脉冲信号产生以及整形

在时序逻辑电路中，为了控制各触发器同步协调一致的工作，通常需要一个稳定精确的时钟脉冲信号。获得这种脉冲信号的方法有两种，一种是通过多谐振荡器直接产生脉冲信号；另一种是通过脉冲整形电路如单稳态触发器、施密特触发器等，将已有的波形进行整形，获得稳定、精确、规则的矩形时钟脉冲。在脉冲信号产生、整形电路中，常采用555时基集成电路，只要在其外部配接少量阻容元件就可构成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器。本章将重点介绍555时基集成电路的应用。6.1多谐振荡器

多谐振荡器是一种自激振荡电路，无需外加输入信号，其状态转换完全由电路自行完成，电源接通后就可自动的产生矩形脉冲。产生的矩形脉冲含有丰富的高次谐波分量，因此习惯上称其为多谐振荡器。多谐振荡器不存在稳定状态，只有两个暂稳态，故又称无稳态电路。

由门电路构成的多谐振荡器

1.环形振荡器设每个门电路的传输延迟时间均为tpd，选取其工作循环中的一个周期进行分析：假定某一时刻ui1为高电平1，经G1延迟时间tpd后，使得ui2为0；又经G2延迟时间tpd后，输出ui3为高电平1；再经G3延迟时间tpd后，使输出端uo为0，同时反馈到G1输入端使得ui1翻转为0。全过程用时为3tpd。以此类推，再经过3tpd，uo（ui1）又将变回高电位1，完成一个周期。振荡周期为T=2Ntpd2.带RC延迟电路的环形振荡器在两个反相器之间插入RC延时电路实现的。利用电容C的充放电，实现延时并改变输出电平，形成电路两暂稳态的交替变换，产生矩形脉冲信号。加入RC电路，既降低了振荡频率，又可通过改变R、C的数值来实现对振荡频率的调节。图中RS为限流电阻。CMOS多谐振荡器

为便于电路分析，假定图中CMOS反相器开门电平与关门电平相等，统称为阈值电平，记为UT并设UT=0.5VDD。

当t1时刻到来时，uo由0跳变为1，由于电容C上的电压不能跃变，故ui1跟随uo发生正跳变，瞬间达到阈值电压UT，使得ui2由1变到0。这个低电平也保证了G2的输出uo稳定为1。此时电路进入第一暂稳态。在此期间，电容C通过电阻R放电，使ui1逐渐下降，在t2时刻达到阈值电压，产生如下正反馈：反馈过程瞬间结束，经过翻转后ui1

、ui2、uo依次为0、1、0，电路进入第二暂稳态。此期间，ui2处的高电位通过电阻R对电容C充电，这是第一暂稳态时放电的逆过程。电容充电使ui1逐渐上升，直到t3时刻达到阈值电压，产生另一正反馈：

此后电路重复上述过程，在两个暂稳态之间来回翻转，G2输出端得到矩形脉冲信号。ui1↓→ui2↑→uo↓ui1↑→ui2↓

→uo↑工作波形图振荡周期T≈1.4RC

石英晶体多谐振荡器

前面介绍的几例多谐振荡器，其振荡频率不仅和时间常数RC有关，还取决于门电路的阈值电平UT。但UT本身就是一个不够稳定的参数，易受温度、电源电压及外部干扰的影响，因此造成电路的频率稳定性和准确性较低。为获取较高的频率稳定性，目前高精度振荡电路中一般接入石英晶体，构成石英晶体振荡器。

石英晶体有一个极为稳定的谐振频率f0，如图所示，当频率为f0时晶体自身的阻抗最小，频率为f0的信号最容易通过，并在电路中形成最强的正反馈。而对于其他频率的信号均会被石英晶体衰减，使得正反馈大大减弱而不足以形成振荡。石英晶体的谐振频率是晶体本身的固有特性，由晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，而与外接电容、电阻等无关，因此精度极高。

集成多谐振荡器及其应用1.555定时器的结构与功能

555定时器为双列直插式8引脚封装。1端接地。2端是低电平触发输入端，低电平触发。3端是信号输出端。4端是复位清零端。5端是电压控制端，在5端加控制电压时，可改变C1、C2的参考电压，该端不用时一般通过电容接地，以旁路高频干扰。6端是高电平触发输入端，高电平触发。7端是放电端。8端接电源VCC。uTHuTRR输出uo放电管V××00导通﹤2/3VCC﹤1/3VCC11截止﹥2/3VCC﹥1/3VCC10导通﹤2/3VCC﹥1/3VCC1不变不变555定时器功能表

参数单位CC75555G555电源电压V3～184.5～16静态电源电流mA0.1210定时精度%21放电端放电电流mA10～50200输出端驱动电流mA1～20200最高工作频率kHz500500555定时器主要参数表

2.555定时器实现多谐振荡器R1、R2和C是外接定时元件，2端（低电平触发端）和6端（高电平触发端）并联起来接uC，7端（放电端）接到R1和R2之间。5端通过电容接地，旁路高频干扰。f=1.43/（R1+2R2）C

