第7章-脉冲产生与整形

第7章脉冲产生与整形7.1概述7.2施密特触发器7.3单稳态触发器7.4多谐振荡器7.5555定时器及其应用本章学习目的和要求

1．正确理解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的电路组成、工作原理。

2．熟悉多谐振荡器、单稳触发器、施密特触发器的逻辑功能。

3．掌握555定时器的电路结构和工作原理。

4．掌握用555定时器组成多谐振荡器、单稳触发器、施密特触发器的连接方法，掌握555定时器的应用。第7章脉冲产生与整形

数字技术中有两种方法获取脉冲波形：一是将非脉冲波通过波形变换电路获得；二是用脉冲信号产生电路直接得到。脉冲信号产生要用多谐振荡器，脉冲信号整形则需要单稳态触发器和施密特触发器。脉冲产生电路不需外加触发脉冲就能够产生具有一定频率和幅度的矩形波，多谐振荡器就是用途最广泛的脉冲产生电路之一。脉冲整形电路能够将其他形状的信号，如正弦波、三角波和一些不规则的波形变换成矩形脉冲。施密特触发器和单稳态触发电路就是两种常见的脉冲整形电路。以上电路，可由分立元件组成，也可由集成逻辑单元组成。555集成定时器使用十分灵活、方便，只要外部配接少量的阻容元件就可以方便的构成上述三种电路。7.1概述

施密特触发器是一种特殊的门电路，它有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压VT+，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压VT-。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压ΔVT。7.2施密特触发器7.2.1用门电路组成的施密特触发器7.2.2集成施密特触发器7.2.3施密特触发器的应用施密特触发器电压传输特性及工作特点：(1)施密特触发器属于电平触发器件，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。

(2)电路有两个阈值电压。输入信号增加和减少时，电路的阈值电压分别是正向阈值电压（VT+）和负阈值电压（VT-)。称△VT=VT+-VT-为回差电压。1）VI上升过程当VI从0上升至VTH时，VI’仍低于VTH，故电路状态不变。当VI继续升高，并使VI’=VTH时，G1开始导通输出为低电平，经G2反相和电路中的正反馈，VO迅速跳变为高电平，使VO=VOH。此时对应的输入电平VT+可由下式得到：7.2.1用门电路组成的施密特触发器1.TTL门电路组成的施密特触发器(1)电路组成TTL集成施密特触发器电路(2)工作原理所以,2）VI下降过程当VI由高电平逐渐下降，只要降至VI=VTH以后，经G1、G2和电路中的正反馈，VO迅速跳返回VO=VOL的状态。因此VI下降过程的输入转换电平为：VT-=VTH,可得：

当VI=

0V时，VI1=

0V，G1门截止，V01=VOH≈VDD，G2门导通，V0=VOL≈0V。输入信号VI从0V电压逐渐增加，只要VI1＜VTH，电路保持V0≈0V不变。当VI继续上升到VI1=VTH时，G1门进入其电压传输特性转折区，此时VI1的增加在电路中产生如下正反馈过程：2.COMS门电路组成的施密特触发器(1)电路组成CMOS反相器组成的施密特触发器(2)工作原理R1<R2VI为三角波假定：

电路的输出状态很快从低电平跳变为高电平，V0≈VDD。VI1再上升，V0≈VDD不变。1）VI上升过程2）VI下降过程VI1从高电平开始下降，降至VI1=VTH时，电路又产生如下的正反馈过程,电路迅速从高电平跳变为低电平，V0≈0V。将VDD=2VTH代入上式可得回差电压：VT+V0VDDVT-0VIVT+V01VDDVT-0VI施密特触发器工作波形及电压传输特性例7.2.1

在图7.2.3所示的电路中，已知R1=12，R2=15，G1和G2是CMOS反相器，VDD=12V，试计算电路的触发阈值电平VT+、VT-和回差电压△VT。解：由于门G1和G2是CMOS反相器，它们的阈值电平=10.8V=1.2V7.2.2集成施密特触发器1.TTL集成施密特触发器

