第8章 脉冲信号的产生与整形

第 8 章 脉冲信号的产生与整形在数字技术的各种应用中,经常要用到矩形波、方波、 锯齿波等脉冲波形，其中矩形波和方波是较重要的波形。

介绍施密特触发电路、单稳态触发电路和多谐振荡器。

施密特触发电路能对已有信号进行变换;单稳态触发电路可用于脉冲信号的定时、延时；多谐振荡器能直接产生脉冲信号。

8.1 555集成定时器555集成定时器是一种将模拟和数字电路集成于一体 的电子器件,通过外加少量的阻容元件,能构成多种用途的 电路。

555集成定时器的型号较多，但所有双极型产品型号 后的3位数字都是555，CMOS产品型号最后的4位数字都 是7555。

而且，它们的功能和外部引脚的排列完全相同。

为了提高集成度,随后又生产了双定时器产品556（双 极型）和7556（CMOS型）。

8.1.1 555定时器的电路结构1.分压器2.比较器3.RS 锁存器4.三极管放电开关5.输出缓冲器组成：V CC+ ­∞U C1C 1+ ­∞U C2C 2&&QQOUT5k Ω5k Ω 5k ΩG 1G 2G 3117265 843D TRTHCO V COV i1 V i2V’oR DV oT D8.1.2定时器的逻辑功能1）V i1 >2/3V CCV i2 >1/3V CC 2）V i1 <2/3V CCV i2 <1/3V CC 3）V i1 <2/3V CCV i2 >1/3V CC 当R D =1时： V CC+ ­∞U C1C 1+ ­∞U C2C 2&&QQ5k Ω5k Ω 5k ΩG 1G 2G 3117265 843D TRTHCO V COV i1 V i2V’oR DV oT D*Q 的高低确定T D 管是否导通。

Vo=0 Vo=1 Vo 不变称TH为高电平触发端；TR低电平触发端。

特点：555定时器能在很宽的电源电压范围内工作，并 可承受较大的负载电流。

双极型555定时器的电源电压范 围为5~16V，最大的负载电流达200mA。

CMOS型7555定 时器的电源电压范围为3~18V，但最大负载电流在4mA以 下。

8.2施密特触发电路施密特触发电路(Schmitt Trigger)逻辑符号及电压传输特性V o V oHV oLV T­ V T+V iV iV o同相输出施密特触发电路当输入信号高于V T+ 时, 电路处于一个稳定状态; 当输 入信号低于V T­时,电路处于另一个稳定状态;当输入信 号处于两触发电平之间时,其输出保持原状态不变。

V T+称作为上触发电平或正向阈值电压; V T­ 称作为下触发电平或负向阈值电压;V i V o反相输出施密特触发电路V oV oHV oLV T­ V T+ V i 0特点：1）有两个稳定状态V OH 和V OL , 但稳态要靠输入电平来 维持；2）具有滞回电压传输特性.当输入信号高于VT+时,电路处于一个稳定状态;当输入信号低于VT­时,电路处于另一个 稳定状态;当输入信号处于两触发电平之间时,其输出保 持原状态不变。

8.2.1用555定时器构成施密特触发电路 1.电路组成V o8 4 62 153 555 V CCV iV oV CC+ ­∞U C1C 1+­∞U C2 C 2&&QQ5k Ω5k Ω 5k ΩG 1 G 2G 31 17265843D TRTHCO R DT D∙∙ V i2.工作原理 1)当V i <1/3V CC时, 2)当1/3V CC < Vi<2/3V CC时, 3)当V i >2/3V CC时, 首先分析输入电压V i 由0逐渐 升高的过程 V oV CC+ ­∞ U C1C 1+­∞U C2 C 2&&QQ5k Ω5k Ω 5k ΩG 1 G 2G 31 17265 843D TRTHCO R DT D∙∙ V iV O =V OH; V O 保持,V O =V OH ; V O =V OL。

4)当1/3V CC < Vi<2/3V CC时, 5)当V i <1/3V CC时, 其次分析输入电压V i 从2/3V CC 逐渐开始下降的过程 V oV CC+ ­∞U C1C 1+ ­∞U C2 C 2&&QQ5k Ω5k Ω 5k ΩG 1 G 2G 31 17265843D TRTHCO R DT D∙∙ V iV O 保持,V O =V OL ; V O =V OH。

V it2/3V CC 1/3V CCV OtV OH V OLV T+ =2/3V CCV T­ =1/3V CCΔV T =V T+ － V T­ =1/3V CC例:下列电路图为由555定时器构成的施密特触发电路 (1)当R为无穷大时,试根据V i 输入波形画出输出波形;(2)欲使△V T =6V,则R应取多大? 10V 5V V OtV it15V R=5KV oV CC (15V)+­ ∞ U C1C 1+ ­∞U C2 C 2&&QQ5k Ω5k Ω 5k ΩG 1 G 2G 31 172658 43D TRTHCO R DT D∙∙V iR8.2.2集成施密特触发电路由于施密特触发电路的应用非常广泛，集成施密特触发电 路的种类较多，有施密特非门74HC/HCT14、CC40106等。

