第8章 脉冲波形的产生与整形 8.1 概述 8.2 555定时器及其应用 8.3 集成单稳态触发器 8.4 集成逻辑门构成的脉冲电路

8.1 概 述 8.1.1 脉冲产生电路和整形电路的特点 获得矩形脉冲的方法通常有两种：一种是用脉冲产生电路直接产生；另一种是对已有的信号进行整形，然后将它变换成所需要的脉冲信号。 脉冲产生电路能够直接产生矩形脉冲或方波，它由开关元件和惰性电路组成，开关元件的通断使电路实现不同状态的转换，而惰性电路则用来控制暂态变化过程的快慢。 典型的矩形脉冲产生电路有双稳态触发电路、单稳态触发电路和多谐振荡电路三种类型。

双稳态触发电路具有两个稳定状态，两个稳定状态的转换都需要在外加触发脉冲的推动下才能完成。 单稳态触发电路只有一个稳定状态，另一个是暂时稳定状态，从稳定状态转换到暂稳态时必须由外加触发信号触发，从暂稳态转换到稳态是由电路自身完成的，暂稳态的持续时间取决于电路本身的参数。 多谐振荡电路能够自激产生脉冲波形，它的状态转换不需要外加触发信号触发，而完全由电路自身完成。因此它没有稳定状态，只有两个暂稳态。

脉冲整形电路能够将其它形状的信号，如正弦波、三角波和一些不规则的波形变换成矩形脉冲。施密特触发器就是常用的整形电路，它有两个特点：① 能把变化非常缓慢的输入波形整形成数字电路所需要的矩形脉冲；② 有两个触发电平，当输入信号达到某一额定值时，电路状态就会转换，因此它属于电平触发的双稳态电路。

8.1.2 脉冲电路的基本分析方法 图 8-1 RC开关电路

① 开关转换的一瞬间，电容器上电压不能突变，满足开关定理UC(0+)=UC(0-)。 ② 暂态过程结束后，流过电容器的电流iC(∞)为0，即电容器相当于开路。 ③ 电路的时常数τ=RC, τ决定了暂态时间的长短。根据三要素公式，可以得到电压(或电流)随时间变化的方程为 如果U(tM)=UT，它是U(0+)和U(∞）之间的某一转换值，那么从暂态过程的起始值U(0+)变到UT所经历的时间tM(见图8-2)可用下式计算：

图 8-2 从U(0+)到UT所经历的时间tM

8.2 555 定时器及其应用 8.2.1 555 定时器的组成与功能 图 8-3 555 定时器 (a) 电路结构； (b) 引脚图

图 8-3(a)中，比较器C1的输入端U6(接引脚 6)称为阈值输入端，手册上用TH标注，比较器C2的输入端U2(接引脚2)称触发输入端，手册上用TR标注。C1和C2的参考电压(电压比较的基准)UR1和UR2由电源UCC经三个5kΩ的电阻分压给出。当控制电压输入端UCO悬空时， ， ； 若UCO外接固定电压，则  。 RD为异步置 0 端，只要在RD端加入低电平，则基本RS触发器就置 0，平时RD处于高电平。

定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RS触发器和放电管V1状态的控制。 当 时，比较器C1输出为 0，C2输出为 1，基本RS触发器被置 0，V1导通，Uo输出为低电平。 当 时，C1输出为 1，C2 输出为 0，基本RS触发器被置 1，V1截止，Uo输出高电平。 当 时，C1和C2输出均为 1，则基本RS触发器的状态保持不变，因而V1和Uo输出状态也维持不变。

表 8-1 555定时器功能表

8.2.2 555 定时器的典型应用 1. 单稳态触发器 图 8-4 用 555 定时器构成的单稳触发器 (a) 电路图； (b) 波形图

1) 工作原理 ① 静止期：触发信号没有来到，Ui为高电平。电源刚接通时，电路有一个暂态过程，即电源通过电阻R向电容C充电， 当UC上升到 时，RS触发器置 0，Uo=0，V1导通，因此电容C又通过导电管V1迅速放电，直到UC=0，电路进入稳态。这时如果Ui一直没有触发信号来到，电路就一直处于Uo=0 的稳定状态。