当VI=0时，VB1=0.7V，则，所以VT1截止，VT2饱和导通，这时VT2的发射极电流在R4上的电压为。这时VT2的集电极电压，使VT4和VT5截止，电路输出VO为高电平。

VI从0开始上升，VB2随之上升，当VBE1≥0.7V时，VT1由截止开始导通，电路发生如下正反馈过程：电路迅速翻转为VT1导通、VT2截止的工作状态。这时，变为高电平，流过R3的电流使VT3饱和导通，进一步使VT4、VT5导通，而VT6截止，输出VO为低电平。输人电压VI继续上升，电路的状态不会发生变化，输出VO维持低电平。VI由高电平逐渐下降，当下降到VI=时，电路的状态保持不变。VI继续下降，当下降到使VBE1≤0.7V时，VT1开始由导通变为截止，电路又发生另一正反馈过程，导致电路迅速回到VT1截止、VT2导通的状态，输出VO为高电平。电路的负向触发阈值电平，,可求出VI继续下降，电路的状态不会发生变化，输出VO维持高电平。7413的电压传输特性曲线2.CMOS集成施密特触发器

施密特触发器可以将三角波、正弦波及变化缓慢的周期性信号变换成矩形脉冲。只要输入信号的幅度大于VT+，即可在施密特触发器的输出端得到相同频率的矩形脉冲信号。7.2.3施密特触发器的应用1.脉冲波形变换用施密特触发器实现波形变换

2.波形的整形用施密特触发器实现脉冲波形的整形

当传输线上电容较大时，波形的前、后沿将明显变坏

当传输线较长，而且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象

其他脉冲信号通过导线之间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上时，信号上将出现附加的噪声只要回差电压选择恰当，就可到达理想的整形效果。

利用回差电压抗干扰用施密特触发器进行幅度鉴别3.幅度鉴别

鉴别幅度大于的脉冲，只要将正向阀值电压调整到规定的幅度，这样，只有幅度大于的那些脉冲才会有相应的脉冲输出；而对于幅度小于的脉冲，就没有相应的脉冲输出。

4.构成多谐振荡器用施密特触发器构成多谐振荡器7.3单稳态触发器7.3.1微分型单稳态触发器7.3.2集成单稳态触发器7.3.3单稳态触发器的应用

单稳态触发器的工作特点：①电路在没有触发信号作用时处于一种稳定状态。②在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态;③由于电路中RC延时环节的作用，暂稳态不能长保持,经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间仅取与RC参数值有关。

门电路组成的单稳态触发器MSI集成单稳态触发器不可重复触发单稳态触发器可重复触发单稳态触发器用555定时器组成的单稳态触发器按电路形式不同单稳态触发器的分类工作特点划分

7.3.1微分型单稳态触发器CMOS门组成的微分型单稳态触发器1.电路电路处于一种稳态：VO=0VC=0(1)没有触发信号时，VI=0设定CMOS反相器的阈值电压2.工作原理00110(2)外加触发信号VdVd=VTH迅速使VO1=

0VO=1电路进入暂稳态电容充电VI210产生如下正反馈过程：(3)电容充电,电路由暂稳态自动返回到稳态01VI2VI2=VTH产生如下正反馈过程：迅速使VO1=

1VO=0电容放电VC=0tw≈0.7RC

（1）输出脉冲宽度tw(2)恢复时间tretre3

d

(4)最高工作频率fmax

3.主要参数的计算

VC(0+)=0；VC(

)=VDD

=RC,VTH

=VDD/2

=RCln2

（3）分辨时间Td4.讨论b)用TTL门电阻R的取值可以是任意的吗？a)在暂稳态结束(t=t2)瞬间，门G2的输入电压

I2达到

VDD+VTH，可能损坏G2门，怎么办？采用TTL与非门构成单稳电路时，电阻R要小于0.7k

。7.3.2集成单稳态触发器vOvItwtwvOvItwtw不可重复触发可重复触发被重复触发没有被重复触发

1.不可重复触发的集成单稳态触发器74121电路的连接：R：外接电阻或采用内部电阻C：外接电阻容输出脉冲宽度：tw≈0.7RC电路的不可重复触发特性(1)工作原理在暂稳态期间即使有触发信号输入,但由于G4门在此期间关闭，不会被再次触发，电路属于不可重复触发单稳态触发器暂稳态:Q=1Q=0100074121功能表HHA1A2BQL