CC40106阈值电压数值表8.2.3施密特触发电路的应用 1.波形变换V i V o带反相器VitVOt VT+VT­可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为同频率的 矩形脉冲.2.脉冲整形V i V o 带反相器VitVOt VT+VT­可以适当调节施密特触发器的回差电压,得到整齐的 矩形脉冲.3.幅度鉴别V iV o带反相器V itV OtV T+ V T­可以通过调整电路的V T+ 和V T­,将输入信号中幅度超 过V T+的脉冲选出,幅度较小的脉冲消除,所以具有幅 度鉴别能力.8.3单稳态触发电路单稳态触发电路特点:电路有一个稳定状态,一个暂稳 定状态.在没有外界触发信号作用时,电路处于稳定状态;在 外界信号作用下,电路由稳态转换为暂稳态,经过一段时间, 电路自动返回到稳定状态.单稳态触发电路常用于脉冲的整形、定时和延时。

8.3.1由555定时器构成的单稳态触发电路 1.电路组成8 462 15 3 555 V CCV oV i 7 RCC∙∙∙V oV CC+­∞U C1C 1+­∞U C2 C 2&&QQ5k Ω5k Ω 5k ΩG 1G 2G 31 172 65 843D TRTH CO R DT DV CV iR 0.1μV oV CC+ ­∞U C1C 1+ ­∞U C2 C 2&&QQ5k Ω5k Ω 5k ΩG 1G 2G 31 172 65 843D TRTH CO R DT DV CV iR 0.1μ 未加入负触发脉冲,当V i为高电平１并稳定 一段时间后，Q 端一 定为1(Q 为0),Vo 为低 电平的稳定状态; (为 什么)2.工作原理 1)稳态V oV CC+ ­∞U C1C 1+ ­∞U C2 C 2&&QQ5k Ω5k Ω 5k ΩG 1G 2G 31 172 65 843D TRTH CO R DT DV CV iR 0.1μ 当V i 来一个较短的负 脉冲后, Q 端改变状态, Vo 由低电平跳变为高 电平,电路进入暂稳态. 而后经过一段时间后 (这时V i已返回1) ,Q 自 动返回到0的状态, 即 电路恢复到原来的稳 态Vo 为低电平. (为什么)2)暂稳态3.工作波形图V o V CC+ ­∞U C1C 1+ ­∞U C2 C 2&&QQ5k Ω5k Ω 5k ΩG 1G 2G 311726 5 843D TRTH CO R DT DV CV iR 0.1μ V itV CtV Ot2/3V CCt wt w4.输出脉冲宽度估算输出脉冲宽度t w :就是暂稳期的持续时间,它等于电容电压 Vc从0上升到2/3Vcc所需时间t w =RC×LnVcc-0Vcc-2/3Vcc =RC×Ln3 ≈1.1RC *V i 的负脉冲宽度要小于t w*输出脉冲宽度仅取决于外接定 时元件R和C的数值,而与电源电 压无关V itV Ct0 V Ot2/3V CCt wt wV oV CC (15V) +­ ∞ U C1C 1 + ­∞U C2 C 2&&QQ5k Ω5k Ω 5k ΩG 1 G 2G 31 17265 8 4 3D TRTH CO R DT DV CV iR0.1μ 例.下图为由5G555构成的单稳态触发器 ,电路在t=0时刻处于稳态.(1)根据Vi的波形图画出Vc和Vo波形 (假设Vi的负脉冲宽度小于RC);2)如在下图555定时器的5脚和1脚间并接一只 10K的电阻,试说明输出波形会发生怎样的变化? V it15V10VV CtV Ott wt w8.3.2用施密特触发电路构成单稳态触发电路 ViV o CRVR1.电路结构2.工作原理1)稳态时,输入V i=0,V R=0时,输出 Vo=V OH;2)暂稳态:当幅度为V DD(>V T+)的正 触发脉冲加到电路输入端时, 电 路状态翻转, Vo=V OL,进入暂稳态. 随着对电容C的充电,V R按指数规 律下降,当下降到略低于V T-时,电 路状态再次翻转,返回到原来的稳 态,输出Vo=V OH.VitVRt 0VOt 0VT+t wVT­V iV oC RV RV itV Rt0 V Ot 0V T+ t wV T­*Vi 的正脉冲宽度应大于t w t w =RC ln (V DD /V T­) 3.工作波形图输出脉冲宽度tw :V R 从初始值V DD 下降到V T­所需要的时间8.3.3 集成单稳态触发电路根据电路工作特性不同， 集成单稳态触发电路分为 不可重复触发和可重复触 发两种。

iVOVWtWt(a) 不可重复触发单稳态触发电路工作波形iVOVWtWt(b) 可重复触发单稳态触发电路工作波形1& ≥1 RI CX RXCXA 1 A 2B Rext Cext Rxcx3 4 5 9 101161QQ功能表A 1 A 2B Q Q 0 × 1 0 1 × 0 1 0 1 × × 0 0 1 1 1 × 0 1 1 11 110 × × 074121是不可重复触发 单稳态触发电路1．不可重复触发单稳态触发电路1& ≥1 RICX RXCX3 4 59 101161QQV CC Cext1& ≥1 RICX RXCX34 59 101161QQCext RextV CC两种连接方法：t w ≈0.7R ext C ext2．可重复触发单稳态触发电路 74122是一种可重复触发单稳态触发电路1A 2 A 1B 2 B D R int R extC ext extR /C QQDR 1 A 2A 1B 2B QQ D R 1 A 2A 1B 2B QQ74122功能表需要注意的是，74122是可重复的触发单稳态触发电路，只 要在输出脉冲结束之前，重新输入触发信号，就可以方便地延 长输出脉冲的持续时间。