数字电路 第十章 脉冲波形的产生和整形 2

1、2022-5-19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

2、构成的施密特触发器、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2022-5-1910.1 概述概述一、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

3、、矩形脉冲特性的描述 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10.1.110.1 概述概述脉冲周期脉冲周期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。2022-5-19 上升时间上升时间tr ：脉冲上升沿从：脉冲上升沿从0.1Vm上升到上升到 0.9Vm所需所需要的时间要的时间图图10.1.1 脉冲宽度脉冲宽度tW：从

4、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。 下降时间下降时间tf ：脉冲下降沿从：脉冲下降沿从0.9Vm 下降到下降到 0.1Vm所需所需要的时间要的时间10.1 概述概述占空比占空比q ：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q tw /T图图10.1.110.1 概述概述注：在脉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

5、加一些参数来描述脉冲。2022-5-1910.2 施密特触发器（施密特触发器（Schmitt Trigger）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

6、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。 施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种施密特触发器是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：10.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器 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。

7、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R1VTH时，电路状态时，电路状态维持在维持在voVOH VDD不不变变10.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器当当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

8、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2022-5-19DD211T2120211I212THVVVRRRRRRvRRRvRRRvATH21TV)1VRR（10.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器0211212vRRRvRRRvIA由于由于VTH VDD / 2，故，故只要只要vIR.，VOL06.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器用施密特触发器构成的多谐振荡器电路如图电路如图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)0Iv（为高电平ov充电给通

9、过CR0vIvTVIv为低电平ov放电通过RCIvTVIv其输出波形如图其输出波形如图10.4.11所示所示其振荡周期的计算公式为其振荡周期的计算公式为)VVVVVVRClnTTTTDDTDD（6.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器用施密特触发器构成的多谐振荡器图图10.4.11为了可调节占空比，电路可为了可调节占空比，电路可修改为图修改为图10.4.12所示的电路。所示的电路。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。6.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器用施密特

10、触发器构成的多谐振荡器图图10.4.12TDDTDDTDDTDDVVVVCRVVVVCRTTTlnln122110.4.5 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 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

11、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图图10.4.12给出了石英给出了石英晶体的外形、符号和晶体的外形、符号

12、和电抗频率特性。电抗频率特性。10.4.5 石英晶体多谐振荡器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。图图10.4.13为对称式石英为对称式石英晶体多谐振荡器晶体多谐振荡器 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

13、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。10.4.5 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器图图10.4.1310.5.1 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能10.5 555定时器定时器 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

14、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、电路结构其图形符号和功能表如图其图形符号和功能表如图10.5.2所示所示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

15、、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4复位端，若复位端，若此端输入一负脉此端输入一负脉冲，而使触发器冲，而使触发器直接复位。不用直接复位。不用时加以高电平。时加以高电平。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。10.5.1 555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

16、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10.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器电路如图电路如图10.5.3所示所示 其电压传输特性如图其电压传输特性如图10.5.4所示。由图可知，这所示。由图可知，这是个典型的反相输出的施密特触发器。是个典型的反相输出的施密特触发器。10.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器工作原理：工作原理：10.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定

17、时器接成的施密特触发器（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。10.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器（2）当）当 vI2VCC/3时，时， Q=0 ，Q =1；当；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VT2VCC/3，负向阈值电压，负向阈值电压为为 VTVCC/3

18、，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。10.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器10.4.3 用用555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器其电路如图其电路如图10.5.5所示所示R波形如图波形如图10.5.6所示其工作过程如下所示其工作过程如下10.4.3 用用555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器当当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当当vI脉冲下降沿到达时，脉冲下降沿到达时

19、，Q1， Q 0，此时放电管，此时放电管TD截止，截止，VCC通过通过R给给C充电，充电，vC增加。当增加。当vC2VCC/3时，时， Q0 （v00 ），）， Q 1， C 通过通过TD放电。放电。vI变成高电变成高电平，此时平，此时vC1和和vC2输出均为高电平，电路保持输出均为高电平，电路保持v00 10.4.3 用用555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器其输出脉宽为其输出脉宽为RC1 . 1RCln3 Wt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

20、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。10.4.3 用用555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器10.5.4 用用555定时器接成的多谐振荡器定时器接成的多谐振荡器其构成电路如图其构成电路如图10.5.7所示所示对应的波形如图对应的波形如图10.5.8所示所示电路的振荡周期为电路的振荡周期为10.5.4 用用555定时器接成的多谐振荡器定时器接成的多谐振荡器图图10.5.8)2(69. 02ln)2(2121RRRRT振荡频率为振荡频率为2004-11-29CRRTf)2(69. 01121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。10.5.4 用用555定时器接成的多谐振荡器定时器接成的多谐振荡器212RRRq例例6.5.1 图图6.5.10为由为由555定时器构成的简易触摸开关，定时器构成的简易触摸开