第7章 脉冲波形的产生与整形

第7章 脉冲波形的产生与整形 本章要点本章主要介绍脉冲的 产生、变换和整形电路，实 现这些功能的单元电路主要 有施密特触发电路、单稳态 触发电路和多谐振荡器电路 等。本章重点介绍最常用的 555定时器工作原理及其所 构成的施密特触发电路、单 稳态触发电路及多谐振荡器 的电路。vIVTHVTL0

vI

1

vo

v00

t

t

脉冲鉴幅

7.1 概述脉冲信号 ：凡是不具有连续正弦波形状的信号，通称为脉 冲信号。 vo vot0 (a) 尖脉冲 0 (b) 矩形脉冲

t

vo

vo

t0 (c) 梯形脉冲 0 (d) 三角波脉冲

t

vo

vo

0 (e) 钟形脉冲

t

0 (f) 阶梯形脉冲

t

常见的脉冲信号波形

数字电路最常用的脉冲信号就是矩形脉冲。例如时钟信号 (CLK)就是一种典型的矩形波信号，它在时序电路中协调各种功 tr tf 能部件的工作。描述矩形脉冲信 号的参数：0.9Vm 0.5Vm 0.1Vm Vm

①脉冲周期T:周期性重复的脉 tw 冲序列中，两个相邻脉冲之间 T 的时间间隔。 矩形脉冲信号 ②脉冲频率f:单位时间内的脉冲重 复次数 。 ③脉冲幅值Vm :脉冲电压变化的最大幅度 。 ④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 。

⑤上升时间tr :脉冲上升沿从 0.1Vm上升到0.9Vm所需要的 时间。

tr 0.9Vm 0.5Vm 0.1Vm tw T

tf

Vm

⑥下降时间tf :脉冲下降沿从 0.9Vm下降到0.1Vm所需要时间 。

⑦占空比q :脉冲宽度与脉冲周期 的比值，即 q= tw / T。

获得脉冲信号的方法通常有两种：一种方法是利用 多谐振荡器直接产生所需的脉冲信号；另一种方法是通 过脉冲整形电路变换成所需的脉冲信号。

Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的 电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows 操作系统上，可以仿真、分析各种模拟器件和 集成电路，该软件的特点是：具有模拟电路仿 真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成 的系统的仿真和分析相结合

Proteus ISIS程序d的用户界面

7.2 555定时器555定时器是一种兼容模拟和数字电路于同一硅片的混合中规模集成电 路。国外典型的产品型号有NE555 、LM555 、XR555 、CA555 、RC555、 LC555等，国内产品型号有CB555、SL555、FX555、FD555等。

7.2.1 555定时器的电路结构Vcc 85 K + -

RD 4

GND

1 2 3 4

8

TROUTPUT

CB555

7 6 5

RD

VCC DIS TH CO

Vco (CO )

VR1

vI 1

5 6

C1

vC1

&Q G1

(TH )

5 K

vI 2(TR )

2VR 2

+ -

C2

vC 2

& Q G2

& G3

1 G4

3 (OUTPUT )

vo

管脚图

5 K

vo(DIS )

7

TD

1 (GND )

内部电路

Vcc 8 Vco (CO )VR15 K + -

RD 4

vI 1

5 6

C1

vC1

&Q G1

8 7 6&

4 CB555 3

(TH )

5 K

vI 2(TR )

2VR 2

+ -

C2

vC 2

& Q G2

1 G4

(OUTPUT )

3

vo

2 1 5

G3

5 K

vo(DIS )

7

TD

1 (GND )

逻辑符号

555定时

器组成： ①电压比较器 C1和C2是两个结构完全相同的高精度电压比较器。 当比较器的V+>V- 时，其输出为高电平；反之，当 V+<V- 时，其输出为低电平。

Vcc

RD 4+ -

②分压器 由3个阻值为5kΩ的电阻串 联构成分压器，C1和C2提供参 考电压VR1和VR2。当5脚不外接 电压时，为2 VR1 = VCC 3 VR 2 1 = VCC 3

8 Vco (CO )VR15 K

vI 1

5 6

C1

vC1

&Q G1

(TH )

5 K

vI 2(TR )

