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1、第6章 脉冲波形的产生与整形第1页，共34页，编辑于2022年，星期一6.1 概述 在数字电路或系统中，常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、控制过程中的定时信号等。这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种则是对已有信号进行整形变换，使之满足系统的要求。6.1.1 脉冲信号脉冲信号 脉冲信号的波形多种多样，在数字系统中经常需要的是具有各种宽度、幅度、边沿陡峭的矩形脉冲信号。图6-1给出了几种常见的脉冲信号波形。第6章 脉冲波形的产生与整形第2页，共34页，编辑于2022年，星期一6.1.2 脉冲信号的参数脉冲信号的参数在数字电路中，基本工作信号是二进制的数字信
2、号或两状态的逻辑信号，两状态逻辑信号只有0 0、1 1两种取值，用波形图表示就是矩形脉冲。如图6.2所示。在图6-2所示的波形图中，标出了定量描述矩形脉冲的几个指标：脉冲幅度Um 脉冲电压的最大变化幅度。脉冲周期T 周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲相对应点上的时间间隔。有时也使用频率f=表示单位时间内脉冲重复的次数。脉冲宽度tW 从脉冲前沿上升到0.5Um处开始，到脉冲后沿下降到0.5Um为止的一段时间。有时也称为脉宽。上升时间t r 脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。下降时间t f 脉冲后沿从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。占空比q 脉冲宽度tW与脉冲周期T之比。第3
3、页，共34页，编辑于2022年，星期一对于理想矩形脉冲，其上升时间与下降时间相等，均视为零。6.2 555定时器555定时器是一种中规模集成电路，以它为核心，在其外部配上少量阻容元件，就可方便构成多谐振荡器、施密特触发器、单稳态触发器等。由于使用灵活、方便，因此555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到应用。第4页，共34页，编辑于2022年，星期一555定时器根据内部器件类型可分为双极型和单极型，均有单或双定时器集成电路。双极型型号为555（单）和556（双），电源电压使用范围为515 V，输出电流可达200 mA，可直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、
4、指示灯等；单极型型号为7555（单）和7556（双），电源电压范围为318 V，但输出电流仅1 mA。6.2.1 电路结构电路结构图6-3（a）所示为555集成定时器的电路结构图，（b）是引脚排列图。其中TH为电压比较器C1的阈值输入端，是电压比较器C2的触发输入端。555集成定时器由五个部分组成：1.1.分压器分压器三个阻值均为5 k的电阻串联起来构成分分压压器器（555因此而得名），其作用是为后面的电压比较器C1和C2提供参考电压：C1之同相输入端U+=2VCC/3，C2之反相输入端U-=VCC/3。如果在电压控制端CO另加控制电压，则可改变C1、C2的参考电压。工作中不使用CO端时，一般
5、都通过一个0.01 F的电容接地，以旁路高频干扰。第5页，共34页，编辑于2022年，星期一2.电压比较器电压比较器C1、C2是由运放构成的两个电电压压比比较较器器。比较器有两个输入端，同相输入端和反相输入端，分别标有“+”、“-”号，其输入电压分别用U+和U-表示，当U+U-时，电压比较器输出高电平，当U+U-时，输出低电平。两个输入端基本上不向外电路索取电流，即输入电阻趋于无穷大。3.基本基本RS触发器触发器在电压比较器之后，是由两个与与非非门组成的基本RS触发器，是专门设置的可从外部进行置0的复位端，当=0时，使Q=0，=1。4.晶体管开关和输出缓冲器晶体管开关和输出缓冲器晶体管TD构成
6、开关，其状态受端控制，当为0时TD截止，为1时TD导通。输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。综上所述，555定时器不仅提供了一个复位电平为2VCC/3、置位电平为VCC/3、且可通过端直接从外部进行置0的基本RS触发器，而且还给出了一个状态受该触发器端控制的晶体管开关，因此使用起来非常灵活。第6页，共34页，编辑于2022年，星期一6.2.2 基本功能基本功能表6-1所列是555定时器的功能表，它全面反映了555的基本功能。该表是后面分析555定时器各种应用电路的重要理论依据。第7页，共34页，编辑于2022年，星期一由555定时器的电
