第8章脉冲波形的产生与整形kang

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。trtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脉冲波形参数一些基本概念脉冲宽度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。占空比q——脉冲宽度Tw与脉冲周期T之比即

trtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT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复的次数，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电路组成图8-1为双极型5G555定时器的原理电路和引脚排列图。

V-C12348765+VCCDTHGNDTLOUTR5G5553图8-1集成5G555定时器原理图电阻分压器比较器基本RS触发器三极管开关输出缓冲器555定时器基本结构分压器分压器由三个阻值均为5kΩ的电阻串联连接构成，为比较器C1、C2提供参考电压VR1、VR2，C1的同相输入端V+=VR1=2VCC/3。C2的反相输入端V-=VR2=VCC/3。如果在电压控制端5另加控制电压，可以改变比较器C1、C2参考电压VR1、VR2的值。若工作中不使用控制端5时，则控制端5通过一个0.01μF的电容接地，以旁路高频干扰。分压器上端8接VCC，下端1接地。比较器

C1和C2是两个比较器。分别由集成运算放大器构成。C1的同相输入端“+”接到参考电压VR1端上，即电压控制端5，反相控制端“-”用TH表示，称为高触发端6；C2的反相输入端“-”接参考电压端VR2端上，同相输入端“+”用TL表示，称为低触发端2。当同相输入端电压V+大于反相输入端电压V-(V+>V-)时，比较器输出为高电平；若同相输入端电压V+小于反相输入端电压V-(V+<V-)时，比较器输出为低电平；基本RS触发器基本RS触发器由两个与非门构成，是可以从外部进行置“0”的复位端4，当=0时，使Q=0，

=1，工作时，触发器的状态受比较器输出VC1和VC2的控制。输出缓冲器输出缓冲器由接在输出端的非门3构成，其作用是提高定时器的带负载能力，隔离负载对定时器的影响。非门3的输出为定时器的输出端3(vo)。三极管开关三极管T在此电路中作为开关使用，其状态受触发器端控制，当=0时，T截止，

=1时T饱和导通。5G555定时器有八个引出端：1地端、2低触发端、3输出端、4复位端、5电压控制端、6高触发端、7放电端、8电源端。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8-15G555定时器的功能表THTLRVOT

×＞2VCC/3＜2VCC/3＜2VCC/3××＞VCC/3＜VCC/30111

00不变

1导通导通不变截止只要=0，则=1，vo=0，T处于导通状态；当TH>2VCC/3时，即V->V+，vC1=0，=1，vo=0，T导通；若TH<2VCC/3,TL>VCC/3时，则vC1=1、vC2=1，基本RS触发器保持原来状态不变，因此输出vo和三极管T保持原来状态；当TH<2VCC/3,TL<VCC/3时，则vC1=1、vC2=0、Q=1、

=0，vo=1，三极管T截止。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。用555定时器很容易构成多谐振荡器。如图8-2所示。图中的R1、R2和C是外接电阻和电容，是定时元件。VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvC图8-2多谐振荡器CR1R2工作原理分析如下：电路接通电源前，定时电容C上的电压vC=0V，TH、TL的电位为0，即vTH=vTL=vd=vC=0V。电路接通电源VCC开始时，由于电容器上的电压不能突变，所以TH、TL均处于低电位，则vTH＜VR1，2VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0使比较器C2输出vC2=0。此时，基本RS触发器处于1状态，Q=1，=0，定时器输出vo=1使三极管开关截止，电源VCC通过R1、R2给电容器充电，使TH、TL的电位逐渐升高。电路处于暂稳态，定时器输出vo保持高电平。

2VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0当电容器C充电使vC上升到2VCC/3时，TH、TL的电位同时也上升到2VCC/3，使比较器C1输出vC1=0，比较器C2的输出vC2=1，此时，基本RS触发器置0，Q=0，=1，2VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0定时器vo跳变为低电平(vo=0)，同时使三极管开关T导通，电容器C经R2和三极管T放电，TH、TL的电位逐渐下降，电路处于另一个暂稳态，定时器输出vo保持低电平。2VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0当电容器C放电使vC下降到VCC/3时，TH、TL的电位同时也下降到VCC/3，使比较器C1输出vC1=1，比较器C2的输出vC2=0，此时，基本RS触发器置1，Q=1，=0，定时器vo跳变为高电平(vo=1)，2VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0同时又使三极管开关T截止，电源VCC又通过R1和R2给电容器C充电，……如此周而复始地两个暂稳态不停地相互转换，在定时器的输出端就得到矩形波脉冲信号输出。工作波形如图8-3所示。2VCC3VCC3VCC0tw1tw2VCCT图8-3多谐振荡器工作波形图0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≈0.7R2CT=tw1+tw2≈0.7(R1+2R2)C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。VCC0.01μF584376215G555DTHTLD1vC图8-4占空比可调多谐振荡器D2CR1R2Rw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tw1≈0.7R1C脉冲间隔时间tw2≈0.7R2C振荡周期T≈0.7(R1+R2)C

