第

6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形主要要求：

了解脈沖信號產(chǎn)生與整形的方法。

6.1

概述了解脈沖信號的有關(guān)概念。

脈沖信號：指突然變化的電壓或電流。脈沖電路的研究重點(diǎn)：波形分析。數(shù)字電路的研究重點(diǎn)：邏輯功能。

一、脈沖信號產(chǎn)生與整形的方法

獲得脈沖波形的方法主要有兩種：

1．利用脈沖振蕩電路產(chǎn)生（多諧振蕩器）；

2．是通過整形電路對已有的波形進(jìn)行整形、變換，使之符合系統(tǒng)的要求。

1.

RC電路：對矩形波進(jìn)行微分、積分變換，或作脈沖分壓器；

2.

施密特觸發(fā)器：主要用以將非矩形脈沖變換成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脈沖；

3.

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：主要用以將脈沖寬度不符合要求的脈沖變換成脈沖寬度符合要求的矩形脈沖；

整形電路脈沖信號產(chǎn)生與整形電路的實(shí)現(xiàn)是一種多用途集成電路，只要外接少量阻容元件就可構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等，使用方便、靈活，應(yīng)用廣泛。用門電路構(gòu)成。用專用的集成電路。用

555

定時器構(gòu)成。返回1.常見的脈沖波形

脈沖波形是指突變的電流和電壓的波形。

常見的脈沖波形圖二、脈沖波形及其參數(shù)

2.矩形波及其參數(shù)

非周期性和周期性矩形波(a)非周期性(b)周期性

數(shù)字電路中用得最多的是矩形波。矩形波有周期性與非周期性兩種。矩形波的主要參數(shù)

周期性矩形波的周期用T表示，有時也用頻率f表示（f=1/T）。矩形波的另外幾個主要參數(shù)：

（1）脈沖幅度Um：脈沖電壓的最大變化幅度（2）脈沖寬度tw：從脈沖前沿到達(dá)0.5Vm起到達(dá)脈沖后沿到達(dá)0.5Vm為止的一段時間。（3）上升時間tr：脈沖上升沿從0.1Vm上升到0.9Vm所需要的時間（4）下降時間tf

（5）占空比q=tw/T

。通常q用百分比表示，如果q=50%，則稱為對稱方波。6.2施密特觸發(fā)器

主要用途：把變化緩慢的信號波形變換為邊沿陡峭的矩形波。

特點(diǎn)：

⑴電路有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。兩種穩(wěn)定狀態(tài)的維持和轉(zhuǎn)換完全取決于外加觸發(fā)信號。觸發(fā)方式：電平觸發(fā)。⑵電壓傳輸特性特殊，電路有兩個轉(zhuǎn)換電平（上限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT+和下限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT－）。⑶狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時有正反饋過程，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。6.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器兩個CMOS反相器，兩個分壓電阻。6.2.2集成施密特觸發(fā)器1.TTL集成施密特觸發(fā)器(a)7414(b)CT74132.CMOS集成施密特觸發(fā)器(a)CC40106(b)CC4093一、555定時器工作原理和邏輯功能

555定時器是一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便靈活、用途廣泛的多功能電路。它電源電壓范圍寬(雙極型555定時器為5~16V，CMOS555定時器為3~18V)，可提供與TTL及CMOS數(shù)字電路兼容的接口電平，還可輸出一定功率，驅(qū)動微電機(jī)、指示燈、揚(yáng)聲器等。

TTL單定時器型號的最后3位數(shù)字為555，雙定時器的為556；CMOS單定時器的最后4位數(shù)為7555，雙定時器的為7556。6.2.3用555定時器的構(gòu)成的施密特觸發(fā)器集成定時器是一種將模擬電路與數(shù)字電路的功能巧妙結(jié)合在一起的多用途單片集成電路，有些書上把它描述為：模擬電路與數(shù)字電路的的完美結(jié)合。在其外部配接上少許阻容定時元件，便能構(gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器等多種應(yīng)用電路。555定時器的電路結(jié)構(gòu)與符號

