第八章 脉冲产生与信号变换电路

脉冲产生与信号变换电路
图8-8 用施密特触发器实现波形变换 图8-9 施密特触发器用于鉴别脉冲幅度
脉冲产生与信号变换电路
8.2.2 单稳态触发器 单稳态触发器具有以下特点： （1）电路有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；（2）
在外界触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态；（3） 暂稳态不能长久保持，维持一定时间后，会自动返回稳态。 暂稳态维持的时间取决于电路本身的参数，与触发脉冲无关。
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（4）由暂稳态自动返回稳态 动返当回电 到容起始C充状电态至uuO=C〉0。13 UCC时，555定时器置0，于是输出自
与此同时，泄放开关导通，电容C通过其迅速放电，直 到uC≈0，电路恢复到稳态。
电路工作波形如图8-10（b）所示。由图可见，暂稳态
（uO=1）的持续时间取决于外接电容C和电阻R的大小，输出
当TH< UCC ， < UCC时，比较器C1的输出uC1=1，比较器C2 的辑输功出能表uC2如=230表，8基-1本所TRR示S触。发器被置1，输出Q=1。555定时器的逻
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表8-1 555定时器的逻辑功能表
输
入
TH
TR
R
×
×
0
>2/3Ucc
>1/3 Ucc
1
<2/3Ucc
（2）对于正向和负向变化的输入信号，使输出状态翻转 的电平不同，其中UT+ 称为正向阈值，UT- 称为负向阈值， 两者的差值称为回差电压。施密特触发器在不同阈值翻转输 出状态的性质称为回差特性。
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（3）施密特触发器的输出状态依赖于外加输入信号的大 小，信号撤销会导致输出状态的变化，电路没有记忆功能。
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8.2.2.2 单稳态触发器的应用 （1）脉冲整形
利用单稳态触发器可产生一定宽度的脉冲，可把过窄或过 宽的脉冲整定为固定宽度的脉冲。如图8-11所示。 （2）脉冲延迟
脉冲延迟电路一般要用两个单稳触发器完成。其原理图 如图8-12（a）所示，图(b)是输入ui的波形和延迟后的输出uo 的波形。假设第一个单稳输出脉宽整定在tw1，则输入脉冲ui 被延迟tw1，输出脉宽则由第二个单稳态触发器定时值tw2决定。
8.1.1.1 分压器
由3个5kΩ的电阻串联构成分压器，为电压比较器C1和C2
提供参考电压。在控制电压输入端UCO悬空时，U
1
R1
2 3
U CC
，
U R2 3UCC 。
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（a）555定时器的逻辑电路图
(b)5G555和5G556的外引线端子图
图8-3 555定时器电路结构和芯片外端子排列图
施密特触发器的逻辑符号和电压传输特性如图8-4(a)、 (b)所示。
（a）施密特触发器符号 （b）施密特触发器电压传输特性（回差特性） 图8-4 施密特触发器
Байду номын сангаас冲产生与信号变换电路
8.2.1.1 555定时器构成的施密特触发器 将555定时器的TH 和端并联并外接输入信号uI，则构成
施密特触发器，如图8-5（a）所示，电路工作波形如图8-4 （b）所示，工作过程如下：
2 UCC时，555定时器处于保持功能，故uo=UOL
不变； 3
3
当uI< uo=UOH。
1 3
UCC时，因为TR
<
1 3
UCC，使555定时器置1，故
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输出uo由UOL变化到UOH发生在uI= 1 UCC时，因此，UT-= 1
UCC。
3
3
由此可得到回差电压为，△UT = UT+-UT- = 1 UCC。 UCO ，如△果U参T=考U电T+-压UT由-= 外1 U接CO控。制只电要压改U变C0U提CO供的，数3则值U，T+就=U能CO，调U节T-回= 12 差电压的大小。 2
8.1.1.3 基本RS触发器 由与非门G1和G2组成基本RS触发器。该触发器为低电平
输入有效。 8.1.1.4 泄放开关VT
当基本RS触发器置1时，三极管VT截止；基本RS触发器 置0时，三极管VT导通；因此，三极管VT是受基本RS触发器 控制的放电开关。
另外，为了提高电路的带负载能力，在输出端设置了缓 冲门G3。
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8.2 555定时器应用
8.2.1 施密特触发器
施密特触发器（Schmitt Trigger）是常用的脉冲变换 电路，与普通双稳态触发器的相同点是有两个稳定的输出状 态，不同点在于：