② 暂稳态：外加触发信号Ui的下降沿到达时，由于 ，RS触发器Q端置 1，因此Uo=1, V1截止，UCC开始通过电阻R向电容C充电。随着电容C充电的进行，UC不断上升，趋向值UC(∞)=UCC。 Ui的触发负脉冲消失后，U2回到高电平，在  期间，RS触发器状态保持不变，因此，Uo一直保持高电平不变，电路维持在暂稳态。但当电容C上的电压上升到 时，RS触发器置 0，电路输出Uo=0，V1导通，此时暂稳态便结束，电路将返回到初始的稳态。

③ 恢复期：V1导通后，电容C通过V1迅速放电，使UC≈0，电路又恢复到稳态，第二个触发信号到来时，又重复上述过程。 输出电压Uo和电容C上电压UC的工作波形如图 8-4(b)所示。

2) 输出脉冲宽度TW 输出脉冲宽度TW是暂稳态的停留时间，根据电容C的充电过程可知： 因而代入式(8-2)可得 图 8-4(a)所示电路对输入触发脉冲的宽度有一定要求， 它必须小于TW。若输入触发脉冲宽度大于TW时，应在U2输入端加RiCi微分电路。

3) 单稳触发电路的用途 ① 延时，将输入信号延迟一定时间(一般为脉宽TW)后输出。 ② 定时， 产生一定宽度的脉冲信号。

2. 多谐振荡器 图 8-5 用 555 定时器构成的多谐振荡器 (a) 电路图； (b) 波形图

1) 工作原理 多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C上电压UC略低于 ，Uo输出高电平，V1截止，电源UCC通过R1、R2 给电容C充电。随着充电的进行UC逐渐增高，但只要 ， 输出电压Uo就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。

当电容C上的电压UC略微超过 时(即U6和U2均大于等于 时)， RS触发器置 0，使输出电压Uo从原来的高电平翻转到低电平，即Uo=0，V1导通饱和，此时电容C通过R2和V1放电。随着电容C放电，UC下降，但只要 ， Uo就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。 当UC下降到略微低于 时，RS触发器置 1，电路输出又变为Uo=1，V1截止，电容C再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。其工作波形如图8-5(b)所

2) 振荡周期T的计算 多谐振荡器的振荡周期为两个暂稳态的持续时间，T=T1+T2。由图 8-5(b)UC的波形求得电容C的充电时间T1和放电时间Ｔ2各为 因而振荡周期

3) 占空比可调的多谐振荡器 图 8-6 占空比可调的多谐振荡器

电容C的充电路径为UCC→R1→V1→C→地，因而T1=0.7R1C。 电容C的放电路径为C→V2→R2→放电管V1→地，因而T2=0.7R2C。 振荡周期为 占空比为

4) 多谐振荡器应用举例 用两个多谐振荡器可以组成如图8-7(a)所示的模拟声响电路。适当选择定时元件，使振荡器A的振荡频率fA=1Hz， 振荡器B的振荡频率 fB= 1kHz。由于低频振荡器A的输出接至高频振荡器B的复位端(4脚)，当Uo1输出高电平时，B振荡器才能振荡，Uo1输出低电平时， B振荡器被复位，停止振荡，因此使扬声器发出 1kHz的间歇声响。其工作波形如图 8-7(b)所示。

图 8-7 用 555 定时器构成的模拟声响发生器 (a) 电路图； (b) 波形图

3. 施密特触发器 1) 施密特触发器的构成与工作原理 图 8-8 用 555 定时器构成的施密特触发器 (a) 电路图； (b) 波形图； (c) 电压传输特性

图中U6(TH)和U2(TR)端直接连在一起作为触发电平输入端。若在输入端Ui加三角波，则可在输出端得到如图 8-8(b)所示的矩形脉冲。其工作过程如下： Ui从0开始升高，当 时，RS触发器置 1，故Uo=UoH；当 时，RS=11，故Uo=UoH保持不变；当 时，电路发生翻转， RS触发器置 0，Uo从UoH变为UoL，此时相应的Ui幅值 称为上触发电平U+。

当 时，Uo=UoL不变；当Ui下降，且  时，由于RS触发器的RS=11，故Uo=UoL保持不变；只有当Ui下降到小于等于 时，RS触发器置 1，电路发生翻转，Uo从UoL变为UoH，此时相应的Ui幅值( )称为下触发电平U-。 从以上分析可以看出，电路在Ui上升和下降时，输出电压Uo翻转时所对应的输入电压值是不同的，一个为U+，另一个为U-。 这是施密特电路所具有的滞后特性，称为回差。回差电压 。电路的电压传输特性如图8-8(c)所示。改变电压控制端UCO(5脚)的电压值便可改变回差电压，一般UCO越高，ΔU越大，抗干扰能力越强，但灵敏度相应降低。

