第8章 脉冲波形

施密特触发器
施密特触发器是一种具有回差特性的脉冲波 形变换电路。它有如下特点：
施密特触发器有两个稳定输出状态，属电位触发。 当输入触发信号电平达到阈值电压时（所加电位 信号不得撤去），输出电平会发生突变。突变的 原因是电路内部正反馈所致。这样施密特触发器 便可以将缓慢变化的输入信号，变换成矩形波输 出。
0.01μF
5G555 7 6 2 1
R2
d vC
VCC
0
C
图8-2多谐振荡器
图8-3多谐振荡器工作波形图
振荡周期T和振荡频率f的近似计算 公式如下： tw1≈(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)C tw2≈R2Cln2≈0.7R2C T= tw1+tw2≈0.7(R1+2R2)C
1 1.43 f T ( R1 2 R2 )C
回差电压△V越大， 电路的动作电压就
vI vO
越高，抗干扰能力
越强。 施密特触发器常用 于进行波形变换及 脉冲波形的整形。
图8-10施密特触发器逻辑符号
8.2 门电路构成的矩形波发生 器及整形电路
多谐振荡器 单稳态触发器 施密特触发器
8.2.1 多谐振荡器
(一)最简单的环形振荡器
T
tr
0.9Vm 0.5Vm 0.1Vm TW T
tf Vm
脉冲波形参数
脉冲周期T——周期性重复的脉冲序列中， 相邻两个脉冲间的时间间隔。 脉冲频率f——频率f表示单位时间内脉冲重 1 复的次数， f T 脉冲幅度 Vm—— 脉冲波形的电压最大变化 幅度。
8.1 集成555定时器及应用
7 2 R Q T D
三极 管开 关
8.1.2 工作原理
分析图8-1所示原理图，便可以得到5G555 定时器的功能表。如表8-1所示。
表8-1 5G555定时器的功能表
TH × ＞2VCC/3 ＜2VCC/3 ＜2VCC/3 TL × × ＞VCC/3 ＜VCC/3 R 0 1 1 1 VO 0 0 不变 1 T 导通 导通 不变 截止
集成555定时器的用途很广，有双极型（型 号最后三位为555）和CMOS型（型号最后 四位为7555）两类电路。它们的功能、外 引线排列完全相同。在测量与控制、家用 电器和电子玩具等许多领域得到了广泛的 应用。 5G555定时器的电路组成及工作原理 集成555定时器的应用
8.1.1 电路组成
8.1.3 集成555定时器的应用
多谐振荡器 单稳态触发器 施密特触发器
(一) 多谐振荡器
多谐振荡器是一种产生矩形脉冲波的自激振 荡器。由于矩形波含有丰富的高次谐波，所 以矩形波振荡器又称为多谐振荡器。多谐振 荡器没有稳态，不需外加触发信号，当接通 电源后，便可以自动地周而复始地产生矩形 波输出。
图 8-5 是 5G555 定时器构 成的单稳态触发器，图
VCC
中R、C是定时元件；单
稳态触发器的输入信号 vI加在低触发端TL端，3 端是单稳态触发器输出 脉 冲 端 (vO) 。 高 触 发 端
5 0.01μF 5G555 6 vI 2 7 8 4 R 3 vO
TH
d
TH(6)和放电端D(7)连接
第8章 脉冲波形的产生与整形
通常，把非正弦波称之为脉冲波。按脉冲 波形的形式分成矩形波、梯形波、阶梯波、锯 齿波等。本章主要介绍用多谐振荡器直接产生 矩形波和利用整形电路获得矩形波的方法。
一些概念 8.1 集成555定时器及应用 8.2 门电路构成的矩形波发生器及整形电路
一些基本概念
矩形脉冲波常作为时钟信号。波形的好坏直接 关系到电路能否正常工作。为了定量描述矩形 脉冲波，通常采用如图所示参数。
tr
0.9Vm 0.5Vm 0.1Vm TW T
脉冲波形参数
tf Vm
脉冲宽度Tw——从脉冲波形上升沿上升到0.5Vm起 到下降沿下降到0.5Vm止的时间。 上升时间 tr—— 脉冲波形的上升沿从 0.1Vm 上升到 0.9Vm所需时间。 下降时间 tf——脉冲波形的下降沿从 0.9Vm下降 到 0.1Vm所需时间。 Tw 占空比q——脉冲宽度Tw与脉冲周期T之比即q
8 4
R1
3
7
D D1
Rw
当调节Rw时，就改变了R1、
5G55 R2 D2 6 5 TH vC 1 2 TL C
