电子技术与数字电路（第二版）12 脉冲信号的产生与整形

第12章脉冲信号的产生与整形

本章主要内容（1）脉冲信号波形的特性参数（2）单稳态触发器（3）多谐振荡器（4）施密特触发器（5)555定时器12.1脉冲信号波形的特性参数所谓脉冲信号，是指在短时间内出现的阶跃电压或电流信号。在各种类型的脉冲信号中，最常见的是矩形脉冲。理想的矩形脉冲是一种无上升和下降时间，在持续时间内电压(或电流)保持不变的脉冲信号。如图12.1(a)所示。

(a)理想矩形脉冲

（b）矩形脉冲特性参数图12.1矩形脉冲脉冲信号波形的主要特性参数：

①脉冲周期T——周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间的时间间隔。周期T的倒数即单位时间内出现的脉冲数弥为重复频率f，即f=1/T。②脉冲幅度Vm——脉冲电压的最大变化幅度。③脉冲宽度Tw——从脉冲前沿上升到0.5Vm开始，到脉冲后沿下降到0.5Vm为止的一段时间(即脉冲幅度50％处的持续时间)。④上升时间tr——脉冲前沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时间。⑤下降时间tf——脉冲后沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需要的时间。12.2单稳态触发器前面介绍的触发器电路，它有两种稳定状态，在外界触发信号作用下，可以从一种稳定状态翻转到另一种稳定状态。所以，也称触发器为双稳态电路。触发器之所以具有这种特点，是由触发器电路的内部结构决定的。如果将基本RS触发器的两条交叉耦合支路的其中一条改为RC耦合(电阻电容耦合)，则电路的工作情况就大不一样。这种电路平时总是处于一种稳定状态。在外来触发信号的作用下，它能翻转成新的状态，但这种状态是不稳定的，只能维持一定时间，因而称之为暂稳态。暂稳态时间结束，电路能自动回到原来状态，从而输出一个矩形脉冲。由于这种电路只有一种稳定状态，因而称之为“单稳态触发器”，简称“单稳电路”或“单稳”。单稳电路的暂态时间的长短，与外界触发脉冲无关，仅由电路本身的耦合元件RC决定，因此称RC为单稳电路的定时元件。这种电路被广泛应用于数字系统中，可用于脉冲信号的宽度调整及延时等。按照定时元件的连接方式，单稳电路可分为微分型和积分型两大类。12.2.1微分型单稳电路1.电路组成微分型单稳电路如图12.2所示。图中G1、G2是CMOS“或非”门。电阻R和电容C组成微分延时电路。图12.2微分型单稳电路2.工作原理如图12.2所示，该电路的输入触发脉冲为正脉冲。稳态时(即正触发脉冲未到来时)，只要恰当选择R的阻值，G2一定导通，其输出V02为低电平。又由于VI1为低电平，所以G1的两个输入端均为低电平，G1截止，其输出V01为高电平。当正触发脉冲到来并使VI1由低电平上升至VT(即CMOS“或非”门的开启电压)时，将引起下列正反馈过程：

该正反馈过程使电路快速翻转到G1导通（输出低电平）、G2截止（输出高电平），进入暂稳状态。接着VDD通过R及G1的输出电阻对电容C充电，VI2按指数规律上升，当VI2上升到VT时，又会产生下列正反馈过程（假设此时VI1已回到低电平）：

VI2↑→VO2↓→VO1↑这个正反馈过程使电路快速返回到G1截止、G2导通的稳定状态。此后电容C通过G2输入端保护电路的二极管及G1的输出电阻放电，VI2基本保持在VDD，Vo1逐渐上升到VDD。这种单稳态电路各点工作波形如图12.3所示。图12.3微分型单稳电路工作波形由上述单稳电路的工作过程，可以得出输出脉冲宽度（即暂稳态时间）tw的估算公式如下：tw=(R+Ro)ClnVDD/(VDD－VT)若VT=1/2VDD，则tw=(R+Ro)Cln2≈0.7(R+Ro)C其中Ro为G1门的输出电阻。例如，若R=1kΩ，Ro=0.2kΩ，C=150pF，则单稳电路的输出脉冲宽度tw

