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脉冲产生电路

第6章脉冲产生及整形电路

在数字电路或系统中，常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、控制过程的定时信号等。

这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：

一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种则是通过对已有信号进行变换，使之满足系统的要求。

本章以中规模集成电路555定时器为典型电路，主要讨论555定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器以及555定时器的典型应用。

概述

一、矩形脉冲的基本特性

非正弦波都可称为脉冲波，如矩形波、三角波、锯齿波、阶梯波、梯形波等。

CP信号是矩形波，用来协调整个系统工作，波形质量对系统有直接影响。

描述矩形波的主要参数有

tw

0.9Um

0.5UmUm

0.1Um

trtf

T

①脉冲幅度Um：

脉冲电压的最大幅度。

②脉冲宽度tw：

脉冲前沿的0.5Um到脉冲后沿的0.5Um所对应的一段时间。

③上升时间tr：

脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需要的时间。

④下降时间tf：

脉冲后沿从0.9Um下降到0.1Um所需要的时间。

⑤脉冲周期T：

在周期性脉冲而言，两个相邻的间隔时间。

⑥脉冲频率f：

单位时间内重复脉冲的次数。

（f=1∕T）⑦占空比D：

脉冲宽度tw与脉冲周期T之比。

（0～100%）

理想矩形波的trtf；

tw、Um、T应稳定不变。

（本节可自学）

二、集成555定时器

555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。

1972年由美国西格奈蒂克（SIGNETICS）公司开发出来后，以其成本低廉、容易使用，稳定性高、适应面广等特点而赢得了市场。

该电路在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩

具等许多领域中都得到了广泛的应用。

目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。

通常，双极型产品型号最后的三位数码都是555，CMOS产品型号的最后四位数码都是7555，它们的结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。