（1）第一暂稳态。电源接通后，VCC通过R1、R2对C充电，随着电容C上的电量逐渐增加，uC逐渐上升。经过t1时间后，uC上升至2/3VCC，比较器C1输出跳变为低电平0，RS触发器翻转为Q=0、Q=1，振荡器输出uo=0。

（2）第二暂稳态。电路翻转后，Q=1，放电三极管饱和导通，电容C通过R2和三极管放电，uC逐渐下降。经过t2时间后，uC下降至1/3VCC，比较器C2输出跳变为低电平0，RS触发器翻转为Q=1、Q=0，振荡器输出uo=1。此时放电三极管截止，电容C结束放电，重新开始被充电，uC也从1/3VCC起逐渐回升，电路又恢复到第一暂稳态。此后重复上述振荡过程，便在多谐振荡器的输出端uo产生连续变化的矩形脉冲。第一暂稳态的时间t1（脉冲宽度）就是uC从1/3VCC充电上升到2/3VCC的时间：t1≈0.7(R1+R2)C第二暂稳态时间t2（脉冲宽度）就是uC从2/3VCC放电下降到1/3VCC的时间：：t2≈0.7R2C

3.占空比可调电路占空比是用来定量描述矩形脉冲特性的一个参数，即脉冲宽度与脉冲周期之比。根据前面的讨论，由于t1

总是大于t2，则占空比q=t1/(t1+t2)总是大于0.5，波形不可能对称。这就限制了电路的使用。为解决这一问题，可对电路进行改进。t1≈0.7R1Ct2≈0.7R2C

f=1/(t1+t2)=1.43/（R1+R2）C

这样只要调节RW就可以改变R1、R2的比值，方便地调节占空比。当R1=R2时，可得到对称的矩形脉冲。

4.多谐振荡器应用举例

（1）秒脉冲信号发生器

石英晶体多谐振荡器振荡频率稳定可靠，常被用来作为时钟脉冲信号发生器。由多谐振荡器输出频率为f=32768Hz的基准信号，经由触发器构成的15级异步计数器分频后，得到稳定性极好的秒脉冲信号，可作为多种计时系统的基准信号源。

111（2）简易温控报警器

利用555多谐振荡器可以构成音频振荡电路，通过控制扬声器发声报警，实现监测火警或水温等用途的温控报警器。调节R3可以调节设定控温点，调节R1、R2和C可以调节振荡器频率以改变扬声器音调。6.2施密特触发器

施密特触发器是一种常用的脉冲波形整形电路，能够将边沿变化缓慢的脉冲信号波形整形为边沿陡峭的矩形波。它具有如下两个特点：一是滞回特性，即对于正向和负向变化的输入信号，分别有不同的临界阈值电压。二是电平触发，即当输入信号达到一定的电压值时，输出电压会发生突变。这一特点对于缓慢变化的信号仍然适用。因此施密特触发器是一种受输入信号电平直接控制的双稳态电路。

UT＋

1UT－uo0ui传输特性逻辑符号

在此，称UT+为正向阈值电压，UT－为负向阈值电压。显然，施密特触发器的正向和负向阈值电压是不等的，定义二者之差ΔUT为回差电压，ΔUT=UT+－UT－。6.2.1

由门电路构成的施密特触发器

1.由CMOS反相器构成的施密特触发器假定图中CMOS反相器的阈值电压为UTH=1/2VDD，设电阻R1＜R2。11R1uiG2G1ui1uouo1R2

当输入ui为0V时，G1截止、G2导通，输出uo为0V，输出波形为低电平，如图6.16所示。当输入电压ui逐渐上升到正向阈值电压UT+时，ui1也随着升至CMOS反相器的阈值电压UTH，电路将发生如下正反馈：ui↑→ui1↑→uo1↓→uo↑

电路状态迅速转换为uo≈VDD，输出波形为高电平。经计算得到UT＋

=（1＋R1/R2）UTH。

此后输入电压ui继续上升至最大值后开始逐渐下降。直到ui达到负向阈值电压UT－，此时ui1也随着降至CMOS反相器的阈值电压UTH，电路将发生如下正反馈：

ui↓→ui1↓→uo1↑→uo↓

电路状态迅速转换为uo≈0，输出波形为低电平。经计算得到UT－=（1－R1/R2）UTH。

1.由基本RS触发器构成的施密特触发器设图中门电路的阈值电压均为1.4V，二极管VD的导通电压为0.7V。

使电路由第一稳态翻转到第二稳态的输入电压，称作正向阈值电压UT+，显然，UT+=1.4V；使电路由第二稳态翻转到第一稳态的输入电压称作负向阈值电压UT－，显然，UT－=0.7V。施密特触发器的正向阈值电压UT+和负向阈值电压UT－的差，称作回差电压，用ΔUT表示，显然ΔUT=UT+

－UT－

=0.7V。回差电压ΔUT产生的主要原因是在触发器的输入端串入了转移电平二极管VD，因此，该电路的回差电压等于二极管VD的正向压降。通过以上分析可知，施密特触发器具有0、1两个稳态，而两个稳态的翻转完全取决于输入电压的大小。只有输入电压ui上升到略大于UT+