变。
图8-4占空比可调多谐振荡器
(二) 单稳态触发器
单稳态触发器是一种用于整形、延时、定时的脉冲 电路。
整形：把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等 的矩形脉冲。 延时：将输入信号延迟一定时间之后输出。 定时：产生一定宽度的方波。 单稳态触发器特点 单稳态触发器电路的功能：每触发一次，电路输出 一个宽度一定、幅度一定的矩形波。
如果输入信号电压vI是三角波，当vI＜VCC/3时比较 器C2输出vC2=0，基本RS触发器置1，Q=1，Q =0， 输出 vO=1 。当 vI 上升到 2VCC/3 时，比较器 C1 输出 vC1=0，此时基本RS触发器复0，Q=0，Q =1，输出
vO=0 。 vI 由高电位下降到稍小于 VCC/3 后，比较器
施密特触发器具有回 差特性。输入信号电平 增加时，引起输出电平 突变的转换电平称为上 限阈值电压，用VT+表 示。输入信号电平减小 时，引起输出电平突变 的转换电平称为下限阈 值电压，用VT-表示。 VT+和VT-不等称作回差。 回差电压△VT=VT+-VT-。 使其抗干扰能力较强。
VCC
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8 vI TH
图8-4占空比可调多谐振荡器
当三极管 T 截止时， VCC 通过 R1 、 D1 给电容 器 C 充电；若三极管 T 导通时，电容器 C 通过 R2、D2放电。因此有： 脉 冲 宽 度 0.01μF tw1≈0.7R1C 脉 冲 间 隔 时 间 tw2≈0.7R2C 振 荡 周 期 T≈0.7(R1+R2)C
图8-1为双极型5G555定时器的原理电路和引脚排列 8 图。 4 R
+VCC 8 D TH V-C 7 6 5G555 5
V-C TH 5 6 R1 5k Ω VR1 + C1 R VC1(VR) 1 Q 3
3
1
GND
2
3
4
TL
R2 5k Ω 2 VR2 R3 5k Ω 1
+ -
C2
TL R OUT
vO
0
vO2(vI3) 0 (b)图工作波形图 t t
(a)电路原理图
图8-11 简单的环形振荡器
例如由于某种原因使 vI1 发生了微小的负跳变以后， 经过 G1 的传输延迟时间 tpd之后， vI2 产生一个正跳变， 再经过G2 的传输延迟时间 tpd又使 vI3 产生一个负跳变， 经过 G3 的传输延迟时间 tpd 之后， vO产生一个正跳变。 所以经过3tpd的传输延迟时间之后在vI1又出现了一个
S VC1(VS )
7 2 R Q T D
图8-1集成5G555定时器原理图
555定时器基本结构
电阻分压器
V-C TH 5 6 8 R1 5k Ω VR1 + C1 R VC1(VR)
基本RS触发器
输出缓冲器
4 R 1 Q 3
比较器
TL
R2 5k Ω 2 VR2 R3 5k Ω 1
+ -
C2
S VC1(VS )
单稳态触发器特点：
单稳态触发器虽然有两个工作状态，但其中一个为 稳态，而另一个为暂稳态。未加触发信号前的状态 为稳态，加触发信号后的状态为暂稳态。
单稳态触发器在外加触发脉冲的作用下，可以从稳 态翻转到暂稳态。暂稳态维持一段时间后，自动返 回到稳态，无需外加触发脉冲。 暂稳态持续的时间就是单稳态触发器的脉冲宽度的 大小。只取决于电路本身的参数，而与触发脉冲无 关。
VCC
5
8 4
R1
3
7
D D1
Rw
5G55 R2 D2 6 5 TH vC 1 2 TL C
图8-4占空比可调多谐振荡器
占空比 t w1 0.7 R1C q tw1 tw 2 0.7( R1 R2 )C
VCC
R1 R1 R2
R2的阻值，也就改变了占 空比，而振荡周期保持不
5
0.01μF
VOH
vO
曲线，是施密
特触发器的电
压传输特性。
VOL 0 VCC 3 2VCC 3
vI
图8-9施密特触发器电压传输特性
施密特触发器状态的转换由输入信号vI来触
发，同时输出的高、低电平依赖于vI的高、低
电平来维持。输出对输入的这种依赖关系与门
