第六章 脉冲波形 的产生和整形 本章的重点： 本章的难点： 1.施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器典型电路的工作原理，以及电路参数和性能的定性关系； 2．555定时器的应用； 3．脉冲电路的分析方法。 本章的难点： 分析脉冲电路时使用的是分析非线性电路过渡过程的方法，而且在分析电路时必须考虑集成电路在不同工作状态下输入端和输出端的等效电路。因此，脉冲电路的分析方法是本章的难点。

第六章 脉冲波形 的产生和整形 第一节 概述 本章只讨论矩形脉冲。 矩形脉冲的主要参数： 脉冲周期T； 脉冲频率： f = 1/T 脉冲幅度VM； 脉冲宽度tW； 上升时间tr； 下降时间tf； 占空比q： q=tw /T . 本章讨论三种脉冲电路：施密特触发器；单稳态触发器；多谐振荡器。 每种电路都有三种构成方式：集成；用门电路构成；用555电路构成。 本章主要介绍用555电路构成的脉冲电路。

1972年由Signetics公司推出。既有双极型产品，也有MOS型产品。它们产品型号的最后3位数码都是555.如： 控制电压 第二节 555定时器及其应用 双极型 555电路 CMOS型 电源电压范围 最大负载电流 5—16V 3—18V 200mA 4mA 一、555定时器的电路结构与功能 555电路又称为集成定时器。 1972年由Signetics公司推出。既有双极型产品，也有MOS型产品。它们产品型号的最后3位数码都是555.如： 控制电压 清零端 阈值端、 高触发端 触发端、 低触发端 放电端 CB555 是国产双极型电路； CH7555是CMOS型电路。 CB555电路结构图

随着TH端和TR端的电压不同，其工作状态将发生变化： 电路的功能： 2VCC / 3 有两个阈值电压： VR1=2VCC / 3 VR2=VCC / 3 随着TH端和TR端的电压不同，其工作状态将发生变化： VCC / 3 VCO VCO 2 RD TH TR TD状态 当在VCO端外接控制电压时，阈值电压将变化： 变为VCO; 变为VCO/2。 低 导通 > > 1 低 导通 < > 1 低 导通 （不变） < > 1 高 截止 （不变） 1 < < 高 截止

二、构成施密特触发器（Schmitt Trigger） （一）电路的特点： 1.输入信号从低电平上升的过程中，电路状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电平不同。 2.在电路状态转换时，通过电路内部 的正反馈过程使输出电压波形的边沿很陡。 工作原理： 将TH端和TR端并联作输入端，接输入电压 分析输入电压由0V上升到VCC和由VCC下降到0V时，电路状态如何变化。

V T+ V T- 特点： 由于有比较器，允许输入信号慢变化； 由于有触发器，输出端边沿好。 V T+:正向阈值电压或上限阈值电压 电压传 t VCC VCC/3 2VCC/3 V T+ V T- VOH t 特点： 0.01 由于有比较器，允许输入信号慢变化； 由于有触发器，输出端边沿好。 V T+:正向阈值电压或上限阈值电压 电压传 输特性 VT- :负向阈值电压或下限阈值电压 V= VT+ - VT- ： 回差 若改变VCO值VT+,VT-的值将改变。

（二）施密特触发器的应用 1.波形变换 2.脉冲整形 波形变换 3.脉冲鉴幅 脉 冲 整 形 脉冲鉴幅

（三）其他类型的施密特触发器 用门电路也可构成施密特触发器； 还有集成的施密特触发器。 用门电路构成的施密特触发器已很少使用，这里不作介绍。 集成施密特触发器既有TTL型，也有CMOS型。 如74LS14是集成施密特触发六反相器；74LS132是施密特触发的四－2输入与非门。 如CC40106是集成施密特触发六反相器；CC4093是施密特触发的四－2输入与非门。

三、构成单稳态触发器 （一）电路的特点 1.有两个状态——稳态、暂稳态； 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后，再自动返回； 3.暂稳态维持时间长短取决于电路本身参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。 暂稳态 单稳态触发器 稳态 tW tW由电路内部参数决定

VC=VTH=0V, 555电路处于保持状态，且一定是VO=VL， （二）工作原理 R C 1.稳态 =VH , 设TD工作在饱和状态，则： VC=VTH=0V, 555电路处于保持状态，且一定是VO=VL， 充 这是因为若假设TD截止，则不合理。 + 2.触发 =VIL 555电路状态翻转为VO=VH 此时TD截止，VC保持0V不变。 3.暂稳态 电容C充电 其三要素为： VCC (0)=0V, ( )=VCC， =RC 4.自动返回

当 =2/3 VCC时，555电路翻转为输出VL,而 保持不变。 4.自动返回 当 =2/3 VCC时，555电路翻转为输出VL,而 保持不变。 5.恢复 R C 由于TD导通，电容C向TD放电，使 迅速下降为0V。 充 VCC +

（三）参数计算 tre 1.脉冲宽度tW 0V VCC 得到公式： RC tW 2/3VCC 触发脉冲的最小周期 2.恢复时间tre: tre=(3~5)rcec 3.分辨时间td: td=tw+tre （四）电路特点： 触发脉冲宽度要小于输出脉冲宽度 窄脉冲触发。

若条件不满足可在输入端加微分电路： R C t VCC

（五）应用 1.整形——改变输入脉冲的占空比。 2.定时（延时） 能输出固定宽度的脉冲。 例1：数字频率计。 输出频率值 单 稳 & 单 稳 计数器 CP 输出频率值 控制脉冲 宽度为1秒的正脉冲 t tW2 tW1 被测脉冲 例2：延时触发 单稳一 单稳二 延迟时间为tW1，输出脉宽为Tw2.

