第六章脉冲波形的产生与整形

6.1 概述 6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 6.3 6.4 6.5 施密特触发器（电路）单稳态触发器（电路）多谐振荡器第六章脉冲波形的产生与整形第六章脉冲波形的产生与整形《数字电子技术》

§6.1 概述 5.1 概述数字电路中的信号都是脉冲信号，这种信号的产生、整形与变换电路的作用是产生各种不同脉宽和幅值的脉冲波形，或者对不同脉宽和幅值的脉冲波形进行整形和变换，或者完成连续模拟信号与脉冲信号之间的相互变换等。数字电路中使用脉冲信号大多是矩形脉冲波，矩形脉冲波波形的好坏，将直接影响数字电路的正常工作。矩形脉冲波的波形图如图6.1.1所示。为了描述矩形波的波形好坏，对矩形波定义了下列一些描述参数。《数字电子技术》

6.1 概述 6.1.1 描述矩形脉冲波的主要参数《数字电子技术》

6.1 概述 ①脉冲幅值Vm —— 脉冲波形变化时电路幅值变化的最大值。 ②脉冲宽度tw —— 从脉冲波形的上升沿上升至0.5 Vm开始，到下降沿下降至0.5 Vm为止的时间间隔。 ③上升时间tr —— 在脉冲波形的上升沿，从0.1 Vm上升至0.9 Vm所需要的时间。 ④下降时间tf —— 在脉冲波形的下降沿，从0.9 Vm到0.l Vm所需的时间。《数字电子技术》

6.1 概述 ⑤脉冲周期T—— 在周期性重复的脉冲序列中，相邻两脉冲的时间间隔。 ⑥脉冲频率f—— 在周期性重复的脉冲序列中，单位时间内脉冲重复的次数，即 f=1/T。 ⑦占空比D—— 脉冲波形的脉冲宽度tw与脉冲周期T之比，即D= tw /T。《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 §6.2.1 555时基电路的应用和封装 555时基电路大量应用于电子控制、电子检测、仪器仪表、家用电器、音响报警、电子玩具等诸多方面。还可用作振荡器、脉冲发生器、延时发生器、定时器、方波发生器、单稳态触发振荡器、双稳态多谐振荡器、自由多谐振荡器、锯齿波发生器、脉宽调制器、脉位调制器等等。《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 一、 555时基电路的封装和命名（1）命名规则：＃所有双极型产品型号最后的3位数码都是555；＃所有CMOS产品型号最后的4位数码都是7555；＃所有双极型双定时器产品最后的3位数码都是556；＃所有CMOS双定时器产品最后的4位数码都是7556；＃双极型和CMOS型555定时器的功能和外部引脚的排列完全相同。《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 （2）常见封装形式图6.2.1 555和556时基电路的封装示意图《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 §6.2.2 555时基电路的工作原理一、双极型555时基电路的工作原理（1）美国无线电公司生产的CA555时基电路图6.2.2是美国无线电公司生产的CA555时基电路的内部等效电路图。《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 2/3VCC 1/3VCC 双稳态触发器 Imax>50mA 推挽式功率输出 IO=200mA 图6.2.2 CA555时基电路的内部等效电路图《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 2/3VCC 555电路可简化为下图6.2.3所示的等效功能电路。显然555电路内含两个比较器A1和A2、一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管。置位－复位触发器 1/3VCC 图6.2.3 CA555时基电路的等效功能电路图《数字电子技术》

