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第 7 章 脉冲波形的产生与整形

第 7 章 脉冲波形的产生与整形.  本章要点. 本章主要介绍脉冲的产生、变换和整形电路，实现这些功能的单元电路主要有施密特触发电路、单稳态触发电路和多谐振荡器电路等。本章重点介绍最常用的 555 定时器工作原理及其所构成的施密特触发电路、单稳态触发电路及多谐振荡器的电路。. 脉冲鉴幅. 脉冲信号 ：凡是不具有连续正弦波形状的信号，通称为脉冲信号。. 常见的脉冲信号波形. 7.1 概述. 矩形脉冲信号. 数字电路最常用的脉冲信号就是矩形脉冲。例如时钟信号 (CLK) 就是一种典型的矩形波信号，它在时序电路中协调各种功能部件的工作。. 描述矩形脉冲信号的参数：.

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第 7 章 脉冲波形的产生与整形

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  1. 第7章 脉冲波形的产生与整形 本章要点 本章主要介绍脉冲的产生、变换和整形电路，实现这些功能的单元电路主要有施密特触发电路、单稳态触发电路和多谐振荡器电路等。本章重点介绍最常用的555定时器工作原理及其所构成的施密特触发电路、单稳态触发电路及多谐振荡器的电路。 脉冲鉴幅

  2. 脉冲信号 ：凡是不具有连续正弦波形状的信号，通称为脉冲信号。 常见的脉冲信号波形 7.1 概述

  3. 矩形脉冲信号 数字电路最常用的脉冲信号就是矩形脉冲。例如时钟信号(CLK)就是一种典型的矩形波信号，它在时序电路中协调各种功能部件的工作。 描述矩形脉冲信号的参数： ①脉冲周期T：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。 ②脉冲频率f：单位时间内的脉冲重复次数 。 ③脉冲幅值Vm：脉冲电压变化的最大幅度 。 ④脉冲宽度tw：从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿到达0.5Vm为止的一段时间 。

  4. ⑤上升时间tr：脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时间。⑤上升时间tr：脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时间。 ⑥下降时间tf：脉冲下降沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需要时间 。 ⑦占空比q ：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即 q= tw / T。 获得脉冲信号的方法通常有两种：一种方法是利用多谐振荡器直接产生所需的脉冲信号；另一种方法是通过脉冲整形电路变换成所需的脉冲信号。

  5. Proteus ISIS程序d的用户界面 Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真和分析相结合

  6. 管脚图 内部电路 7.2 555定时器 555定时器是一种兼容模拟和数字电路于同一硅片的混合中规模集成电路。国外典型的产品型号有NE555 、LM555 、XR555 、CA555 、RC555、LC555等，国内产品型号有CB555、SL555、FX555、FD555等。 7.2.1 555定时器的电路结构

  7. 逻辑符号 555定时器组成： ①电压比较器 C1和C2是两个结构完全相同的高精度电压比较器。当比较器的V+>V-时，其输出为高电平；反之，当V+＜V- 时，其输出为低电平。

  8. ②分压器 由3个阻值为5kΩ的电阻串联构成分压器，C1和C2提供参考电压VR1和VR2。当5脚不外接电压时，为 若引脚5外接固定电压VDD时，为 注意：当引脚5不加控制电压时，一般不可悬空，可通过一个小电容（如0.01μF~0.1μF）接地，以防止旁路高频干扰。

  9. 由与非门Gl和G2构成SR锁存器，它的状态由两个电压比较器的输出来控制。其中，RD是专门设置的可从外部直接异步置0复位端，低电平有效。 （3）SR锁存器 （4）泄放三极管 三极管TD是集电极开路输出三极管，为外接电容提供充、放电回路，称为泄放三极管。G3门输出1时TD导通；反之TD截止。 （5）反相器 反相器G4为输出缓冲反相器，提高带负载能力；同时还可隔离负载对定时器的影响，起整形作用。

  10. 2－低电平触发端，TR； 4－复位端，RD； 7.2.2 555定时器的管脚用途及工作原理 各管脚功能 ： 1－接地端，GND； 3－输出端，OUTPUT，输出电 流可达200mA； 5－压控端，CO； 6－高电平触发端，TH； 7－放电端，DIS； 8－电源端，VCC，范围为4.5~18V；

  11. 功能表 当RD为高电平时 工作原理 ： ①当vI1>VR1且vI2>VR2时，C1的输出”0”，C2的输出”1”，SR锁存器Q = 0，TD导通，输出为低电平；

  12. ②当vI1<VR1且vI2>VR2时，C1和C2的输出均为”1”，SR锁存器保持状态不变，故TD和输出的状态也均不变；②当vI1<VR1且vI2>VR2时，C1和C2的输出均为”1”，SR锁存器保持状态不变，故TD和输出的状态也均不变； ③当vI1<VR1且vI2<VR2时，C1的输出为”1”，C2的输出为“0”，SR锁存器Q=1，TD截止，输出为高电平；