一般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时电路具有低功耗、输入

阻抗高等优点。

555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。

双极

型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源

电压变化范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下。

归纳起来有三种使用模式：

只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和双稳态触发器（施密特触发器）。

1555

VDD

⑥

UTH

UCO

⑤

定时器的电路结构与工作原理

⑧

④

RD

R

1

UR2

+

C2

≥1Q

-

R

84

67

7555

23

15

R

≥1

1

1

③

+

≥1

UO

②

UR1

C1

UTR

-

S

Q

T

R

⑦

D

①

1）．电路结构与引脚功能

①脚为接地端，②脚为低电平触发端，③脚为输出端（AD方式），④脚为强制复位端，⑤脚为电压控制端，⑥脚为高电平触发端，⑦脚为放电端，⑧脚为电源端。

（1）三个5kΩ的电阻组成的分压器。

提供两个参考电压：

当⑧接电源，①接地，

⑤脚悬空时，UR1

1

DD，UR2

2

DD；若⑤脚接电压，则UR1

=

1

CO，UR2CO。

=

3

V

=

V

U

=V

3

2

（2）电压比较器C1、C2。

若⑥脚电压UTH＞UR2，则比较器C2输出高电平，即R=1。

否则，R=0；

若②脚电压UTR＜UR1，则比较器C1输出高电平，即S=1。

否则，S=0。

（3）基本RS触发器。

由或非门构成（也可以是与非门），根据比较器的输出结果决定Q、Q的状态。

（4）NMOS放电管T。

T导通时，①与⑦相当于开关闭合，若有外接电容，则放电。

T截止时，①与⑦相当于开关断开。

⑦脚也可以视为OD方式的输出端，逻辑电平与③脚一致。

④脚强制复位端。

当④脚为0，③脚输出为0，①与⑦经T接通。

当然也使RS

触发器的Q=0。

不用时应接高电平，通常接正电源。

2．555的功能

输入

输出

④脚

⑥脚

②脚

③脚

⑦对①

L

×

×

L

ON

H

×（注）

＜VDD∕3

H

OFF

H

＞2VDD∕3

＞VDD∕3

L

ON

H

＜2VDD∕3

＞VDD∕3

保持原状态

注：

三个输入端的优先顺序为4，2，6。

（也有4，6，2的产品）

6.1施密特触发器

一、用555定时器组成的施密特触发器

具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。

1.电路组成

ui

VDD

VDD

8

4

2VDD

3

6

7

VDD

3

uI

7555

uO

O

t

2

3

uo

15

C0.01

Ot

2．工作原理（根据功能表）

（1）uI=0V时，②脚电平＜VDD∕3，输出uO为高电平。

uI上升到＞VDD∕3，且＜2VDD∕3时，输出仍保持高电平。

（2）当uI上升到（使⑥脚电平）≥2VDD∕3时，uO输出低电平。

uI继续上升，uO保持不变。

uI重新下降时，到等于VDD∕3之前，uO都保持不变。

（3）当uI下降到VDD∕3时，输出uO跳变为高电平。

而且在uI继续下降到0V时，电路的这种状态不变。

3.电压滞回特性

uO

ui

uO

从上述分析看出：

ui从低到高变化，使电路改变状

UOH

态对应的电压是2VDD，用U+表示；

3

ui从高到低变化，使电路改变状

回差电压

态对应的电压是1

-表示。

3VDD，用U

UOL

ui

两者的差值称回差电压

U。

O

2VDD

U=U+U-

VDD

3

3

U越大，电路的抗干扰能力

越强，但灵敏度降低。

施密特触发器有专用的集成电路，TTL系列的有74LS14、74LS132等产品，CMOS系列的有CC40106、CC14093等产品。

内部还增加了温度补偿、缓冲输出等电路，性能优良，应用广泛。

一般电子产品应用时，可选555构成的施密特触发器，价格低廉。

在要求较高的场合应选专用的集成施密特触发器。

用当555当基本RS触发器。

R

R

S

VDDVDD1

84

67Q

555

23Q

15

6．1．2集成施密特触发器

一、CMOS集成施密特触发器——CC40106、CC4093

1．引出端功能图P403

2．主要静态参数二、TTL集成施密特触发器

1．引出端功能图P4047414（74LS14）——六反相缓冲器

74132（74LS132）——四2输入与非门

7413（74LS13）——双4输入与非门

2．主要参数典型值

6.1.3施密特触发器的应用

1．波形变换

可将三角波、正弦波变换成矩形波。

2．脉冲波的整形

脉冲波在传输过程中可能发生畸变、附加噪声，整形后可获得较理想的矩形脉冲波

3．脉冲鉴别

将幅度不同、不规则的脉冲信号输入到施密特触发器，能选择幅度大于U+的脉冲信号输出。

ui

U+

U-

Otuo

Ot

除去噪声

ui

U+

U-

Ot

uo

Ot

脉冲整形

ui

U+

U-

Ot

uo

Ot

脉冲鉴别

6.3多谐振荡器

多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。

多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。

6.3.1用555定时器构成的多谐振荡器

一.电路组成和工作原理

1.电路组成

由555定时器构成的多谐振荡器如图所示，R1、R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1、R2的连接处。

2.工作原理

由于接通电源瞬间,电容C来不及充电，电容器两端电压uC为低电平小于

（1/3）VCC，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管V截止。

这时，电源经R1、R2对电容C充电，使电压uC按指数规律上升，当uC上升到（2/3）VCC时，输出uo为低电平，放电管V导通，我们把uC从（1/3）VCC上升到（2/3）VCC这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。

