >2VCC/3 ＜VCC/3 1 1 0 1
0
1
⑤R'D=1、UTH>2VCC/3、UTR'<VCC/3时， Q'=Q=1， vo=1， TD截止。
为了提高比较器参考电压VR1和VR2的稳定性，通常在VCO端 接有0.01 μF左右的滤波电容。
1
6
+VCC 8 4 7 555 3 5 1
0
+VCC1 R
ui UT+ UT－
2VCC/3 VCC/3 t
uo1
ui
2
0
1
C
uo uCO
1
uo
0
控制电压 调节回差
0 (b) 工作波形
t
(a) 电路
(1) 当vI <VCC/3时，由于比较器vC1=1、vC2=0，触发器 置1，即Q＝1、 Q'＝0 ，vo＝VOH。
则电路稳态时， 电路 接通电源后
因此，通电后电路 便自动地停在vo = 0 的稳态。
2、电路的暂稳态
当触发脉冲的下降 沿到达时，使vI跳变到 1/3 Vcc以下，使vC2 = 0 (此时vC1 = 1)，触发器 被置1，vO跳变为高电 平，电路进入暂稳态。 与此同时TD截止， Vcc经R开始向电容C充 电。 当充电至vC = 2/3Vcc时， vC1变成0。如果这时输入端的触 发脉冲已消失，vI回到了高电平(vC2=1) ，则触发器将被置0， 于是输出返回vO= 0的状态。同时TD处于导通状态，电容C经TD 迅速放电，直至vC ≈0，电路恢复到稳态。
一、基本概念
从广义上说，凡是不具有连续正弦形状 1、脉冲： 的信号都可称为脉冲信号，如矩形波、三角波、 锯齿波等。
用来产生、变换、整形脉冲信号 2、脉冲电路： 的电路。
3、脉冲单元电路的组成有三种形式： (1) 由分立元件（三极管、R、L、C器件）组成。 (不讲）
(2) 由集成逻辑门及R、L、C器件组成。（不讲） (3) 由专用集成电路及R、L、C器件组成。 4、脉冲单元电路的主要形式为： (1) 施密特触发器 (2) 单稳态触发器 (3) 多谐振荡器
（2）vI >2VCC/3以后，比较器C1输出为0、C2输出为1，触 器置0，即Q＝0、Q '＝1 ，uo=VOL。 此后，vI上升到VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3以 前，vo＝0的状态不会改变。
+VCC 8 6 555
1
+VCC1
ui UT+ UT－
2VCC/3 VCC/3 t
4 7 3 5 C
反相输出
+VCC 8 6 555 2 1 4 7 3 5 C +VCC1 R
ui UT+ UT－
2VCC/3 VCC/3 t
uo1 uo uBaidu NhomakorabeaO
控制电压 调节回差
uo
0
ui
0 (b) 工作波形
t
(a) 电路 回差电压为 ΔVT = VT+ - VT- = 1/3Vcc
∴ VT +
2 = VCC 3
二、几种常见的脉冲波形
主要介绍： 1、555定时器电路及其功能 2、施密特触发器及其应用 3、单稳态触发器及其应用 4、多谐振荡器
三、脉冲波形参数
幅度、频率、相位 正弦信号可以用“三要素”完全描述：
脉冲信号 无法被完全 描述，只能 用一些参数 近似描述！
Vm
T
脉冲周期T：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的 时间间隔。用频率f = 1/T表示单位时间内脉冲重 复的次数。
vO
vI
vO
二、由555定时器构成的施密特触发器
将555定时器的TH（6）和TR'（2）两个输入端连在 一起作为信号输入端，即可得到施密特触发器。
VCC 8 4 6 555 3 2 1 5 0.01μF
vI
vo