=0.7（1kΩ+0.2kΩ）×150pF=126nS。输出脉冲的幅度近似等于VDD。另外，为使单稳电路可靠工作，应让电容在暂稳态之后能够充分恢复到稳态时的电压。为此，触发脉冲周期应大于tw+3τ。τ称为电容充、放电时间常数。在本电路中，τ即为（R+Ro）C。12.2.2积分型单稳电路1.电路组成积分型单稳电路如图12.4所示。G1、G2为CMOS“或非”门，R、C构成积分型延时电路，容易看出，与微分型单稳电路相比，其中的R、C刚好互易位置。图12.4积分型单稳电路2.工作原理如图12.4所示，该电路的输入触发脉冲为负脉冲。稳态时，VI1为高电平，G1和G2导通，所以Vo1为低电平，VI2为低电平，Vo2也为低电平。当负触发脉冲到来时，VI1由高电平跳到低电平，G1截止，Vo1由低电平跳到高电平。但由于电容上的电压不能突变，所以此刻VI2仍为低电平，故G2由导通变为截止，Vo2由低电平跳变到高电平，电路进入暂稳态。此后电容C通过R和Ro（G1的输出电阻）放电，VI2呈指数规律上升，当上升到VT时（假定VI1仍为低电平），G2导通，Vo2跳变到低电平。当VI1跳变到高电平后，G1导通，电容C开始充电，直至电路恢复到稳定状态。其工作波形如图12.5所示。图12.5积分型单稳电路工作波形

脉冲宽度tw的估算公式为：tw

=(R+Ro)ClnVDD/(VDD－VT)典型情况下VT=1/2VDD，则tw≈0.7(R+Ro)C另外，这种电路要求触发信号VI1的脉冲宽度(低电平时间)应大于输出脉冲Vo2的宽度tw，否则该电路就成了反相器，失去了单稳电路的基本特性和功能。

12.3多谐振荡器在数字电路中，经常需要有能够自己产生脉冲信号的电路。多谐振荡器就是不需要外加触发信号，自身就可以产生脉冲信号的矩形波发生器。这种自身就可以产生信号的电路称为“自激振荡器”。又由于矩形波或方波都包含有多次谐波，所以这种电路又称“自激多谐振荡器”，简称“多谐振荡器”。双稳态电路和单稳态电路有一个共同特点，就是必须在外界触发信号的作用下才能引起电路工作状态的翻转。多谐振荡器不需要外加触发信号，自身就能够反复不停地翻转、产生矩形脉冲。单稳电路的两条交叉耦合支路中的一条为RC耦合，因而出现一个暂稳态，一次自动翻转。如果把两条耦合支路都改为RC耦合，且耦合电阻选择得恰当，这时电路就没有稳态，即只有两个暂稳态。在电源接通后，电路就能不停地在两个暂稳态间来回翻转，即电路产生振荡，输出一定脉冲宽度和重复周期的矩形脉冲信号。多谐振荡器的类型及电路组成形式较多，这里主要介绍环形多谐振荡器及石英晶体多谐振荡器。12.3.1环形多谐振荡器环形多谐振荡器，是一种由奇数个门电路首尾相联而构成的闭环电路多谐振荡器。图12.6所示即为一个由三块TTL“与非”门构成的环形多谐振荡器及各点电压波形。图12.6环形多谐振荡器由于每个门电路都有一定的传输延迟时间，所以在电源接通后，电路的输入输出关系按“1-0-1-0”的规律变化，即这种联结形式的电路一定没有稳定状态。例如当VI1突然跳变到VI1=1时，那么经过G1门延迟tpd以后，VI2=0；然后经过G2门延迟tpd，使VI3=1；再经过G3门延迟tpd,使Vo=0=VI1。即VI1经过3tpd之后，又变成了低电平。可以推断，再经过3tpd之后，Vo=VI1又会变成高电平。如此周而复始，电路形成振荡，输出如图12.6（b）所示的矩形脉冲。由波形图容易看出，振荡周期T=2×3tpd=6tpd，振荡频率f为：

f=1/（2×3tpd）式中，3为门电路数，tpd为单个门电路的传输延迟时间。这种振荡器的电路结构简单，但由于门电路的传输延迟时间tpd很短，所以这种电路的振荡频率很高，而且不可调，因此应用范围有限。