（1）施密特触发器属于电平触发电路，缓慢变化的模拟 信号也可作为触发信号，当输入信号达到特定阈值时，输出 状态发生突变，从一个稳态翻转到另一个稳态。
>1/3 Ucc
1
<2/3Ucc
<1/3 Ucc
1
输 Q 0
0 保持不变
1
出 VT 导通
导通 保持不变
截止
表中×代表任意状态。控制电压端UCO若外加电压，可改 变两个比较器的参考电压，此时UR1=UCO，UR2= 1 UCO。，如果 不需外加控制电压，为避免引入干扰，通常通2过一个0.01µF
的电容接地。
鉴于以上特点，单稳态触发器被广泛应用于数字系统中 的整形、延时以及定时等场合。
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8.2.2.1 555定时器构成的单稳态触发器 由555定时器构成的单稳态触发器由图8-10（a）所示，
将555定时器的TR 端作为电路输入端，利用电容C上的电压 控制TH端，就构成了单稳态触发器。该电路是用输入脉冲的 下降沿触发的。
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(a)
(b)
(c)
图8-7 施密特触发器用于脉冲整形
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（2）波形变换 将连续变化的周期性模拟信号变换成周期矩形波。如图 8-8所示。 （3）脉冲鉴幅 利用施密特触发器输出状态依赖于输入信号幅值的特点， 若将回差电压设置为零，可实现幅值鉴别功能。如图8-9所 示，如将一系列幅度各异的脉冲加到施密特触发器输入端时， 只有那些幅度大于UT+的脉冲会产生输出信号。
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8.1.1.2 电压比较器 由两个高增益运算放大器构成电压比较器C1和C2，当运
放同相输入电压大于反相输入电压时输出为高电平1；当运 放的同相输入电压小于反相输入电压时输出为低电平0。两 个比较器的输出uC1、、uC2 分别作为基本RS触发器的复位端R 和置位端S输入信号。
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当uI> uo=UOL。
2 3
UCC时，因为TH>
2 3
UCC，使555定时器置0，故
输出uo由UOH UCC。
变化到UOL发生在uI=
2 3
UCC时，因此，UT+=
2 3
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（2）uI由高于 2 UCC减小至0时：
当uI>
2
3 UCC时，555定时器置0，故uo=UOL；
当1
3 UCC<uI<
脉冲的宽度tW等于电容电压uC从0上升到 1 UCC所需的时间， 根据RC电路过渡过程三要素公式： 3
uc (t) uc () [uc (0） uc ()]et
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可推导出： tW≈1.1RC
通常，R取值范围为数百到数千欧姆，电容的取值范围 为数百皮法到数百微法，tW对应范围为数百微秒到数分钟。
图8-10 用555定时器构成的单稳态触发器电路图和工作波形图
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工作过程如下：
（1）稳态
如果接通电源后触发器处于Q=1的状态，则内部泄放开 关（VT）截止，UCC经过R向电容C充电。当充电到uC〉2 UCC时， 555定时器置0；同时，泄放开关导通，由电容C→D→3GND放 电，使uC按指数关系迅速下降至uC≈0。此后，若ui没有触发 信号（低电平），则555定时器处于保持功能，输出也相应 的稳定在uO=0的状态。所以uO=0是电路的稳定输出状态。
（a）电路图
（b）工作波形图
图8-5 用555定时器接成的施密特触发器
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（1）uI
当uI< uo=UOH；
1 3
由UCC0时上，升因至为23TURCC<时13：UCC，使555定时器置1，故
当1 UCC<uI< 2 UCC时，555定时器处于保持功能，故uo=UOH
不变； 3
3
555定时器的产品有TTL和CMOS两种，TTL产品的标识字 为555，CMOS产品的标识字为7555。现以TTL定时器为例讨论 其工作原理。
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8.1.1 555定时器的电路结构
555定时器主要由分压器、电压比较器C1和C2、基本RS触 发器以及集电极开路输出的泄放开关VT等几部分组成。图83是 TTL单定时器5G555的逻辑图和外引线端子排列图以及双 定时器5G556的外引线端子排列图。图中标注的阿拉伯数字 为器件外部引线端子的序号。
