第五章 脉冲波形的产生与变换

1. 第五章 脉冲波形的产生与变换 5.1 概 述 5.2 集成555定时器 5.3 单稳态触发器 5.4 多谐振荡器 5.5 施密特触发器

2. 5．1 概 述 • 在数字系统中，经常需要用到有一定宽度和幅度的各种不同频率的时钟脉冲信号，且该时钟脉冲信号的上升沿、下降沿越陡峭越好，即脉冲信号越理想越好。获得矩形脉冲的方法通常有两种：一种是由脉冲振荡器直接产生；另一种是利用整形电路，将一个已有的不符合要求的波形通过整形变换成为矩形脉冲。 • 脉冲振荡器常用电路有多谐振荡器等；脉冲整形电路主要有单稳态触发器及施密特触发器。

3. 5.1.1常见的几种脉冲信号波形 • 一切具有突变部分的周期性或非周期性的电流或电压波形统称为脉冲。脉冲是指在短暂的时间内作用于电路的电压或电流，即电压脉冲或电流脉冲。从广义来说，我们把各种非正弦信号统称为脉冲信号。 • 常见的脉冲信号波形，如图5—1所示

4. 图5—1常见的脉冲信号波形 (a) 矩形脉冲(b)钟形波(c)方波(d)锯齿波(e)尖脉冲(f)阶梯波

5. 5.1.2矩形脉冲波形参数 • 由于脉冲波形是各种各样的，所以，用以描述各种不同脉冲波形特征的参数申不一样。例如用描述矩形脉冲的参数就和锯齿波的参数不一样。所以，我们仅以矩形脉冲为例，介绍脉冲波形的参数。 • 图5—2所示，为实际的矩形脉冲波形，用以下几个主要参数表示.

6. 图5—2 矩形脉冲的主要参数

7. 1．脉冲幅度Vm——脉冲电压的最大变化幅度。 • 2．脉冲宽度twm—一脉冲波形前、后沿0.5Vm 处的时间间隔 • 3．上升时间tr—一脉冲前沿0．1Vm上升到 0.9Vm所需要的时间。 • 4. 下降时间tf——脉冲后沿从0．9Vm下降到0.1Vm所需要的时间。 • 5．脉冲周期T——在周期性连续脉冲中，两个相邻脉冲间的时间间隔。有时也用重复频率f=1/T表示单位时间内脉冲重复的次数。

8. 5.1.3最简单的脉冲波形变换电路——微分电路和积分电路1．微分电路5.1.3最简单的脉冲波形变换电路——微分电路和积分电路1．微分电路 • 微分电路可以将输入矩形脉冲的跳变部分选择出来，形成一对正负尖脉冲。因此，微分电路是——个最简单的波形变换电路，它可将矩形脉冲变换为一对正负尖脉冲。 • 微分电路的形式就是一个RC串联电路，输出电压为电阻R两端的电压。如图5—3(a)所示。

9. (a) 电路原理图 (b) 工作波形图 图5—3微分电路

10. 组成微分电路的条件是：电路的时间常数，形脉冲宽度细小得多。即必须满足RC＜＜tw。在实际电路中，一般取RC＜tw则，输出电压即电路的输出电压与输入电压近似成微分关系，所以称之为微分电路。图5—3(b)是微分电路的工作波形图。组成微分电路的条件是：电路的时间常数，形脉冲宽度细小得多。即必须满足RC＜＜tw。在实际电路中，一般取RC＜tw则，输出电压即电路的输出电压与输入电压近似成微分关系，所以称之为微分电路。图5—3(b)是微分电路的工作波形图。 • 值得提出的是：当RC>>tw时，输出电压v0与输入电压vI的波形近似相同，此时的RC电路是耦合电路，而不是微分电路。

11. 2．积分电路 • 积分电路可以将输入的矩形脉冲变换为锯齿波。所以，积分电路也是—个最简单的波形变换电路。 • 图5—4(a)所示为积分电路。与微分电路相比较，只是R和C的位置对调了，输出电压为电容两端的电压。 • 积分电路必须满足RC>>tw。当电路满足条件RC>>tw时有

12. (a) 电路原理图(b) 工作波形图 图5—4积分电路

13. 电路输出电压v0与输入电压vi近似成积分关系，因此，这种RC电路称为积分电路。图5—4(b)是积分电路的工作波形图。电路输出电压v0与输入电压vi近似成积分关系，因此，这种RC电路称为积分电路。图5—4(b)是积分电路的工作波形图。