12.3.2RC环形振荡器

由TTL“与非”门组成的RC环形振荡器如图12.7所示。其中的R、C为主要的定时元件，由它们决定电路的振荡频率，调节R，可以改变振荡频率。

图12.7RC环形振荡器

振荡电路中各点电压波如图12.8所示。图12.8RC环形振荡器各点电压波形省略具体的推算过程，下面直接给出这种电路的振荡周期为：T=0.98(R//R1)C+1.26RC当R1≥R时，振荡周期的估算公式也可表示为：T≈2.2RC例如，若R=5kΩ，C=4μF，则振荡周期T=2.2×5kΩ×4μF=44mS。12.3.3石英晶体多谐振荡器

为了得到频率稳定度很高的时钟脉冲，可以采用的一种有效方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。石英晶体的频率稳定性很高，而且其选频特性也非常好。图12.9给出了石英晶体的符号表示及阻抗频率特性曲线。图12.9石英晶体的符号及阻抗频率特性一个TTL“与非”门石英晶体多谐振荡器电路如图12.10所示。其中VI为控制端，VI=1时，电路振荡；VI=0时，电路不振荡。图12.10石英晶体多谐振荡器这种电路的振荡频率只决定于石英晶体本身的谐振频率f0，而与电路中的R、C数值无关。图12.11是CMOS石英晶体多谐振荡器电路。它的振荡频率主要由石英晶体的谐振频率决定。电容C用作频率微调。图12.11CMOS石英晶体多谐振荡器

12.4施密特触发器施密特触发器能够把变化缓慢的输入信号整形成适合数字电路需要的矩形脉冲。因此，施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中得到广泛应用。12.4.1电路组成图12.12表示了施密特触发器的电路组成及符号表示。容易看出，它是由两极反相器组成的。在耦合方式上，它通过电阻R1和R2分压，将T1管集电极同T2管基极耦合；同时再通过发射极电阻Re完成T2管与T1管的耦合，所以也有人称此电路为“射极耦合触发器”。

图12.12施密特触发器12.4.2工作原理下面通过图12.13所示该电路的输入和输出波形来说明它的工作原理。当输入信号VI为较低电平时（即当t<t1时），电路处于T1截止、T2饱和状态；当输入电压VI上升到VT+时（即t=t1时刻），T1管开始导通，ib1上升，icl上升，Vc1下降，经过电阻R1和R2的分压，Vb2也下降，并使T2管脱离饱和，ic2下降很多，电阻Re上的电压Ve也因ic2的下降而下降，T1管的发射结电压Vbe1上升，使T1管进一步导通，产生下述正反馈过程：

VI↑→ib1↑→ic1↑→Vc1↓→Vb2↓→ic2↓→Ve↓→Vbe1↑

正反馈过程使电路迅速翻转到T1饱和、T2截止的状态。电路的输出电压V0产生一正跳变。当VI达到VT+之后，即使输入电压VI进一步增高，电路仍维持T1管饱和、T2管截止这一状态。当VI到达最大值之后再降到VT-时（即t=t2时），T1管脱离饱和进入放大区，ib1下降，ic1下降，Vc1上升，经过电阻R1和R2分压，Vb2也上升，并使T2管脱离截止进入放大区，ib2上升，ic2更快地上升，电阻Re上的电压Ve则因ic2上升而上升，T1管发射结电压Vbe1下降，使ib1，ic1进一步减小，产生下述正反馈过程：VI↓→ib1↓→ic1↓→Vc1↑→Vb2↓→ib2↑→ic2↑→Ve↑→Vbe1↓

这个正反馈过程又使电路迅速地翻转到T1截止、T2导通的状态，输出电压有一负跳变。此后电路将维持这一状态，直到VI再次上升到VT+为止。

图12.13输入和输出波形关系

图12.14电压传输特性VI上升过程中，使施密特电路状态翻转、输出电压发生跳变时的输入电压值VT+，称为“上限阈值电压”；VI下降过程中，使施密特电路状态更新、输出电压再次发生跳变时的输入电压值VT－，称为“下限阈值电压”。VT＋与VT－不同的现象称为“回差现象”。VT＋与VT－之间的差值ΔV，叫做“回差电压”。图12.14表示了施密特触发器的电压传输特性，从图中可以清楚地看到施密特触发器的回差现象。12.4.3应用举例施密特触发器应用很广，下面举例说明。1.脉冲整形图12.15所示为施密特触发器用作脉冲整形电路时的输入输出波形，它把不规则的输入电压波形整形为规则的矩形波。