2VR 2

+ -

C2

vC 2

& Q G2

& G3

1 G4

(OUTPUT )

3

vo

5 K

vo(DIS )

7

TD

为

若引脚5外接固定电压VDD时，(GND)1VR1 = VDD

VR 2

1 = VDD 2

注意：当引脚5不加控制电压时，一般不可悬空， 可通过一个小电容(如0.01μF~0.1μF)接地， 以防止旁路高频干扰。

(3)SR锁存器 由与非门Gl和G2构成SR锁存 器，它的状态由两个电压比较器 的输出来控制。其中，RD是专门 设置的可从外部直接异步置0复 位端，低电平有效。 (4)泄放三极管 三极管TD是集电极开路输出 三极管，为外接电容提供充、放 电回路，称为泄放三极管。G3门 输出1时TD导通；反之TD截止。

Vcc 8 Vco (CO )VR15 K + -

RD 4

vI 1

5 6

C1

vC1

&Q G1

(TH )

5 K

vI 2(TR )

2VR 2

+ -

C2

vC 2

& Q G2

& G3

1 G4

(OUTPUT )

3

vo

5 K

vo(DIS )

7

TD

1 (GND )

(5)反相器 反相器G4为输出缓冲反相器，提高带负载能力； 同时还可隔离负载对定时器的影响，起整形作用。

7.2.2 555定时器的管脚用途及工作原理Vcc RD 4+ -

各管脚功能 ： 1-接地端，GND;Vco (CO )VR1

85 K

vI 1

5 6

C1

vC1

&Q G1

2-低电平触发端，TR;3-输出端，OUTPUT,输 出电 流可达200mA; 4-复位端，RD; 5-压控端，CO; 6-高电平触发端，TH; 7-放电端，DIS;

(TH )

5 K

vI 2(TR )

2VR 2

+ -

C2

vC 2

& Q G2

& G3

1 G4

(OUTPUT )

3

vo

5 K

vo(DIS )

7

TD

1 (GND )

8-电源端，VCC,范围为4.5~18V;

Vcc 8 Vco (CO )VR15 K + -

RD

输4

入

输 出

RDC1

vI 1×2 VCC 3 2 VCC 3 2 VCC 3 2 VCC 3

vI 2×1 VCC 3 1 VCC 3 1 VCC 3 1 VCC 3

vo低 低 不变 高 高

TD导通 导通 不变 截止 截止

vI 1

5 6

vC1

&Q G1

0 1& 1 G4 3 (OUT )

(TH )

5 K

vI 2(TR )

2 VR 2

+ -

C2

vC 2

& Q G2

vo

1 1 1

G3

5 K

vo(DIS )

7

TD

1 (GND )

功能表

工作原理 ： 当RD为高电平时 ①当vI1>VR1且vI2>VR2时，C1的输出”0”,C2的输出”1”, SR锁存器Q = 0,TD导通，输出为低电平；

Vcc 8 Vco (CO )VR15 K + -

RD 4

输&Q G1

入

输 出

vI 1

5 6

C1

vC1

RD0 1 &

vI 1×2 VCC 3 2 VCC 3 2 VCC 3 2 VCC 3

vI 2×1 VCC 3 1 VCC 3 1 VCC 3 1 VCC 3

vo低 低 不变 高 高

TD导通 导通 不变 截止 截止

(TH )

5 K

vI 2(TR )

2VR 2

+ -

C2

vC 2

& Q G2

1

G3

3 (OUT ) G4

vo

1 1 1

5 K

vo(DIS )

7

TD

1 (GND )

②当vI1<VR1且vI2>VR2时，C1和C2的输出均为”1”,SR锁存器 保持状态不变，故TD和输出的状态也均不变； ③当vI1<VR1且vI2<VR2时，C1的输出为”1”,C2的输出为 “0”,SR锁存器Q=1,TD截止，输出为高电平；

Vcc 8 Vco (CO )VR15 K + -

RD 4

输&Q G1

入

输 出

vI 1

5 6

C1

vC1

RD0 1 &

vI 1×2 VCC 3 2 VCC 3 2 VCC 3 2 VCC 3

vI 2×1 VCC 3 1 VCC 3 1 VCC 3 1 VCC 3

vo低 低 不变 高 高

TD导通 导通 不变 截止 截止

(TH )

