第六章脉冲波形的产生与整形

第六章脉冲波形的产生与整形第六章脉冲波形的产生与整形

第六章脉冲波形的产生与整形

《数字电子技术》

6.16.1 概述

6.36.3 施密特触发器（电路）

6.26.2 555 时基集成电路的结构和工作原理

6.46.4 单稳态触发器（电路）

6.56.5 多谐振荡器

§6.1§6.1 概述

5.1 概述

数字电路中的信号都是脉冲信号，这种信号的产生、整形与变换电路的作用是产生各种不同脉宽和幅值的脉冲波形，或者对不同脉宽和幅值的脉冲波形进行整形和变换，或者完成连续模拟信号与脉冲信号之间的相互变换等。数字电路中使用脉冲信号大多是矩形脉冲波，矩形脉冲波波形的好坏，将直接影响数字电路的正常工作。矩形脉冲波的波形图如图 6.1.1 所示。为了描述矩形波的波形好坏，对矩形波定义了下列一些描述参数。


6.1 概述

6.1.1 描述矩形脉冲波的主要参数


6.1 概述

① 脉冲幅值 Vm —— 脉冲波形变化时电路幅值变化的最大值。

② 脉冲宽度 tw —— 从脉冲波形的上升沿上升至 0.5 Vm 开始，到下降沿下降至 0.5 Vm 为止的时间间隔。

③ 上升时间 tr —— 在脉冲波形的上升沿，从 0.1 Vm 上升至 0.9 Vm 所需要的时间。

④ 下降时间 tf —— 在脉冲波形的下降沿，从 0.9 Vm 到 0.l Vm 所需的时间。


6.1 概述

⑤ 脉冲周期 T——

在周期性重复的脉冲序列中，相邻两脉冲的时间间隔。

⑥ 脉冲频率 f——

在周期性重复的脉冲序列中，单位时间内脉冲重复的次数，即 f=1/T 。

⑦ 占空比 D——

脉冲波形的脉冲宽度 tw 与脉冲周期 T之比，即 D= tw /T 。


6.2 555 时基集成电路的结构和工作原理

6.26.2 555 时基集成电路的结构和工作原理

§6.2.1 555 时基电路的应用和封装§6.2.1 555 时基电路的应用和封装

555 时基电路大量应用于电子控制、电子检测、仪器仪表、家用电器、音响报警、电子玩具等诸多方面。还可用作振荡器、脉冲发生器、延时发生器、定时器、方波发生器、单稳态触发振荡器、双稳态多谐振荡器、自由多谐振荡器、锯齿波发生器、脉宽调制器、脉位调制器等等。



一、 555 时基电路的封装和命名

（ 1 ）命名规则：＃所有双极型产品型号最后的 3 位数码都是 555 ；＃所有 CMOS 产品型号最后的 4 位数码都是 7555 ；＃所有双极型双定时器产品最后的 3 位数码都是 556 ；＃所有 CMOS 双定时器产品最后的 4 位数码都是 7556 ；＃双极型和 CMOS 型 555 定时器的功能和外部引脚的

排列完全相同。



（ 2 ）常见封装形式

图 6.2.1 555 和 556 时基电路的封装示意图



§6.2.2 555 时基电路的工作原理§6.2.2 555 时基电路的工作原理

一、双极型 555 时基电路的工作原理

（ 1 ）美国无线电公司生产的 CA555 时基电路图 6.2.2 是美国无线电公司生产的 CA555 时基电路的内部等效电路图。



图 6.2.2 CA555 时基电路的内部等效电路图

TR

TH

双稳态触发器

Imax>50mA

2/3VCC 1/3VCC


推挽式功率输出

IO=200mA


555 电路可简化为下图 6.2.3 所示的等效功能电路。显然 555 电路内含两个比较器 A1 和 A2 、一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管。

