第十二章 脉冲信号的产生与整形

1、第十二章第十二章 脉冲信号的产生与整形脉冲信号的产生与整形概述：概述： 在数字电路中，常常需要各种宽度和幅度、在数字电路中，常常需要各种宽度和幅度、且边沿陡峭的脉冲信号。获得脉冲信号的方法通常有且边沿陡峭的脉冲信号。获得脉冲信号的方法通常有两种：一是由多谐振荡器产生；二是将其它非脉冲信两种：一是由多谐振荡器产生；二是将其它非脉冲信号经整形变成脉冲信号。本章只介绍由号经整形变成脉冲信号。本章只介绍由555定时器构定时器构成的脉冲产生和整形电路。成的脉冲产生和整形电路。555集成定时器集成定时器一、电路结构一、电路结构555定时器由定时器由5部分组成：部分组成：1.基本基本RS触发器触发器2.比较

2、器比较器A1和和A23.分压器有三个分压器有三个5K 电阻串联组成，使电阻串联组成，使 U1 =2 VCC /3 U2 = VCC /34.开关管开关管T+_+_RSQQ5K 5K 5K R+VCCRCOTHTR1uOA1A25627384U2U11+G1T5.输出缓冲器输出缓冲器G1： 其作用就是提高其作用就是提高 定时器的带负载定时器的带负载 能力和隔离负载能力和隔离负载 对定时器的影响。对定时器的影响。结构结构+_+_RSQQ5K 5K 5K R+VCCRCOTHTR1uOA1A25627384U2U11+G1T555定时器定时器1 2 3 48 7 6 5+VCC TH COGND T

3、R OUT R（1）4脚为复位输入端（脚为复位输入端（ RD ），当），当RD为低电平时，不管其他输入端的状态为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出如何，输出uo为低电平。正常工作时，应将其接高电平。为低电平。正常工作时，应将其接高电平。（2 2）5脚为电压控制端，当其悬空时，比较器脚为电压控制端，当其悬空时，比较器C1和和C2的比较电压分别为的比较电压分别为2/3VCC 和和1/3VCC 。工作中不使用该端时，一般通过一个。工作中不使用该端时，一般通过一个0.01 F的电容接地，的电容接地，以旁路高频干扰。以旁路高频干扰。（3）2脚为触发输入端，脚为触发输入端，6脚为阈值输入端，两端的电

4、位高低控制比较器脚为阈值输入端，两端的电位高低控制比较器C1和和C2的输出，从而控制的输出，从而控制RS触发器，决定输出状态。触发器，决定输出状态。555工作原理工作原理+_+_RSQQ5K 5K 5K R+VCCRCOTHTR1uOA1A25627384U2U11+G1T(VH)(VR)(RD)(u0) 施密特触发器施密特触发器施密特触发器施密特触发器具有回差电压特性，能将边沿变具有回差电压特性，能将边沿变 化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。一一. 用用555定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器1. 电路组成及工作原理电路组成及工

5、作原理1 12 26 65 5VCCRDO5555553 3Ov7 7vvI2I1vIC8 84 412IvCCVVCC2Rv+_+_RSQQ5K 5K 5K R+VCCRCOTHTR1uOA1A25627384U2U11+G1T(VH)(VR)(RD)(u0)1 12 26 65 5VCCRDO5555553 3Ov7 7vvI2I1vIC8 84 412IvCCVVCC2Rv2. 电压滞回特性和主要参数电压滞回特性和主要参数（1）电压滞回特性）电压滞回特性（a）上限阈值电压上限阈值电压VT+vI上升过程中，输出电压上升过程中，输出电压vO由高电平由高电平VOH跳变到低电平跳变到低电平VOL

6、时，所对应的输入电压值。时，所对应的输入电压值。VT+=2/3VCC。（b）下限阈值电压下限阈值电压VT vI下降过程中，下降过程中，vO由低电平由低电平VOL跳变跳变到高电平到高电平VOH时，所对应的输入电压值。时，所对应的输入电压值。VT=1 /3VCC。（3）回差电压）回差电压VT VT= VT+VT=1 /3VCC（2）主要静态参数）主要静态参数二二 集成施密特触发器集成施密特触发器1. TTL集成施密特触发器集成施密特触发器74LS14 2. CMOS集成施密特触发器集成施密特触发器CC4010612345671A1Y2A2Y3A3YGND8910111213144A4Y5A5Y6A