7、路图和功能表可以看出：=0时，=1，输出电压uO=UOL为低电平，TD饱和导通。=1、UTH2VCC/3、VCC/3时，C1输出低电平，C2输出高电平，=1，Q=0，uO=UOL，TD饱和导通。=1、UTH2VCC/3、VCC/3时，C1、C2输出均为高电平，基本RS触发器保持原来状态不变，因此 uO、TD也保持原来状态不变。=1、UTH2VCC/3、VCC/3时，C1输出高电平，C2输出低电平，=0，Q=1，uO=UOH，TD截止。了解了555定时器的结构和基本功能后，下面重点讨论它的应用组成各种结构简单、工作可靠的脉冲产生、整形电路。第8页，共34页，编辑于2022年，星期一6.3 单稳态
8、触发器 单稳态触发器是一种常用的脉冲整形电路。与一般双稳态触发器不同在于：它只有一个稳态，另外有一个暂稳态。暂稳态是一种不能长久保持的状态，这时电路的电压和电流会随着电容器的充电与放电发生变化，而稳态时它们是不变的。在单稳态触发器中，没有外加信号的触发，电路始终处于稳态；在外加触发信号的作用下，电路能从稳态翻转到暂稳态，经过一段时间后，又能自动返回到稳态。暂稳态持续时间的长短取决于电路自身参数，与外触发信号无关。6.3.1 555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器 1.电路结构电路结构 将555定时器高电平触发端TH与D端相连后接定时元件R、C，从低电平触发端加人触发信号uI，则
9、构成单稳态触发器，如图6-4（a）所示。第9页，共34页，编辑于2022年，星期一2.工作原理工作原理设输入信号uI为高电平，且大于VCC/3，根据表6-1，输出电压uO为低电平，D端接通，因而电容两端即使原来电压不为零也会放电至零，即uC=0，电路处于稳态。当uI由高电平变为低电平且低于VCC/3时，uO由低电平跃变为高电平，D端关断，电路进入暂态。此后，电源通过R对电容C充电，当充电至电容上电压uC、也就是高电平触发端的电压UTH略大于2VCC/3时，uO由高电平跃变为低电平，D端接通，电容通过D端很快放电，电路自动返回稳态，等待下一个触发脉冲的到来。uI、uC、uO的波形如图6-4（b）
10、所示。第10页，共34页，编辑于2022年，星期一从以上分析可知，单稳态触发器触发脉冲的高电平应大于2VCC/3，低电平应小于VCC/3，且脉冲宽度应小于暂态时间。输出脉冲的宽度tW为暂暂态态时时间间，它等于电容C上电压从0开始充电到2VCC/3所需的时间，即 tW RC ln3 1.1RC （6.1）调节R和C的值可以改变脉冲宽度tW，tW的值可调范围从几秒到几分钟。6.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器单稳态触发器的应用很广泛，因而被做成集成器件。集成单稳态触发器在应用时，只需很少的外围元件，电路可以在多种触发条件下使用，且定时范围宽，电路稳定性好。集成单稳态触发器通常可分为两类：非
11、重触发型和可重触发型，其符号如图6-5所示。第11页，共34页，编辑于2022年，星期一非重触发型单稳态触发器，在稳态情况下，一旦受到触发进入暂稳态，暂稳态持续的时间仅取决于定时元件R和C，与在暂稳态期间是否再受到触发无关，也就是输出脉冲的宽度是固定的；可重触发型单稳态触发器在电路进入暂稳态后，后来的触发信号仍可对它触发，再触发后电路仍然要维持tW的时间。常用的集成单稳态触发器有TTL型的74121、74122、74123、74221及CMOS型的CC14528等。现以非重触发的单稳态触发器74121及可重触发的单稳态触发器74123为例进行介绍。1.1.非重触发型单稳态触发器非重触发型单稳态
12、触发器7412174121非重触发的单稳态触发器74121的引脚排列图如图6-6（a）所示。TR-A、TR B是两下降沿有效的触发信号输入端，TR+是上升沿有效的触发信号输入端。Q和 是两个状态互补的输出端。R ext/C ext、C ext是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻R（R=1.440 k）接在VCC和R ext/C ext之间，外接定时电容C（C=10 pF10 F）接在C ext（正）和R ext/C ext之间。74121内部已设置了一个2 k的定时电阻，Rin是其引出端，使用时只需将Rin与VCC连接起来即可，不用时则将Rin开路。第12页，共34页，编辑于2022年，
