第7章 脉冲信号的产生与整形

第7章脉冲波形的产生与整形§7.1

概述§7.2施密特触发器§7.3单稳态触发器§7.5555定时器及其应用§7.4多谐振荡器本章教学要求1.了解555定时器的结构特点、施密特触发器和单稳态触发器的性能特点;3.掌握多谐振荡器的振荡频率与定时元件R、C取值的关系；2.理解555定时器的基本功能，多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器的工作原理;4.掌握施密特触发器和单稳态触发器的输出电压与输入电压之间的关系；vIR111G1G2vOvOv'IR2

两级CMOS反相器

构成施密特触发器§7.2施密特触发器§7.2.1用两级CMOS反相器构成的施密特触发器≥vOvIVT－VT+VGS(th)2VGS(th)R1R2

施密特触发器

电压传输特性≤

CMOS集成施密特触发器电路TP2TN1vITP1TN2TP3vO'●TN3VDDTP4TN5TP5TN6vO''vO

VDDTP6施密特触发器整形(a)缓冲输出vIvO

(b)1

§7.2.2集成施密特触发器图中TP4、TP5及TN4、TN5构成两个首尾相连的反相器，用来改善输出波形(整形)；TP6和TN6组成输出缓冲级，以提高电路的带负载能力，同时起隔离作用。参数名称VDD/V最小值/V最大值/VVT＋510152.24.66.83.67.110.8VT－510150.31.21.61.63.45.0

CC40106阈值数值参数CT5413/7413CT5414/7414CT54LS132/74LS132最小值/V最大值/V最小值/V最大值/V最小值/V最大值/VVT＋1.521.521.42VT－0.61.10.61.10.51TTL施密特触发器阈值数值

集成施密特触发器上、下限触发器电平典型数值：vItOvOtOVT－VT＋用施密特触发器实现波形变换

§7.2.3施密特触发器的应用

(1)波形变换将输入的正弦波、三角波、锯齿波等变换成矩形波输出。vItOvOtOVT－VT＋用施密特触发器实现波形整形(a)vItOvOtOVT－VT＋(b)vItOvOtOVT－VT＋(c)

(2)脉冲整形当矩形脉冲经过传输后因以下原因发生畸变，可通过施密特触发器的整形获得满意的矩形脉冲波形。

(a)传输线上电容较大，波形的上升和下降沿变坏；

(b)阻抗不匹配，波形的上升沿和下降沿产生振荡；

(c)受到干扰，脉冲波形上叠加有噪声。用施密特触发器实现脉冲鉴幅vItOvOtOVT－VT＋

(3)脉冲鉴幅利用施密特触发器可以从输入幅度不等的一串脉冲中去掉幅度较小的脉冲，保留幅度超过V+的脉冲。只有当输入脉冲信号的幅度大于施密特触发器上限触发电平时，在输出端才产生输出信号。

(4)施密特触发器的特点施密特触发器属于双稳态触发电路，它具有两个稳定状态。两个稳定状态的转换都需要外加触发脉冲的推动才能完成。

1、输入信号从低电平上升V-或从高电平下降到V+时，电路状态就会发生转换。因此施密特触发器属于电平触发的双稳态电路。

2、电路状态转换时，通过电路内部的正反馈是输出淡雅的波形边沿变得很陡，利用施密特触发器的这一特性可以完成对信号脉冲的波形变换、整形、幅度鉴别、脉冲展宽。§7.3

单稳态触发器单稳态触发器具有稳态和暂态两个不同的工作状态。在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转为暂稳态，维持一段时间后，电路又能自动地翻转为稳态。暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外界触发脉冲无关。

§7.3.1集成门构成的单稳态触发器根据维持暂态的RC定时电路的不同接法，单稳态触发器可以分为微分型和积分型两大类。

(1)微分型单稳态触发器&&(a)G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF微分型单稳态触发器及其工作波形反馈线输入端微分电路微分型定时电路&&(a)G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF

微分型单稳态触发器及其工作波形vIv1vO1vO2v2(b)3.6V0.3V0.3V1.4V3.6V0.3V3.6V0.3V1.4V-1.5V3.6V0.3Vtw反馈线

(a)0～t1为稳定状态。

输入端无输入信号触发或触发输入为高电平。当选取Ri大于3.2kΩ时，使vI高于开门电平，vO1=0.3V；选取R小于0.9kΩ，使v2低于关门电平，vO2=3.6V。触发器处于稳定状态（vO1=VOL，vO2=VOH