7、6YVCC(a)74LS1412345678910111213141A1Y2A2Y3A3Y4A4Y5A5Y6A6YVVDDSS(b)CC40106三三 施密特触发器的应用举例施密特触发器的应用举例1. 用作接口电路用作接口电路将缓慢将缓慢变化的输入信号，转换成为变化的输入信号，转换成为符合符合TTL系统要求的脉冲波系统要求的脉冲波形。形。2. 整形电路整形电路把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。3. 脉冲鉴幅脉冲鉴幅从一系列幅度不同的脉冲信号中，选从一系列幅度不同的脉冲信号中，选 出那些幅度大于出那些幅度大于VT+的输入脉冲。的输入脉冲。 单稳态触发器单稳态

8、触发器单稳态触发器单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态；在触有一个稳态和一个暂稳态；在触发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；暂稳状态维发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。持一段时间后，自动返回到稳态。一一 用用555定时器组成单稳态触发器定时器组成单稳态触发器1. 电路组成及工作原理电路组成及工作原理2 26 6VCCRDO5555553 3vI2I1v8 84 4v7 7RVCCC1 15 50.01 FC1vCvI1）当）当vI=1时，时，电路工作在稳定电路工作在稳定 状态，即状态，即vO=0，vC=0。（2）vI下降沿触发下降沿触发, 当当vI下降下降

9、沿到达时，沿到达时，vO由由0跳变为跳变为1， 电路由稳态转入暂稳态。电路由稳态转入暂稳态。2 26 6VCCRDO5555553 3vI2I1v8 84 4v7 7RVCCC1 15 50.01 FC1vCvI2C3VCCvttOOttOvvOtIVCC01tW(VH)(VR)(RD)(u0)2 26 6VCCRDO5555553 3vI2I1v8 84 4v7 7RVCCC1 15 50.01 FC1vCvI2C3VCCvttOOttOvvOtIVCC01tW在暂稳态期间，三极管在暂稳态期间，三极管T截止，截止，VCC经经R向向C充电。时间常数充电。时间常数1=RC，vC由由0V开始增大，

10、在开始增大，在vC上升到上升到2/3VCC之前，电路保持暂稳态不变。之前，电路保持暂稳态不变。（4）自动返回（暂稳态结束）时间）自动返回（暂稳态结束）时间当当vC上升至上升至2/3VCC时，时，vO由由1跳变跳变0，三极管，三极管T由截止转为饱和导通，由截止转为饱和导通，电容电容C经经T迅速放电，电压迅速放电，电压vC迅速降至迅速降至0V，电路由暂稳态重新转入，电路由暂稳态重新转入稳态。稳态。（3）暂稳态的维持时间）暂稳态的维持时间（5）恢复过程）恢复过程2 26 6VCCRDO5555553 3vI2I1v8 84 4v7 7RVCCC1 15 50.01 FC1vCvI2C3VCCvttO

11、OttOvvOtIVCC01tW 当暂稳态结束后，电容当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的放电三通过饱和导通的放电三极管极管 T放电，时间常数放电，时间常数 2=RCESC，经过（，经过（35）2后，后，电容电容C放电完毕，恢复过程结束。放电完毕，恢复过程结束。2. 主要参数估算主要参数估算(1) 输出脉冲宽度输出脉冲宽度Tw（用三要素法计算）（用三要素法计算）CRVVVtvvvvtCCCCCCWCCCCW1 . 1320ln)()()0 ()(ln11 单稳态触发器输出脉冲宽度单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定时元件仅决定于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调的取值，与

12、输入触发信号和电源电压无关，调节节R、C的取值，即可方便的调节的取值，即可方便的调节tW。（2）恢复时间）恢复时间tre tre=（35）2vI周期的最小值：周期的最小值： Tmin= tWtre单稳态触发器的最单稳态触发器的最高工作频率应为高工作频率应为:reWttTf11minmax二二 集成单稳态触发器集成单稳态触发器74121AABvovoextCRintCextextRVCCGND10111491634512774121A1和和A2是两个下降沿有效的触发信号输入端，是两个下降沿有效的触发信号输入端，B是是上升沿有效的上升沿有效的 触发信号输入端。触发信号输入端。集成单稳态触发器集成单