HL

LHL

LLHHH

LHHHHHHL

L逻辑功能表不可触发，保持稳态不变A1、A2中有一个或两个为低电平，在B端输入上升沿时电路被触发B

和A1、A2、中有一个或两个为高电平，输入端有一个或两个下降沿时电路被触发74121的暂稳态脉宽由定时电阻和定时电容的数值决定。定时电容Cext连接在引脚Cext（第10脚）和Rext/Cext（第11脚）之间。如果使用有极性的电解电容，电容的正极应接在Cext（第10脚）。对于定时电阻，有两种选择：（1）采用内部定时电阻Rint（约为2kΩ），此时只需将Rint引脚（第9脚)）接至电源VCC。（2）采用外部定时电阻Rext，此时Rint引脚（第9脚）应悬空，外部定时电阻接在引脚Rext/Cext（第11脚）和VCC之间。

74121工作波形图74121功能表HHA1A2BQL

HL

LHL

LLHHH

LHHHHHHL

L7.3.3单稳态触发器的应用1.定时该电路可用于频率计

2.延时3.组成噪声消除电路

单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度而小于信号脉宽，才可消除噪声。

如用VI作为下降沿触发的计数器触发脉冲,干扰加入,就会造成计数错误.单稳态触发器构成的多谐振荡器

在起始时，单稳态触发器Ⅰ的A1为低电平，开关S打开瞬间，B端产生正跳变，单稳态Ⅰ被触发，Q1输出正脉冲，其脉冲宽度0.7R1C1，当单稳态Ⅰ暂稳态结束时，Q1的下跳沿触发单稳态Ⅱ，Q2端输出正脉冲。

4.多谐振荡器

合上电源时，开关S是合上的，电路处于Q1=0，Q2=0状态，将开关S打开，电路开始振荡.

此后，Q2的下跳沿又触发单稳态Ⅰ，由此周而复始地产生振荡，其振荡周期为

T

=0.7(R1C1+R2C2)。

多谐振荡器又称无稳态多谐振荡器，无稳态是指电路没有稳定状态，表示此电路一加电源，马上往复震荡，不需要加触发器即可自行产生某一频率的信号，因此无稳态多谐振荡器又称为自激式多谐振荡器。多谐振荡器电路是由开关器件和反馈延时环节组成。开关器件可以是晶体管、逻辑门、电压比较器、定时器等，其作用是产生脉冲信号的高、低电平.反馈延时环节一般为RC电路,它将输出电压延时后反馈到开关器件输入端，以改变其输出状态。7.4多谐振荡器7.4.1不对称多谐振荡器7.4.2对称多谐振荡器7.4.3石英晶体多谐振荡器

7.4.1不对称多谐振荡器

1.电路组成

VID1

D2

TP

TN

VO1

R

C

D4

D3

TP

TN

VOG1

G2

+VDD

VC不对称多谐振荡器.Vo1=1,Vo=0时,电容充电,VI增加;Vo1=0,Vo=1时,电容放电,VI下降;Vo1与Vo2反相,电容接在Vo与VI之间:不对称多谐振荡器原理图与波形图2.工作原理假定电路初态：=1VO1=0VOVC=0V电容充电VCVIVI当=VTH时，迅速使G1导通、G2截止电路进入第二暂态VO2=1VO1=0=0VO1=1VO（1）第一暂稳态（初态）电容充电，电路自动翻转到第二暂稳态VIVO1VO（2）第二暂稳态电容放电，电路自动翻转到第一暂稳态电容放电VCVIVI当=VTH时，迅速使得G1截止、G2导通电路返回第一暂稳态VO2=0VO1=1