5 K

vI 2(TR )

2VR 2

+ -

C2

vC 2

& Q G2

1

G3

3 (OUT ) G4

vo

1 1 1

5 K

vo(DIS )

7

TD

1 (GND )

④当vI1 > VR1且vI2<VR2时，C1和C2的输出均为”0”,SR 锁存器Q = Q=1,TD截止，输出为高电平；

555定时器能在很宽的电源电压范围内工作，并可承受较 大的负载电流，可直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指 示灯等，但其静态功耗较大。CMOS型7555定时器的电源电 压2~18V,静态功耗小，但最大的负载电流是在4mA以下。型号 7555 555 供电电流 60~300μA 3~5mA 工作电压 2~18V 4.5~18V 上升、下降沿时间 40ns 100ns 3脚驱动电流 2mA 200mA

555和7555定时器性能比较

555定时器的应用十分广泛，由它可构成施密 特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等脉 冲单元电路。

7.3 施密特触发器施密特触发器(Schmitt Trigger)是具有回差特性的数字 传输门，其特点： ① 施密特触发器输出有两种稳定状态——0态和1态； ② 施密特触发器采用电平触发，即它输出是高电平还是低电 平都取决于输入信号的电平； ③ 对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平 VT+ 和VT- 。当输入信号电压上升时，与VT+比较，若输入信 号大于VT+,输出状态翻转；当输入信号电压下降时，与VT比较，当输入信号小于VT-,输出状态翻转。这是与普通比较 器的区别。

施密特触发器分同相施密特触发器和反相施密特 触发器两种 ：vIvo VOH1

vI VT

1 vo

vo

vI

1

vI v 1 o VT

vo

vo VOH

VT

voVOH

voVOH

VT

上限阈值电压

VOL 0

VOL VT -0

VTH VT -

VTTH V+

V DD VT +

vI

VOL VOL vI V DD 0 VT - 0

VTH T-

VT + VTH

V DD+ I VT v

V DD v I

同相施密特触发器 (a)同相输出 (a)同相输出

(b)反相输出 (b)反相输出 反相施密特触发器

施密特触发器主要参数： ①上限阈值电压VT+:输入信号电压vI上升过程中， 输出电压vO状态翻转时，所对应的输入电压值。

vIvo VOH

1

vo VT

vI

1

vo

voVOH

VT

ΔVTVOL 0

下限阈值电压

VT -

VTH

VT +

V DD

vI

VOL 0

VT -

VTH

VT +

V DD v I

(b)反相输出 (a)同相输出 ②下限阈值电压VT-:输入信号电压vI下降

过程中，输出电压vO 状态翻转时，所对应的输入电压值。 ③回差电压△VT:VT+和VT-之间的差值 ，即△VT =VT+-VT-

两次触发电平的不一致性称为施密特触发器的回差特性，又 叫滞迟特性，这是施密特触发器最重要的电气特性。由于施 密特触发器具有回差特性，与电压比较器相比，施密特触发 器具有较强的抗干扰能力。施密特触发器的回差电压越大， 电路的抗干扰能力也越强，但灵敏度会相应降低。

7.3.1 555定时器构成的施密特触发器Vcc

Vcc8 4+ -

8 7

4

1CB555 1 5 3

VR1

5 K

5vI

C1

vC1

&Q G1

vI

6 2

6

vo0.01 F2VR 2

5 K + -

C2

vC 2

& G2 Q

& G3

1 G4 3

vo

0.01 F

5 K

7

TD 1

555定时器构成的施密特触发器电路 (a)

构成： ① 2脚和6脚连一起接输入信号vI;

② 4脚和8脚连一起接电源电压VCC; ③ 5脚通过0.01μF的电容和1脚一起接接地； ④ 7脚悬空，3脚输出。

工作原理：① 输入信号vI从0逐渐升高的过程：Vcc

8

4+ -

vI<VCC/3vI

VR1

5 K

5 6

C1

vC1

&Q G1 & G2 Q &

5 K

1vC 2

0.01 F

0

2VR 2

+ -

1 G4 3

C2

vo

输出高电平

5 K

0TD

1 G3

1

7 1

vI<VCC/3

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gf5q.html