数字电子技术（第五版） 课件 第6章 脉冲波形的产生与整形

第6章脉冲波形的产生与整形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。一、555时基电路的封装和命名2、常见封装形式图1555和556时基电路的封装示意图1、美国无线电公司CA555时基电路图2CA555时基电路的内部等效电路图二、555时基电路的电路结构及工作原理1/3VCC2/3VCC推挽式功率输出IO=200mA图2中的555电路可简化为下图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、一个基本RS触发器、一个驱动器和一个集电极开路的放电晶体管。图3CA555时基电路的等效功能电路图2/3VCC1/3VCC置位－复位触发器2、国产双极型定时器CB555时基电路图4CB555时基电路的等效功能电路图强制复位置位－复位触发器表2CB555引出端真值表输入输出VI1VI2VOTD状态0xx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

1、反向型施密特触发器符号及电压传输特性图1反向型施密特触发器符号和下行滞回曲线由图1可知，该电路实际上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-一、施密特触发器特点2、同向型施密特触发器符号及电压传输特性图2同向型施密特触发器符号和上行滞回曲线◆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，与其从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。3、施密特触发器性能上的两个重要特点◆在电路状态转换时，输出电压波形的边沿十分陡峭（Trigger，通过电路内部的正反馈过程）。图1用CB555定时器接成的施密特触发电路提高参考电压的稳定性RARPRB二、施密特触发器电路设计0.01μF图2图1电路的电压传输特性由图2知这是一个典型的反相输出施密特触发器。如果参考电压由5脚外接的电压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、施密特触发器的电压传输特性VT+=2/3VCCVT-=1/3VCC图3【例1】电路【例1】图3所示555时基电路构成了施密特触发器电路，试回答下述问题：（1）按图3电路连接，则电路的正负触发阈值电压VT+、VT-和回差电压ΔV各应为多少伏？（2）画出图3电路的Vo=f(vI)曲线,若要将曲线改为上行曲线，电路应作何改动？（3）若将图3中5脚改接VC=13.2V,则电路的VT+、VT-和回差电压ΔV各为多少伏？四、施密特触发器应用示例【解】：（1）由图3电路分析可知：当vI=0时，输出VO为高电平；当vI上升，升至2/3VCC以上时，VO变为低电平;当vI下降，且降至1/3VCC以下时，VO又返回高电平。由以上分析可知：VT+=2/3VCC=10V;VT-=1/3VCC=5V;ΔV=VT+-VT-=5V（3）若将图3中5脚改接VC=13.2V，则电路的VT+、VT-和回差电压ΔV为：VT+=VC=13.2V;VT-=1/2VC=6.6V;ΔV=VT+-VT-=6.6V（2）图3电路的Vo=f(vI)曲线如下图(a)：若要将曲线改为上行曲线，其它参数都不变，最简单的方法是在555时基电路的输出端加一反相器电路，这样电压传输特性就变为上行滞回曲线（如图(b)所示）。（a）（b）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：

◆施密特触发器是一种优良的波形整形电路，因为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。

◆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。五、施密特触发器的应用1、用于波形变换图1用施密特触发器实现波形变换脉冲展宽2、用于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(*)1、设计思路在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。一、单稳态触发器的设计定时器tw=?2、设计电路图1用CB555定时器接成的单稳态触发电路RCvI图2图1电路的电压传输特性二、单稳态触发器的电压传输特性及脉宽tw

tw图3【例1】电路【例1】图3所示555时基电路构成了单稳态触发器电路，试回答下述问题：（1）导出图3电路的输出脉宽tW的计算公式，并计算R=10kΩ，C=0.01µF时，tW的数值？（2）图3电路正常工作时，对输入VI和输出VO的脉宽有何要求？三、应用示例【解】：（1）由图3电路分析可得：（2）图3电路如需正常工作，则输入触发脉冲VI的脉宽必须小于输出VO的正脉宽，否则tW将不再由电路的参数决定，而仅由VI负脉宽的大小决定，且二者相等，此时电路的输出和输入逻辑反相，相当于一个反相器电路。由电路三要素定理可得：

◆有稳态和暂稳态两种不同的工作状态；◆在外接脉冲作用下，可以从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后自动返回稳态；◆在暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发器脉冲的宽度和幅度无关。四、单稳态触发器的特点

多谐振荡器是一种自激性的振荡电路。在接通电源以后，不需要外加触发信号，就能自动地产生单一频率和固定幅值的矩形脉冲。二、占空比固定的多谐振荡器滞回比较器RC充放电回路1、电路结构及振荡波型图3施密特触发器构成的多谐振荡器图4多谐振荡器电路的电压波形图VT-VT+VI2、参数分析依据电路三要素法则可得：通过调节R和C的大小，可以改变振荡周期，但不能改变占空比。分析振荡周期T、占空比D

1、电路结构及电压波形图1555时基电路构成无稳态多谐振荡器电路及输出波形三、占空比大于50%的多谐振荡器2、参数计算◆电路的振荡周期T

T=t1+t2=(τ1+τ2)ln2=[(R1+R2)+R2]C∙ln2=(R1+2R2)Cln2◆振荡频率f=1/T，即f=1.443/(R1+2R2)C◆输出振荡波形的占空比D为

D=t1/T=(R1+R2)/(R1+2R2)当R2»R1时，则D≈50%，即输出振荡为方波。3、应用示例图2【例1】电路【例1】图2所示555时基电路构成了多谐振荡器电路，试回答下述问题：（1）说明图2电路振荡时充电和放电回路的途径，若R1=20kΩ，R2=30kΩ，C=0.02µF，电路的振荡频率f为多大？（2）若将图2电路的5脚VC端接参考电压12V，其它参数不变，电路的振荡频率又为多大？【解】：（1）由图2电路分析可得充、放电的时间T1、T2的边界条件分别如下：由电路三要素定理可得：振荡周期为：所以振荡频率f为：

（2）若将图2电路的VC端解参考电压12V，其它参数不变，则电路充、放电的时间T1、T2的边界条件分别如下：由电路三要素定理可得：所以振荡频率f为：

通过调节电位器，可以在不改变振荡周期的情况下，改变占空比。四、占空比可调的多谐振荡器

五、压控振荡器

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，前面所讲的多谐振荡电路难以满足要求。

——为什么？六、石英晶体多谐振荡器1、原因分析◆这些振荡器中门电路的转换电平VTH本身就不够稳定；◆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；◆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。2、解决方案

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1石英晶体的电抗频率特性和符号频率稳定度：

3、电路设计

图2石英晶体多谐振荡器该振荡器的工作频率必然是f0。VI1VO1VI2VO2C1C274系列：0.5-1.9Kf04、电路特点

◆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。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。七、环形振荡器1、电路设计图1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1最简单的环形振荡器电路2、工作波形

图2是图1电路的工作波形图。由图可见，振荡周期为T=6tpd.图2环形振荡器工作波形图3、电路特点

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？

振荡频率很高，且频率不易调节。

——怎样改进？4、电路改进

图3带RC延迟电路的环形振荡器通常RC电路产生的延迟时间远大于门电路本身的传输延迟时间，所以振荡周期主要取决于RC电路的作用。限流保护电阻◆