VCC0.01μF584376215G555DTHTLD1vC图8-4占空比可调多谐振荡器D2CR1R2RwVCC0.01μF584376215G555DTHTLD1vC图8-4占空比可调多谐振荡器D2CR1R2Rw当调节Rw时，就改变了R1、R2的阻值，也就改变了占空比，而振荡周期保持不变。

占空比(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。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。图8-5是5G555定时器构成的单稳态触发器，图中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TH(6)和放电端D(7)连接到C与R的连接处d。VCC0.01μF584376215G555DTHTLdvO图8-5单稳态触发器CRvI稳态时稳态时，触发脉冲vI为高电平，基本RS触发器处于0状态，=1，三极管导通，TH和D端处于低电平，输出vO为低电平。其过程为：没有输入触发脉冲，vI=1。接通电源VCC时，VCC通过R给C充电，vC上升，TH和D端电位也随之上升。当上升到2VCC/3（vC=vTH=2VCC/3）时，使比较器C1输出vC1=0，此时，RS触发器置0状态，Q=0，=1，定时器输出（单稳态触发器输出）vO=0。同时三极管T导通，C通过T放电，vTH=vC=0，电路处于稳定状态。翻转过程输入窄触发负脉冲到来后，即vI由高电平跳变到低电平时，单稳态触发器电路状态由稳态翻转到暂态；vO=1，三极管T截止，电源VCC又通过R给C充电。翻转过程：当vI由1变0，即vI＜VR2，使比较器C2输出vC2=0，此时基本RS触发器置1，Q=1，=0，输出vO=1。同时三极管T截止，电源VCC又重新通过R给C充电，电路由稳态翻转到暂态，输入负跳变触发脉冲结束，vI由低电平又跳变到为高电平。暂态期间在暂稳态期间，电源VCC通过R给C充电，随着电容器C充电过程，vC升高，TH和D端电位也随之升高。当TH端电位上升到2VCC/3时，使比较器C1输出vC1=0，此时基本RS触发器复0，Q=0，=1，输出vO=0。同时三极管T导通，电容器C通过T放电，电路由暂稳态自动返回到稳态。暂稳态时间由RC电路参数决定。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。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图8-6单稳态触发器工作波形如果忽略三极管的饱和压降，则电容C从零电平上升到2VCC/3的时间为暂稳态时间，即输出脉冲宽度Tw为：Tw=RCln3=1.1RC这种单稳态触发器电路要求输入触发脉冲宽度要小于Tw，而输入vI的周期要大于Tw，使vI的每一个负触发脉冲都起作用。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图8-6单稳态触发器工作波形如果输入负触发脉冲宽度大于输出脉冲宽度Tw时，可以在输入负触发脉冲和触发器输入端之间接一个RC微分电路。即vI通过RC微分电路接到低触发端TL上。VCC02VCC3VCC0VCCTwvIvO图8-6单稳态触发器工作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。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。vITHTLVCC84623155G555vO0.01μF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。vITHTLVCC84623155G555vO0.01μF图8-7施密特触发器如果输入信号电压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，=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，=1，输出vO=0。vI由高电位下降到稍小于VCC/3后，比较器C2输出vC2=0，基本RS触发器又置1，Q=1，=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。vIvOtt002VCC3VCC3VT+VT-图8-8施密特触发器工作波形vOVOHVOL0VCC32VCC3vI图8-9施密特触发器电压传输特性图8-9所示为vO=f(vI)的关系曲线，是施密特触发器的电压传输特性。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)。vOvI图8-10施密特触发器逻辑符号回差电压△V越大，电路的动作电压就越高，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。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。vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3(a)电路原理图t图8-11简单的环形振荡器vO(vI1)vO1(vI2)vO2(vI3)tpd000(b)图工作波形图tt(一)最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。vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3图8-12RC环形振荡器CRSR通常RC电路产生的延迟时间远大于门电路本身的传输延迟时间tpd，所以分析时可忽略门电路的传输延迟时间，认为每个门的输入、输出的跳变同时发生，RS的阻值很小(100Ω)，故将vI3视为门G3的输入电压。当vI3＞VT(TTL与非门的阈值电压为1.4V)时，vO为低电平；vI3＜VT时，vO为高电平。电容器上的电压不能突跳，使vI3随vO1跳变(vO1和vI3之间有电容器C耦合的结果)。工作过程RC环形振荡器的工作过程如下：当vO由VOL上跳为VOH，vO1由VOH下跳为VOL，vO2由VOL上跳为VOH。同时vI3由随vO1下跳为负值，维持vO为1，此为暂态Ⅰ。此时vO2通过R给电容器C充电，使vI3的电位逐渐上升。充电回路为vO2→R→vI3→C→vO1。当vI3上升到大于阈值电压VT时，G3导通，使vO由1下跳为0，暂态Ⅰ结束，进入暂态Ⅱ。在暂态Ⅱ期间，vO1由0上跳1，vO2由1下跳为0，vI3随vO1上跳为很高正值，维持vO为0。此时vO1通过R给电容器C进行反向充电，使vI3的电位逐渐下降。充电回路为vO1→C→vI3→R→vO2。当vI3下降到小于阈值电压VT时，G3截止，使vO由0上跳为1，暂态Ⅱ结束，回到暂态Ⅰ。同时vO1由1下跳为0，vO2由0上跳为1，vI3又随vO1下跳为负值，维持vO为1，电容器C又进行充电……。如此靠电容器的充放电过程，使两个暂稳态周而复始的转换，在门G3的输出端vO得到的就是矩形脉冲波输出。ttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000图8-13RC环形振荡器理想工作波形振荡器的暂态时间和周期的近似计算公式为：tw1≈0.98(R∥R1)Ctw2≈1.26RCT=tw1+tw2≈