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第八章
脉冲产生与信号变换电路
8.1 集成555定时器 8.2 555定时器应用 8.3 数字-模拟转换器 8.4 模拟-数字转换器（ADC）
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8.1 集成555定时器
555定时器是中规模集成时间基准电路（time basic circuit），可以方便地构成各种脉冲电路。由于其使用灵 活方便、外接元件少，因而在波形的产生与变换、工业自动 控制、定时、报警、家用电器等领域得到了广泛应用。
目的。
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图8-6 回差电压可调的施密特触发器
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8.2.1.3 施密特触发器的应用
（1）脉冲整形
在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。 如当传输线的电容较大时，波形的前后沿将明显变坏[如图 8-7(a)所示]；当传输线较长且接收端的阻抗与传输线的阻 抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象[如 图8-7（b）所示]；当其他脉冲信号通过导线之间的分布电 容或公共电源线叠加到矩形脉冲上时，信号上将出现附加的 噪声[如图8-7（c）所示]。利用施密特触发器，适当选择UT 和UT ，均可获得满意的整形效果。
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8.1.2 555定时器的逻辑功能
复位端 R 为低电平时，使555强制复位，输出Q=0；当R 端为高电平时，Q输出状态取决于阈值端TH和触发端 的状态。
TR
的输当出TuHC2>=231，UC基C，本TRR>SU触CC发时器，被比置较0器，C输1的出输Q出=0u；C1=0，比较器C2 的输当出TuHC2<=231，UC基C，本TRR>SU触CC发时器，实比现较保器持C1功的能输。出uC1=1，比较器C2
在单稳态触发器中，若ui负脉冲宽度过长（大于tW）， 则使555定时器处于禁用状态，这是不允许的。因此，实际
电路中，常在脉冲输入端加微分电路（Ri、Ci构成），使输
入负脉冲仅下跳沿有效，确保加到定时器的负脉冲宽度在允
许范围内。通常Ri、Ci参数应满足下列条件：
tpl>5RiCi （tpl 为输入脉冲宽度,当满足此条件时,Ri、 Ci才能起微分作用。）
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8.2.1.2 回差电压可调的施密特触发器
实际工作中有些场合需要利用回差，因此，组成回差电
压可调的施密特触发器更具使用价值。图8-6所示是利用555
定时器的外接控制电压实现回差电压可调的施密特触发器。
调节
RP电位器可以改变控制电压U
的大小，从而改变555定
CO
时器内部两个电压比较器的门限值，达到控制UT 和UT 的
由555定时器构成的多谐振荡器如图8-13（a）所示。
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(a)电路图
（b）工作波形图
图8-13 用555定时器接成的多谐振荡器
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当接通电源以后，因为电容C上的初始电压为零，所以 U5C5C5经定过时R器1 和置R02，向输电出容跳C充变电为。低当电电平容；C同充时电，到泄uC放> 23开U关CC 导时通，， 电容C→电阻R2→D→地GND开始放电。
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（2）由稳态进入暂稳态 555定当时输器入置触1发，脉故冲uo=u1i的，下电降路沿进到入达暂后稳，态因。为与T此R同< 13时U，CC，泄使放 开关截止，UCC通过R开始向电容C充电。
（3）暂稳态的维持 功能当，电 维容持Cu从o=10的V开状始态充，电电，容但继u续C<充23 电UCC。时，定时器处于保持
（3）定时 由于单稳态电路产生的脉冲宽度是固定的，因此可用于 定时电路。
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图8-11 用单稳态触发器实现脉冲的整形 图8-12 用单稳态触发器实现脉冲的延迟
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8.2.3 多谐振荡器 多谐振荡器又称矩形脉冲发生器。在同步时序电路中，
作为时钟信号控制和协调整个系统的工作。由于多谐振荡器 的两个输出状态自动交替转换，故又称为无稳态触发器。 8.2.3.1 555定时器构成的多谐振荡器