第十章脉冲波形

第十章脉冲波形的产生和整形教学内容§10.1

概述§10.2

施密特触发器§10.3

单稳态触发器§10.4多谐振荡器§10.5555定时器及其应用10.1概述矩形脉冲信号的获取方法有两种：产生:不用信号源，加上电源自激振荡，直接产生波形。整形:输入信号源进行整形.脉冲产生电路:多谐振荡器脉冲整形（变换）电路:施密特触发器、单稳态触发器常用的有施密特触发器和单稳态触发器。

脉冲信号产生与整形的方法获取脉冲信号的方法

脉冲信号产生与整形电路的实现是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便、灵活，应用广泛。用多谐振荡器直接产生。

用整形电路对已有波形进行整形、变换。

施密特触发器主要用以将缓慢变化或快速变化的非矩形脉冲变换成陡峭的矩形脉冲。单稳态触发器主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。用门电路构成。用专用的集成电路。用

555

定时器构成。脉冲周期T脉冲幅度Vm脉冲宽度上升时间tr下降时间tf占空比：施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。10.2施密特触发器 施密特触发器（电路）是一种特殊的双稳态时序电路，与一般双稳态电路比较，它具有两个明显的特点：

1.施密特触发器是一种优良的波形整形电路，只要输入信号电平达到触发电平，输出信号就会从一个稳态转变到另一个稳态，且通过电路内部的正反馈过程可使输出电压的波形变得很陡。

2.对正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平，这是施密特触发器的滞后特性或回差特性，提高了干扰能力，可有效滤除噪声。§10.2.1用门电路组成的施密特触发器设G1、G2阈值电压VTH≈VDD/2，

R1<R2（否则电路进入自锁状态,不能正常工作）010因为CMOS门的输入电阻很高，所以G1的输入端可以近似的看成开路把叠加原理应用到R1和R2构成的串联电路上，我们可以推导出这个电路的正向阈值电压和负向阈值电压。当上升，使得时,将要发生变化，但电路状态尚未发生变化，所以与此类似，我们考虑电路状态即将发生变化那一时刻的情况。因为此时电路状态尚未发生变化，所以V0仍然为Vdd=2Vth自锁状态如果R1〉R2那么有这说明，即使上升到或下降到0，电路的状态也不会发生变化，电路处于“自锁状态”，不能正常工作。（2）工作波形与电压传输特性

施密特触发器将三角波uI变换成矩形波uO。施密特触发器的工作波形及电压传输特性（a）工作波形（b）电压传输特性3.重要参数上限触发转换电平UT+下限触发转换电平UT－

回差ΔUT=UT+－UT－（通常UT+＞UT－）改变R1和R2的大小可以改变回差ΔUT

正向阈值电压负向阈值电压回差电压：ΔVT＝

VT＋－VT－滞回电压传输特性，即输入电压的上升过程和下降过程的阈值电平不同。这是施密特触发器固有的特性。

同相输出的施密特触发器反相输出的施密特触发器§10.2.3施密特触发器的应用1.用于波形变换：2.用于脉冲整形：3.用于脉冲鉴幅：施密特触发器能将幅度大于VT+的脉冲选出。4.用于构成多谐振荡器：本节小结施密特触发器具有两个稳定的状态，是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。施密特触发器可以由分立元件构成，也可以由门电路及555定时器构成。施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。10.3单稳态触发器工作特点：1、电路中有一个稳态和一个暂稳态两个工作状态；2、在外界触发脉冲作用下，电路能从稳态翻转至暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动翻转至稳态；3、暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲无关。§10.3.1用门电路组成的单稳态触发器单稳态触发器因为电路具有一个稳定状态而得名。它由两个门电路、一个RC电路组成。它的暂稳态通常都是靠RC电路的充、放电过程来维持的，根据RC电路的不同接法，分为微分型和积分型。RC微分电路原理：从图得：Uo=Ric=RC(duc/dt),因Ui=Uc+Uo,当，t=to时，Uc=0,所以Uo=Uio随后C充电，因RC≤Tk,充电很快，可以认为Uc≈Ui，则有：Uo=RC(duc/dt)=RC(dui/dt)这就是输出Uo正比于输入Ui的微分（dui/dt)RC电路的微分条件：RC≤Tk积分电路输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。