或下降到略小于UT－时，施密特触发器状态才会翻转，输出边沿陡峭的矩形脉冲。6.2.2

集成施密特触发器及其应用

1.集成施密特触发器施密特触发器应用十分广泛，目前市场上有专门的集成电路产品出售。一些代表性的产品如CMOS集成施密特触发器CC40106（六反相器）、CC4093（四2输入与非门），TTL集成施密特触发器74LS13、74LS14、54132等。TTL施密特触发器对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿，具有较强的带负载能力和抗干扰能力。两种CMOS集成施密特触发器的引脚排列图

TTL集成施密特触发器74LS132的内部逻辑图和引脚排列图。其内部包括4个互相独立的2输入施密特触发器，都是在基本施密特触发电路的基础之上，在输入端增加了与的功能，在输出端增加了反相器。因此称为施密特触发与非门，逻辑符号如图所示。74LS132的输入、输出关系满足Y=AB两个输入变量必须同时低于施密特触发器的负向阈值电压，输出Y才是高电平。

如果使用+5V的电源，则该触发器的正向阈值电压UT+=1.5～2.0V，负向阈值电压UT－=0.6～1.1V，回差电压ΔUT的典型值为0.8V。

2.施密特触发器应用举例

（1）脉冲整形矩形脉冲信号经过传输后常常会发生畸变或叠加干扰，此时可利用施密特触发器的滞回特性，设置好合适的UT+和UT－，就可以达到良好的整形效果。由此也可看出施密特触发器具有较强的抗干扰能力。

uiuoUT＋UT－

（2）幅度鉴别当电路输入为一组幅度不等的信号时，可利用施密特触发器进行幅度鉴别。只有幅度达到施密特触发器正向阈值电压UT+时，才能引起输出变化（表现为输出负脉冲），从而达到幅度鉴别的目的。UT＋UT－uiuo

（3）构成多谐振荡器接通电源瞬间，电容C上的电压为0，

ui1为低电平，则ui2为高电平。ui2通过电阻R对电容C充电，直到ui1达到UT+，电路翻转，ui2变成低电平。而后电容C又通过电阻R放电，直到ui1降到UT－，电路翻转，ui2又恢复高电平。如此往复循环，电路无需外加信号便实现了多谐振荡。图中输出端反相器的作用是对输出脉冲信号进行整形，以得到比较理想的矩形脉冲uo。6.3单稳态触发器

前述的多谐振荡器是无稳态电路，只有两个暂稳态，电源接通后无需外加信号就可产生自激振荡。施密特触发器是双稳态电路，有0、1两个稳态，状态改变受外加信号控制。而单稳态触发器是单稳态电路，有一个稳态（0态或1态）和一个暂稳态，在外加输入信号的作用下电路由稳态翻转到暂稳态，保持一段时间后又自动返回原来的稳态。单稳态触发器的输出通常为宽度恒定的脉冲信号，而暂稳态的时间仅取决于电路自身的相关参数。6.3.1由门电路构成的单稳态触发器6.3.2集成单稳态触发器及其应用6.3.1由门电路构成的单稳态触发器

1.微分型单稳态触发器uiCui11uoRG1G2uo1VDD≥1

图示为CMOS门电路构成的单稳态触发器，因其阻容元件R、C构成了微分电路形式，故称为微分型单稳态触发器。（1）初始状态（稳态）。通电后，当电路无外加触发信号输入时，设定ui为低电平。反相器G2的输入电压ui1=VDD，输出uo也为低电平0。此时或非门G1的两个输入端全为0，则其输出uo1为高电平且其值约等于VDD，使得电容C的端电压接近为0，几乎没有电荷存储，电容相当于开路。这是电路的稳态。在触发信号到来之前，电路一直保持这一状态，即uo1=1，uo=0。（2）触发状态（暂稳态）。如果在输入端外加一个正触发脉冲ui，G1的输出uo1变为低电平。由于电容两端电压不能突变，G2的输入ui1也随之跳变为低电平，使得电路输出uo跳变为高电平，

uo再反馈到G1的输入端，此后即使ui的触发信号消失，仍可维持G1低电平输出。电路进入暂稳态过程，即uo1=0，uo=1。与此同时，VDD开始通过电阻R向电容C充电。（3）自动翻转随着电容C的充电。ui1逐渐上升，经过tP时间后，ui1上升到反相器G2的阈值电平，G2翻转，输出电压uo跳变为低电平。暂稳态结束，电路又恢复到初始的稳态，即uo1=1，uo=0。暂稳态结束后，电容C将通过电阻R、门G2等回路放电，C上的电压逐渐恢复到稳态时的初始值。tP≈0.7RC

2tpd＜tPI＜tP（tpd为CMOS门电路传输延迟时间）

实际应用中往往无法避免输入的触发脉冲宽度过大的情况，可在单稳态触发器输入端加一个RC微分电路解决，如图所示2.积分型单稳态触发