2) 施密特触发器的应用 施密特触发器应用很广， 主要有以下几方面： ① 波形变换。可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换成矩形脉冲。 ② 脉冲整形。将不规则的电压波形整形为矩形波。若适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。图 8-9(a)为顶部有干扰的输入信号，图 8-9(b)为回差电压较小的输出波形， 图 8-9(c)为回差电压大于顶部干扰时的输出波形。

③ 脉冲鉴幅。图 8-10 是将一系列幅度不同的脉冲信号加到施密特触发器输入端的波形，只有那些幅度大于上触发电平U+的脉冲才在输出端产生输出信号。因此，通过这一方法可以选出幅度大于U+的脉冲， 即对幅度可以进行鉴别。 此外，施密特触发器还可以构成多谐振荡器等，是应用较广泛的脉冲电路。

图 8-9 波形整形

图 8-10 幅度鉴别

8.3 集成单稳态触发器 1. 74LS121非重触发单稳态触发器 8.3 集成单稳态触发器 1. 74LS121非重触发单稳态触发器 74LS121单稳态触发器的引脚图和逻辑符号如图8 - 11(a)、(b)所示，其功能表如表8 - 2 所示。该集成电路内部采用了施密特触发输入结构，因此对于边沿较差的输入信号也能输出一个宽度和幅度恒定的矩形脉冲。输出脉宽为

图 8 - 11 集成触发器74LS121 (a) 引脚图； (b) 逻辑符号

表8-2 集成单稳74LS121功能表

式中，RT和CT是外接定时元件，RT(Rext)范围为2kΩ~40 kΩ, CT(Cext)为 10pF~1000μF。CT接在 10、11脚之间，RT接在 11、14 脚之间。如果不外接RT，也可以直接使用阻值为2kΩ的内部定时电阻Rin，则将Rin接UCC，即9、14 脚相接。外接RT时 9 脚开路。 74LS121的主要性能如下： ① 电路在输入信号A1、A2、B的所有静态组合下均处于稳态Q=0，Q=1。 ② 有两种边沿触发方式。输入A1或A2是下降沿触发，输入B是上升沿触发。从功能表可见，当A1、A2或B中的任一端输入相应的触发脉冲，则在Q端可以输出一个正向定时脉冲，Q端输出一个负向脉冲。例如当A1或A2为低，B端有上升沿触发时，其输出波形如图 8 - 12(a)所示。

④ 电路工作中存在死区时间。在定时时间TW结束之后，定时电容CT有一段充电恢复时间，如果在此恢复时间内又输入触发脉冲，则输出脉冲宽度就会小于规定的定时时间TW。因此CT的恢复时间就是死区时间，记作TD。若要得到精确的定时，则两个触发脉冲之间的最小间隔应大于TW+TD，如图 8 -12(c)所示。死区时间TD的存在，限制了这种单稳的应用场合。

图 8-12 74LS121工作波形

图 8-13 集成触发器74LS123 (a) 引脚图； (b) 逻辑符号

2. 74LS123可重触发单稳态触发器 74LS123对于输入触发脉冲的要求和74LS121基本相同。其外接定时电阻RT(即Rext)取值范围为5 kΩ~50 kΩ，对外接定时电容CT(即Cext)通常没有限制。输出脉宽 当CT≤1000 pF时，TW可通过查找有关图表求得。 单稳态触发器74LS123具有可重触发功能，并带有复位输入端RD。所谓可重触发，是指该电路在输出定时时间TW内， 可被输入脉冲重新触发。

图 8-14 74LS123工作波形

8.4 集成逻辑门构成的脉冲电路 8.4.1 微分型单稳态触发电路 用与非门构成的微分单稳触发电路如图8-15(a)所示，其工作波形如图8-15(b)所示。图中Ri、Ci为输入微分电路， R、C为微分定时电路。电路参数应满足：

图 8-15 微分单稳触发电路 (a) 电路图； (b) 波形图

1. 工作原理 1) 静止期 电容C开路，由于R＜ROFF，所以门G2关门，输出高电平， 即Uo=UoH。门G1输入端中一个是从门G2反馈而来的高电平，另一个输入端经Ri接地，由于Ri＞RON，所以门G1开门，输出低电平Uo1=UoL。