由于比较器C1和C2的 参考电压不同，而输入电 压相同，因而SR锁存器的 置0信号（R＝0）和置1信 号（S=0）必然发生在输 入信号vI的不同电平。因 此，输出电压vO由高电平 变为低电平和由低电平变 为高电平所对应的vI值也 不相同，这样就形成了施 密特触发特性。
10.3 施密特触发器
一、施密特触发器特性
施密特触发器是一种脉冲信号的整形电路，它与一般触发 器一样，有两个稳定的工作状态，但它与前面第几章介绍的触 发器又有如下不同点： 1. 施密特触发器属于电平触发，缓慢变化的信号也可作为 触发输入信号， 当输入信号达到某一特定的阈值时， 输出电平 会发生突变， 也就是说施密特触发器会从一个稳态翻转到另外 一个稳态。 2. 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- ，也就是引起输出电平突变的输入电平不同，具有 滞后电压传输特性，此特性又称回差（滞回）特性。如图所示：
脉冲幅度Vm：脉冲电压的最大变化幅度。
tr
tf
0.9Vm 0.5Vm
0.1Vm tW T
Vm
脉冲宽度tW： 从脉冲前沿到达0.5 Vm起，到脉冲后沿到达0.5 Vm 为止的一段时间。 上升时间tr ： 脉冲上升沿从0.1 Vm上升到0.9 Vm所需要 的时间。 下降时间tf ： 脉冲下降沿从0.9 Vm下降到0.1 Vm所需要 的时间。 占空比q： 脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q = tW / T。
注意：三个测量点：0.1Vm、0.5Vm、0.9Vm。
10.2 555定时器电路及其功能
555定时器是一种常用的定时器集成电路芯片。它可以制作出 多种多样的实用电路。本节介绍其电路原理、功能及应用。
一、电路的组成
它有两个比较器C1和 C2，每个比较器的一个输 入端接到三个R电阻组成 的分压器上，输出分别接 SR锁存器输入端。 555集成电路的输出级 为推拉式结构， 此外芯片 内部还有一个集电极开路 的放电晶体管TD。
∴ VT
1 = VCC 3
如果参考电压由外接的电压Vco供给，则VT+ = Vco，VT= 1/2Vco，ΔVT= 1/2Vco。通过改变Vco值，可以调节回差电压 的大小。
三、施密特触发器的应用
1、用于波形变换 可以将正弦波、三角波 以及各种周期性的不规则的 波形变换成规范的矩形波。 常用作计数器的输入整形电 路，作为计数器的时钟。 2、用于脉冲整形 利用回差特性可以抑制 叠加在输入信号上的干扰， 使输出变成理想的矩形波。 3.用于脉冲鉴幅 为了选出有用信号，利用回差特性，使电路的上限触发电 平Vt+等于规定的鉴幅电压。
二、由555定时器构成的单稳态触发器
若以555定时器的vTR端作为触发信号的输入端，并将由TD 和Ｒ组成的反相器输出电压vc接至vTH端，同时在vTH对地接入电 容Ｃ，则构成了单稳态触发器。
VCC R vC vI C 8 4 7 6 555 2 3 1 5 0.01μF
vo
如果没有触发信号时，vI处于高电平, 一定处于vC1=vC2=1，Q=0，vO=0的状态。 1、电路的稳态 (1) 设Q = 0的状态 则TD导通vC≈ 0，故 vC1=vC2=1 ，Q = 0及 vO= 0的状态将稳定地维 持不变。 (2) 设Ｑ =1 的状态 这时TD一定截止，Vcc便 经R向C充电。当充到vC = 2/3Vcc时，vC1变为0，于 是将触发器置0。同时， TD导通，电容C经TD迅速 放电，使vc ≈ 0。 此后由于vC1=vC2=1 ，锁存器保持0状态不 变，输出也相应地稳定在vo = 0的状态。
注：输入触发脉冲的宽度应小于Tw
三、单稳态触发器的应用
延迟与定时