图 6.2.3 CA555 时基电路的等效功能电路图

Q

置位－复位

触发器


2/3VCC

1/3VCC


表 6.2.1 CA555 引出端真值表

S MR引脚 2( ) 6(R) 4( ) 3(V0) 7(Q) 功能电平 * * ＜ 0.3V 低电平低电平强制

复位电平 ≤1/3Vcc * ＞ 1.4V 高电平悬空状态置位电平＞ 1/3Vc

c＜ 2/3Vc

c＞ 1.4V 保持电平保持保持

电平＞ 1/3Vcc

≥2/3Vcc ＞ 1.4V 低电平低电平复位

由表 6.2.1 可看出，、 R 、的输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟和数字电路的特色。

S MR



（ 2 ）国产双极型定时器 CB555 时基电路

图 6.2.4 CB555 时基电路的等效功能电路图

复位触发

置位触发

强制复位

控制电压

放电端

输出端

置位－复位触发器



表 6.2.2 CB555 引出端真值表

输入输出VI1 VI2 VO TD 状态

0 x x 低导通1 >2/3VCC >1/3VCC 低导通1 < 2/3VCC >1/3VCC 不变不变1 < 2/3VCC <1/3VCC 高截止1 >2/3VCC <1/3VCC 高截止

DR



二、 CMOS 型 555 时基电路的工作原理 CMOS 型 555 时基电路在大多数应用场合，都可以直接代换标准的双极型的 555 。它与所有 CMOS 型电路一样，具有输入阻抗高、功耗极小、电源适应范围宽等一系列优点，特别适用于低功耗、长延时等场合。但它的输出驱动能力较低（最大负载电流 <4mA ），不能直接驱动要求较大的电流的电感性负载。图 6.2.5 是 5G7556 （ ICM7556 ）的内部等效电路图。



200KA1

A2 双稳态触发器

CMOS反相器输出



图 6.2.6 CMOS 型 555 等效功能方框图

复位触发置位－复位触发器



§6.2.3 双极型 555 和 CMOS 型 555 的性能比较§6.2.3 双极型 555 和 CMOS 型 555 的性能比较

双极型 555 和 CMOS 型 555 的共同点：① 二者的功能大体相同，外形和管脚排列

一致，在大多数应用场合可直接替换。② 均使用单一电源，适应电压范围大，可

与 TTL 、 HTL 、 CMOS 型数字逻辑电路等共用电源。



双极型 555 和 CMOS 型 555 的共同点：③ 555 的输出为全电源电平，可与 TTL 、

HTL 、 CMOS 型等电路直接接口。

④ 电源电压变化对振荡频率和定时精度的影响小。对定时精度的影响仅 0.05 ％ /V ，且温度稳定性好，温度漂移不高于 50ppm/oC 。



双极型 555 与 CMOS 型 555 的差异：① CMOS 型 555 的功耗仅为双极型的几十分

之一，静态电流仅为 300µA 左右，为微功耗电路。

② CMOS 型 555 的电源电压可低至 2-3V ；各输入功能端电流均为 pA( 微微安 )量级。

③ CMOS 型 555 的输出脉冲的上升沿和下降沿比双极型的要陡峭，转换时间短。



④ CMOS 型 555 在传输过渡时间里产生的尖

峰电流小，仅为 2-3mA ；而双极型 555 的尖峰电流高达 300-400mA 。 ⑤ CMOS 型 555 的输入阻抗比双极型的要高出几个数量级，高达 1010Ω。 ⑥ CMOS 型 555 的驱动能力差，输出电流仅为 1-3mA ，而双极型的输出驱动电流可达 200mA.