2) 暂稳态 当输入端Ui的负向触发脉冲到来时，经Ri、Ci微分后加到门G1输入端，使UB端得到一个负向尖脉冲，从而引起下列正反馈过程： 结果门G1迅速截止，门G2迅速导通，电路进入暂稳态。这时Uo输出低电平，因此即使触发信号消失，门G1仍保持截止。但这个状态是不稳定的，因门G1的输出高电平要对电容C充电。随着充电的进行Ui2要逐渐下降，当Ui2＜UT(门槛电压)时，又引起以下正反馈过程：

3) 恢复期 暂稳态结束后，电容C通过R放电。随着放电电流逐渐减少， Ui2↑，最后恢复到原来的稳态，电容C开路。

2. 主要参数计算 1) 输出脉冲宽度TW 输出脉冲宽度就是暂稳态的持续时间，它取决于Ui2从暂态过程开始下降到UT所需要的时间。从图8-16(a)电容C的充电等效电路可看出： UR(0)为稳态时Ui2的输入电压，一般UR(0)≤UOFF≈0.7V，因而可求得TW:

图 8-16 微分单稳电路中电容C的充、 放电等效电路 (a) C充电等效电路； (b) C放电等效电路 2) 恢复时间 根据图 8-16(b)可见，电路恢复时间为 图 8-16 微分单稳电路中电容C的充、 放电等效电路 (a) C充电等效电路； (b) C放电等效电路

8.4.2 多谐振荡器 1. 环型振荡器 图 8-17 环型振荡器

假设Ui1=Uo3↑，则Uo1↓，Uo2↑。由于电容两端电压不能突变，因此当Uo1发生↓时，Ui3也↓，从而使Uo保持高电平，即Uo1=UoL，Uo2=UoH，Uo=UoH，此时为暂稳态Ⅰ。但此暂态不能长久维持，当Uo1输出低电平时电容C进行充电，等效电路如图8-17(b)所示(此处忽略了各个门的输出电阻和输入电阻的影响)。随着C充电Ui3不断上升，当Ui3≥UT后，电路翻转为门G3导通、门G1截止、门G2导通的暂稳态Ⅱ。这时Uo1=UoH，Uo2=UoL,Uo=UoL，电容C又将放电，等效电路如图 8-17(c)所示。随着C放电，Ui3不断下降，当Ui3＜UT时电路又会翻转到门G3截止，门G1导通，门G2截止的暂稳态Ⅰ，并重复以上过程。电路的工作波形如图 8-17(d)所示。

RC环型振荡器主要参数估算如下。 输出电压幅值： 振荡周期：

2. 石英晶体多谐振荡器 图8-18给出了常用的两种多谐振荡器电路。振荡周期均为T≈1.4RC，图(b)电路中R1=R2=R(小于1kΩ)，C1=C2=C=100 pF~100μF，可输出对称方波。这些电路的优点是结构简单， 调节频率方便，但频率稳定度不高。 为了提高振荡器的频率稳定度，往往使用石英晶体多谐振荡器。石英晶体的固有谐振频率十分稳定，其符号及电抗频率特性分别如图 8-19(a)、(b)所示，当频率为谐振频率f0时，石英晶体的等效阻抗最小，信号最容易通过，而其它频率信号均被衰减掉， 因此振荡电路的工作频率仅决定于石英晶体的谐振频率f0， 而与电路中的R、C数值无关。

图 8-18 常用的多谐振荡器

图 8-19 石英晶体 (a) 符号； (b) 电抗频率特性

图 8-20 为常用的几种石英晶体振荡器，其中图(a)是将图8-18(b)对称多谐振荡器中的耦合电容C与晶体串接构成的晶体多谐振荡器。图(b)是将图(a)中的耦合电容改换成耦合电阻， 晶体振荡频率可在 1MHz~20 MHz内选择。图(c)、(d)为两种实用晶体多谐振荡器。图(c)中C2的作用是防止寄生振荡，R1、R2可在 0.7kΩ~2 kΩ之间选择。实际应用中，为了改善输出波形和增强带负载能力，通常还在Uo输出端再加一级反相器。

图 8-20 几种常用的石英晶体振荡器