图11.15施密特触发器用作脉冲整形2.脉冲选择图12.16所示为施密特触发器用作脉冲选择电路时的输入输出波形，当输入电压到达施密特触发器的上限阈值电压VT＋时，电路就动作，产生输出脉冲，从而可以去除幅度较小的干拢脉冲，保留有用信号脉冲。图12.16施密特触发器用作脉冲选择3.组成多谐振荡器图12.17是用施密特触发器组成的多谐振荡器电路。其工作原理为，当施密特触发器输入端为低电平时，输出为高电平，电容C充电。随着充电过程的进行，输入端电压不断上升，当输入端电压上升至VT＋时，施密特触发器状态翻转，输出低水平。此后电容C开放放电，随着放电过程的进行，输入端电压又逐渐下降，当下降到VT－时，电路的状态又发生翻转，输出高电平。

如此反复振荡，在输出端即可得到周期性矩形脉冲波。R、C数值越大，振荡周期T越长，振荡频率f就越低。改变R、C数值，即可调节输出脉冲频率f。图12.17组成多谐振荡器12.5555定时器

利用555定时器，只要外接少量元件就可以构成单稳态触发器、自激多谐振荡器和施密特触发器等常用脉冲信号的产生与整形电路，还可以组成其他多种控制与测试电路，使用非常灵活。12.5.1电路结构CH7555是一种典型的CMOS集成定时器。其电路结构和外部引脚排列如图12.18所示。由图可见，CH7555由两个比较器、一个基本RS触发器、一个MOS管开关、三个等值电阻（约100KΩ）分压器及输出缓冲器组成。图12.18CH7555定时器

1.比较器C1、C2是两个CMOS比较器。比较器有两个输入端，分别标以“＋”和“－”。如果用V＋和V－表示相应输入端上所加电压，则当V＋>V－时，比较器输出高电平；V＋<V－时，比较器输出低电平。由于CMOS比较器输入电阻接近于无穷大，所以两个输入端基本上不向前级信号源索取电流。2.基本RS触发器基本RS触发器由两个“或非”门组成，其作用是将比较器输出的阶跃电压变成定时器的输出脉冲信号。比较器C1输出的高电平使触发器置0（在复位端为1，比较器C2输出低电平时），所以比较器C1输出端即触发器复位端用R表示；比较器C2输出端即触发器置位端用S表示。显然，当触发器为0状态（即Q=0，Q=1）时，输出VO为0；触发器为1状态（即Q=1，Q=0）时，输出VO为1；在R=S=0时，触发器状态不变，因而输出VO也不变。3.分压器三个阻值均为R的电阻串联起来构成分压器，为比较器C1和C2提供2VDD/3和VDD/3的参考电压。C1的“－”端接2VDD/3，C2的“＋”端接VDD/3。如果在电压控制端Vc另加控制电压，则可改变C1、C2的参考电压。4.MOS管开关及输出缓冲器MOS管T构成开关，开关的状态受“或”门输出端控制，当“或”门输出为0时T截止，为1时T导通。当复位端为0时，无论两个比较器输出状态是什么，定时器输出VO变为低电平，MOS管开关导通。输出缓冲器就是接在输出端的反相器1，其作用是提高定时器的负载能力以及隔离负载对定时器的影响。12.5.2CH7555的引脚功能CH7555定时器共有8个引出脚，如图12.18(b)所示。现对各引脚功能分别解释如下：1.输入端6脚VTH称为“高触发端”，也称上限阈值输入端，只有该端输入大于2VDD/3时，定时器才能置0（VO=0）。2脚VTR称为“低触发端”，也称下限阈值输入端，只有该端输入小于VDD/3时，定时器才能置1（VO=1）。4脚为强迫复位输入端，当该端为低电平时，无论2、6脚为何值，定时器复位（VO=0）。5脚VC为电压控制端，此端输入控制电压，可改变比较器C1、C2的参考电压。工作中如果不使用VC端，可以将其通过一个0.01μF的电容接地，以旁路高频干扰。2.输出端3脚VO为定时器的输出端，是定时器与负载的连接端。7脚DIS称为“放电端”，由图12.18所示的电路结构中可以看出，它即为内部电路中的MOS开关管的漏极引出端，当该端与外接定时元件（电阻、电容）相连时，通过控制MOS开关管的截止与导通，即可控制外接定时电容的充放电。3.电源端8脚VDD接电源正端；1脚VSS接电源负端（或地端）。12.5.3CH7555定时器的逻辑功能CH7555定时器的逻辑功能如下：（1）当R*=0时，无论VTH、VTR*为何值，VO=0，DIS接通；（2）当R*=1时，VTH>2VDD/3，VTR*