14. 5.2 集成555定时器 • 555集成定时器产生于70年代初，它是一种中规模定时器，又称时基（Time base）电路。它广泛应用于波形的产生与变换、测量与控制、家用电器及电子玩具等各领域。我国先后生产了双极性定时器、CMOS定时器。两者电路结构基本相同，功能一致。下面以5G555（双极性定时器）为例简要介绍其组成及功能。 • 5G555时基电路简化原理图及外引线排列图分别如图5—5（a）、（b）所示。

15. 5G555时基电路简化原理图表 • (b) 5G555时基电路外引线排列图 • 图5—5 5G555时基电路

16. 555定时器含有两个电压比较器A和B、一个由“与非”门组成的基本RS触发器、一个放电晶体管VT以及由三个R=5kΩ的电阻组成的分压器。比较器A的参考电压为Vcc，加在同相输入端；B的参考电压为Vcc，加在反相输入端。两者均由分压器上取得。各外引线端的功能是：555定时器含有两个电压比较器A和B、一个由“与非”门组成的基本RS触发器、一个放电晶体管VT以及由三个R=5kΩ的电阻组成的分压器。比较器A的参考电压为Vcc，加在同相输入端；B的参考电压为Vcc，加在反相输入端。两者均由分压器上取得。各外引线端的功能是： • 1脚为接地端。 • 2脚为低电平触发端，由此输入触发脉冲。当2脚的输入电压高于Vcc时，B的输出为“1”；当输入电压低于Vcc时，B的输出为“0”，使基本RS触发器置“1”。 • 3脚为输出端，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等。输出高电压比电源电压Vcc约低1～3V。

17. 4脚为复位端，由此输入负脉冲而使触发器直接置“0”复位。4脚为复位端，由此输入负脉冲而使触发器直接置“0”复位。 • 5脚为电压控制端，在此端可外加一电压以改变比较器的参考电压。不用时，经0.01μF的电容接“地”，以防止干扰的引入。 • 6脚为高电平触发端，由此输入触发脉冲。当输入电压低于Vcc时，A的输出为“1”，当输入电压高于Vcc时，A的输出为“0”使基本RS触发器置“0”。 • 7脚为放电端，当触发器的端为“1”时，放电晶体管T导通，外接电容元件通过T放电。 • 8脚为电源端，可在5～18V范围内使用。

18. 5.3 单稳态触发器 • 5.3.1 TTL微分型单稳态电路 • 5.3.2 TTL积分型单稳态路 • 5.3.3 555定时器构成的单稳态触发器

19. 一、电路组成 • 由两个或非门和RC电路组成，如图5—6(a)所示。

20. (a) 电路原理图 (b) 工作波形图 图5—6 TTL微分型单稳态电路

21. 二、工作原理 • 1．当vi=0时，由于此时vi2为高电平（等于Vcc），所以门2输出vo2为低电平（等于0）；门1的输入全为低电平，门1输出为高电平，即门1截止、门2导通，vo1=1、vo2=0。这是电路的稳定状态。 • 2．当vi从0跳变为Vcc时，电路产生如下正反馈过程：

22. 这个过程使得电路迅速进入门1导通、门2截止 ，电源VCC的经门1、R、C开始对电容C进行充 电，电路进入暂稳状态。同时输入电压vi跳变为0。

23. 3．随着C的充电，电容两端的电压上升，即vi2上升。当vi2上升到门电路的阈值电压VTH时，电路将产生如下正反馈过程：3．随着C的充电，电容两端的电压上升，即vi2上升。当vi2上升到门电路的阈值电压VTH时，电路将产生如下正反馈过程： 随着C的充电

24. 这个过程使得电路迅速进入门1截止、门2导通的起始稳定状态，即vO1=1、vO2=0。此时，电容C经门2、R放电。这个过程使得电路迅速进入门1截止、门2导通的起始稳定状态，即vO1=1、vO2=0。此时，电容C经门2、R放电。 • 4．随着C的放电，电容C两端的电压下降为0，电路恢复到初始的稳定状态，等待下一次的触发。 • 图5—6(b)为其工作波形图。

25. 三、输出脉冲宽度tW的估算 • 电路的输出脉冲宽度可按下式估算

26. 5.3.2 TTL积分型单稳态电路一、电路组成 • 如图5—7(a)所示电路，是由两个与非门和连接成积分电路形式的RC定时电路组成的。 (a) 电路原理图