  13. ④当vI1 > VR1且vI2<VR2时，C1和C2的输出均为”0”，SR锁存器Q = Q=1，TD截止，输出为高电平；

  14. 555和7555定时器性能比较 555定时器能在很宽的电源电压范围内工作，并可承受较大的负载电流，可直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等，但其静态功耗较大。CMOS型7555定时器的电源电压2~18V，静态功耗小，但最大的负载电流是在4mA以下。 555定时器的应用十分广泛，由它可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等脉冲单元电路。

  15. 7.3 施密特触发器 施密特触发器（Schmitt Trigger）是具有回差特性的数字传输门，其特点： ① 施密特触发器输出有两种稳定状态——0态和1态； ② 施密特触发器采用电平触发，即它输出是高电平还是低电平都取决于输入信号的电平； ③ 对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平VT+和VT- 。当输入信号电压上升时，与VT+比较，若输入信号大于VT+，输出状态翻转；当输入信号电压下降时，与VT-比较，当输入信号小于VT-，输出状态翻转。这是与普通比较器的区别。

  16. 同相施密特触发器 反相施密特触发器 施密特触发器分同相施密特触发器和反相施密特触发器两种 ： 上限阈值电压 施密特触发器主要参数： ①上限阈值电压VT+：输入信号电压vI上升过程中，输出电压vO状态翻转时，所对应的输入电压值。

  17. 下限阈值电压 ②下限阈值电压VT-：输入信号电压vI下降过程中，输出电压vO状态翻转时，所对应的输入电压值。 ③回差电压△VT：VT＋和VT-之间的差值 ，即△VT =VT+-VT- 两次触发电平的不一致性称为施密特触发器的回差特性，又叫滞迟特性，这是施密特触发器最重要的电气特性。由于施密特触发器具有回差特性，与电压比较器相比，施密特触发器具有较强的抗干扰能力。施密特触发器的回差电压越大，电路的抗干扰能力也越强，但灵敏度会相应降低。

  18. 555定时器构成的施密特触发器电路 7.3.1 555定时器构成的施密特触发器 构成： ① 2脚和6脚连一起接输入信号vI； ② 4脚和8脚连一起接电源电压VCC； ③ 5脚通过0.01μF的电容和1脚一起接接地； ④ 7脚悬空，3脚输出。

  19. vI<VCC/3 工作原理： ① 输入信号vI从0逐渐升高的过程： vI<VCC/3 1 0 输出高电平 1 1 0

  20. VCC/3<vI<2VCC/3 vI > 2VCC/3 VCC/3<vI<2VCC/3 vI>2VCC/3 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 保持高电平 输出低电平

  21. 电压传输特性 VCC/3 2VCC/3 上限阈值电压为

  22. vI>2VCC/3 ②输入信号vI从vI >2VCC/3逐渐下降的过程： vI>2VCC/3 0 1 输出低电平 0 0 1

  23. VCC/3<vI<2VCC/3 vI < VCC/3 VCC/3<vI<2VCC/3 vI<VCC/3 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 保持低电平 输出高电平

  24. VCC/3 2VCC/3 电压传输特性 下限阈值电压为 反向施密特触发器 电路的回差电压为

  25. VCC/3 2VCC/3 波形图

  26. 管脚图 逻辑符号 7.3.2 集成施密特触发器 集成施密特触发器应用广泛，它有TTL和CMOS两大系列。TTL的集成施密特触发器的型号较多，如74LS13/7413、 74LS18/7418、74LS19/7419、74LSl4/7414等等， COMS的集成施密特触发器的型号有40106、4093、4584等。 输出逻辑式：

  27. 利用施密特触发器将正弦波变换成方波 7.3.3 施密特触发器的应用 1．波形变换 利用施密特触发器的回差特性，可以将输入三角波、正弦波、锯齿波等缓慢变化的周期信号变换成矩形脉冲输出。

  28. 利用施密特触发器实现脉冲整形 2．脉冲整形 在数字系统中，当矩形脉冲在传输过程中发生畸变或受到干扰而变得不规则时，可利用施密特触发器的回差特性将其整形，进而获得比较理想的矩形脉冲波。

  29. 利用施密特触发器实现脉冲鉴幅 3．脉冲鉴幅 由于施密特触发器的状态取决于输入信号电平的高低，因此可通过调整电路的VT+和VT– 来鉴别输入脉冲的幅度。

  30. 光控照明灯电路 4．用于自动控制系统 施密特触发器的输出状态有两个稳定状态可以由输入状态来控制。同时有两个不同的触发门限VT+和VT–，这样可以避免控制系统在一个比较门限临界点频繁地跳变。所以施密特触发器被经常使用在简单的自动控制系统中。 继电器的线圈

  31. 7.4单稳态触发器 单稳态触发器（one-shot monostable multivibrator），又称单稳态振荡器（Monostable Multivibrator），是广泛应用于脉冲整形、延时和定时的常用电路。 单稳态触发器的特点： ①有稳态和暂稳态两个不同的工作状态； ②在外界触发脉冲的作用下，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，与触发脉冲的宽度和幅度无关。