一般说来，在要求定时长、功耗小、负载轻的场合宜选用 CMOS 型 555 ；而在负载重、要求驱动电流大、电压高的场合，宜选用双极型的 555 。

小结


6.3 施密特触发器

6.3.1 施密特触发器方框图和电压传输特性图

6.36.3 施密特触发器

一、概述


由施密特触发器的逻辑符号和电压传输特性可知，实际上施密特触发器是一个具有滞后特性的反相器。图中， VT+称为正向阈值电平或上限触发电平； VT-称为负向阈值电平或下限触发电平。它们之间的差值称为回差电压(滞后电压 )，用△ VT表示。即有：

△VT= VT+- VT-



二、施密特触发电路构成

图 6.3.2 带与非门 TTL 集成施密特触发器


（ 1 ） TTL 集成施密特触发器 7413

正反馈过程 ,R2!=R3



小结： 1 、无论 T2 由导通变截止还是由截止变导通，均伴有正反馈过程，使输出端电压 VO 变得很陡峭；

2 、由于 R2>R3 ，所以使 T1饱和导通时的 VE必然低于 T2饱和导通时的 VE 值，因此， T1 由截止变为导通的输入电压 VT+ 高于 T1 由导通变为截止时的输入电压 VT- ，这样就得到了施密特触发特性。

3 、经计算可得此电路：

VT+ ≈ 1.7V

VT- ≈ 0.8V

△VT≈ 0.9V课后练习



（ 2 ）用门电路组成的施密特触发器

将两级反相器串接起来，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就构成了施密特触发器电路。

6.3.3 用 CMOS 反相器构成的施密特触发器

11R1

R2

G1 G2

Iv Ov1Ov

'

Iv

'Ov

CMOS门，阈值电压212

1RRVV DDTH ，且



6.3.4 图 6.3.3 电路的电压传输特性(a) 同相输出 (b) 反相输出

思考：

1 、如何调节回差电压的大小？

2 、为什么 R1必须小于 R2？

3 、如何用 TTL门电路组成施密特触发器？《数字电子技术》

提高参考电压的稳定性

RA

RP

RB

图 6.3.5 用 CB555 定时器接成的施密特触发电路


（ 3 ）用 555 定时器接成的施密特触发器


图 6.3.6 图 6.3.5 电路的电压传输特性

由图 6.3.6 知这是一个典型的反相输出施密特触发器。

VT+ = 2/3VCC

VT- = 1/3VCC

如果参考电压由外接的电压 VCO供给，则不难看出此时 VT+=VCO ， VT-=1/2VCO ， ΔVT=1/2VCO ，通过改变 VCO 值可以调节回差电压的大小。



三、施密特触发电路的特点

施密特触发器（电路）是一种特殊的双稳态时序电路，与一般双稳态电路比较，它具有两个明显的特点： 1 、施密特触发器是一种优良的波形整形电路，只要输入信号电平达到触发电平，输出信号就会从一个稳态转变到另一个稳态，且通过电路内部的正反馈过程可使输出电压的波形变得很陡。 2 、对正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平，这是施密特触发器的滞后特性或回差特性，提高了干扰能力，可有效滤除噪声。



四、施密特触发电路的应用

（ 1 ）用于波形变换

图 6.3.7 用施密特触发器实现波形变换

脉冲展宽



（ 2 ）用于脉冲整形

图 6.3.8 用施密特触发器实现脉冲整形

传输线上电容较大

传输线较长，阻抗不匹配

其它脉冲叠加的噪声



（ 3 ）用于脉冲鉴幅

（ 4 ）构成多谐振荡器



6.4 单稳态触发器

§6.4 单稳态触发电路§6.4 单稳态触发电路

一、单稳态触发电路构成

（一）微分型单稳态触发器图 6.4.1 是用 CMOS门电路和 RC微分电路构成的微分型单稳态触发器。对于 CMOS 电路，可以近似地认为 VOH≈VDD 、VOL≈0 ，而且通常 VTH≈1/2VDD 。在稳态下 VI =0 、VI2 = VDD ，故 Vo=0 、 Vo1=VDD ，电容 C 上没有电压。


思考： vI脉宽该如何取？图 6.4.1 微分型单稳态触发器




tw = ?

Vm = ?