由表6.2.1可看出，、R、 的输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟和数字电路的特色。 6.2 555时基集成电路的结构和工作原理表6.2.1 CA555引出端真值表《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 （2）国产双极型定时器CB555时基电路强制复位控制电压复位触发输出端置位触发放电端置位－复位触发器图6.2.4 CB555时基电路的等效功能电路图《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 表6.2.2 CB555引出端真值表《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 二、CMOS型555时基电路的工作原理 CMOS型555时基电路在大多数应用场合，都可以直接代换标准的双极型的555。它与所有CMOS型电路一样，具有输入阻抗高、功耗极小、电源适应范围宽等一系列优点，特别适用于低功耗、长延时等场合。但它的输出驱动能力较低（最大负载电流<4mA），不能直接驱动要求较大的电流的电感性负载。图6.2.5是5G7556（ICM7556）的内部等效电路图。《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 A1 200K A2 双稳态触发器 CMOS反相器输出《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 置位－复位触发器复位触发图6.2.6 CMOS型555等效功能方框图《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 §6.2.3 双极型555和CMOS型555的性能比较双极型555和CMOS型555的共同点： ① 二者的功能大体相同，外形和管脚排列一致，在大多数应用场合可直接替换。 ② 均使用单一电源，适应电压范围大，可与TTL、HTL、CMOS型数字逻辑电路等共用电源。《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 双极型555和CMOS型555的共同点： ③ 555的输出为全电源电平，可与TTL、 HTL、CMOS型等电路直接接口。 ④ 电源电压变化对振荡频率和定时精度的影响小。对定时精度的影响仅0.05％/V，且温度稳定性好，温度漂移不高于50ppm/oC。《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 双极型555与CMOS型555的差异： ① CMOS型555的功耗仅为双极型的几十分之一，静态电流仅为300µA左右，为微功耗电路。 ② CMOS型555的电源电压可低至2-3V；各输入功能端电流均为pA(微微安)量级。 ③ CMOS型555的输出脉冲的上升沿和下降沿比双极型的要陡峭，转换时间短。《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 ④ CMOS型555在传输过渡时间里产生的尖峰电流小，仅为2-3mA；而双极型555的尖峰电流高达300-400mA。 ⑤ CMOS型555的输入阻抗比双极型的要高出几个数量级，高达1010Ω。 ⑥ CMOS型555的驱动能力差，输出电流仅为1-3mA，而双极型的输出驱动电流可达200mA. 《数字电子技术》

6.2 555时基集成电路的结构和工作原理 小结一般说来，在要求定时长、功耗小、负载轻的场合宜选用CMOS型555；而在负载重、要求驱动电流大、电压高的场合，宜选用双极型的555。《数字电子技术》

6.3 施密特触发器 6.3 施密特触发器一、概述 6.3.1 施密特触发器方框图和电压传输特性图《数字电子技术》

6.3 施密特触发器 由施密特触发器的逻辑符号和电压传输特性可知，实际上施密特触发器是一个具有滞后特性的反相器。图中，VT+称为正向阈值电平或上限触发电平； VT-称为负向阈值电平或下限触发电平。它们之间的差值称为回差电压(滞后电压)，用△VT表示。即有： △VT= VT+-VT- 《数字电子技术》

6.3 施密特触发器 二、施密特触发电路构成正反馈过程,R2!=R3 （1）TTL集成施密特触发器7413 图6.3.2 带与非门TTL集成施密特触发器《数字电子技术》

6.3 施密特触发器 小结： 1、无论T2由导通变截止还是由截止变导通，均伴有正反馈过程，使输出端电压VO变得很陡峭； 2、由于R2>R3，所以使T1饱和导通时的VE必然低于T2饱和导通时的VE值，因此，T1由截止变为导通的输入电压VT+高于T1由导通变为截止时的输入电压VT-，这样就得到了施密特触发特性。 3、经计算可得此电路： VT+ ≈ 1.7V VT- ≈ 0.8V △VT≈ 0.9V 课后练习《数字电子技术》

CMOS门，阈值电压 6.3 施密特触发器（2）用门电路组成的施密特触发器将两级反相器串接起来，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就构成了施密特触发器电路。 6.3.3 用CMOS反相器构成的施密特触发器《数字电子技术》

6.3 施密特触发器 6.3.4 图6.3.3电路的电压传输特性 (a)同相输出 (b)反相输出思考： 1、如何调节回差电压的大小？ 2、为什么R1必须小于R2？ 3、如何用TTL门电路组成施密特触发器？《数字电子技术》

RA RP RB 6.3 施密特触发器（3）用555定时器接成的施密特触发器提高参考电压的稳定性图6.3.5 用CB555定时器接成的施密特触发电路《数字电子技术》

6.3 施密特触发器 VT+ = 2/3VCC VT- = 1/3VCC 图6.3.6 图6.3.5电路的电压传输特性由图6.3.6 知这是一个典型的反相输出施密特触发器。如果参考电压由外接的电压VCO供给，则不难看出此时VT+=VCO，VT-=1/2VCO，ΔVT=1/2VCO，通过改变VCO值可以调节回差电压的大小。《数字电子技术》

6.3 施密特触发器 三、施密特触发电路的特点施密特触发器（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。《数字电子技术》

6.3 施密特触发器 四、施密特触发电路的应用（1）用于波形变换脉冲展宽图6.3.7 用施密特触发器实现波形变换《数字电子技术》

6.3 施密特触发器 （2）用于脉冲整形传输线上电容较大传输线较长，阻抗不匹配其它脉冲叠加的噪声图6.3.8 用施密特触发器实现脉冲整形《数字电子技术》

6.3 施密特触发器 （3）用于脉冲鉴幅（4）构成多谐振荡器《数字电子技术》

6.4 单稳态触发器 §6.4 单稳态触发电路一、单稳态触发电路构成（一）微分型单稳态触发器图6.4.1是用CMOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器。对于CMOS电路，可以近似地认为VOH≈VDD、VOL≈0，而且通常VTH≈1/2VDD。在稳态下VI =0、VI2=VDD，故Vo=0、Vo1=VDD，电容C上没有电压。《数字电子技术》

