数字电子技术基础：第十章 脉冲波形的产生和整形

1、 第十章 脉冲波形的产生和整形内容提要 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非对称多谐振荡器、环形振荡器以及用施密特触发器和555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，介绍了施密特触发器和单稳态触发器。本章也讨论了最常用的555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。7/18/2022本章内容10.1 概述10.2 施密特触发器10.3 单稳态触发器10.4 多谐振荡器10.5 555定时器及其应用概述问题的引出; 获得脉冲波形的方法：整形：通过各种整形电路把已有的周

2、期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲，如施密特电路和单稳态电路直接产生：各种形式的多谐振荡器。重点：由门电路(CMOS)和555构成的脉冲电路。脉冲参数：了解各参数定义(见下页图）本章重点：波形分析法，计算脉冲参数：脉宽数学工具：线性方程，一介常系数微分方程典型电路，参数计算，应用10.1 概述一、 产生矩形脉冲的途径1.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符合要求的矩形脉冲。二 、矩形脉冲特性的描述 通常的矩形脉冲波形如图10.1.1所示。图10.1.17/18/2022图10.1.1其中：10.1 概述脉冲周期T ：周期行重复的脉冲序列中，两个相邻

3、脉冲之间的时间间隔。有时也用频率f1/ T表示单位时间内脉冲重复的次数脉冲幅度Vm：脉冲电压的最大变化幅度。上升时间tr ：脉冲上升沿从0.1Vm上升到 0.9Vm所需要的时间图10.1.1脉冲宽度tW：从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿到达0.5Vm为止的一段时间。下降时间tf ：脉冲下降沿从0.9Vm 下降到 0.1Vm所需要的时间10.1 概述7/18/2022占空比q ：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q tw /T图10.1.110.1 概述注：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等，这时需要另增加一些参数来描述脉冲。10.2 施密特触

4、发器（Schmitt Trigger）第一 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转换电平不同；第二 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。 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电路，它具有下面两个性能特点：7/18/2022主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿陡峭的矩形波。 特点：电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持和转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平

5、触发。电压传输特性特殊，电路有两个转换电平（上限触发转换电平UT+和下限触发转换电平UT）。状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。 10.2 施密特触发器（Schmitt Trigger）10.2.1 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10.2.1所示。图10.2.1设反相器G1和G2均为CMOS门，其阈值电压为VTH VDD/2，输出高低电平分别为VOH VDD， VOL0，且R1VTH时，电路状态维持在voVOH VDD不变10.2.1 用门电路组成的施密特触发器当vI从高电平

6、VDD逐渐下降到vAVTH时，由于也存在正反馈，即使电路迅速跳变到voVOL 0此时施密特触发器在vI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VT，称为负向阈值电压，此时voVDD， G1门的输入电压为7/18/202210.2.1 用门电路组成的施密特触发器由于VTH VDD / 2，故只要vIR.，VOL0vo26.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器电路如图10.4.10所示。其工作原理如下图10.4.10其输出波形如图10.4.11所示其振荡周期的计算公式为6.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器图10.4.11图10.4.10为了可调节占空比，电路可修改为图10.4.1

7、2所示的电路。电容充电是通过R2进行，电容放电是通过R1进行，故只要改变R1和R2的比值即可改变占空比。6.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器图10.4.1210.4.5 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时间常数RC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，故频率的稳定性很差，不能适应对频率稳定性要求较高的场合。年美国 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应用之一。 为了提高振荡频率的稳

8、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，组成石英晶体多谐振荡器图10.4.12给出了石英晶体的外形、符号和电抗频率特性。10.4.5 石英晶体多谐振荡器图10.4.12由电抗频率特性可知，当外加电压频率为fo 时，其阻抗最小，此频率的信号最易通过，其他频率被衰减，故振荡器的工作再频率fo处。图10.4.13为对称式石英晶体多谐振荡器 由于振荡器的频率只取决于石英晶体的固有频率fo，与外接电容、电阻和门电路的阈值电压无关，其固有频率fo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10-1010-11。目前石英晶体已被制成标准化和系列化出售。10

9、.4.5 石英晶体多谐振荡器图10.4.1310.5.1 555定时器的电路结构与功能10.5 555定时器 555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、单稳态触发器和多谐振荡器。 555定时器为双极型产品，7555为CMOS型的产品，为了实际需求，又出现了双极型556和CMOS型7556.尽管厂家不同，但各种；类型的555定时器的功能及外部引脚排列都是相同的。一、电路结构 图10.5.1为国产双极型定时器CB555的电路结构图 它由电压比较器（C1，C2）触发器输出缓冲器（G3，G4）OC输出的三极管（TD）组成图10.5.1其图形符号和功能表如图10.5