当 RD1<<R,RD1<<RON 时——

恢复时间： tre =(3~5)RONC

分辨时间： td = tw+tre

VDD VDD

G2G1

RON

RR

C CVI2 VI2RON<<R

电容C充电等效电路

VDD

RON

G1 G2

D1

VI2C

R

电容C放电等效电路



根据以上的分析，即可画出电路中各点的电压波形，如图 6.4.2 所示。

图 6.4.2 微分型单稳态触发器电压波形图

正反馈

正反馈

tw=?

ret



（二）积分型单稳态触发器图 6.4.3 是用 TTL 与非门和反相器以及 RC积分电路组成的积分型单稳态触发器。为了保证 vo1 为低电平时 VA 在 VT

H以下，电阻 R 的阻值不能取得很大。该电路用正脉冲触发。

思考： vI脉宽该如何取？图 6.4.3 积分型单稳态触发器



图 6.4.4 图 6.4.3 电路的电压波形图

tTR>tw

无正反馈tw=?


ret


VCC

R R+RO

CC

VA

电容C放电等效电路

RO

G1 G2R1

VOL

VOL

恢复 (充电 ) 时间： tre =(3~5)(R+R’O)C

分辨时间： td = tTR+tre


tw = ?

Vm = ?


积分型单稳态触发器 :

优点——抗干扰能力较强；（为什么？）电路中的噪声多为尖峰脉冲的形式（即幅度较大而宽度极窄的脉冲），而积分型单稳态触发器在这种噪声作用下不会输出足够宽度的脉冲。缺点—— （ 1 ）输出波形的边沿比较差（为什么？）因为电路的状态转换过程中没有正反馈作用。

（ 2 ）必须在触发脉冲的宽度大于输出脉冲宽度时方能正常工作。



6.4.2 集成单稳态触发器 (*)

集成单稳态触发器可分为非重复触发单稳触发器和可重复触发单稳态触发器。所谓非重复触发，就是单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态后，再加入触发信号不会影响单稳态触发器的工作过程，必须在暂稳态结束之后，才能再接受触发信号转入暂稳态。所谓可重复触发单稳态触发器，就是单稳态触发器被触发进入暂稳态后，如果再加入触发脉冲，单稳态触发器将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个脉冲宽度。



下图 6.4.5 是 TTL 集成单稳态触发器 74121 简化的原理性逻辑图。它是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。具有边沿触发的性质。

图 6.4.5 集成单稳态触发器 74121 逻辑图

上、下边沿触发输入控制 2lnextextW CRt



6.4.3 用 555 时基电路构成单稳态触发器

在 555 时基单元电路的外部加接几个阻容元件，就可接成单稳态电路。它所形成的单脉冲持续宽度，可以从几微秒到几个小时，精密度可达 0.1％。由 555组成单稳态触发器时仅需外接一个由电阻 R 和电容 C组成的定时网络。


《数字电子技术》图6.3.6 CB555接成单稳态触发器

tw=RCln3 =1.1RC

定时器

R

C

vI



二、单稳态触发电路的特点

单稳态触发器的工作特性具有如下的显著特点：（ 1）电路在无外加触发信号作用期间，处于稳态；（ 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（阈值电压及外接 R、 C），与触发脉冲的宽度和幅度无关。



二、单稳态触发电路的应用

（ 1 ）用作脉冲整形

图 6.3.7 单稳态触发器用于脉冲整形

tw仅与 R 、 C 、 VTH 有关 ;

Vm＝ VOH-VOL

不可重复触发

可重复触发



（ 2 ）构成定时电路

图 6.3.8 单稳态触发器构成定时电路

数字频率计



（ 3 ）构成延时电路 (*)

图 6.3.9 单稳态触发器构成精密延时电路

tw＝ 0.69RextCext;

Tp 由 RC决定。



6.5 多谢振荡器

多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号，就能自动地产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。