27. 二、工作原理 • 当输入vi1为低电平时，门1截止，vol为高电平；门2截止，v0为高电平。这是电路的稳态。稳态时，电容C电压vc＝V0H，因此vi2为高电平。 • 当vi1由低电平变为高电平时，一方面使门2的输入A端为高电平，另一方面使门1导通，vol由高电平变为低电平。但由于电容两端电压不能突变，所以门2的另一个输入vi2仍保持高电平。因此，这时门2输出v02= v0为低电平。电路进入了门1导通、门2也导通的暂稳状态。

28. 在vi1维持高电平期间，电容C经电阻、门1输出电路放电，vi2以时间常数τ＝RC指数规律下降。当vi2下降到vTH (＝1．4V)时，门2由导通变为截止，v0就由低电平变为高电平，电路返回到门2截止状态。 • 当vi1由高电平变为低电平时，vol随之由低电平跳变到高电平，并通过电阻R对电容C充电，此时暂稳态结束。 • 图5—7(b)是TTL与非门组成的积分型单稳态电路的工作波形图。

29. (b)工作波形图

30. 三、输出脉冲宽度的估算 • 电路的输出脉冲宽度可按下式估算

31. 5.3.3 555定时器构成的单稳态触发器一、电路组成 • 由555定时器组成的单稳态触发器其原理图及波形图如图5—8（a）、（b）所示。其中输入触发脉冲vI从2端，6、7两端相连并与定时元件R、C相接。

32. (a) 电路原理图 (b)工作波形图 图5—8 555定时器组成的单稳态触发器

33. 二、工作原理 • 1．电路的稳态 • 初始状态下，尚未加入触发脉冲，vi为高电平，即基本RS触发器的端为1。同时电容未被充电，vc＝0，基本RS触发器的端也为1。所以，基本RS触发器处于保持状态。

34. 当接通电源时，如果原状态为Q = 0，，则，V管导通，电容C被旁路而无法充电，因此电路就稳定在Q = 0，的状态。如果开始触发器处于Q = 1，状态，那么V管截止，因此接通电源后，电路有一个逐渐稳定的过程：即电源+Vcc经电阻R对电容C充电，电容电压Vc上升，当Vc上升到时，触发器置0，即Q = 0，，从而使放电管V导通，随即电容C通过放电管V放电，Vc迅速下降到0。一旦V管导通，电容C被旁路，无法再充电，这就是接通电源后电路所处的稳定状态。这时，Vc＝0，V0为低电平。

35. 2．触发翻转为暂稳态 • 在触发脉冲vI作用下，低触发端(端)加入负脉冲，即＝0使触发器翻转为1态。输出v0为高电平。因Q = 1，，所以放电管V截止，电路进入了暂稳态，定时开始。 • 在暂稳态阶段，C充电(充电回路为+VCC→R→C→地)，充电时间常数为τ＝RC，vC按指数规律上升，趋向+VCC值。

36. 3．自动返回过程 • 当电容上的电压上升到时，高触发端由0变为1，因这时vI已回到高电平，低触发端＝1，故触发器又被置0，输出v0变为低电平。由于Q = 0，，使放电管V导通，定时电容C充电结束，即暂稳态结束。 • 4．恢复过程 • 放电管V饱和导通后，电容C经放电管V放电，vC迅速下降至0。这时＝1，＝1，基本RS触发器状态保持，Q 仍为0，v0＝0。电路恢复到稳态时的vC＝0，v0为低电平的状态。 • 当第二个触发脉冲到来时，又重复上述过程。工作波形图见图5—8（b）。

37. 5．4 多谐振荡器 5.4.1 TTL与非门组成的多谐振荡器 5.4.2 555定时器构成的多谐振荡器

38. 5.4.1 TTL与非门组成的多谐振荡器一、电路组成 • 图5—9所示是TTL与非门组成的对称式多谐振荡器电路。其中．vK是控制信号，当vK是高电平时，振荡器振荡；vK为低电平时，振荡器停止振荡。RF1，RF2是用来确定TTL与非门的静态工作点，使与非门工作于传输特性的转折区。