）。0t1t2

当t=t1时，输入端vI下跳变，v1产生一个负尖峰脉冲，vO1上跳至高电平，v2随之跳变为高电平，使vO2为低电平，触发器受触发发生一次翻转，从而进入暂稳态（vO1=VOL，vO2=VOH）。Cv2RvO1电容充电等效电路RO3.6Vi

(b)t1～t2暂态过程。

触发器进入暂稳态后，输出低电平通过反馈线维持G1继续关闭。同时，电容C充电，v2(t)电压下降。当t=t2时，v2=Vth，G2关闭，输出vO2上跳至高电平，G1转为开态，触发器自动翻转一次，回到初始稳定状态（vO1=VOL，vO2=VOH）。G1的输出电阻

t1至t2的时间称为暂态时间，其长短取决于RC的充电速度，因此RC称为定时电路，由它决定输出vO1和vO2的宽度。暂态时间通常近似估计为

(c)t≥t2电路的恢复过程。Cv2RvO1电容放电等效电路RO0.3VR1VCCG2&&G2G1CRRivICi带有射极跟随器的单稳态触发器VCCRET

v2由Vth随vO1的下跳而下跳，电路进入恢复阶段，电容C开始放电。恢复时间为在定时电路中，为调整tW，通常以改变C作为粗调，改变R作为细调。为了使调节范围加宽，可在定时电路与G2之间加射极跟随器，一般RE应满足64Ω<RE<0.91kΩ。为了保证稳态时G1可靠截止，R必须小于0.91kΩ。但要使G2可靠翻转，v2必须满足因此R>64Ω。这样，R值的选取范围是64Ω<R<0.91kΩ。≥&&G2G1Cv2RvO1vO2vIvIvO1vO2v21.4Vtw(a)积分型单稳态触发器及其工作波形0.3V3.6V3.6V0.3V3.6V0.3Vt1t2(b)

(2)积分型单稳态触发器0

(a)0～t1稳定状态。输入vI为低电平，两个门的输出均为高电平。电容C充电结束，触发器处于稳定状态。当t=t1时，vI上跳变，两个门的状态同时改变，触发器翻转一次，进入暂稳态。

(b)t1～t2暂稳定状态。输入vI为高电平，vO1输出均为低电平，电容C放电。当t=t2时，电压v2下降至Vth，G2状态发生翻转，vO2上跳至高电平，触发器状态自动翻转一次。&&G2G1CRvOvI宽脉冲输出电路&G3当触发输入vI下跳后，电容C重新充电完毕后，触发器回到初始稳定状态。在暂态期间，电容C放电未达到阈值电压Vth之前，vI不能由高电平下跳，否则G2因vI下跳提前翻转，达不到由RC电路控制定时的目的。故要求vI比输出vO2脉冲宽。如果要求在输入窄的触发脉冲时能够得到较宽的输出脉冲，可采用图示电路。CRvOvI施密特触发器构成

的单稳态电路及其工作波形A1vItVT－VT＋OvAOtvOtOVDD(a)(b)

(3)施密特触发器构成单稳态触发器当vI=0时，输出vO=VOL=0V，这是稳定状态。当vI的正脉冲加到输入端时，vA随之上跳，只要上跳的幅值大于VT+，则输出vO=VDD。触发器发生一次翻转，进入暂稳态。随着电容C充电，vA电位指数下降，一旦达到VT-，施密特触发器发生自动翻转，vO=VOL=0V，返回至稳态。暂稳态持续时间为单稳态触发器通用逻辑符号1非可重触发单稳态触发器波形vItOvOtOtWtWABCD

§7.3.2集成单稳态触发器集成单稳态触发器分为非可重触发和可重触发两种类型。

非可重触发单稳态触发器，是指在暂稳态定时时间tW之内，若有新的触发脉冲输入，电路不会产生任何响应。只有在电路返回到稳态后，电路才受输入脉冲信号作用。输出信号脉冲的宽度为tW。输入脉冲暂稳态定时时间可重触发单稳态触发器波形vItOvOtOtWABCtWtWtΔ

可重触发单稳态触发器，是指在暂稳态定时时间tW之内，若有新的触发脉冲输入，可被新的输入脉冲重新触发。右图中，电路在受到A输入脉冲触发后，电路进入暂稳态。在暂稳态tW期间，经tΔ(tΔ<tW)时间后，又受到B输入脉冲的触发，电路的暂稳态时间又将从受B脉冲触发开始，因此输出信号的脉冲宽度将为tΔ+tW。采用可重触发单稳态触发器，只要在输出的暂稳态持续期tW结束前，再输入触发脉冲，就可方便地产生持续时间很长的输出脉冲。