一、多谐振荡器定义：

6.56.5 多谐振荡器


一、用施密特触发器构成的多谐振荡器

图 6.3.10 用施密特触发器构成的多谐振荡器

6.5 多谢振荡器


图 6.3.11 多谐振荡器电路的电压波形图

6.5 多谢振荡器


通过调节 R 和 C 的大小，即可改变振荡周期。此外，在这个电路的基础上稍加修改就能实现对输出脉冲占空比的调节，电路的接法如图 6.3.12 所示。

-T

T

TDD

-TDD

-T

T

TDD

-TDD21

V

V

VV

VVRCln

V

VRCln

VV

VVRClnTTT

6.5 多谢振荡器


图 6.3.12 脉冲占空比可调的多谐振荡器

6.5 多谢振荡器


在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。例如在将多谐振荡器作为数字钟的脉冲源使用时，它的频率稳定性直接影响着计时的准确性。在这种情况下，前面所讲的几种多谐振荡电路难以满足要求。 —— 为什么？

二、石英晶体多谐振荡器

6.5 多谢振荡器


因为—— 一、这些振荡器中门电路的转换电平 VTH本身就不够稳定；二、这些电路的工作方式容易受干扰，造成电路转换时间的提前或滞后；三、在电路状态临近转换时电容的充、放电已经比较缓慢，转换电平的微小变化或轻微干扰都会严重影响振荡周期。

6.5 多谢振荡器


目前普遍采用的一种稳频方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。

图 6.6.13 石英晶体的电抗频率特性和符号

6.5 多谢振荡器


图 6.3.14 石英晶体多谐振荡器

该振荡器的工作频率必然是 f0。

6.5 多谢振荡器

VI1

VO1 VI2 VO2

C1

C2

74系列： 0.5-1.9K

f0


由此可见，石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率 f0 ，而与外接电阻，电容无关。石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。

6.5 多谢振荡器


图 6.3.15 555 时基电路构成无稳态多谐振荡器

三、用 555 时基电路构成多谐振荡器

6.5 多谢振荡器

&

& & 1

vcc

C1

C2

G1

G2 G3 G4

TD

R1

R2

C

VR1

VR2

F01.0

VO

84

3

1

56

2

7

+

+

-

-


电路的振荡周期 T 为 T=t1+t2=ln2 (τ1+τ2)

=ln2 (RA+2RB)C

＝ (RA+2RB)Cln2

振荡频率 f=1/T ，即 f=1.443/(RA+2RB)C

输出振荡波形的占空比 D 为 D=t1/T=(RA+RB)/(RA+2RB)

当 RB»RA 时，则 D≈50% ，即输出振荡为方波。

6.5 多谢振荡器


由上面有关公式的推导，不难给出以下结论： ① 振荡周期与电源电压 VDD 无关，而取决于充电和放电的总时间常数，即仅与 RA 、 RB 和C

的值有关。 ② 振荡波的占空比与 C 的大小无关，而仅与 RA 、 RB 的大小比值有关。

6.5 多谢振荡器


四、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，利用闭合回路中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。环形振荡器就是利用延迟负反馈产生振荡的。它是利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成的。

6.5 多谢振荡器


下图 6.3.16 所示电路是一个最简单的环形振荡器，它由三个反相器首尾相连而组成。不难看出 ,这个电路是没有稳定状态的。因为在静态 (假定没有振荡时 ) 下任何一个反相器的输入和输出都不可能稳定在高电平或低电乎，而只能处于高、低电平之间，所以处于放大状态。

图 6.3.16 最简单的环形振荡器电路

6.5 多谢振荡器


图 6.3.17 是图 6.3.16 电路的工作波形图。由图可见，振荡周期为 T=6tpd.