原理：从图得，Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时，Uc=Oo.随后C充电，由于RC≥Tk,充电很慢，所以认为Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故

Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)∫icdt

这就是输出Uo正比于输入Ui的积分（∫icdt）

RC电路的积分条件：RC≥Tk

010101

稳态没有触发器电平时，vI为低电平，vO为低电平，vO1为高电平。

稳态至暂稳态当vI正跳变时，vO1由高到低，vI2为低电平。于是vO为高电平。即使vI

触发器信号撤除，由于vO的作用，vO1仍可为低电平。11010

暂稳态至稳态

暂稳态期间，电源经电阻R和门G1对电容C充电，vI2升高，当vI2=VTH时，vO下降，vO1上升，但使vI2再次升高，最终vO1=1，vO=0。00101脉冲宽度要窄tW=0.69RC当vI的脉冲宽度很宽时，在单稳态触发器的输入端加一个RC微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门G1被vI封住了，会使vo的下降沿变缓。§10.3.2集成单稳态触发器功能表见表10.3.1tW=0.69RextCext

A1、A2是两个下降沿有效的触发信号输入端，B是上升沿有效的触发信号输入端。

Q和Q是两个状态互补的输出端。

Rext/Cext、Cext是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻R（R=1.4kΩ～40kΩ）接在VCC和Rext/Cext之间，外接定时电容C（C=10pF～10μF）接在Cext（正）和Rext/Cext之间。

74121内部已设置了一个2kΩ的定时电阻，Rin是其引出端，使用时只需将Rin与VCC连接起来即可，不用时则应将Rin开路。引脚简介图10.3.10外接电阻（下降沿触发）内部电阻（上升沿触发）目前使用的集成单稳态触发器有不可重复触发型和可重复触发型两种。不可重复触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束后，才接受下一个触发脉冲而转入暂稳态。可重复触发的单稳态触发器进入暂稳态后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个tW宽度。不可重复触发型可重复触发型§10.3.3单稳态触发器的应用1、定时只有在脉冲宽度tpo内的信号才能通过。2、延时与整形可将脉冲宽度不等的矩形脉冲整形成脉冲宽度相等的矩形波。通常噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号都具有一定的宽度。因此，利用单稳态电路，将输出脉宽调节到大于噪声宽度而小于信号宽度即可消除噪声。3、消除噪声本节小结单稳态触发器具有一个稳态和一个暂稳态。在单稳态触发器中,由稳态到暂稳态需要输入触发脉冲,暂稳态的持续时间即脉冲宽度是由电路的阻容元件RC决定的,与输入信号无关。单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由555定时器构成。单稳态触发器可以用于产生固定宽度的脉冲信号，用途很广。10.4多谐振荡器

多谐振荡器又称无稳电路，主要用于产生各种方波或时间脉冲信号。它是一种自激振荡器，在接通电源之后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲波。由于矩形脉冲波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器称为多谐振荡器。

性能特点：①没有稳态，有两个暂稳态。②工作不需要外加信号源，只需要电源。对称多谐振荡器

uI1C1G1uI2uO1uOuO2C2G2RF1RF2RF1RF2形成正反馈回路工作波形OuO2tOuO1tUOHUOLUOHUOLuI2UTHOtUTHuI1tO输出波形

合理取值，使G1、G2门工作在电压传输特性的转折区，使两个反相器都工作于放大状态。通过

RC

电路的充放电作用自动控制

uI1、uI2波形的变化，从而控制

G1、G2门交替开通和关闭，使电路输出周期性的矩形脉冲。对称多谐振荡器

uI1C1G1uI2uO1uOuO2C2G2RF1RF2RF1RF2振荡周期的估算取RF1=RF2=RF，C1=C2=C，

UTH=1.4V，UOH=3.6V，

UOL=0.3V则可输出占空比50%的矩形波。T=2tW1.4RFC脉冲宽度工作波形OuO2tOuO1tUOHUOLUOHUOLuI2UTHOtUTHuI1tO10.4.2