ui 单稳态触发器 ui uA (a) 电路示意图 u 'o u 'o uo uA uo (b) 波形图 tp
ui
整 形
uo
tp
10.5 多谐振荡器
一、多谐振荡器特性
多谐振荡器是能产生矩形脉冲波的自激振荡器，由 于矩形波中除基波外，包括了许多高次谐波，因此这 类振荡器被称作多谐振荡器。
在触发信号作用下vC和vO相应的波形
如果在电路的暂稳态持续时间内，加入新的触发脉冲，如图 中虚线所示则该脉冲不起作用，电路为不可重复触发单稳。
3、输出脉冲的宽度Tw Tw等于暂稳态的持续时间，持续时间取决于外接电阻R和电 容C的大小。Tw等于电容电压在充电过程中从0上升2/3Vcc所 需要的时间：
10.4 单稳态触发器
一、单稳态触发器特性
单稳态触发器与一般的双稳态触发器及施密特触发器不同 之处在于：它只有一个稳态，另外有一个暂稳态。
所谓暂稳态，是一个不能长久保持的状态，在暂稳态期间， 电路中一些电压和电流会随着电容的充电和放电发生变化。而 稳态中，电路中电流及电压是不变的。 在单稳态触发器中，没有外加触发信号的作用，电路始终 处于稳态；在外加触发信号的作用下，电路能从稳态翻转到暂 稳态，经过一段时间后，又能自动返回稳态。 单稳态触发器处于暂稳态的时间通常取决于电容充电和放电 的时间，与触发脉冲无关，这个时间等于单稳态触发器的输出脉 冲的宽度。
多谐振荡器一旦振荡起来后，电路没有稳态，只 有两个暂稳态，它们在作交替变化，输出矩形波脉 冲信号，因此它又被称作无稳电路。
二、用施密特触发器构成的多谐振荡器
——使输入电压在VT+与 VTVDD 之间不停的往复 VT VT T T1 T2 RC ln RC ln 变化，即可得到多谐振荡器。 V V V
x ( ) x ( 0) t ln x() Vcc x( ) x( t ) Vcc 0 Tw RC l n RC l n 3 1.1 RC 2 Vcc Vcc 3 通常Ｒ的取值在几百欧姆到几兆
欧姆之间，电容的取值范围为几百 皮法到几百微法，Tw的范围为几 微秒到几分钟。但必须注意，随着 Tw的宽度增加它的精度和稳定度 也将下降。
TR'(VI2) <1/3Vcc
>1/3Vcc >1/3Vcc <1/3Vcc
TH(VI1) <2/3Vcc
<2/3Vcc >2/3Vcc >2/3Vcc
S(C2) R(C1) 0 1
1 1 0 1 0 0
Q 1
不变 0 1(不定)
vO 1
不变 0
DISC(TD)
截止 不变 导通
1(不定) 截止(不定)
vO
施密特触发 器非门特性
反相输 出
vO
同相输 出 施密特触发 器与门特性
0
VT- VT+ vI
0
VT- VT+ vI
施密特触发器的特点：
对于正向和负向增长的输入信号，电路具有不同的阈值电压。 把VT+和VT-之差称为回差电压ΔVT = VT+ - VT施密特触发器非门和与 门的逻辑符号分别为:
vI
双极型： 5～ 16V ，， ILmax =200mA CMOS型： 3～ 18V ILmax =4mA
集成555电路的八个 引脚的作用及名称为：
脚1 脚2 脚3 脚4 接地端 触发器输入端 输出端 复位端 GND TR' OUT R'D TH DISC Vcc
脚5 控制电压输入端 VCO
脚6 脚7 脚8 阈值输入端 放电端 电源端
0 R
uo1 uo uCO
控制电压 调节回差
uo
0
ui
2 1 (a)
0
1
1
0 (b) 工作波形 t
电路
∴ VT +
2 = VCC 3
∴ VT
1 = VCC 3
（3）vI<VCC/3时，比较器C1输出为1、C2输出为0，触发器 置1，即Q＝1、 Q '＝0 ，vo=VOH。
此后，vI继续下降到0，但vo＝VOH的状态不会改变。