2.工作原理VIVO1VO不对称多谐振荡器原理图与波形图

T＝RC1n4≈1.4RC

由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期T取决于R、C电路和VTH，频率稳定性较差。3.振荡周期的计算VI(0+)

0；VC(

)

VDD

=RC,t=t2-t1T1:VI(0+)

VDD；VC(

)

0

=RC,t=t3-t2T2:上式适用于R>>RON(P)+RON(N)C远大于电路分布电容的情况

7.4.2对称多谐振荡器

1.电路2.工作原理

设VO1为低电平0、VO2为高电平1时，称为第一暂稳态；VO1为高电平1、VO2为低电平0时，称为第二暂稳态。设VIVO1VO2VO2正跃到高电平VOH，电路进入第一暂稳态。VO2的高电平经C2、RF1、G1的输出电阻对电容C2进行反向充电，使VI1下降。VI1VO1VO2VO2负跳到低电平VOL，电路进入第二暂稳态。VO1的高电平经RF1、C2、G2的输出电阻对电容C2进行充电，使VI1上升。

对称多谐振荡器工作波形

如振荡器采用CT74H系列与非门组成，当取RF1=RF2=RF、C1=C2=C、VTH=1.4V、VOH=3.6V、VOL=0.3V时，则振荡周期T可用下式估算：

T=2tW≈1.4RFC

当取RF=1KΩ、C=100μF～100pF时，则电路的振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内。这时tＷ１=tＷ２=tＷ≈0.7RＦC。输出矩形脉冲的宽度与间隔时间相等。3.振荡频率的估算1.石英晶体电路符号和选频特性电路符号阻特性fXf0电感性电容性电容性当f

=f0时,电抗X

=07.4.3石英晶体多谐振荡器2.石英晶体振荡器R:使G1工作在线性区C1:耦合电容C2:抑制高次谐波CPQf1f23.双相脉冲产生电路555定时器时集模拟、数字于一体的中规模多用途单片集成电路，能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。它使用灵活、方便，在波形产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到广泛应用，已成为一种通用性很强的器件。7.5555定时器及其应用7.5.1555定时器7.5.2用555定时器组成的施密特触发器7.5.4用555定时器组成的多谐振荡器7.5.3用555定时器组成的单稳态触发器555定时器的电路电路符号7.5.1555定时器1电路结构分压器电压比较器电压比较器基本RS触发器缓冲器集电极开路输出三极管T555定时器是一种应用方便的中规模集成电路,广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。2.工作原理不变不变1导通01截止11导通00××放电管T输出(VO)复位(RD)触发输入(VI2)阈值输入(VI1)输出输入3.555定时器功能表7.5.2用555定时器组成的施密特触发器1电路555定时器组成的施密特触发器

施密特触发器

7.5.3用555定时器组成的单稳态触发器用555定时器组成的单稳态触发器1.电路

2.工作原理(1）无触发信号,电路工作在稳定状态当VI=1时，电路工作在稳定状态，即VO=0，VC=0。

(2）VI下降沿触发当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）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，三极管T截止，VCC经R向C充电。时间常数τ1=RC，VC由0V开始增大，在VC上升到2VCC/3之前，电路保持暂稳态不变。(4）自动返回（暂稳态结束）时间当VC上升至2VCC/3时，VO由1跳变0，三极管T由截止转为饱和导通，电容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。(5）恢复过程当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的放电三极管

T放电，时间常数τ2=RTCESC，经过（3～5）τ2

后，电容C放电完毕，恢复过程结束。不可重复出发单稳电路

脉宽几微秒到几分钟，精度可达0.1%3.主要参数估算(1)输出脉冲宽度Tw（用三要素法计算）

单稳态触发器输出脉冲宽度tW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，调节R、C的取值，即可方便的调节tW。