C1C2G3QQG1G2RSVR5k

5k

5k

UR1UR2GNDVCCRDOUTCO555THTRDIS電路符號627153843OUT輸出端

8VCC電源端

4RD直接置0端

DIS7放電端TH6閾值輸入端TR2觸發(fā)輸入端CO5控制電壓輸入端

GND1接地端

集電極開路輸出端UR1UR2構(gòu)成電阻分壓器，為比較器

C1、C2提供兩個參考電壓，UR1=2/3VCC，UR2=1/3VCC。

輸出緩沖器OUT=Q構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，決定電路輸出。

放電管，其輸入為Q，輸出為開路集電極。Q構(gòu)成電壓比較器，比較TH與UR1和TR與

UR2的大小。555定時器的電路結(jié)構(gòu)與符號

C1C2G3QQG1G2RSVR5k

5k

5k

UR1UR23OUT輸出端

8VCC電源端

4RD直接置0端

DIS7放電端TH6閾值輸入端TR2觸發(fā)輸入端CO5控制電壓輸入端

GND1接地端

UR1UR2Q555定時器的工作原理與邏輯功能

101導(dǎo)通定時器

5G555的功能表

不變不變1截止11導(dǎo)通01導(dǎo)通00V狀態(tài)OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××

直接置0端RD低電平有效，優(yōu)先級最高。不用時應(yīng)使其為1。不變不變1截止11導(dǎo)通01導(dǎo)通00V狀態(tài)OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××定時器

5G555的功能表

01導(dǎo)通0110555定時器的工作原理與邏輯功能555定時器的工作原理與邏輯功能

不變不變1截止11導(dǎo)通01導(dǎo)通00V狀態(tài)OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××定時器

5G555的功能表

10截止1001555定時器的工作原理與邏輯功能

不變不變1截止11導(dǎo)通01導(dǎo)通00V狀態(tài)OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××定時器

5G555的功能表

11不定不定UOLUOH二、施密特觸發(fā)器

(一)施密特觸發(fā)器的特性和符號

UT=UT+-

UT-回差電壓施密特觸發(fā)器工作特點(diǎn)(1)允許輸入信號為緩慢變化的信號。(2)有兩個閾值電壓。(3)有兩個穩(wěn)態(tài)。UT+OuOuIUT-正向閾值電壓負(fù)向閾值電壓當(dāng)uI從小增大時，經(jīng)過UT+處才能使輸出發(fā)生躍變。當(dāng)uI從大減小時，經(jīng)過UT-處才能使輸出發(fā)生躍變。SchmittTriggerUOLUOHUT+OuOuIUT-uOuI具有施密特特性的與非門符號優(yōu)點(diǎn)：由于具有回差電平，故其抗干擾能力強(qiáng)。用途：波形變換，變化緩慢波形的整形，幅度 鑒別等構(gòu)成：單片集成施密特觸發(fā)門電路555定時器+門電路重點(diǎn)介紹555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，目的在于了解其原理并會使用它圖6.5.2用555定時器接成的施密特觸發(fā)器（二）用

555定時器組成施密特觸發(fā)器

0uOuIUOL1/3VCC2/3VCCUOH當(dāng)TH=TR=uI>2/3VCC時電壓傳輸特性為反相輸出的滯回特性當(dāng)TH=TR=uI<1/3VCC時1/3VCC0當(dāng)1/3VCC<TH=TR=uI<2/3VCC時當(dāng)uI<1/3VCC時當(dāng)uI由高電平逐漸下降，且1/3VCC<uI<1/3VCC時0uOuIUOL1/3VCC2/3VCCUOHUT+=2/3VCCUT-

=1/3VCC

UT=UT+-

UT-

=1/3VCC若在CO端加直流電壓VCO，則可調(diào)節(jié)回差電壓的大小，回差電壓越大，抗干擾能力越強(qiáng)，但觸發(fā)靈敏度越低。uIuOOuO/Vt[例]試對應(yīng)輸入波形畫出下圖中輸出波形。184355557+12V0.01

