第十章 脉冲波形的产生和整形

1、内容提要内容提要 本章主要介绍矩形波的产生和整形电路。在矩形本章主要介绍矩形波的产生和整形电路。在矩形 波产生电路中介绍几种常用的多谐振荡器对称式和波产生电路中介绍几种常用的多谐振荡器对称式和 非对称多谐振荡器、环形振荡器以及用施密特触发器非对称多谐振荡器、环形振荡器以及用施密特触发器 和和555定时器构成的多谐振荡器等。此外对几种不同定时器构成的多谐振荡器等。此外对几种不同 类型的压控振荡器也做了介绍。在整形电路中，介绍类型的压控振荡器也做了介绍。在整形电路中，介绍 了施密特触发器和单稳态触发器。本章也讨论了最常了施密特触发器和单稳态触发器。本章也讨论了最常 用的用的555定时器及其所构成的

2、施密特触发器、单稳态定时器及其所构成的施密特触发器、单稳态 触发器及多谐振荡器的电路及工作原理。触发器及多谐振荡器的电路及工作原理。 10.1 概述概述 10.2 施密特触发器施密特触发器 10.3 单稳态触发器单稳态触发器 10.4 多谐振荡器多谐振荡器 10.5 555定时器及其应用定时器及其应用 一、一、 产生矩形脉冲的途径产生矩形脉冲的途径 1.利用各种形式的多谐振荡器电路；利用各种形式的多谐振荡器电路； 2.通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变换成通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变换成 符合要求的矩形脉冲。符合要求的矩形脉冲。 二二 、矩形脉冲特性的描述、矩形脉冲特性的描述

3、 通常的通常的 矩形脉冲波矩形脉冲波 形如图形如图10.1.1 所示。所示。 图图10.1.1 图图10.1.1 脉冲周期脉冲周期T ：周期行重复的脉冲序列中，两个相邻脉：周期行重复的脉冲序列中，两个相邻脉 冲之间的时间间隔。有时也用频率冲之间的时间间隔。有时也用频率f1/ T表示单位时表示单位时 间内脉冲重复的次数间内脉冲重复的次数 脉冲幅度脉冲幅度Vm：脉冲电压的最大变化幅度。：脉冲电压的最大变化幅度。 图图10.1.1 脉冲宽度脉冲宽度tW：从脉冲前沿到达：从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿起，到脉冲后沿 到达到达0.5Vm为止的一段时间。为止的一段时间。 图图10.1.1 注：在脉

4、冲整型或产生电路用于数字系统时，有时注：在脉冲整型或产生电路用于数字系统时，有时 对脉冲有些特殊要求，如脉冲周期和幅度的稳定性对脉冲有些特殊要求，如脉冲周期和幅度的稳定性 等，这时需要另增加一些参数来描述脉冲。等，这时需要另增加一些参数来描述脉冲。 第一第一 输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转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；中对应的输入转换电平不同； 第二第二 在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过 程使输出电压波形的

5、边沿变得很陡。程使输出电压波形的边沿变得很陡。 注：利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢地信号波注：利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢地信号波 形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形 波脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。波脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。 施密特触发器时脉冲波形变换中经常使用的一种施密特触发器时脉冲波形变换中经常使用的一种 电路，它具有下面两个性能特点：电路，它具有下面两个性能特点： 将两极反相器串接起来，通过分压电阻把输出端将两极反相器串接起来，通过分压电阻把输出端 的电压反馈到输入端就够成施密特触发器电路，其电的电压反馈

6、到输入端就够成施密特触发器电路，其电 路及其图形符号如图路及其图形符号如图10.2.1所示。所示。 图图10.2.1 设反相器设反相器G1和和G2均为均为CMOS门，其阈值电压为门，其阈值电压为VTH VDD/2，输出高低电平分别为，输出高低电平分别为VOH VDD， VOL0，且，且 R1 R2 0 0 21 1 v RR R vA 当当vI0时，时， vo1 VOH ， vo VOL0，此时，此时G1门的门的 输入电压为输入电压为 当当vI 从从0逐渐升高到使得逐渐升高到使得vA VTH时，反相器进入电压传输特时，反相器进入电压传输特 性的放大区（转折区），故性的放大区（转折区），故vA的