(1)TTL集成单稳态触发器TR+&G1&G2&&G3G4&&≥11G5G6C111G7G8G9RCextVCCRintRintRext/CextaTR-ATR-BQQ

CT54121/74121单稳态触发器逻辑图输入控制电路输出缓冲电路微分型单稳态触发器

CT54121/74121非可重触发单稳态触发器输入输出TR-ATR-BTR+QQ0×101×0101××00111×01111110××0

CT53121/74121功能表稳态暂稳态

功能表：OtTR-AtwOTR-BOTR+OQttttwtwt1t2t3t4t5t6

CT54121/74121工作波形≥1&1TR-ATR-BTR+CextRintRext/CextCXRIRX/CX

CT54121/74121逻辑符号

工作波形：

逻辑符号：1G12Q&&1G1Q&G2&&1G5G6G7≥11G11G9TPTNG3G41G8≥1G101G131G141G151G16VDDVDDvA●TR+TR－R

CC14528逻辑图CR

(2)CMOS集成单稳态触发器

CC14528可重触发单稳态触发器三态门输出缓冲电路输入控制电路输入输出RTR+TR-QQ0××01×1×01××0011110

CC14528功能表

功能表：OtTR+twOTR-OvAOQttttwtwt1t2t3t4t5t6CC14528可重触发单稳态工作波形tΔt7

工作波形：单稳态触发器的特点单稳态触发电路，它具有一个稳定状态，一个暂时稳定状态。从稳定状态转换到暂时稳定状态需要外加脉冲信号触发，从暂稳定状态转换到稳定状态是由电路自动完成的，暂稳态的持续时间取决于电路本身的参数，与外加触发脉冲没有关系。单稳态触发电路主要用于将宽度不符合要求的脉冲变换为符合要求的矩形脉冲。&G1CRd电容正反馈多谐振荡器&G2abtw1t1t2t3tw2充电放电ΔV1.4V0.3V0.3V3.6Vvdvbva(a)(b)§7.4

多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，能自动地产生矩形脉冲，优于矩形波形中含有丰富的高次谐波，故习惯称为多谐振荡器。它是常用的矩形脉冲产生电路。

１．电容正反馈多谐振荡器

(1)基本工作原理在多谐振荡器工作过程中，主要依靠电容C的充、放电，引起vd的变化，若vd达到TTL门阈值电压Vth，引起与非门状态的翻转。&G1CRd电容正反馈多谐振荡器&G2abtw1t1t2t3tw2充电放电ΔV1.4V0.3V0.3V3.6Vvdvbva(a)(b)设某时刻由于电容C充电，使vd上升至vd≥Vth时，G1由关态变为开态，使输出va由高电平跳变至低电平，G2由开态变为关态，输出vb由低电平跳变至高电平。由于电容C两端电压不能突变，使vd也随vb的上跳而上跳，维持G1处于开态，G2处于关态。以后电容C放电，vd电位逐渐下降，在vd下降至Vth之前，这段时间称为暂态Ⅰ，即图中t1～t2期间的波形。CRdab0.3V3.6V(a)电容C充、放电等效电路RO+-●RROC(b)+-R1VCC●dab0.3V3.6V放电充电当vd下降至Vth时，G1由开态变为关态，va由低电平上跳至高电平，G2由关态变为开态，vb由高电平下跳至低电平。电路又一次自动翻转。当G1处于关态，G2处于开态后，电容C充电，vd电位逐渐上升，在vd上升至Vth之前，这段时间称为暂态Ⅱ，如图中t2～t3期间的波形。当vd上升至Vth时，G1由关态变为开态，G2由开态变为关态，进入暂态Ⅰ。以后不断重复上述过程，从而形成周期振荡，在输出端获得矩形波vb。

(2)振荡周期的计算

(a)暂态Ⅰ持续时间tW1的计算其中：其中：

(b)暂态Ⅱ持续时间tW2的计算

(c)振荡周期

２．带有RC定时电路的环形振荡器&G2CR带RC电路的环形多谐振荡器及工作原理&G3vOt1t2t3tw2(a)(b)&G1RS●●●v3v2v1OvOtOv1tOv2tOv3tVmVmVtht4tw1

基本工作原理是利用电容C的充、放电过程，控制电压v3，从而控制与非门的自动开闭。

(1)t1～t2暂稳态设t<t1时，G1为开态，G2、G3为关态，输出vO为高电平。CRv1(L)(a)