FuIuO260uI/Vt246810THTRuIuO+12VUT+UT-abcdefUOH解：UT+=2/3VCC=8VUT-

=1/3VCC=4V因此可畫出輸出波形為電路構(gòu)成反相輸出的施密特觸發(fā)器OuItuOUT+UT-Ot(三)施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例

波形變換將三角波、正弦波和其它不規(guī)則信號變換成矩形脈沖。UOHUOL

uI

>

UT+

后，uO=

UOL,只有當(dāng)uI下降到經(jīng)過UT-

時，uO才會發(fā)生躍變。

uI

<UT-后，uO=UOH只有當(dāng)

uI上升到經(jīng)過

UT+時，uO才會發(fā)生躍變。脈沖整形將受到干擾的或不符合邊沿要求的信號整形成較好的矩形脈沖。OuItOuOtUT+UT-OuItuOUT+UT-Ot脈沖幅度鑒別鑒別并取出幅度大于UT+的脈沖。UOLUOH例6.1圖6.9為邏輯電平分析儀，待測信號為，調(diào)節(jié)CC7555的端(5引腳)的電壓，當(dāng)時，問(1)當(dāng)UI＜1.5V時，哪個發(fā)光二極管亮？(2)當(dāng)UI大于多少伏時，該邏輯電平分析儀表示高電平輸出，此時哪個二極管發(fā)光？解由于在電壓控制端CO(5引腳)外加控制電壓，使得電壓比較器的兩個參考電壓分別為，又由于高、低電平兩個觸發(fā)端接在一起，所以(1)當(dāng)時，低電平觸發(fā)，輸出為高電平，即，LED2燈亮。(2)當(dāng)時，高電平觸發(fā)，輸出為低電平，即，LED1燈亮。

6.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器特點(diǎn)：①有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。②在外界觸發(fā)信號作用下，能從穩(wěn)態(tài)→暫穩(wěn)態(tài)，維持一段時間后自動返回穩(wěn)態(tài)。③暫穩(wěn)態(tài)維持的時間長短取決于電路內(nèi)部參數(shù)。例：樓梯路燈6.3.1用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、積分型G1和G2為TTL門二、微分型G1和G2為CMOS門三.主要參數(shù)

（1）輸出脈沖寬度tw

輸出脈沖寬度tw，就是暫穩(wěn)態(tài)的維持時間。根據(jù)uI2的波形可以計(jì)算出：

（2）

恢復(fù)時間tre

暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，電路需要一段時間恢復(fù)到初始狀態(tài)。一般，恢復(fù)時間tre為（3~5）放電時間常數(shù)（通常放電時間常數(shù)遠(yuǎn)小于RC）。

設(shè)觸發(fā)信號的時間間隔為T，為了使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠正常工作，應(yīng)當(dāng)滿足T＞tw

+tre的條件，即Tmin=tw

+tre。因此，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的最高工作頻率為

fmax=1/Tmin=1/（tw

+tre）

在使用微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器時，輸入觸發(fā)脈沖uI的寬度tw1應(yīng)小于輸出脈沖的寬度tw，即tw1＜tw，否則電路不能正常工作。

3.

對輸入觸發(fā)脈沖寬度的要求

（3）最高工作頻率fmax（或最小工作周期Tmin）1．不可重復(fù)觸發(fā)型一旦觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)以后，再加入觸發(fā)脈沖不會影響電路的工作過程，必須在暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束以后，它才接受下一個觸發(fā)脈沖而轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。如74121、74221、74LS121。6.3.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一.分類用集成門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雖然電路簡單，但輸出脈沖寬度的穩(wěn)定性較差，調(diào)節(jié)范圍小，而且觸發(fā)方式單一。因此實(shí)際應(yīng)用中常采用集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。uOuI11