环形振荡器1.最简单的环形振荡器最简单的环形振荡器(a)电路(b)工作波形

利用集成门电路的传输延迟时间，将奇数个反相器首尾相连便可构成最简单的环形振荡器。该电路没有稳定状态。

T=6tpd。

T=2ntpd2.RC环形振荡器最简单的环形振荡器构成十分简单，但是并不实用。因为集成门电路的延迟时间tpd极短，而且振荡周期不便调节。

利用电容C的充放电，改变uI3的电平(因为RS很小,在分析时往往忽略它。)来控制G3周期性的导通和截止，在输出端产生矩形脉冲。RS是限流电阻（保护G3），通常选100Ω左右。增加RC延迟环节，即可组成RC环形振荡器电路。

RC环形振荡器的工作波形

电路的振荡周期为

T≈2.2RC

R不能选得太大（一般1kΩ左右），否则电路不能正常振荡。

。

CuOuCR-+EN(三)施密特触发器组成的多谐振荡器设电容初始电压uC(0)=0。则接通电源后uO输出高电平UOH，输出端通过R向电容C充电，使uC

升高。

CuOuCR-+工作原理EN

EN=0时，uO=1，多谐振荡器不工作；EN=1时，不影响振荡器电路工作，下面分析时省略它。0UOH充电CuOuCR-+OtOuOtUT+UT-UOLUOHCuOuCR-+UC

当uC上升到UT+时，施密特触发器状态翻转，uO跃变为低电平UOL。这时C经R和施密特触发器的输出电阻RO放电，使uC

下降。

C充电，使uC上升，在到达UT+之前uO=UOH。CuOuCR-+OtOuOtUT+UT-UOLUOHCuOuCR-+UCuC≥UT+UOLCuOuCREN-+OuCtOuOtUT+UT-UOLUOH(三)施密特触发器组成的多谐振荡器当uC下降到UT-时，触发器又翻转，uO重新跃变为高电平UOH，电路又充电。CuOuCR-+uC≤UT-UOH充电UT-UT+

C放电，使uC下降，在到达UT-之前uO=UOL。电容如此周而复始地充电和放电，电路便产生了振荡，输出周期性矩形波。振荡频率与充放电元件值R、C及VDD、UT+、UT-有关。C1G1uOC2G2RF并联石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器振荡频率稳定G1G2RF通常取5~10M，使G1门工作在电压传输特性的转折区，使G1门放大工作。选频和形成正反馈。振荡频率晶体频率采用CMOS门调节C1可微调振荡频率；调节C1、C2比值可调节反馈系数。改善输出波形的前沿和后沿，使输出较理想矩形波。振荡产生电路本节小结多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。工作不需要外加信号源，只需要电源。要想得到频率稳定性高的多谐振荡器时，应采用石英晶体多谐振荡器。10.5555定时器的原理和应用

555定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件，

由于使用灵活、方便，因而

555定时器在波形的产生与变换、信号的测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到广泛的应用。它是一种多用途的单片集成电路，利用它能极方便地接成单稳态触发器和多谐振荡器及其它实用电路。

10.5.1555定时器的工作原理

(1)555定时器的电路组成两个模拟电压比较器

A1、A2一个

RS触发器一个集电极开路输出的三极管。RSQQ++--A1A2VCCTHCOTRDTuoRD87645321RRRRSQQ++--A1A2VCCTHCOTRDuoRD87645321RRR12345678555VCCDTHCOGNDTRUoRD电源放电阈值电控压制地触发输出复位电源电压范围:4.5V~18VRSQQ++--A1A2VCCTHCOTRDTuoRD87645321RRR