（六）其他类型的单稳态触发器 用门电路可构成单稳态触发器； 也有集成的单稳态触发器。 1.集成单稳态触发器 既有TTL电路产品，也有CMOS电路产品。介绍74121。只介绍如何使用。 有三个输入端： A1,A2为下降沿触发输入端； B为上升沿触发输入端。 有两个互补的输出端VO、VO。 电容需外接；电阻可选择内部的，也可外接。接法如图。 可用功能表或波形图说明起工作原理。

保 持 A端触发 B端触发

工作波形： 输出脉宽的计算： 从器件手册可查到计算公式。74121的公式如下： tW 0.69RextCext Rext的取值在2K 到30K 之间； Cext的取值在10pF到10 F之间。 tW的范围在20nS到200mS之间。 也可使用内部电阻Rint代替外接电阻Rext。Rint约为2K 。 74121是不可重复触发的。而74122是可重复触发的。见图示。

2.CMOS微分型单稳态触发器 i充 （1）工作原理 输入端微分电路提取 的上升沿。 + 稳态： =0， =VDD， =VDD。 触发： 暂稳态： =VDD， =0， =0。 三要素为： C充电 (0)=0， ( )=VDD， =RC。 VDD 条件： ＝VTH。 自动返回：

=0， =VDD， VDD。 i充 恢复过程： 电容C放电至起始状态。所用时间为： + 门G1的输出电阻 Tre=(3~5)CRON （2）计算脉宽tW 等于 由0V上升到VTH所用的时间： VDD 0.5VDD 取消输入微分电路会使输出后沿变坏。

三、构成多谐振荡器 i充 （一）电路的特点 （二）电路的原理 刚接通电源： i放 =0V, =VH ， + TD截止。 此时为暂稳态1： 不需输入信号即可产生矩形脉冲。 （二）电路的原理 刚接通电源： i放 =0V, =VH ， + TD截止。 此时为暂稳态1： C充电 三要素为： (0)=0V [1/3VCC] ( )=VCC 充 =(R1+R2)C VCC 在t1时刻 =2/3VCC，555电路翻转。 进入暂稳态2— =VL，TD导通。 C放电 t1 t2

三要素为： i充 (0)=2/3VCC， ( )=0V， 放 =R2C i放 + 在t2时刻 =1/3VCC，555电路翻转。 （三）计算周期—T=T1+T2 1/3vcc VCC 2/3vcc f = 1/T t1 t2 占空比： (#)

（四）改进电路 上述电路占空比始终大于50%,且不可调。 占空比可调的多谐振荡器 T1=R1Cln2 T2=R2Cln2 q= T=(R1+R2)Cln2 例：用CB555设计多谐振荡器。要求T=1s,3v<vM<5v,占空比q=2/3。 解： 可选VCC=5V 由(#)式，且q=2/3可求出： R1=R2 由于 T=(R1+2R2)Cln2 选C=10 F代入上式求出 C选择原则: 过大则漏电流大 过小则电阻太大 二者均可使周期不准 R1=48K R2=R1=48K

设t1时刻G1输出低电平、G2输出高电平。定为暂稳态2。 （五）用门电路构成的多谐振荡器 i充 1.非对称式多谐振荡器 ＋ － (1)工作原理 VDD 采用CMOS门； RF使门1工作在转折区。 设t1时刻G1输出低电平、G2输出高电平。定为暂稳态2。 C充电 当 ＝VTH时，产生连锁反应： 因此门2也工作在转折区，电容C引入正反馈，使电路振荡。 随之电路进入暂稳态1。见下页图。

i放 在t2时刻： =VDD， =0， =VTH－VDD。 － － 在暂稳态1： C放电 三要素为： ( )=VDD， ＋ － ＋ 在暂稳态1： C放电 三要素为： ( )=VDD， (0)=VTH－VDD， VDD 放=RFC。 在t3时刻 ＝VTH，又发生连锁反应，进入暂稳态2： t1 t2 t3 在暂稳态2，C充电的三要素为： (0)=VTH＋VDD， ( )=0 充＝RFC

t ) ( ln - ¥ = u V VDD RFC ln - = RFC 1 . = V RFC ln - = RFC 1 . = (2)周期计算： T=T1+T2 将前面的三要素代入下面的公式，即可求出T1和T2： t W I ) ( ln 1 - ¥ = u 暂稳态1中，C放电三要素： (0)=VTH－VDD， V VDD VDD－VTH+VDD RFC TH ln - = T1 ( )=VDD， 放=RFC。 RFC 1 . = 暂稳态2，C充电的三要素为： V 0－VTH－VDD RFC TH ln - = T2 (0)=VTH＋VDD， ( )=0 RFC 1 . = 充＝RFC T=2.2RFC 思考：若将RP短路，会发生什么情况？ 用TTL门构成这种单稳电路也可，但分析较复杂。