7、的 增加，会引起下面的正反馈，即增加，会引起下面的正反馈，即 使电路迅速跳变使电路迅速跳变 到到voVOH VDD 0 21 1 21 2 v RR R v RR R v IA 设施密特触发器在输入信号设施密特触发器在输入信号vI正向增加时的门槛正向增加时的门槛 电压（阈值电压）为电压（阈值电压）为VT ，称为 ，称为正向阈值电压正向阈值电压，此时，此时vo 0， G1门的输入电压为门的输入电压为 T 21 2 TH VV RR R vA TH 1 2 TH 1 21 T V)1 VV R R R RR （ 当当vI从高电平从高电平VDD逐渐逐渐 下降到下降到vAVTH时，由时，由 于也存在正

8、反馈，即于也存在正反馈，即 使电路迅速跳变使电路迅速跳变 到到voVOL 0 此时施密特触发器在此时施密特触发器在vI下降时对应输出电压由高电平下降时对应输出电压由高电平 转为低电平时的输入电压为转为低电平时的输入电压为VT ，称为 ，称为负向阈值电压负向阈值电压， 此时此时voVDD， G1门的输入电压为门的输入电压为 DD 21 1 T 21 2 0 21 1 I 21 2 TH VV V RR R RR R v RR R v RR R vA TH 2 1 T V)1V R R （ 0 21 1 21 2 v RR R v RR R v IA 由于由于VTH VDD / 2，故，故 只要只

9、要vIR.， VOL0 电路如图电路如图10.4.10所示。所示。 其工作原理如下其工作原理如下 电源接通 若电容初始 电压为零 )0 I v（为高电平 o v 充电给通过CR 0 v I v T V I v为低电平 o v 放电通过RC I v T V I v 其振荡周期的计算公式为其振荡周期的计算公式为 ) V V VV VV RClnT T T TDD TDD （ 图图10.4.11 电容充电是通过电容充电是通过R2进行，电进行，电 容放电是通过容放电是通过R1进行，故只进行，故只 要改变要改变R1和和R2的比值即可改的比值即可改 变占空比。变占空比。 图图10.4.12 TDD TDD

10、 TDD TDD VV VV CR VV VV CRTTTlnln 1221 前面介绍的多谐振荡器的振荡周期或频率不仅与前面介绍的多谐振荡器的振荡周期或频率不仅与 时间常数时间常数RC有关，而且还取决于门电路的阈值电压有关，而且还取决于门电路的阈值电压 VTH。VTH容易受温度、电源电压及干扰的影响，故频容易受温度、电源电压及干扰的影响，故频 率的稳定性很差，不能适应对频率稳定性要求较高的率的稳定性很差，不能适应对频率稳定性要求较高的 场合。场合。 年美国年美国 卡第提出用石英压电效应调制电磁振卡第提出用石英压电效应调制电磁振 荡的频率。巴黎广播电台首先用严济慈制作的石英振荡的频率。巴黎广播电

11、台首先用严济慈制作的石英振 荡片实现了无线电播音中的稳频，随后各国相继采用，荡片实现了无线电播音中的稳频，随后各国相继采用， 使无线广播振荡电磁回路稳频成为压电晶体的最重要使无线广播振荡电磁回路稳频成为压电晶体的最重要 应用之一。应用之一。 为了提高振荡频率的稳定性，目前普遍采用的一为了提高振荡频率的稳定性，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，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组成石英晶体多谐振荡器 由电抗频率特性可知，由电抗频率特性可知， 当外加电压频率为当外加电压频率为fo 时，其阻抗最小，此时，其阻抗最小，此 频率的信号最易

12、通过，频率的信号最易通过， 其他频率被衰减，故其他频率被衰减，故 振荡器的工作再频率振荡器的工作再频率 fo处。处。 由于振荡器的频率只取决于石英晶体的固有频率由于振荡器的频率只取决于石英晶体的固有频率fo， 与外接电容、电阻和门电路的阈值电压无关，其固有与外接电容、电阻和门电路的阈值电压无关，其固有 频率频率fo是由石英晶体本身特性决定，故石英晶体多谐振是由石英晶体本身特性决定，故石英晶体多谐振 荡器的频率稳定性极高，到达荡器的频率稳定性极高，到达10-1010-11。目前石英晶。目前石英晶 体已被制成标准化和系列化出售。体已被制成标准化和系列化出售。 图图10.4.13 10.5.1 55