電路被觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)以后，再加入觸發(fā)脈沖，電路將重新被觸發(fā)，使輸出脈沖再維持一個tw寬度。如74122、74LS122、74123、74LS123。2．可重復(fù)觸發(fā)型uOuI外接元件和連線少，觸發(fā)方式靈活，既可用輸入脈沖的正躍變觸發(fā)，又可用負(fù)躍變觸發(fā)，使用十分方便，而且工作穩(wěn)定性好。因此應(yīng)用很廣泛。

3.TTL不可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CT74121的邏輯符號有3個觸發(fā)信號輸入端，A1和A2

用負(fù)脈沖觸發(fā)，B

用正脈沖觸發(fā)。

有2個互補(bǔ)輸出端BA2A1QQRI

CXRX/CXRintCextRext/CextRI

CXRX/CX不可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)的限定符號

外接定時元件端

“×”號表示非邏輯連接，即沒有任何邏輯信息的連接，例如外接R、C和VCC等。

如何使用

Rint、Cext和

Rext/Cext端？RI

CXRX/CXBA2A1QQ懸空不接CextRextVCC一般接法tW

0.7RextCext通常?。篟ext=2~40k

，Cext=10pF~10

F。當(dāng)輸出脈寬很小時，可用內(nèi)部電阻

Rint=2k

取代

Rext，接法如下：RI

CXRX/CXBA2A1QQCext+VCCtW

0.7RintCext那么

CT74121的觸發(fā)信號應(yīng)如何加呢？通過對CT74121功能表的分析就可知道觸發(fā)端的用法。欲負(fù)脈沖觸發(fā)，則將觸發(fā)脈沖從TR-A或TR-B加入，而TR+接1。

欲正脈沖觸發(fā)，則將觸發(fā)脈沖從TR+加入，而TR-A和TR-B至少有一接0。

可見，CT74121可正脈沖觸發(fā)，也可負(fù)脈沖觸發(fā)。0××01111110×11100××1010×101×0QQBA2A1輸出輸入CT74121的功能表

負(fù)脈沖觸發(fā)應(yīng)用舉例RI

CXRX/CXBA1QQ+VCC+VCCQA2正脈沖觸發(fā)應(yīng)用舉例RI

CXRX/CXuO+VCCuIuIuO4.CT74121邏輯功能的分析與應(yīng)用

CT74121的功能表

0××01111110×11100××1010×101×0QQBA2A1輸出輸入圖6.5.4用555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.3.3用555定時器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.電路結(jié)構(gòu)GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01

FRCuIuOuC-+DISTHVCCR

R、C為定時元件TRuIOUTuOGNDVCCRDCO0.01

FCuC-+2.工作原理性能參數(shù)：暫穩(wěn)態(tài)輸出的寬度[例]用上述單穩(wěn)態(tài)電路輸出定時時間為1s的正脈沖，R=27k

，試確定定時元件

C的取值。

因?yàn)?/p>

tWO

1.1RC故可取標(biāo)稱值

33

F。經(jīng)過長距離傳輸后，脈沖信號的邊沿會變差或波形上疊加某些干擾，利用整形可使其變成符合要求的波形。(三)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用舉例2.

脈沖定時1.

脈沖整形因此，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以控制門開通與否以及開通多長時間。

uAuBuCuOG單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的定時電路和工作波形uAuCuBuOuC門的定時時間即為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間。tW

uC

為與門G開通與否的控制信號。

uC=1，門G開通，信號uB通過門G輸出；

uC=0，門G關(guān)閉，uB不能輸出。若已知Rext=10k

，Cext=1

F則可得tW

0.7RextCext=7msRI

CXRX/CXQ+VCCuIRextCextQOuItOuOt脈沖展寬電路和工作波形3.脈沖展寬tW接成正脈沖觸發(fā)方式將窄脈沖展寬成寬度為tW的脈沖例1：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成短時用照明燈48162357uouiUCCSRCuituottp若S未按下,則

ui

=1若S按下,則ui

=06.4多諧振蕩器

多諧振蕩器是一種常用的脈沖波形發(fā)生器,觸發(fā)器和時序電路中的時鐘脈沖一般是由多諧振蕩器產(chǎn)生的。特點(diǎn)：1．多諧振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。2．通過電容的充電和放電，使兩個暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，無需外觸發(fā)。