(2)555定时器的工作原理CO=2VCC/3VCC/3A1

：同相比较器A2

：反相比较器RSQQ++--A1A2VCCTHCOTRRD86452RRRCO=2VCC/3VCC/3A1

TH>2VCC/3，R=1

；TH<2VCC/3，R=0。TR>VCC/3，S=0；TR<VCC/3，S=1。A2

0VCCVCC/32VCC/3THTR同相比较器反相比较器R=1R=0S=0S=1101000阈值端触发端THTRRS比较的结果2VCC/3小于2VCC/3小于VCC/3大于VCC/3小于VCC/3大于大于2VCC/3101000阈值端触发端THTRRS比较的结果2VCC/3小于2VCC/3小于VCC/3大于VCC/3小于VCC/3大于大于2VCC/3QQ0110保持RSQQRSQQRSQ1001000101保持保持Q11禁止禁止RS触发器功能表R,S,101000阈值端触发端THTRRS比较的结果2VCC/3小于2VCC/3小于VCC/3大于VCC/3小于VCC/3大于大于2VCC/3QQ0110保持RSQQDTuO731TuO通止01保持10RSQQ++--A1A2VCCTHCOTRDuoRD87645321RRRT阈值端触发端THTR2VCC/3VCC/3大于大于2VCC/32VCC/3VCC/3VCC/3小于小于小于大于保持保持RD晶体管Tuo0111001导通导通截止XX555的功能表

10.5.2555定时器的应用(1)双稳态触发器:微电机起动停车控制电路。4816235S2S1RRCVCCTHTRuoM微电机555S1

:起动按钮S2

:停车按钮4816235S2S1RRCVCCTHTRM微电机555uo导通阈值端触发端THTR大于大于小于小于小于大于保持保持RD晶体管Tuo011001导通截止VCC/32VCC/3VCC/32VCC/32VCC/3VCC/31XX

则TR<VCC/3；未按S2

，

TH<2VCC/3，

故

uo=1，

电机转动。仅按下起动按钮

S1

4816235S2S1RRCVCCTHTRM微电机555uo导通阈值端触发端THTR大于大于小于小于小于大于保持保持RD晶体管Tuo011001导通截止VCC/32VCC/3VCC/32VCC/32VCC/3VCC/31XX仅按下起动按钮

S1

，则TR<VCC/3；未按S2

，

TH<2VCC/3，

故

uo

=1，

电机转动。

即使放开

S1

，4816235S2S1RRCVCCTHTRM微电机555uoTR>VCC/3，

TH<2VCC/3，

uo

保持为1，电机继续转动。4816235S2S1RRCVCCTHTRM微电机555uo阈值端触发端THTR大于大于小于小于小于大于保持保持RD晶体管Tuo011001导通截止VCC/32VCC/3VCC/32VCC/32VCC/3VCC/31XX电机在转按下停止按钮

S2，

TH>2VCC/3，且TR>VCC/3，

这时uo=0，

电机停转。电机停转

再松开

S2

，4816235S2S1RRCVCCTHTRM微电机555uo阈值端触发端THTR大于大于小于小于小于大于保持保持RD晶体管Tuo011001导通截止VCC/32VCC/3VCC/32VCC/32VCC/3VCC/31XX电机在转按下停止按钮

S2，

TH>2VCC/3，且TR>VCC/3，

这时uo=0，

电机停转。电机停转

再松开

S2

，4816235S2S1RRCVCCTHTRM微电机555uoTH<2VCC/3，TR>VCC/3，

这时uo保持为0，电机依然停转。电机停转48162357uouiVCCRRTCTDTHTRSJJ~红白D1D2555(2)单稳态触发器:洗相曝光定时器0tuo曝光D2

续流二极管。D1

单向导电；单稳态触发器的工作过程若S打开

，则

ui

=1

；若S合上，48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS55548162357uouiVCCRRTCTDTHTRS555则

ui

=0

。48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS555RSQQ++--A1A2THTRDTuo87645321RRRVCC(a)RTRCTSuiCO(b)RSQQ++--A1A2THTRDTuo87645321RRRVCCRTRCTSuiCO(b)假设电容CT已经充电至稳态，TH>2VCC/3，且按钮S处于打开状态，TR>VCC/3，则uO=0，ui=1，0RSQQ++--A1A2THTRDTuo87645321RRRVCCRTRCTSuiCO(b)假设电容CT已经充电至稳态，TH>2VCC/3，且按钮S处于打开状态，TR>VCC/3，则uO=0，ui=1，三极管T导通，电容CT