10、.2所示10.5.1 555定时器的电路结构与功能都大为0都小为1一小一大是保持。2.各管脚的名称和功能1接地端2低电平触发端3输出端，输出电流可达200mA，直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等，输出电压约低于电源电压13V。10.5.1 555定时器的电路结构与功能4复位端，若此端输入一负脉冲，而使触发器直接复位。不用时加以高电平。5电压控制端，此端可外加一电压以改变比较器的参考电压，不用时可悬空或通过0.01F的电容接地。10.5.1 555定时器的电路结构与功能8电源端，可在518V范围内使用。6高电平触发端7放电端，当触发器的Q0时，TD导通，外接电容C通过此管放电。10.5

11、.1 555定时器的电路结构与功能各公司生产的555定时器的逻辑功能与外引线排列都完全相同。双极型产品CMOS产品单555型号的最后几位数码5557555双555型号的最后几位数码5567556优点驱动能力较大低功耗、高输入阻抗电源电压工作范围516V318V负载电流可达200mA可达4mA双极型产品CMOS产品单555型号的最后几位数码5557555双555型号的最后几位数码5567556优点驱动能力较大低功耗、高输入阻抗电源电压工作范围516V318V负载电流可达200mA可达4mA10.5.2 用555定时器接成的施密特触发器电路如图10.5.3所示图10.5.3 其电压传输特性如图10

12、.5.4所示。由图可知，这是个典型的反相输出的施密特触发器。图10.5.310.5.2 用555定时器接成的施密特触发器工作原理：10.5.2 用555定时器接成的施密特触发器图10.5.3（1）当vI vI VCC/3，Q=1，Q =0，触发器保持原态；当 vI2VCC/3时， Q=0 （voVOL），Q =1。图10.5.310.5.2 用555定时器接成的施密特触发器（2）当 vI2VCC/3时， Q=0 ，Q =1；当vI 减少时，2VCC/3 vI VCC/3，Q=0，Q =1，触发器保持原态；当vI 减少到vIVCC/3，Q=1（voVOH），Q =0； 故其正向阈值电压为VT2V

13、CC/3，负向阈值电压为 VTVCC/3，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5脚外接电压VCO来改变。图10.5.310.5.2 用555定时器接成的施密特触发器10.5.2 用555定时器接成的施密特触发器10.4.3 用555定时器接成的单稳态触发器其电路如图10.5.5所示图10.5.5R波形如图10.5.6所示其工作过程如下10.4.3 用555定时器接成的单稳态触发器图10.5.6当vI处于高电平时，电路的稳定状态为vo0图10.5.5R当vI脉冲下降沿到达时，Q1， Q 0，此时放电管TD截止，VCC通过R给C充电，vC增加。当vC2VCC/3时，

14、Q0 （v00 ）， Q 1， C 通过TD放电。vI变成高电平，此时vC1和vC2输出均为高电平，电路保持v00 10.4.3 用555定时器接成的单稳态触发器图10.5.6图10.5.5R其输出脉宽为注：通常R的取值在几百欧姆到几兆欧之间，电容的取值范围为几百皮法到几百微法，tW的范围为几微妙到几分钟。但tW越大，其精度和稳定度也要下降。?图10.5.610.4.3 用555定时器接成的单稳态触发器特点：负脉冲触发；稳态时VI 处于高电平，VI低电平持续时间不可大于脉冲宽度10.5.4 用555定时器接成的多谐振荡器其构成电路如图10.5.7所示图10.5.7其输出波形如图10.4.11所

15、示其振荡周期的计算公式为6.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器图10.4.11图10.4.10图10.5.7对应的波形如图10.5.8所示电路的振荡周期为10.5.4 用555定时器接成的多谐振荡器图10.5.8振荡频率为2004-11-29上式标明，改变R和C就可改变振荡频率。用CB555组成的多谐振荡器最高频率为500KHz，用CB7555组成的多谐振荡器最高频率可达1MHz。为了改变占空比，可采用图10.5.9所示电路。10.5.4 用555定时器接成的多谐振荡器例6.5.1 图6.5.10为由555定时器构成的简易触摸开关，试分析是什么电路？二极管能亮多长时间？解：此电路为单稳态触发器二极管亮的时间为10.5.4 用555定时器接成的多谐振荡器例10.5.2两相时钟发生器电路如图10.5.11所示已知R1510，R210K，C=0.1F。(1)说明555定时器组成何种电路？(2)画出vo、1和2的波形。(3) 计算1的周期T和