2.石英晶体多谐振荡器 符号 构成：在对称式多谐振荡器的反馈回路中串入石英晶体。 石英晶体电抗的频率特性如图。f0 称为固有频率。 特点： f0的稳定度极高～可达10－10～10－11（ f0/ f0）。因此可构成高精度多谐振荡器。从而克服了其他振荡器频率稳定度低、抗干扰能力差的缺点。 原理： 只有振荡频率等于f0时，晶体的阻抗为0（最小），电路才能产生振荡。因此输出频率一定为f0。 用TTL或CMOS门都可构成石英晶体多谐振荡器。

3.环形振荡器 利用闭合回路中的正反馈作用可以产生自激振荡，利用闭合回路的延迟负反馈作用同样也能产生自激振荡，只要负反馈信号足够强。 利用逻辑门电路的传输延迟时间，将奇数个与非门首 尾相接，就可以构成一个简单的环形振荡器: & uo3 uo2 uo1

设 uo3 的初始状态为0: uo1 uo2 uo3 1 1 1 用波形图来表示,则为: uo3 t 优点: 电路结构简单,所用元件少。 & 3 2 1 uo3 uo2 uo1 1 1 1 用波形图来表示,则为: t uo3 优点: 电路结构简单,所用元件少。 缺点: 频率太高,并且不可调整。

uo1 uo2 uo3 下面将结合它的工作波形说明其工作原理: uo1 uo uo2 在原电路的基础上添加RC延时电路,便可以克服上图的不足: 1 2 3 R RS 100 C A uo1 uo uo2 下面将结合它的工作波形说明其工作原理:

uo t uo1 uo2 uA 假设：开始时uo=0 电容上的电流， uA下降 UT uA>UT时，uo不反转。 uo1 uo2 uo t uo uo2 uo1 uA UT 假设：开始时uo=0 1 2 3 R RS 100 C A uo1 uo uo2 电容上的电流， uA下降 uA>UT时，uo不反转。

uo t uo1 uo2 uA 当uA=UT时，uo反转，uo1、uo2也一起反转。 UT uo1 uo2 uo RS A R C 1 2 t uo uo2 uo1 uA UT 1 2 3 R RS 100 C A uo1 uo uo2 当uA=UT时，uo反转，uo1、uo2也一起反转。

uo t uo1 uo2 uA 由于电容电压不能 突变,当uo1 发生下跳时,uA有一突变。 UT U uo1 uo2 uo RS A R t uo uo2 uo1 uA UT 1 2 3 R RS 100 C A uo1 uo uo2 由于电容电压不能 突变,当uo1 发生下跳时,uA有一突变。 U

uo t uo1 uo2 uA t1 t1 后，uo2 >uo1，电容反向充电,uA上升。 UT t uo uo2 uo1 uA UT U t1 1 2 3 R RS 100 C A uo1 uo uo2 t1 后，uo2 >uo1，电容反向充电,uA上升。 只要uA <UT，uo就不反转。

uo t uo1 uo2 uA t2 当uA=UT 时(t2) ，uo、uo1、uo2 再次反转。 UT U uo1 uo2 uo RS A t uo uo2 uo1 uA UT U t2 1 2 3 R RS 100 C A uo1 uo uo2 当uA=UT 时(t2) ，uo、uo1、uo2 再次反转。

uo t uo1 uo2 uA 电流方向 由于uo1上跳，电容电压不能突变，所以uA 上跳，然后uA开始下降 UT U uo1 uo2 t uo uo2 uo1 uA UT U 1 2 3 R RS 100 C A uo1 uo uo2 电流方向 由于uo1上跳，电容电压不能突变，所以uA 上跳，然后uA开始下降

uo t uo1 uo2 uA T 输出信号的周期近似为: UT U uo1 uo2 uo T = 2.2 RC RS A R C 1 2 t uo uo2 uo1 uA UT U 1 2 3 R RS 100 C A uo1 uo uo2 输出信号的周期近似为: T = 2.2 RC T

练习 自我检测题（二） 自我检测题（五） t 加大输出脉冲宽度可采取： （3）加大C. 其他四种都不可： （1）加大RD，（2）减小R， t 自我检测题（五） 加大输出脉冲宽度可采取： （3）加大C. 其他四种都不可： （1）加大RD，（2）减小R， （4）提高VDD，（5）增加输入脉冲宽度。

（六）为提高振荡频率可采取： （2）减小电阻R值。 不可采取：（1）加大电容C容量，（3）提高电源电压。 【题6.31】 延迟时间： =11S 振荡频率：代入公式得9.66KHz.