被短路。

TH=0.3V<2VCC/3且TR>VCC/3故

uO

保持0!T1CT0

保持00T导通注意阶段结果前提：电容CT已充电至稳态，开关S处于打开状态。结果：ui

=1，uo

=0。t0uot0uiRSQQ++--A1A2THTRDTuo87645321RRRVCCCO(b)RTRCTSuiT1CT合上按钮S期间

，ui=0V，TR=0V<VCC/3已经存在TH＝0.3V<2VCC/3，0此时

uO=1!1同时，三极管T变截止。TCT若再松开按钮S，电容CT

将被充电!TR>VCC/3，TH=0.3V三极管T保持截止T导通T截止RSQQ++--A1A2THTRDTuo87645321RRRVCCCO(b)RTRCTSuiT1CT01TCT若再松开按钮S，三极管T保持截止状态。图中的D点电位随时间的延长而升高，只要有：TH<2VCC/3，管T的状态就不变，CT

继续被充电，uo

保持为1

。T截止注意阶段结果前提：结果：于t1时刻合上按钮S电容CT

被不断充电条件：TH<2VCC/3输出状态uo

保持为1

三极管保持截止48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS2VCC/30tuo5550tui0tTHt1RSQQ++--A1A2THTRDTuo87645321RRRVCCCO(b)RTRCTSuiT1CT01TCT若再松开按钮S，三极管T保持截止状态。图中的D点电位随时间的延长而升高，只要有：TH<2VCC/3，管T的状态就不变，CT

继续被充电，uo

保持为1

。一旦出现：TH>2VCC/3，已经存在：TR>VCC/3，RSQQ++--A1A2THTRDTuo87645321RRRVCCCO(b)RTRCTSuiT1CT01TCT一旦出现：TH>2VCC/3，已经存在：TR>VCC/3，输出必然发生变化，0重新回到稳定状态0。输出uO在“1”上所停留的取决于充电过程的时间常数的大小。归纳与总结48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS2VCC/30tuo5550tui0tTHt1t248162357uouiVCCRRTCTDTHTRSJJ~红白D1D2555按钮

SuoJ的线圈J的结点红灯白灯未按0不通电不动作亮灭按一下1通电闭合灭亮白灯亮的时间即为曝光时间TWTW=1.1

RTCT(3)多谐振荡器:简易电子琴电路48162357R1C555uoVCCR21R28S8S148162357R1R2CuC555DTHTRuoVCCRSQQ++--A1A2THTRDTuo87645321RRRVCCR1R2C

设电容C原先未充电,故TH=TR<VCC/3,此时uo

=1,555内的晶体管T截止,电源通过R1

和R2

对电容C

充电。uC0tVCC

/32VCC

/30tuo

在uC

没有充电到2VCC/3之前,uo

保持

1

不变。48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC故RSQQ++--A1A2THTRDTuoRRRVCCR1R2CTH

=TR

<VCC/3

，此时

uo

=

1

，

晶体管T

截止，

电源通过

R1和R2对电容C充电，设电容C原先未充电，

uC

uC<2VCC/3时，1

uO

保持1不变；uC0tVCC

/32VCC

/30tuouC一旦充至2VCC/3，则TH=TR=2VCC

/3、uo由1翻转为

0

。同时555内的晶体管T导通,电容C经R2

、T放电,一直至VCC

/3，使得uo

回到1,进入循环

...t1t2t3

在uC

没有充电到2VCC/3之前,uo

保持

1

不变。48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC故RSQQ++--A1A2THTRDTuoRRRVCCR1R2CTH

=TR

<VCC/3

，此时

uo

=

1

，

晶体管T

截止，

电源通过

R1和R2对电容C充电，设电容C原先未充电，

uC

uC<2VCC/3时，1

uO

保持1不变；

uC>2VCC/3时，TH=TR>2VCC/3

uO

状态翻转，0RSQQ++--A1A2THTRDTuoRR