图 6.3.17 环形振荡器工作波形图

6.5 多谢振荡器


基于上述原理可知，将任何大于、等于3的奇数个反相器首尾相连地接成环形电路，都能产生自激振荡，而且振荡周期为T=2ntpd。 (其中 n为串联反相器的个数 )。 —— 有何缺陷？ ——怎样改进？

6.5 多谢振荡器


经典例题

本章经典例题

【例 1】下图 (a) 、 (b) 、 (c)所示的 555 时基电路分别构成了

什么电路？分别简述三种电路的工作原理，画出图 (b) 输出VO 的波形，并计算其输出 VO 的周期 T 。

555

Vcc MR

Vo

GND

TH

TR Vc

DIS3

8 4

6

2

7

1

5

+15V

OV

IV

(a)

F01.0

555

Vcc MR

Vo

GND

TH

TRVc

DIS

3

8 4

6

2

7

1

5

+15V

F01.0

OV

R1

C

R2 555

Vcc MR

Vo

GND

TH

TRVc

DIS

3

8 4

6

2

7

1

5

+15V

F01.0

OV

R

C

IV

(b) (c)


经典例题

【例 2】下图为两个 555 定时器组成的电子门铃电路，当按下按钮 S 时可使门铃以 1.2kHz的频率鸣响10秒钟。 1 、说明 555（ 1）和 555（ 2）分别接成什么电路，并分析整个电路的工作原理。

2 、若 R1=1MΩ，则 C1= ？改变电路中什么参数可改变铃响的持续时间？

3 、若 R3=R4=5kΩ，则 C2= ？改变电路中什么参数可改变铃响的音调高低？


经典例题

555(2)

Vcc MR

Vo

GND

TH

TRVc

DIS

3

8 4

6

2

7

1

5

+6V

F01.0

R3

C2

R4555(1)

Vcc MR

Vo

GND

TH

TRVc

DIS

3

8 4

6

2

7

1

5

F01.0

R1

C1

C3

S

R2


经典例题

【例 3】分析下图所示的综合逻辑电路，要求：（ 1）分析左边虚框内所示电路的工作原理，计算时钟 CP信号的周期 T及占空比 q；

（ 2）画出 74LS160 的状态转换图；

（ 3）画出 8个 CP 周期下 P0-P7端的输出波形。

74LS160

74LS138

DIS

OUT

TH

C-V

GND

VCC R

TR

+5V

k20

k30

F01.0F02.0

CP

555时基电路

CP

EPET

Q3 Q2 Q1 Q0

D3 D2 D1 D0

COLDDR

1

2S

A2

A1

A0

0

1

2

3

4

5

6

7

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

P0P1

P2

P3

P4P5P6

P7

1

1

3S

1S1

8 4

7

3

6

2

5

1


本章小结

本章小结（一）

一、 555 时基电路的特点

①555 在电路结构上是由模拟电路和数字电路组合而成，它将模拟功能与逻辑功能兼容为一体，能够产生精确的时间延迟和振荡。它拓宽了模拟集成的应用范围。 ②该电路采用单电源。双极型 555 的电压范围为 4.5V~15V ；而 CMOS 型的电源适应范围更宽，为 2V~18V 。这样，它就可以和模拟运算放大器和 TTL 或 CMOS 数字电路共用一个电源。


本章小结

③ 555 可独立构成一个定时电路，且定时精度高，所以常被称为 555 定时器。

④ 555 的最大输出电流可达 200mA

（双极型） , 带负载能力强。可直接驱动小电机、喇叭、继电器等负载。


本章小结

本章小结（二）

电路名称有无稳态触发条件特性主要用途施密特触

发电路双稳态 VI<VT-, 置位

VI>VT+, 复位滞回特性波形整形、变换、

鉴幅、构成多谐振荡器等

单稳态触发电路

一个稳态，一个暂稳态

微分——窄脉冲；积分——

宽脉冲

tw 仅与R 、 C 、 V

TH 有关

定时器、延时器、整形、高低通滤

波

多谐振荡器

无稳态自激振荡形式多样：环形振荡器；晶振； VC

O 等

产生矩形波，为时序电路提供 C

P


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预习

Chapter 11

习题练习


本章习题（必做，不交）：6.7 ； 6.8 ； 6.9 ； 6.10 ； 6.14 ； 6.16 ；6.17 ； 6.18

R.P.Jain: p363-p365, selective

第六章 脉冲波形的产生与整形

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第六章脉冲波形的产生与整形