39. 图5—9 TTL与非门组成的对称式多谐振荡器电路

40. 二、工作原理 • 当TTL与非门工作在传输特性的转折区时，对输入信号有很强的放大作用，因此，只要把静态时工作在转折区的两个与非门用电容耦合起来，就可以形成一个多谐振荡器。 • 接通电源后并使vK为高电平时，由于门1、门2都工作在转折区，只要电路不完全对称或由于电源电压变化和一点小的干扰，都会引起振 荡。 • 例如，由于某种原因，使得vI1略有增大，就会产生下列正反馈的过程：

41. 从而使门1迅速饱和导通，门2迅速截止. 这是电路的第一暂稳状态，是不稳定的，在这 一暂稳态的持续时间里，电容C1充电，C2放电。

42. 由于充电时间常数小于放电时间常数，所以C1充电速度快，C2放电速度慢，因而使得vI2首先上升到阈值电压VTH，这又引起了以下的正反馈过程由于充电时间常数小于放电时间常数，所以C1充电速度快，C2放电速度慢，因而使得vI2首先上升到阈值电压VTH，这又引起了以下的正反馈过程

43. 则门1迅速截止，门2迅速饱和导通，电路从第一暂稳态进入了第二暂稳态。与此同时，C2开始充电，C1放电，这时，同样是充电快、放电慢，即由于C2充电快，使vI1首先上升到阈值电压VTH，因而又一次引起正反馈连锁反应，使电路重新回到门1饱和导通、门2截止的第一暂稳态。则门1迅速截止，门2迅速饱和导通，电路从第一暂稳态进入了第二暂稳态。与此同时，C2开始充电，C1放电，这时，同样是充电快、放电慢，即由于C2充电快，使vI1首先上升到阈值电压VTH，因而又一次引起正反馈连锁反应，使电路重新回到门1饱和导通、门2截止的第一暂稳态。 • 由以上分析可知，图5—9所示电路只有两个暂稳态。由于电容的充放电作用，使电路自动在两个暂稳态中交替转换，在与非门的输出端输出矩形脉冲。 • 由于矩形波中除基波外，还包含许多的高次谐波，因此，这种电路又称为多谐振荡器。当电路参数对称时，即C1＝C2，RF1=RF2，则输出对称的矩形脉冲(又称为方波)。 • 图5—10所示，为多谐振荡器的工作波形图。

44. 图5—10 多谐振荡器工作波形

45. 三、振荡周期的估算 • 若取R F1=RF2=RF、C1＝C2＝C的条件下，振荡周期T可近似地按下式估算： • 其中VIK、VOH可从门电路手册中查得。考虑到门电路输入端反向钳位二极管的作用，若取VIK＝-1V，VTH＝1．4V，VOH＝3．6V，则

46. 5.4.2 555定时器构成的多谐振荡器 • 图5—11是由555定时器组成的多谐振荡器。其原理图及波形图如图5—11（a）、（b）所示。 (a) 电路原理图 (b)工作波形图 图5—11 555定时器组成的多谐振荡器

47. 一、电路组成 • 如图5—11 (a)所示。其中，把2端和6端连接，6、7端之间接入电阻R2，即构成了多谐振荡器。 • 二、工作原理 • 接通电源时，vc＝0，则＝0，=1，555内部RS触发器置1，3端输出v0为高电平。同时，因=0，使放电管V截止。所以，接通电源后，电容C开始充电，电路处于第一暂稳态。随着C充电，vc 上升，当vc 上升至时，＝1，=0，触发器翻转为0态，输出v0为低电平。

48. 此时，因=1，使放电管V导通、电容C充电结束，电路进入第二暂稳态。此时，因=1，使放电管V导通、电容C充电结束，电路进入第二暂稳态。 • 由于放电管V导通，电容C开始放电。随着C的放电，Vc下降，当Vc下降到时，触发器置1，输出Vc为高电平，电路又翻转到第一暂稳态。这时，放电管V又截止，电容C放电结束，又处于充电状态，重复上述过程。 • 工作波形图如图5—11(b)所示。

49. 三、电路振荡周期T的估算 • 其中 • 则

50. 5.5 施密特触发器 • 施密特触发器是数字系统中常用的电路之一，它可以把变化十分缓慢的不规则的脉冲波形变换成为数字电路所需要的矩形脉冲。 • 施密特电路的特点在于它也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是不仅这两个稳定状态的转换需要外加触发信号，而且稳定状态的维持也得依赖于外加触发信号，因此它的触发方式是电平触发。