13、星期一表6-2所列是74121的功能表，由表6-2可知，在下述情况下，电路可由稳态翻转到暂稳态：第13页，共34页，编辑于2022年，星期一（1）TR-A、TR B中有一个或两个为低电平，中有一个或两个为低电平，TR+发生由发生由0到到1的正跳变。的正跳变。（2）若若TR-A、TR B和和TR+全全为为高高电电平平，TR-A、TR B中中有有一一个个或或两两个个产产生生由由1到到0的负跳变。的负跳变。如果如果TR-A、TR B和和TR+的状态保持不变，则电路会一直工作在稳定状态。的状态保持不变，则电路会一直工作在稳定状态。74121的输出脉冲宽度的输出脉冲宽度 tW 0.7 RC2.可重触发型
14、单稳态触发器可重触发型单稳态触发器7412274122是是典典型型的的可可重重触触发发型型单单稳稳态态触触发发器器，其其引引脚脚排排列列如如图图6-6（b）所所示示。TR-A、TR B是是两两下下降降沿沿有有效效的的触触发发信信号号输输入入端端，TR+A、TR+B 是是两两个个上上升升沿沿有有效效的的触触发发信信号号输输入入端端。Q和和是是两两个个状状态态互互补补的的输输出出端端。R ext/C ext、C ext、Rin三三个个引引出出端端是是供供外外接接定定时时元元件件使使用用的的，外外接接定定时时电电阻阻R（R=550 k）、电电容容C（无无限限制制）的的接接法法与与74121相相同同。
15、为为直直接接复复位位输输入入端端，低低电电平平有有效效。74122的的功功能能表表如如表表6-3所列。所列。第14页，共34页，编辑于2022年，星期一当定时电容C 1 000 pF时，74122的输出脉冲宽度为tW 0.32 RC第15页，共34页，编辑于2022年，星期一6.3.3 应用举例应用举例单稳态触发器应用很广，以下举几个简单例子说明。1.延时与定时延时与定时（1）延时前面我们讨论过，单稳态触发器uO的下降沿滞后于uI的下降沿的时间总是tW，这个tW正好生动具体地反映了单稳态触发器的延时作用，如图6-7所示。（2）定时在图6-7中，单稳态触发器的输出uO/送给与与门做为定时控制信号
16、，当uO/=UOH时，与与门打开，uO=uF，当uO/=UOL时，与与门关闭，uO=UOL。显然，与与门打开的时间是恒定不变的，就是单稳态触发器输出脉冲uO/的宽度tW。2.整形电路整形电路单稳态触发器能够把不规则的输入信号uI，整形成为幅度、宽度都相同的“干净”的矩形脉冲uO。如图6-8所示。第16页，共34页，编辑于2022年，星期一6.4 多谐振荡器多谐振荡器是一种无稳态电路，在接通电源后，不需要外加触发信号，电路在两个暂稳态之间作交替变化，产生矩形波输出。由于矩形波中除基波外，包含了许多高次谐波，因此这类振荡器被称做多谐振荡器。多谐振荡器常用来作为时钟脉冲源。第17页，共34页，编辑于
17、2022年，星期一6.4.1 555定时器构成的定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器1.电路结构电路结构将555定时器的TH端和端连在一起再外接电阻R1、R2和电容C，便构成了多谐振荡器，如图6-9（a）所示。该电路不需要外加触发信号，加电后就能产生周期性的矩形脉冲或方波。2.工作原理工作原理接通电源，设电容电压uC=0，而两个电压比较器的阈值电压分别为2VCC/3和VCC/3，所以UTH=0VCC/3，根据表6.1，uO=UOH，且D关断。电源对电容C充电，充电回路为 +VCC R1 R2 C 地第18页，共34页，编辑于2022年，星期一随着充电过程的进行，电容电压uC上升，当上升到2VCC/
18、3时，uO从UOH跃变为UOL，且D导通。此后电容C放电，放电回路为 C R2 放电管D 地 随着放电过程的进行，uC下降；当uC下降到VCC/3时，uO从UOL跃变为UOH，且D再次关断，电容C又充电，充电到2VCC/3又放电，如此周而复始，电路形成自激振荡。输出电压为矩形波，波形如图6-9（b）所示。矩形波的周期取决于电容的充、放电时间常数，其充电的时间常数为（R1+R2）C，放电时间常数约为R2C，因而输出脉冲的周期约为 T 0.7（R1+2R2）C （6.2）占空比为 （6.3）若R2R1，D1/2，输出的矩形脉冲近似为对称方波。第19页，共34页，编辑于2022年，星期一 3.改进电