电容C充、放电等效电路RS(b)R1VCCv2(H)G3Cv3v3RR1+RSVCCv2(H)CRv1(H)RSR1VCCv2(L)G3Cv3v3Rv2(L)●根据假设前提，电容C开始充电，路径如图

(a)所示。当t=t1时，电压v3上升至Vth，G3发生翻转，输出下跳至低电平，G1也发生翻转，v1上跳至高电平。通过电容C的耦合，v3也随v1上跳。振荡器自动翻转一次，进入t1～t2的暂稳态。

t≥t1时，电容C开始放电，路径如图

(b)所示。

(2)t2～t3暂稳态当t=t2时，电压v3下降至Vth，G3为关态，vO上跳为高电平，G1变为开态，输出下跳为低电平，G2变为关态，输出上跳为高电平。v1的下跳经电容C耦合，使v3随之下跳。振荡器自动翻转一次，进入t2～t3的暂稳态。当t>t2时，与t<t1时的状态相同，只要v3未上升至Vth，暂稳态维持不变。而t=t3时，又重复t=t1时的过程。上述过程自动周期重复，形成多谐振荡。根据分析，可求得（忽略TTL门输出电阻的影响）可见，通过调节电容C和电阻R可以调节振荡器的频率。&G2R

晶体稳频的多谐振荡器&G1R●&G3vO

３．晶体稳频的多谐振荡器晶体稳频多谐振荡器是在耦合支路中串接了石英晶体构成的。石英晶体具有一个极其稳定的串联谐振频率fs，在该频率的两侧，晶体的阻抗迅速增大。在反馈支路中串入石英晶体，振荡器只有在频率满足fs的起振条件时才起振。振荡的波形经过G3整形后即输出矩形脉冲波。所以，多谐振荡器的振荡频率决定于晶体的振荡频率，这就是晶体的稳频作用。CRvOvC

施密特触发器构成的多谐振荡器1vCtO(a)(b)tOvOtw1tw2

４．由施密特触发器构成的多谐振荡器当接通电源时，vC电位较低，输出vO为高电平。此后vO通过R对C充电，当vC≥VT+时，施密特触发器输出为低电平；vC经R通过vO放电，当vC≤VT-时，施密特触发器输出为高电平。如此反复，形成多谐振荡。若采用CMOS施密特触发器，则振荡周期为

5多谐振荡器的特点多谐振荡器诶有稳态，只具有两个暂稳态，暂稳态之间的转换不需要外加脉冲信号触发，全部由电路自身完成。由于它产生的矩形波中除基波以外，还含有丰富的高次谐波成分，所以我们称这种电路为多谐振荡器，它常用做脉冲信号源。

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。它使用方便,带负载能力较强,目前应用广泛。

在其外部配接上少许阻容定时元件，便可以构成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器等产生脉冲的电路。矩形脉冲(方波、矩形波)的获得方法：

1.

使用各种形式的矩形波发生电路产生矩形波；

2.利用现有的周期性信号，通过整形电路变换为所需要的矩形波信号。§7.5.1555定时器的组成及工作原理§7.5集成555定时器及其应用

在数字电路中，矩形脉冲作为时钟信号控制着整个数字系统的工作，所以时钟脉冲的好坏直接关系整个系统能否正常工作。一、555定时器的组成1.分压器R=5kΩ2/3VCC1/3VCC基本RS触发器比较器C1的同相端加电压为2/3VccC2的反相端加电压为1/3Vcc外加参考电压，结果又怎样？2.比较器VTH＞2/3Vcc，VTR＞1/3Vcc，3.基本RS触发器置数端和复位端均为低电平有效4.晶体管开关和输出缓冲器-++∞1C-++∞2CR1S1RQ1RRRCOVTHTRGNDCCVDRuD③④⑤①⑥②⑦⑧uOTD非门为缓冲器，作用是提高带负载能力并隔离负载对定时器的影响.

Q=1,TD导通,7脚输出低电平;Q=0,TD截至,7脚输出高电平;VOC1=VOL;VOC2=VOH;R=5kΩ2/3VCC1/3VCC基本RS触发器比较器-++∞1C-++∞2CR1S1RQ1RRRCOVTHTRGNDCCVDRuD③④⑤①⑥②⑦⑧uOTD二、555定时器的符号①③⑤④⑥⑦⑧②RDVCCuDVCOTRGNDuOTH555三、555定时器外形一、555定时器的组成四、555定时器的基本功能-++∞1C-++∞2CR1S1RQ1RRRCOVTHTRGNDCCVDRuD③④⑤①⑥②⑦⑧uOTD555能在宽电源电压范围内工作，可承受较大的负载电流。双极型555定时器的电源电压：5~16V，最大负载电流：200mACMOS型7555定时器的电源电压：3~18V，最大负载电流：4mATHTRRDuOTDCC32V>CC31V>CC31V>CC32V<1CC32V<CC3V<LL通H通LH止HH保持保持一、555定时器的组成101101五、555的应用-++∞1C-++∞2CR1S1RQ1RRRCOVTHTRGNDCCVDRuD③④⑤①⑥②⑦⑧uOTD4816235S2S1RRCVCCTHTRM微电机555uoS1