0.98(R∥R1)C+1.26RC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振荡周期.使用时应注意它的假定条件是否满足,否则,计算结果会有较大的误差。ttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000图8-13RC环形振荡器理想工作波形(三)石英晶体多谐振荡器在许多应用场合都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。例如多谐振荡器作为数字钟的脉冲源使用时，要求频率十分稳定。上述多谐振荡器中，振荡频率主要取决于门电路的输入电压上升到转换电平（阈值电压）所需要的时间，所以频率的稳定性不可能很高。第一，转换电平本身就不够稳定，容易受电源和温度变化的影响；第二，电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态转换的提前或滞后；第三，在电路状态临近转换时，电容的充、放电已经比较缓慢，转换电平的微小变化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。因此在对频率要求很高时，必须采取稳频措施。目前，普遍采用的稳频方法是在多谐振荡器中接入石英晶体组成石英晶体多谐振荡器。图8-14为石英晶体的阻抗频率特性和符号。石英晶体不但频率特性稳定，而且品质因数很高，有极好的选频特性。ff0x0电感性电容性符号图8-14石英晶体的阻抗频率特性与符号vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3图8-15石英晶体环形振荡器CRSR石英晶体把石英晶体与RC多谐振荡器中的电容串联起来就构成了石英晶体多谐振荡器。由石英晶体的电抗频率特性可知，当外加电压的频率为f0时，其等效阻抗最小，所以频率为f0的电压信号最容易通过，并在电路中形成正反馈。因此振荡器的工作频率为f0。石英晶体振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率f0，与外接电阻、电容无关。其工作原理与RC环形多谐振荡器基本相同。(四)单稳态触发器单稳态触发器的暂稳态是靠RC电路的充放电过程来维持的，根据RC电路的不同接法，可分为微分型和积分型。以TTL与非门、RC微分电路构成的单稳态触发器为例说明其工作原理。1.TTL与非门微分型单稳态触发器在基本RS触发器中插入一个RC微分电路环节就构成了单稳态触发器，如图8-16所示。图8-16单稳态触发器0.47kΩvIvO1vOvI2C0.01μFRG1G2电路接通电源后,无脉冲触发信号(vI=1)输入时,电路处于稳态。G1门开通，vO1=0，G2门关闭vO=1。在输入端加入负脉冲信号后，vO1=1。由于C上电压不能突跳，则vI2随vO1上跳并大于VT(VT=1.4V)值，使G2门开通，vO=0。电路由稳态翻转到暂稳态。在暂稳态期间，由于vO1不断地给电容器C充电，电容器上的电压vC不断升高，而使vI2逐渐下降。当vI2下降到小于阈值电压VT时，G2门又关闭，vO=1。此时输入负触发脉冲早已消失，vI为高电平。则G1又开始导通，vO1=0，vI2随之下跳为负值，然后C开始放电，使vI2恢复到正常的低电平。电路处于稳态。其工作波形如图8-17所示。tttt0000vOVTvI2vO1vI图8-17单稳态触发器工作波形输出脉冲宽度Tw近似计算：Tw≈0.8(RO+R)C公式中的RO为与非门的输出电阻，RO≈100Ω。2.单稳态触发器的应用脉冲整形脉冲定时脉冲延时脉冲整形单稳态触发器输出脉冲的幅度和宽度是确定的，利用这一性质，可将宽度和幅度不规则的脉冲串，整形为宽度和幅度一定的脉冲串，如图8-18所示。tvI0tvO0图8-18脉冲波形脉冲定时由于单稳态触发器能产生一定宽度Tw的