19、路改进电路图6-9（a）所示电路占空比D固定不变，且始终大于50%，只需将电路改成如图6-10所示，就能得到占空比可调的多谐振荡器。在图6-10电路中，利用二极管D1、D2将电容C的充放电电路分开，且RW是可调电位器，因而它就变成占空比可调的多谐振荡器。在图6-10电路中，电源VCC通过R1、D1向C充电，充电时间为 T1=0.7R1 C第20页，共34页，编辑于2022年，星期一电容C通过R2、D2和放电管TD放电，放电时间为 T2=0.7R2 C 振荡周期为 T=T1+T2=0.7（R1+R2）C占空比为 若取R1=R2，则D=50%。6.4.2 应用举例应用举例1.1.秒信号发生器秒信号
20、发生器图6-11所示是一个秒信号发生器的逻辑电路图，CMOS石英晶体多谐振荡器产生f=32768 Hz的基准信号，经由T/触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒信号。这种秒信号发生器可作为各种计时系统的基准信号源。第21页，共34页，编辑于2022年，星期一2.模拟声响电路模拟声响电路图6-12（a）所示是用两个多谐振荡器构成的模拟声响电路。若调节定时元件RA1、RB1、C1，使振荡器之f=1 Hz，调节RA2、RB2、C2，使振荡器之f=1 kHz，那么扬声器就会发出呜呜的间隙声响。因为振荡器的输出电压uO1接到振荡器中555定时器的复位端 ，当uO1为高电平时振荡，为低
21、电平时555复位，停止振荡。图6-12（b）所示是电路的工作波形。第22页，共34页，编辑于2022年，星期一6.5 施密特触发器施密特触发器是又一种脉冲信号的整形电路，它能够将变化非常缓慢的输入脉冲波形，整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲，而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。施密特触发器与双稳态触发器都具有两个稳态，但在性能上有下面两个重要特点：第23页，共34页，编辑于2022年，星期一（1）施密特触发器属于电平触发，缓慢变化的信号也可作为输入信号，当输入信号达到某一特定值时，输出电平就会发生突变。（2）输入信号从低电平上升时，电路状
22、态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。如图6-13（a）、（b）所示，图6-13（a）所示为反相输出的电压传输特性，图（b）所示为同相输出的电压传输特性，图6-13（c）所示为施密特触发器的逻辑符号。第24页，共34页，编辑于2022年，星期一以反相输出的施密特触发器为例，由电压传输特性可知，当输入电压uI由小到大，达到或超过正向阈值电压UT+时，输出电压uO由高电平翻转为低电平。反之，当输入电压uI由大到小，达到或小于负向阈值电压UT-时，输出电压uO由低电平翻转到高电平。正向阈值电压UT+与负向阈值电压UT 的差值UT称为回差电压回差电压，即UT=UT
23、+-UT-（6.4）6.5.1 555定时器构成的定时器构成的施密特触发器施密特触发器1.电路结构电路结构 将555定时器的TH端和 端连在一起作为信号的输入端，便构成施密特触发器，如图6-14（a）所示。2.2.工作原理工作原理 当uI VCC/3，即 端电压 VCC/3时，输出端OUT的电压uO为高电平UOH，电路处于第一稳态。第25页，共34页，编辑于2022年，星期一只有当uI升高到略大于2VCC/3，使UTH2VCC/3且 VCC/3时，输出端OUT的电压uO才跃变为低电平UOL，电路进入第二稳态。此后，uI再升高，uO状态不变；只有当uI下降到略小于VCC/3，即 端电压小于VCC
24、/3时，输出电压才又变为高电平，触发器回到第一稳态。可见，阈值电压和回差电压分别为 UT-=VCC/3 UT+=2VCC/3 （6.5）UT=UT+-UT-=VCC/3若uI为三角波，则uI与uO的波形如图6-15（a）所示，说明施密特触发器可将非脉冲信号整形成标准幅值的脉冲信号；若uI为幅值不等、宽度也不等的尖顶波，则uI与uO的波形如图6-15（b）所示，说明施密特触发器可以作为鉴幅器，将幅值大于2VCC/3的尖顶波转换为标准幅值的矩形波。整形和鉴幅是施密特触发器的基本功能。如果在电压控制端CO加直流电压UCO，便可以通过调节UCO来改变回差电压UT值，第26页，共34页，编辑于2022年