13、5定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能 555定时器是一种多用途的数字模拟混合的集成定时器是一种多用途的数字模拟混合的集成 电路。它可以很方便地构成多谐振荡器、单稳态触发电路。它可以很方便地构成多谐振荡器、单稳态触发 器和多谐振荡器。器和多谐振荡器。 555定时器为双极型产品，定时器为双极型产品，7555为为CMOS型的产品，型的产品， 为了实际需求，又出现了双极型为了实际需求，又出现了双极型556和和CMOS型型7556. 尽管厂家不同，但各种；类型的尽管厂家不同，但各种；类型的555定时器的功能及外定时器的功能及外 部引脚排列都是相同的。部引脚排列都是相同的。 一、电路结构一、电路

14、结构 10.5.1 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能 1接地端接地端 2低电平触发端低电平触发端 3输出端，输输出端，输 出电流可达出电流可达 200mA，直接驱，直接驱 动继电器、发光动继电器、发光 二极管、扬声器、二极管、扬声器、 指示灯等，输出指示灯等，输出 电压约低于电源电压约低于电源 电压电压13V。 10.5.1 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能 5电压控制端，电压控制端， 此端可外加一电此端可外加一电 压以改变比较器压以改变比较器 的参考电压，不的参考电压，不 用是可悬空或通用是可悬空或通 过过0.01F的电容的电容 接地。接地。 10.5.1

15、 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能 8电源端，可电源端，可 在在518V范围范围 内使用。内使用。 6高电平触发高电平触发 端端 7放电端，当放电端，当 触发器的触发器的Q0 时，时，TD导通，外导通，外 接电容接电容C通过此通过此 管放电。管放电。 10.5.1 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能 电路如图电路如图10.5.3所示所示 （1）当）当vI vI VCC/3，Q=1，Q =0，触发器保持原态；，触发器保持原态； 当当 vI2VCC/3时，时， Q=0 （voVOL），），Q =1。 （2）当）当 vI2VCC/3时，时， Q=0 ，Q =1；当；

16、当vI 减少时，减少时， 2VCC/3 vI VCC/3，Q=0，Q =1，触发器保持原态；，触发器保持原态； 当当vI 减少到减少到vIVCC/3，Q=1（voVOH），），Q =0； 故其正向阈值电压为故其正向阈值电压为VT 2VCC/3，负向阈值电压，负向阈值电压 为为 VT VCC/3，故电路的回差电压为，故电路的回差电压为VT VCC/3。 若改变回差电压的大小，则可通过若改变回差电压的大小，则可通过5脚外接电压脚外接电压VCO来来 改变。改变。 其电路如图其电路如图10.5.5所示所示 R 当当vI处于高电平时，电路的稳定状态为处于高电平时，电路的稳定状态为vo0 RC1 . 1R

17、Cln3 W t 注：通常注：通常R的取值在几百欧的取值在几百欧 姆到几兆欧之间，电容的取姆到几兆欧之间，电容的取 值范围为几百皮法到几百微值范围为几百皮法到几百微 法，法，tW的范围为几微妙到几的范围为几微妙到几 分钟。但分钟。但tW越大，其精度和越大，其精度和 稳定度也要下降。稳定度也要下降。 其构成电路如图其构成电路如图10.5.7所示所示 电路的振荡周期为电路的振荡周期为 图图10.5.8 )2(69. 02ln)2( 2121 RRRRT 2004-11-29 CRRT f )2(69. 0 11 21 上式标明，改变上式标明，改变R和和C就可就可 改变振荡频率。用改变振荡频率。用CB555组组 成的多谐振荡器最高频率为成的多谐振荡器最高频率为 500KHz，用，用CB7555组成的组成的 多谐振荡器最高频率可达多谐振荡器最高频率可达 1MHz。为了改变占空比，。为了改变占空比， 可采用图可采用图10.5.9所示电路。所示电路。