13、稳态触发器74121的外部元件连接方法的外部元件连接方法:（a）使用外部电阻）使用外部电阻Rext且电路为下降沿触发的连接方式且电路为下降沿触发的连接方式.（b）使用内部电阻）使用内部电阻Rint且电路为上升沿触发的连接方式。且电路为上升沿触发的连接方式。AABvovoextCRintCextextRVCCGND10111491634512774121viVCCCextAABvovoextCRintCextextRVCCGND10111491634512774121vi1VCCCextRext74121的主要参数的主要参数(1) 输出脉冲宽度输出脉冲宽度tW 使用外接电阻：使用外接电阻： tW

14、 0.7RextC 使用内部电阻：使用内部电阻： tW 0.7RintC（2）输入触发脉冲最小周期）输入触发脉冲最小周期Tmin Tmin= tWtre tre是恢复时间。是恢复时间。（3）周期性输入触发脉冲占空比）周期性输入触发脉冲占空比q 定义：定义： q = tW/T 最大占空比：最大占空比： qmax= tW/ Tmin 74121内部电阻内部电阻=2k，外接电阻，外接电阻Rext可在可在1.440k之间选择，之间选择， 外接电容外接电容C可在可在10pF10F之间选择，之间选择， 所以，当所以，当R=2k时，时， 最大占空比最大占空比qmax为为67%； 当当R=40k时，最大占空比

15、时，最大占空比qmax可达可达90%。三三 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用1. 延时与定时延时与定时（1）延时）延时1&vIOvvO单稳单稳与门与门vF图中，图中，v/O的下降沿比的下降沿比vI的下降沿滞后了时间的下降沿滞后了时间tW。（2）定时）定时tWvIvOvFOv当当v/O=1时，与门打开，时，与门打开，vO= vF。当。当v/O=0时，时，与门关闭，与门关闭，vO为低电平。为低电平。显然与门打开的时间是显然与门打开的时间是恒定不变的，就是单稳恒定不变的，就是单稳输出脉冲输出脉冲v/O的宽度的宽度tW。 2. 整形整形 单稳态触发器能够把不规则的输入信号单稳态触发器能够把不规则的

16、输入信号vI，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲vO。 vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度低电平，宽度tW决定于暂稳态时间。决定于暂稳态时间。IvtWOv3. 触摸定时控制开关触摸定时控制开关84762153555+VCCRLR100kC100C10.01(+6V)P555定时器构成单稳态触发定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属器。只要用手触摸一下金属片片P，由于人体感应电压相，由于人体感应电压相当于在触发输入端（管脚当于在触发输入端（管脚2）加入一个负脉冲，加入一个负脉冲，555输出输出端输出高电

17、平，灯泡（端输出高电平，灯泡（RL）发光，当暂稳态时间（发光，当暂稳态时间（tW）结束时，结束时，555输出端恢复低输出端恢复低电平，灯泡熄灭。电平，灯泡熄灭。该触摸开关可用于夜间定时该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由照明，定时时间可由RC参参数调节。数调节。多谐振荡器多谐振荡器能产生矩形脉冲波的自激振荡器。能产生矩形脉冲波的自激振荡器。一一 用用555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器1. 电路组成及工作原理电路组成及工作原理2 26 6VCCRD5555553 38 84 47 7RRVCC1 12C1 15 50.01FC1Pui1ui2v0vc2 26 6VCCRD5

18、555553 38 84 47 7RRVCC1 12C1 15 50.01 FC1Pui1ui2v0vc+_+_RSQQ5K 5K 5K R+VCCRCOTHTR1uOA1A25627384U2U11+G1T(VH)(VR)(RD)(u0)2. 振荡频率的估算振荡频率的估算（1）电容充电时间）电容充电时间T1：（用三要素法计算）：（用三要素法计算）)()()0 ()(ln111TvvvvTCCCCCRR)( 7 . 021CCCCCCCCVVVV3231ln1（2） 电容放电时间电容放电时间T2（3）电路振荡周期）电路振荡周期T T=T1+T2=0.7(R1+2R2)CCRT227 .0（4）

19、电路振荡频率）电路振荡频率fCRRTf)2(43. 1121（5）输出波形占空比）输出波形占空比q212112RRRRTTq二二 占空比可调的多谐振荡器电路占空比可调的多谐振荡器电路2 26 6VCCRD5555553 38 84 47 7VCCC1 15 50.01 FC1DD121 1R2Rvi1vi2v0vC 可计算得：可计算得： T1=0.7R1C T2=0.7R2C 占空比：占空比：21121121117.07.07.0RRRCRCRCRTTTTTq三三 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器1.石英晶体的选频特性石英晶体的选频特性有两个谐振频率。当有两个谐振频率。当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的时，为串联谐振，石英晶体