>VDD/3时，R=1，S=0，触发器置0，VO=0，DIS接通；（3）当R*=1，VTH<2VDD/3，VTR*

<VDD/3时，R=0，S=1，触发器置1，VO=1，DIS断开；当R*=1，VTH>2VDD/3，VTR<VDD/3时，R=1，S=1，触发器的Q和Q*均为0，此时“或”门输出仍为0，故VO=1，DIS断开。（4）当R*=1，VTH<2VDD/3，VTR*

>VDD/3时，R=0，S=0，触发器状态不变，输出VO和MOS管T的状态也不变。12.5.4555定时器应用举例1.组成单稳态触发器由CH7555组成的单稳态触发器如图12.19所示。图中R、C是外接定时元件。输入触发信号VI加在低触发端VTR上，由输出端VC给出输出信号。电压控制端VC不用，因此将其接0.01μf旁路电容。

图12.19用CH7555构成单稳态触发器稳态时，输入触发信号VI为高电平VDD，基本RS触发器处在0状态，“或”门输出高电平，MOS管T导通，Vo≈0V，DIS=VTH≈0V。当负触发脉冲到来时，只要输入脉冲的低电平小平VDD/3，则比较器C2输出高电平，基本RS触发器置1，Q*=0，“或”门输出低电平，MOS管T截止，输出Vo跳变为高电平，电路进入暂稳态。在暂稳态期间电源VDD通过电阻R对电容C充电，随着充电过程的进行，VTH=DIS的电位逐渐升高，当VTH上升到2VDD/3时，比较器C1输出高水平，基本RS触发器置0，Q*=1，“或”门输出高电平，输出Vo跳变为低电平，MOS管T导通，电容C放电，电路返回到稳态。

工作波形如图12.20所示。

图12.20工作波形若忽略MOS管T的导通压降，则该单稳电路的输出脉冲宽度可用下式估算：Tw≈RCln3≈1.1RC使用这样单稳电路时，要求输入触发脉冲的宽度一定要小于Tw。当VI的宽度大于Tw时，可在输入端加RC微分电路。2.组成多谐振荡器由CH7555组成的多谐振荡器电路如图12.21所示。R1、R2、C为外接定时元件。该电路的工作原理如下：假设电源接通后某时刻电路所处的状态为：输出VO=1，则此时MOS管T截止，电源VDD通过R1、R2对电容C充电，VTH=VTR*的电位逐渐升高。当VTH上升到2VDD/3时，比较器C1的输出跳变为高水平，基本RS触发器置0，Q=1，“或”门输出高电平，VO跳变到低电平，MOS管T导通，电容C通过R2放电，VTH=VTR*电位逐渐下降。当VTR*下降到VDD/3时，比较器C2的输出跳变为高电平，基本RS触发器置1，Q=0,“或”门输出低电平，VO跳变成高电平，MOS管T截止，C充电。如此重复上述过程，电路产生振荡，在其输出端即可得到周期性的矩形脉冲信号。工作波形图如图12.22所示。

图12.21用CH7555构成多谐振荡器

图12.22工作波形根据上述分析，可求得电容C的充放电时间t1、t2和脉冲周期T，近似计算公式如下：t1≈(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)C

t2≈R2Cln2≈0.7R2C

T=t1+t2≈0.7(R1+2R2)C3.组成施密特触发器由CH7555组成的施密特触发器中图12.23所示。此电路原理比较简单。显然这个电路的上限阈值电压VT＋=2VDD/3，下限阈值电压VT－=VDD/3，其回差电压为ΔV=VT＋－VT－=VDD