(2)恢复时间tre：

tre=（3～5)τ2=（3～5)τ2RTCESC(3)最高工作频率fmax：

VI周期的最小值：Tmin=tW＋tre

因此，单稳态触发器的最高工作频率应为:①改变RC的值，可改变脉冲宽度，从而可以进行定时控制。②输入脉冲的波形往往是不规则的，边沿不陡，幅度不齐，不能直接输入到数字装置，需要整形。因为单稳态触发器的输出只有1和0两种状态，在RC值一定时，就可得到幅度和宽度一定的矩形波输出脉冲。③通常R的取值在几百欧至几兆欧之间，电容取值为几百皮法到几百微法。这种电路产生的脉冲宽度可从几个微妙到数分钟，精度可达0.1%。电路为不可重复触发单稳触发器。结论：例7.5.1

试分析下图所示脉宽调制(PWM)器电路的工作原理。解：如果将单稳态电路的电压控制端加入一个变化电压，当控制电压升高时，电路的阀值电压升高，输出的脉冲宽度随之增加；而当控制电压降低时，电路的阀值电压也降低，单稳的输出脉冲宽度随之减少。如果加入的控制电压是三角波，则在单稳态触发器的输出端便可得到一串随控制电压变化的脉宽调制波形。7.5.4用555定时器组成的多谐振荡器555组成的多谐振荡器1.电路2.工作原理T1=tPHT2=tPL3.主要参数估算(1)电容充电时间T1：（用三要素法计算）(2)电容放电时间T2：（ln2=0.693147≈0.7）(3)电路振荡周期T

：T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C(4)振荡频率f：(5)输出波形占空比q：T=0.7(RA+RB)C例7.5.2

试分析下图所示“叮、咚”门铃电路的工作原理。

当按钮开关SB按下时，开关闭合，VCC经VD1向C1充电，4脚电位迅速充至VCC，复位解除；由于VD2将R2旁路，VCC经VD2、R3、R4向C2充电，充电时间常数为（R3+R4）C2，放电时间常数为R4C2，多谐振荡器产生高频振荡，喇叭发出高音。

当按钮开关SB松开时，开关断开，由于电容C1储存的电荷经R1放电要维持一段时间，在4脚电位降至复位电平之前，电路将继续维持振荡；但此时VCC经R2、R3、R4向C2充电，充电时间常数增加为（R2+R3+R4）C2，放电时间常数仍为R4C2，多谐振荡器产生低频振荡，喇叭发出低音。例7.5.3

试分析下图所示延时报警器的工作原理。解：当S断开,电容C充电，充电至VT+=2VCC/3时,G1输出高电平，多谐振荡器的输出送至扬声器，扬声器以一定频率的电压信号开始报警。延迟时间：

其它555应用电路实例

1).简易温控报警器

这是利用多谐振荡器构成的简易温控报警电路，利用555构成可控音频振荡电路，用扬声器发声报警，可用于火警或热水温度报警，电路简单、调试方便。

晶体管T可选用锗管3AX31、3AX81或3AG类，也可选用3DU型光敏管。锗管在常温下，C极和E极之间的穿透电流ICEO一般在10～50μΑ，且随温度升高而增大较快。温度低于设定温度值时，晶体管T的穿透电流ICEO较小，555复位端RD（4脚）的电压较低，电路工作在复位状态，多谐振荡器停振，扬声器不发声。当温度升高到设定温度值时，晶体管T的穿透电流ICEO较大，555复位端RD的电压升高到解除复位状态之电位，多谐振荡器开始振荡，扬声器发出650Hz报警声。

需要指出的是，不同的晶体管，其ICEO值相差较大，故需改变R3的阻值来调节控温点。方法是先把测温元件T置于要求报警的温度下，调节R3使电路刚发出报警声。报警的音调取决于多谐振荡器的振荡频率，由元件R2、R1和C决定，改变这些元件值，可改变音调，但要求R2大于1kΩ。2）触摸定时控制开关

555定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片P，由于人体感应电压相当于在触发输入端（管脚2）加入一个负脉冲，555输出端输出高电平，灯泡（RL）发光，当暂稳态时间（tW）结束时，555输出端恢复低电平，灯泡熄灭。该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由RC参数调节。