25、，星期一此时 UT+=UCO （6.6）UT=UCO/2 UT-=UCO/2第27页，共34页，编辑于2022年，星期一6.5.2 集成集成施密特触发器施密特触发器施密特触发器因其性能良好，得到广泛应用，它可由分立元器件也可由集成门电路组成。无论是集成TTL还是集成CMOS电路中，都有施密特触发器产品。图6-16所示是CMOS集成施密特触发器40106（六反相器）和4093（四2输入与与非非门）的引脚排列图。第28页，共34页，编辑于2022年，星期一图6-17所示是TTL集成施密特触发器7414（六反相器）和74132（四2输入与与非非门）的引脚排列图。此外，还有两个以上多输入端的与与非非施
26、密特触发器集成电路，如7413为二4输入与与非非施密特触发器。多输入与与非非施密特触发器可以作为多输入与与非非门使用，若作为整形电路使用，只要在任意一个输入端接入被整形的信号，余下的输入端全部接高电平即可。第29页，共34页，编辑于2022年，星期一6.5.3 应用举例应用举例1.接口与整形接口与整形（1）用作接口在图6-18所示电路中，施密特触发器用作TTL系统的接口，将缓慢变化的输入信号转换为符合TTL系统要求的脉冲波形。（2）用作整形图6-19所示是用作整形电路的施密特触发器的输入、输出电压波形，它把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。第30页，共34页，编辑于2022年，星期一2.阈值探
27、测、脉冲展宽和多谐振荡器阈值探测、脉冲展宽和多谐振荡器 （1）用作阈值电压探测器 图6-20所示是用作阈值电压探测器时，施密特触发器的输入、输出电压波形，显然，凡是幅值达到UT+的输入电压信号，均可被探测出来并形成相应的输出脉冲。第31页，共34页，编辑于2022年，星期一（2）用作脉冲展宽图6-21所示是用施密特触发器构成的脉冲展宽器的电路及工作波形图。在图6-21（a）所示电路中，当输入电压uI为低电平UIL时，集电极开路门输出三极管是截止的，施密特触发反相器的输入特性，可以保证A点电位uA为高电平，因此输出电压uO为低电平UOL。当uI跳变到高电平UIH时，三极管饱和导通，电容C迅速放电
28、，uA很快下降到低电平，uO跳变到高电平UOH。当uI由UIH跳变到UIL时，三极管截止，电源VCC通过施密特触发反相器的输入端电路对电容C充电，uA缓慢上升，当uA升高到UT+时，uO才会由UOH跳变到UOL。因此，输出电压uO的脉冲宽度比输入电压uI的脉冲宽度显然要宽，而且改变电容C的大小，可方便地调节展宽的程度。第32页，共34页，编辑于2022年，星期一（3）用作多谐振荡器图6-22所示是用施密特触发器构成的多谐振荡器，其工作原理比较简单。当施密特触发反相器的输入端的电压uI为低电平时，其输出电压uO/为高电平，电容C充电，随着充电过程的进行，uI逐渐升高，当uI上升到UT+时，uO/
29、由UOH 跳变到UOL，电容C放电，随着放电过程的进行，uI逐渐降低，当uI下降到UT-时，uO/由UOL跳变到UOH，电容C又放电，如此周而复始，电路不停地振荡，在施密特触发反相器的输出端所得到的便是接近矩形的脉冲电压uO/，再经过反相器整形，就可得到比较理想的矩形脉冲uO。施密特触发器应用很广，上面仅是几个比较简单的例子。第33页，共34页，编辑于2022年，星期一 本 章 小 结 1、555定时器是一种多用途的单片集成电路，本章首先介绍了定时器的电路组成及功能，然后重点介绍了由555定时器构成的单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器。对定时器各种应用的讨论，都是围绕表12.1进行的，因此
30、对集成定时器的三种工作状态及其对应的输入电压必须熟练掌握。2、单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态。在外来触发信号的作用下，电路由稳态进入暂稳态，经过一段时间tW后，自动翻转为稳定状态。tW的长短取决于电路中的定时元件R、C的参数。单稳态触发器主要用于脉冲定时和延迟控制。3、多谐振荡器是一种无稳态的电路。在接通电源后，它能够自动地在两个暂稳态之间不停地翻转，输出矩形脉冲电压。矩形脉冲的周期T以及高、低电平的持续时间的长短取决于电路的定时元件R、C的参数。在脉冲数字电路中，多谐振荡器常用作产生标准时间信号和频率信号的脉冲发生器。4、施密特触发器是一种具有回差特性的双稳态电路。它的主要特点是能够对输入信号进行整形，将变化缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲。应用555定时器还可以构成矩形脉冲发生器、可控方波发生器、分频电路等等。第34页，共34页，编辑于2022年，星期一