3．輸出周期性的矩形脈沖信號，由于含有豐富的諧波分量，故稱作多諧振蕩器。2.非對稱式多諧振蕩器3.環(huán)形振蕩器1.對稱式多諧振蕩器6.4.1用門電路組成的多諧振蕩器4.用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器前面介紹的多諧振蕩器的一個共同特點(diǎn)就是振蕩頻率不穩(wěn)定，容易受溫度、電源電壓波動和RC參數(shù)誤差的影響。而在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖信號常用作時鐘信號來控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。因此，控制信號頻率不穩(wěn)定會直接影響到系統(tǒng)的工作，顯然，前面討論的多諧振蕩器是不能滿足要求的，必須采用頻率穩(wěn)定度很高的石英晶體多諧振蕩器。

6.4.2石英晶體多諧振蕩器即距形脈沖產(chǎn)生電路，由于距形脈沖中含有豐富的諧波分量，故常稱多諧振蕩器。

(1)不需輸入信號。(2)無穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。

6.4.3用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器

(一)多諧振蕩器的工作特點(diǎn)和符號

通過電容的充電和放電，使兩個暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，輸出周期性的矩形脈沖信號。GuO工作特點(diǎn)AstableMultivibrator圖6.5.6用555定時器接成的多諧振蕩器1.電路結(jié)構(gòu)GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01

FR1CuOuC-+R2DISVCCR1THTRGNDVCCRDCO0.01

FOUTuOCuC-+R2GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01

FR1CuOuC-+R22.工作原理、工作波形與周期估算uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ充電UOHTH=TR=uC很?、?/p>

接通VCC后，開始時TH=TR=uC

0，uO為高電平，放電管截止，VCC經(jīng)R1、R2向C充電，uC

上升，這時電路處于暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ。

工作原理

2.工作原理、工作波形與周期估算uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡUOLTH

=

TR

≥

2/3

VCC

當(dāng)uC上升到

TH=TR=uC

≥

2/3

VCC時，uO躍變?yōu)榈碗娖剑瑫r放電管

V導(dǎo)通，C經(jīng)R2和V放電，uC

下降，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ。工作原理

Ⅱ

接通VCC后，開始時TH=TR=uC

0，uO為高電平，放電管截止，VCC

經(jīng)R1、R2向C充電，uC

上升，這時電路處于暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ。

放電

當(dāng)uC下降到

TH=TR=uC

≤1/3

VCC時，uO重新躍變?yōu)楦唠娖?，同時放電管V截止，C又被充電，uC

上升，電路又返回到暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ。2.工作原理、工作波形與周期估算uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡTH=TR≤1/3VCCⅠ工作原理

當(dāng)uC上升到

TH=TR=uC≥

2/3

VCC時，uO躍變?yōu)榈碗娖剑瑫r放電管

V導(dǎo)通，C經(jīng)R2和V放電，uC下降，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ。

接通VCC后，開始時TH=TR=uC

0，uO為高電平，放電管截止，VCC經(jīng)R1、R2向C充電，uC

上升，這時電路處于暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ。

2.工作原理、工作波形與周期估算電容C如此循環(huán)充電和放電，使電路產(chǎn)生振蕩，輸出矩形脈沖。uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ周期與占空比估算tWH

0.7(R1+R2)CtWL

0.7R2CT=tWH+tWL

0.7(R1+2R2)C.uC.+VCC4876213CR1R25.例：多諧振蕩器構(gòu)成水位監(jiān)控報(bào)警電路水位正常情況下，電容C被短接，揚(yáng)聲器不發(fā)音；水位下降到探測器以下時，多諧振蕩器開始工作，揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警。+GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01

FR1C+R2RP1RP2

[例]指出右圖中控制揚(yáng)聲器鳴響與否和調(diào)節(jié)音調(diào)高低的分別是哪個電位器？若原來無聲，如何調(diào)節(jié)才能鳴響？欲提高音調(diào)，又該如何調(diào)節(jié)？解：