充电时间常数τ充=（R1+R2）C。

由于放电管V导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二暂稳态。

其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关,放电时间常数τ放=R2C。

随着C的放

电,uC下降，当uC下降到（1/3）VCC时，输出uo为高电平，放电管V截止，VCC再次对电容C充电，电路又翻转到第一暂稳态。

不难理解，接通电源后，电路就在两个

暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。

电路一旦起振后，

uC电压总是在（1/3～

2/3）VCC之间变化。

图为工作波形。

uc

VCC2/3VCC

R1

1/3VCC

8

4

7

3

u0

o

t

R26

555

uo

uc

2

5

C

1

0.01μF

tPL

tPH

o

t

（a）555定时器构成多谐振荡器电路

（b）工作波形

555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形

二、参数的估算

首先计算电路的振荡周期T

根据uC（t）的波形图可以确定振荡周期，T=Tw1+Tw2

1.充电时间tw1

w1时间的求取可以通过过渡过程公式，

Tw1

对应充电时间，时间常数

τ=（R12

，

T

CC，无穷大值uC

∞

CC，当t=Tw1

时，uC

+R）C

初始值为uC

（

w1

CC，

（0+）=（1/3）V

）=V

（T）=（2/3）V

代入过渡过程公式，可得

uC（

uC（0

VCC

1VCC

tw1

）

）

（R1

R2）Cln

3

ln

uC（Tw1）

2

uC（

）

VCC

VCC

3

（R1

R2）Cln20.7（R1

R2）C

2.放电时间

tw2

，初始值为C

CC，无穷大值uC

tw2

对应放电时间，时间常数τ

2

=RC

u（0+）=（2/3）V

（∞）=0V，当t=tw2时，uC（tw2）=（1/3）VCC，代入过渡过程公式

uC（

）

uC（0

）

0

2VCC

tw2ln

R2Cln

3

uC（

uC（TPL）

1

）

0

VCC

3

R2Cln2

0.7R2C

3.振荡频率

周期T=tw1+tw2=0.7（R1+2R2）C

振荡频率f=1/T

显然，改变R1、R2和C的值，就可以改变振荡器的频率。

如果利用外接电路改

变5号端的电位，则可以改变多谐振荡器触发端的电平，从而改变振荡周期T。

图

所示的多谐振荡器电路，由于电容充、放电途径不同，因而C的充电和放电时间常数不同，使输出脉冲的宽度tw1和tw1也不同，在实际应用中，常常需要调节tw1和tw1。

在此，引进占空比的概念。

4．占空比

输出脉冲的占空比为

tw1

Tw1

R1

R2

100%

q

Tw1Tw2

100%

2R2

T

R1

由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响较小。

上述电路的TPH≠TPL，而且占空比固定不变。

5.占空比可调的多谐振荡器

如果将电路改成如图所示的形式，电路利用VD1、VD2单向导电特性将电容C充、放电回路分开，再加上电位器调节，便构成了占空比可调的多谐振荡器。

图中，VCC通过RA、VD1向电容C充电，充电时间为tw1=0.7RAC

电容C通过VD2、RB及555中的晶体管V放电，放电时间为

tw2=0.7RBC

因而振荡频率为

1

1

1.43

f

tW1tW2

（RARB）C

T

可见，这种振荡器输出波形的占空比为

RA

q100%

RARB

图占空比可调的方波发生器

如果调节电位器使RA=RB，可以获得50%的占空比,即输出对称的矩形波。

6.3.2石英晶体多谐振荡器

在许多数字系统中，都要求时钟脉冲频率十分稳定，例如在数字钟表里，计数脉冲频率的稳定性，就直接决定着计时的精度。

上述的多谐振荡器，由于其工作频率取决于电容C在充、放电过程中，电压到达转换值的时间，因此稳定度不够高。

原因有三：

①转换电平易受温度变化和电源波动的影响；②电路的工作方式易受干扰，从而使电路状态转换提前或滞后；③电路状态转换时，电容充、放电的过程已经比较缓慢，转换电平的微小变化

或者干扰，对振荡周期影响都比较大。

一般在对振荡器频率稳定度要求很高的场合，都需要采取稳频措施，其中最常

用的一种方法，就是利用石英谐振器（简称石英晶体或晶体），构成石英晶体多谐振荡器（石英晶体的选频特性已在模拟电子技术中介绍过）。

有两种形式：

（1）串联式振荡器

R1、R2的作用：

使两个反相器在静态时都工作在转折区，成为具有很强放大能力的放大电路。

G1

C

G2

1

1

uO

C

R

R

对于TTL门，常取R1=R2=R=0.7～2kΩ，若是CMOS门则常取R1=R2=10～100MΩ；C1=C2=C是耦合电容。

石英晶体工作在串联谐振频率f0下，只有频率为f0的信号才能通过，满足振荡条件。

因此，电路的振荡频率=f0，与外接元件R、C无关，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。

（2）并联式振荡器

R=10M

F是偏置电阻，保证在静态时使G1工作

R

G1

G2

在转折区，构成一个反相放大器。

1

1uO

晶体工作在fS与fP之间，相当于电感，与

C1、C2共同构成电容三点式振荡电路。

电路的振荡频率=f0。

反相器G2起整形缓冲作用，同时G2还可

C2

C1

以隔离负载对振荡电路工作的影响。

20pF

5～50pF

6.3.3多谐振荡器应用举例

模拟声响电路等电路

例题:

电路如图所示，其中R1=47kΩ;R2=39kΩ,C=12μf

1.画出Q0;Q1;的波形

2.求输出波形Q2的频率

6.2单稳态触发器

单稳态触发器的特点是电路有一个稳定状态和一个暂稳状态。

在触发信号作用下，电路将由稳态翻转到暂稳态，暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态，并在输出端获得