  32. 单稳态触发器输入、输出波形 单稳态触发器有下列主要参数： Tmin （1）输出脉冲宽度tW 输出电压维持暂稳态的时间。此时间由电路本身的参数，而与触发脉冲的宽度和幅度无关。 （2）最小工作周期Tmin 由于在暂稳态期间，电路不响应触发信号。因此。两个触发信号之间的最小时间间隔为触发信号的最小工作周期，且Tmin>tw 。

  33. 555定时器构成单稳态触发器电路 7.4.1 555定时器构成的单稳态触发器 ① 2脚输入触发信号vI； 构成： ② 4脚和8脚连一起接电源电压VCC； ③ 5脚通过0.01μF的电容和1脚一起接接地； ④ 6脚和7脚接在一起与电容、电阻相接，3脚输出。

  34. vI为高电平，大于VCC/3 工作原理： ① 无触发输入信号（vI为高电平）时电路的工作状态： 若输出为低电平 1 1 1 0 1 0 保持 放电 导通

  35. vI为高电平，大于VCC/3 若输出为高电平 0 0 1 1 1 0 1 0 导通 放电 截止 充电，至2VCC/3

  36. vI为低电平，小于VCC/3 波形图 ②vI下降沿触发，电路由稳态转入暂稳态： 电路进入暂态 1 0 0 1 0 1 截止 充电

  37. 波形图 ③vI暂稳态的维持时间： 通常R的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范围在几百皮法到几百微法。 放电至0 0 1 1 0 导通 充电，至2VCC/3 脉冲宽度

  38. 非可重复触发型 可重复触发型 7.4.2 集成单稳态触发器 由于脉冲整形、延时和定时的需要，出现TTL和CMOS的集成单稳态触发器。除了定时电阻和定时电容外接之外，整个单稳电路都集成在一个芯片之中。它具有定时范围宽、稳定性好、使用方便等优点，因此得到了广泛应用。 集成单稳态触发器根据电路及工作状态的不同，分为非可重触发和可重触发两种类型 74122、74123 74121、74221

  39. 管脚图 功能表 非重复触发器的集成单稳态触发器74121简介 取10pF~10μF 取2~30kΩ 说明： 74121为 A下降沿和B上升沿都可以触发，其输出脉冲的宽度为： 200ns~200ms

  40. 使用外接电阻的74121的外部连线图 使用内接电阻的74121的外部连线图 注意： 74121的内部设置得电阻Rint（约为2kΩ）可取代外接的Rext。 下升沿触发 上升沿触发

  41. 利用单稳态触发器实现脉冲整形 7.4.3 单稳态触发器的应用 1．脉冲整形 单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲vO。vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度决定于暂稳态时间tW。

  42. 光控照明灯电路 2．延时或定时 由于单稳态触发器一经触发，电路进入暂稳态，暂稳态的时间由外接元件R、C决定。调节R、C可产生比触发脉冲宽度长得多的暂稳态维持时间。因此，单稳态触发器常用于定时或延时。 延迟时间为：

  43. 鱼缸自动加热电路 【例1】鱼缸水温自动加热电路如图所示，RT是正温度系数热敏电阻器。用555定时器构成的单稳态触发器，设定加热时间为11s，试分析该电路的工作原理以及给出R和C的设计值。 解： ①正常温度，RT较大，2脚输入高电平，3脚输出低电平； ②水温下降，RT减小，2脚输入低电平，3脚输出高电平，VL亮，K线圈通电，触点K1闭合，加热； ③经过tW=11s时间，3脚输出低电平，线圈断电，触点K1断开，停止加热。 由 选R =1MΩ， C =10μF

  44. 7.5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，便能自动产生矩形波形。由于矩形波中含有高次谐波故把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。 特点： ①电路的输出高电平和低电平的切换是自动进行的，不需要外界的触发信号； ②多谐振荡器工作时没有一个稳定状态，属于无稳态电路。 多谐振荡器主要参数 ①电路振荡周期T和频率f ； ② 输出信号的占空比q。

  45. 555定时器构成的多谐振荡器电路 7.5.1 555定时器构成的多谐振荡器 构成： ① 2脚和6脚接在一起与电容、电阻相接； ② 4脚和8脚连一起接电源电压VCC； ③ 5脚通过0.01μF的电容和1脚一起接接地； ④ 7脚与电阻相接，3脚输出。

  46. 波形图 工作原理： ①首次充电过程，设vC=0 输出高电平 1 0 1 0 0 1 截止 充电

  47. ②放电过程 输出低电平 0 放电 1 0 1 0 导通 充电至2VCC/3

  48. ③再充电过程 输出高电平 充电 1 0 1 0 1 截止 电路就在VCC/3和2VCC/3之间不停的进行充电和放电，在输出端产生周期性的矩形波。 放电至VCC/3

  49. 参数估算： ① 电路的振荡周期为 ②振荡频率为 注意：通过改变电阻R1 、R2和电容C的大小就可以改变振荡的频率。用CB555组成的多谐振荡器最高振荡频率约500kHz。

  50. 占空比可调的多谐振荡器 ③输出脉冲的占空比 电路输出脉冲的占空比始终大于50%

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