6.4 单稳态触发器 思考：vI脉宽该如何取？图6.4.1 微分型单稳态触发器《数字电子技术》

V DD V DD R R G G 1 2 V V R << R I 2 I 2 C ON C R ON V DD R D R 1 ON V G G I 2 C 1 2 6.4 单稳态触发器 tw = ? Vm = ? 电容充电等效电路 C 当RD1<<R,RD1<<RON时—— 恢复时间：tre =(3~5)RONC 分辨时间：td = tw+tre 电容放电等效电路 C 《数字电子技术》

6.4 单稳态触发器 根据以上的分析，即可画出电路中各点的电压波形，如图6.4.2所示。正反馈正反馈图6.4.2 微分型单稳态触发器电压波形图 tw=? 《数字电子技术》

6.4 单稳态触发器 （二）积分型单稳态触发器图6.4.3是用TTL与非门和反相器以及RC积分电路组成的积分型单稳态触发器。为了保证vo1为低电平时VA在VTH以下，电阻R的阻值不能取得很大。该电路用正脉冲触发。思考：vI脉宽该如何取？图6.4.3 积分型单稳态触发器《数字电子技术》

6.4 单稳态触发器 图6.4.4 图6.4.3电路的电压波形图 tTR>tw 无正反馈 tw=? 《数字电子技术》

6.4 单稳态触发器 tw = ? Vm = ? 恢复(充电)时间：tre =(3~5)(R+R’O)C 分辨时间：td = tTR+tre 《数字电子技术》

6.4 单稳态触发器 积分型单稳态触发器: 优点——抗干扰能力较强；（为什么？）电路中的噪声多为尖峰脉冲的形式（即幅度较大而宽度极窄的脉冲），而积分型单稳态触发器在这种噪声作用下不会输出足够宽度的脉冲。缺点—— （1）输出波形的边沿比较差（为什么？）因为电路的状态转换过程中没有正反馈作用。（2）必须在触发脉冲的宽度大于输出脉冲宽度时方能正常工作。《数字电子技术》

6.4 单稳态触发器 6.4.2 集成单稳态触发器(*) 集成单稳态触发器可分为非重复触发单稳触发器和可重复触发单稳态触发器。所谓非重复触发，就是单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态后，再加入触发信号不会影响单稳态触发器的工作过程，必须在暂稳态结束之后，才能再接受触发信号转入暂稳态。所谓可重复触发单稳态触发器，就是单稳态触发器被触发进入暂稳态后，如果再加入触发脉冲，单稳态触发器将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个脉冲宽度。《数字电子技术》

6.4 单稳态触发器 下图6.4.5是TTL集成单稳态触发器74121简化的原理性逻辑图。它是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。具有边沿触发的性质。上、下边沿触发输入控制图6.4.5 集成单稳态触发器74121逻辑图《数字电子技术》

6.4 单稳态触发器 6.4.3 用555时基电路构成单稳态触发器在555时基单元电路的外部加接几个阻容元件，就可接成单稳态电路。它所形成的单脉冲持续宽度，可以从几微秒到几个小时，精密度可达0.1％。由555组成单稳态触发器时仅需外接一个由电阻R和电容C组成的定时网络。《数字电子技术》

R vI C 6.4 单稳态触发器 tw=RCln3 =1.1RC 定时器图6.3.6 CB555接成单稳态触发器《数字电子技术》

6.4 单稳态触发器 二、单稳态触发电路的特点单稳态触发器的工作特性具有如下的显著特点：（1）电路在无外加触发信号作用期间，处于稳态；（2）在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态；（3）暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数（阈值电压及外接R、C），与触发脉冲的宽度和幅度无关。《数字电子技术》

6.4 单稳态触发器 二、单稳态触发电路的应用（1）用作脉冲整形不可重复触发 tw仅与R、C、VTH有关; Vm＝VOH-VOL 可重复触发图6.3.7 单稳态触发器用于脉冲整形《数字电子技术》

6.4 单稳态触发器 （2）构成定时电路数字频率计图6.3.8 单稳态触发器构成定时电路《数字电子技术》

6.4 单稳态触发器 （3）构成延时电路(*) tw＝0.69RextCext; Tp由RC决定。图6.3.9 单稳态触发器构成精密延时电路《数字电子技术》

第六章 脉冲波形的产生与整形