一个脉冲宽度为tw的矩形波。

在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw就是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路的参数值。

6.2.1用555定时器构成的单稳态触发器

一、电路组成及工作原理

由555构成的单稳态触发器电路及工作波形如图所示。

图中R、C为外接定时元件，输入的触发信号ui接在低电平触发端（2脚）。

稳态时，输出uo为低电平,即无触发器信号（ui为高电平）时，电路处于稳定状态—输出低电平。

在ui负脉冲作用下，低电平触发端得到低于（1/3）VCC触发信号，输出uo为高电平，放电管T截止，电路进入暂稳态，定时开始。

在暂稳态期间，电源+VCC→R→C→地，对电容充电，充电时间常数τ=RC，uC按指数规律上升。

当电容两端电压uC上升到（2/3）VCC后，6端为高电平,输出uo变为低电平，放电管V导通，定时电容C充电结束，即暂稳态结束。

电路恢复到稳态uo为低电平的状态。

当第二个触发脉冲到来时，又重复上述过程。

工作波形图如图所

示。

Ui

VCC

R

8

4

o

t

UoUc

7

3

2/3VCC

6

555

Ui

2

5

o

t

Uo

1

C

C

0.01μF

0.01μF

tW

o

t

（a）

单稳态触发器电路

（b）工作波形

二、参数计算

1．输出脉冲宽度tW

输入一个负脉冲，就可以得到一个宽度一定的正脉冲输出，其脉冲宽度tw取决于电容器由0充电到（2/3）VCC所需要的时间。

可得

uC（0+）≈0V，uC（∞）=VDD，uC（tW）2VDD，代入一阶电路的三要素公式，可得

3

tW1lnuC（

）

uC（0）

1ln

VDD

2

0

＝1ln3≈1.1RC

uC（

）

uC（tW）

VDD

VDD

3

上式说明，单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅取决于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便地调节tW。

通常R的取值在几百欧至几兆欧之间，电容取值为几百皮法到几百微法。

2．恢复时间tre

一般取tre=（3～5）2，即认为经过3～5倍的时间常数，由于放电管的饱和电阻非常小，tre非常小。

需要指出的是，上图中输入触发信号uI的脉冲宽度（低电平的保持时间），必须小于电路输出uO的脉冲宽度（暂稳态维持时间tW），否则电路将不能正常工作。

因为当单稳态触发器被触发翻转到暂稳态后，如果uI端的低电平一直保持不变，那么555定时器的输出端将一直保持高电平不变。

6.2.2集成单稳态触发器

74121、74221、74LS221都是不可重复触发的单稳态触发器。

属于可重复触发的触发器有74122、74LS122、74123、74LS123等。

有些集成单稳态触发器上还设有复位端，通过复位端加入低电平信号能立即终止暂稳态过程，使输出端返回低电平。

例如74221、74122、74123等。

一、非重复触发单稳态触发器74121

非重复触发—只能在稳态接受输入信号。

1．符号

2.功能表

3.主要参数

1）输出脉宽tw:

tWRCln2

0.7RC

2）输入触发脉冲最小周期Tmin

TmintWtre

二、可重复触发单稳态触发器74122

可重复触发—在暂稳态期间,能够接受新的触发信号

2.功能表

当定时电容C>1000pF时

tW

0.32RC

6.2.3单稳态触发器应用

1．触摸定时控制开关

利用555定时器构成单稳态触发器，只要用手触摸一下金属片

P，人体感应电

压相当于在触发输入端（②脚）加入一个负脉冲，

555输出端（③脚）输出高电平，

灯泡（RL）发光，当暂稳态时间（tW）结束时，555输出端恢复低电平，灯泡熄灭。

该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由RC参数调节。

+6V

R

8

4

7

555

6

3

2

C

1

5

0.01

uI

1

uO

&

uFO

uF

图中，单稳态触发器的输出电压uO，用做与门的输入定时控制信号。

当uO为高电平时，与门打开，uFOuF；当uO为低电平时，与门关闭，uFO为低电平。

显然与

门打开的时间就是单稳态触发器输出脉冲uO的宽度tW，是恒定不变的。

uI

Ot

uOtW

Ot

uF

Ot

uFO

O

t

2．整形

单稳态触发器能够把不规则的输