:起动按钮工作原理仅按下S1，则uo=1，电机转动；即使放开S1

，uo

保持为1,电机继续转动；2.仅按下S2，则uo=0，电机停止转动；即使放开S2

，uo

保持为0,电机仍然不会转动。S2

:起动按钮§7.5.2555定时器构成的施密特触发器VCCRC12345678555VCC2uouDuI一、电路结构二、工作原理三、工作波形1.uI:0→U+

uo=UOH；TD截止；uD

=VCC2

2.uI:U+→U-

uo=UOL；TD导通；uD

=UOLU+U-OuItUOHUOLOuOtVCC2UOLOuDtU-=1/3VCCU+=2/3VCC四、电压传输特性（滞回特性）三、工作波形U+U-OuItUOHUOLOuOtVCC2UOLOuDtU+U-OuIuO五、静态参数U-=1/3VCC；U+=2/3VCC

；∆U

=UT+-UT-=1/3VCC

若外加参考电压，又怎么样？六、施密特触发器应用ttUOHUOLOuOU+U-OuIttUOHUOLOuOU+U-OuI例1例2例3例4一、电路结构VCCRCC123456785555（1）当vi=1时，电路工作在稳定状态，即vO=0，vC=0。（2）当vi下降沿到达时，vO由0跳变为1，电路由稳态转入暂稳态。-++∞1C-++∞2CR1S1RQ1RRRCOVTHTRGNDCCVDRuD③④⑤①⑥②⑦⑧uOTD（3）当vC=2/3VCC时，vO由1跳变0，TD由截止转为导通，C经T迅速放电，电压vC迅速降至0V，电路由暂稳态重新转入稳态。二、工作原理§7.5.3555定时器构成的单稳态触发器一、电路结构VCCRCC123456785555（1）当vi=1时，电路工作在稳定状态，即vO=0，vC=0。（2）当vi下降沿到达时，vO由0跳变为1，电路由稳态转入暂稳态。（3）当vC=2/3VCC时，vO由1跳变0，TD由截止转为导通，C经T迅速放电，电压vC迅速降至0V，电路由暂稳态重新转入稳态。二、工作原理三、工作波形vI0tvC0tvO0tTW2/3VCC（4）充电时间计算

uC(0)=0V、

uC

(∞)=VCC、=RC，当t=tw时，

uC(tw)=2VCC/3代入三要素公式，可求得：三、工作波形vI0tvC0tvO0tTW2/3VCC一、电路结构VCCRCC123456785555二、工作原理四、注意事项1.触发脉冲必须是窄脉冲，要比暂稳态的时间tw还要短。2.如果在暂稳态持续时间内加入新的触发脉冲，则新的触发脉冲不起作用，该电路为不可重复触发的单稳态触发器。五、单稳态触发器应用例1：简易曝光定时器当按下AN电容放电555置位J吸合电灯HL亮电容充电到2/3VDD555复位J释放电灯HL熄§7.5.4

555定时器构成的多谐振荡器VCCuoRRCC12123456785555一、电路结构二、工作原理(设起始uc=0)uo=UOH；TD截止；uc

↑；τ1=C(R1+R2)暂稳态Ⅰuc

↓

；uo=UOL；TD导通；τ2=CR2uc=2/3Vcc

；UOH→UOL

;TD:截止→导通；翻转Ⅰuc=1/3Vcc

；UOL→UOH;TD:导通→截止；翻转Ⅱ暂稳态Ⅱ-++∞1C-++∞2CR1S1RQ1RRRCOVTHTRGNDCCVDRuD③④⑤①⑥②⑦⑧uOTD01101VCCuoRRCC12123456785555一、电路结构三、工作波形0tuouC0tVCC/32VCC/3tw1tw2tw1二、工作原理(设起始uc=0)uo=UOH；TD截止；uc

↑；τ1=C(R1+R2)暂稳态Ⅰuc

↓

；uo=UOL；TD导通；τ2=CR2uc=2/3Vcc

；UOH→UOL

;TD:截止→