电路相同，因此用图8-10所示的符号表示施密 特触发器(施密特触发的反相器)。
vO （vI1） V OH
0 vO1 （vI2） t vO2 VOL t
式中的R、C是外接，
R1是TTL与非门中的
R1。当R1>>R时， 振 荡周期为： T≈2.2RC 上式可用于近似估计
反方向的电压跳变。经过3tpd之后，又将跳变成低电
平，如此周而复始，便产生了自激振荡，输出矩形
波。图 8-11(b) 就是根据以上分析得到的工作波形图。
由图可见，振荡周期T=6tpd。
结论
根据上述原理，将任何大于、等于3的奇数个反相器 首尾相连地串接在一起均可构成环形振荡器，而且 振荡频率为 T=2ntpd 其中n为串联门的个数。 这种振荡器的突出优点是电路极为简单。但是由于 门电路的传输延迟时间极短，TTL电路只有几十纳 秒， CMOS 电路也不过一、二百纳秒，所以难于获 得稍低一些的频率，而且频率不易调节。为了克服 这些缺点，引入了一些改进电路。
(二) RC环形多谐振荡器
在简单环形振荡电路中引进 RC 电路作为延时环节， 形成RC环形多谐振荡器。如图8-12所示。图中RC构 成延时环节， RS为限流电阻，对门 3 起限流保护作用。
C vI1 G1 vO1 vI2 G2 vO2 R vI3 G3 RS vO
图8-12 RC环形振荡器
vO （vI1） V OH
4 vO
6 5G555 2 1
3
TL
5
0.01μF
图8-7施密特触发器
将 5G555 定时器的 高 触 发 端 TH 和 低 触 发 端 TL 连 接 起 来就构成了施密特 触 发 器 。 如 图 8-7 所示。
vI TH
VCC
8
4 vO
6 5G555 2
3
TL
1
5
0.01μF
图8-7施密特触发器
C2输出 vC2=0，基本 RS触发器又置 1， Q=1， Q =0， 输出 vO 又跳变为高电平 vO=1 。如此连续变化，在 输出端得到矩形波输出，其工作波形如图 8-8 所示。
vI 2VCC VT+ 3 VTVCC 3 0 vO
t
t 0 图8-8施密特触发器工作波形
图8-9所示为
vO=f(vI)的关系
输出脉冲幅度为：Vm≈VCC
图8-4是用5G555定时器构
成的占空比 ( 脉冲宽度与 周期之比 ) 可调的多谐振 荡 器 。 该 电 路 比 图 8-2 多 两个二极管D1、D2和一个 电位器Rw。
0.01μF VCC
5
8 4
R1
3
7
D D1
Rw
5G55 R2 D2 6 5 TH vC 1 2 TL C
到C与R的连接处d。
TL
1
D
C
图8-5单稳态触发器
单稳态触发器在负脉冲 触发作用下，由稳态翻 转到暂稳态。由于电容 器充电，暂稳态自动返
VCC vI 0 VCC
2VCC
3 VCC vO 0
回稳态。这一转换过程
为单稳态触发器的一个 工作周期。其工作波形 图如图8-6所示。
Tw
图8-6单稳态触发器工作波形
用 555 定时器很容易 构成多谐振荡器。如 图 8-2 所 示 。 图 中 的
5
VCC
8
4
R1
3 D TH TL
0.01μF
5G555 7 6 2 1
R1 、 R2 和 C 是外接电
阻和电容，是定时元
R2
d vC C
件。
图8-2多谐振荡器
VCC VCC 5 8 4
R1
3 D TH TL
2VCC 3 VCC 3 tw1 T tw2 0
0 vO1 （vI2） t vO2 VOL t
振荡器的暂态时间和
周期的近似计算公式为：
tw1≈0.98(R∥R1)C
tw2≈1.26RC
0
T=tw1+tw2≈
t VT+(VOH-VOL)
0v
I3
0.98(R∥R1)C+1.26RC
VT
0
t VT-(VOH-VOL)
图8-13 RC环形振荡器理想工作波形
环形振荡器是利用门电路固有的传输延迟时 间，将奇数个反相器首尾相接而形成的。 图8-11(a)所示的电路是一个最简单的环形振
荡器，它由三个反相器首尾相接组成。这个
电路没有稳定状态。
(一)最简单的环形振荡器
vO(vI1)
0
tpd
vO1 (vI2)
t
vI1
G1
vI2
vO1 G2
vI3
vO2 G3