脉冲波形原理与产生与整形
脉冲波形的产生与整形
脉冲波形的产生与整形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。
1 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。
该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。
因而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。
一． 555定时器的电路结构与工作原理 1．555定时器内部结构：（1）由三个阻值为5k Ω的电阻组成的分压器； （2）两个电压比较器C 1和C 2：v +＞v －，v o =1； v +＜v －，v o =0。
（3）基本RS 触发器；（4）放电三极管T 及缓冲器G 。
2．工作原理。
当5脚悬空时，比较器C 1和C 2的比较电压分别为cc V 32和cc V 31。
（1）当v I1>cc V 32，v I2>cc V 31时，比较器 C 1输出低电平，C 2输出高电平，基本RS 触发器被置0，放电三极管T 导通，输出端v O 为低电平。
第10章脉冲波形的产生和整形
返回
图10.4.6 非对称式多谐振荡器电路
图10.4.6电路中CMOS反相 器静态工作点的确定
40
图10.4.8 图10.4.6电路中电容的充、放电等效电路 返回 （a）放电的等效电路（b）充电的等效电路
41
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图10.4.9 图10.4.6电路的工作波形图
42
10.4.3 环形振荡器
返回
1. 最简单的环形振荡器
较
30
3. TTL集成单稳态触发器电路74121的功能及其应用 表触既 部1入0发还可-端1输设7采744有1用122定11上电是时升路一电输的沿种阻出功触不能R端发可i表n，t重(约又复为可触2采k发Ω用的)元外。下单件接降稳引定沿态时脚触触发发阻内，器引部其，电脚它内
图10.3.9 74121的电路符号 31
这样，周而复始，电路不停地在两个暂稳态之 间振荡，输出端产生了矩形脉冲。
37
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图10.4.5 对称式多谐振荡器的工作波形
38
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3. 主要参数 矩形脉冲的振荡周期为 T≈1.4RFC 当取RF＝1kΩ、C＝I00 pF～100 μF时，则该电
路的振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内变化。
39
10.4.2 非对称式多谐振荡器
22
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（3）电容C充电，电路由暂稳态自动返回稳态。 在暂稳态期间，VDD经R对C充电，使vI2上升。
当vI2上升达到G2的VTH时，电路会发生如下正反馈 过程：
23
返回
使电路迅速由暂稳态返回稳态，vO1=VOH、 vO= VOL。
从暂稳态自动返回稳态之后，电容C将通过电阻 R放电，使电容上的电压恢复到稳态时的初始值。
（5）占空比q =t w /T 。通常q用百分比表示，如
7脉冲波形的产生与整形电路
图
脉冲定时
EXIT
数模和模数转换器
7.3 施密特触发器
主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿 陡峭的矩形波。 特点： ⑴电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持 和转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平 触发。 ⑵电压传输特性特殊 ，电路有两个转换电平 （上限触发转换电平UT+和下限触发转换电平UT－）。 ⑶状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡 峭的矩形脉冲。
脉冲信号。
EXIT
数模和模数转换器
7.1 多谐振荡器
1．多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。
2．通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交
替，从而产生自激振荡，无需外触发。
3．输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的
谐波分量，故称作多谐振荡器。
EXIT
数模和模数转换器
7.1.1 矩形脉冲的主要参数 1. 常见的脉冲波形 脉冲波形是指突变的电流和电压的波形。
图7-1 常见的脉冲波形图 EXIT
数模和模数转换器
2. 矩形波及其参数
数字电路中用得最多的是矩形波。矩形波
有周期性与非周期性两种。
图7-2 非周期性和周期性矩形波 (a) 非周期性 (b) 周期性 EXIT
数模和模数转换器
图7-3 矩形波的主要参数
周期性矩形波的 周期用T表示，有时 也用频率f表示（f =1/ T）。 矩形波的另外几 个主要参数：
前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是振 荡频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC参
数误差的影响。
而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信
号来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号
频率不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面
电子技术基础第8章 脉冲波形的产生和整形
（2）触发翻转
（3）暂稳态 （4）自动返回
（5）恢复阶段
8.4 单稳态触发器
8.4.1 由555定时器构成的单稳态触发器 3.主要参数 （1）输出脉冲宽度tpO （2）恢复时间tre
（3）最高工作频率fmax
8.4 单稳态触发器
8.4.2 集成单稳态电路 1.不可重复触发单稳态触发器74121 （1）图形符号及逻辑功能表
元件的参数，与暂稳态期间是否再受到其他触发信号的作用无关，即输出脉冲宽度是固定
的。 可重复触发的单稳:即使受到前面信号的触发，电路进入暂稳态，后来的触发信号仍
可对它起作用，再触发后，电路还可以在暂稳态期间继续维持由定时元件所决定的时间，
也就是说，单稳电路输出脉宽可展宽，其展宽的脉冲宽度是第一个触发信号与这个触发信 号间的时间间隔。
74122图形符号
8.4 单稳态触发器
8.4.2 集成单稳态电路 2.可重复触发单稳态触发器74122 （2）触发
集成单稳态触发器74122在被触发，由稳定的“0”态翻转到暂稳态的两种情况。
（3）定时 74122集成单稳的脉冲宽度tpO 的大小可以通过三种方式来控制。
8.4 单稳态触发器
8.4.2 集成单稳态电路 2.可重复触发单稳态触发器74122 不可重复触发的单稳:在稳态情况下一旦进入暂稳态，暂稳态维持时间仅取决于定时
8.2 集成555定时器
• 555定时器是一种中规模集成定时电路（也称555时基电路），555定时电路的 产品有双极型和CMOS型两种。 1.电路形式
555集成电路内部结构框图
8.2 集成555定时器
2.功能
阈值端
≥2V cc/3 < 2V cc/3 < 2V cc/3 ×
第六章 脉冲的产生与原理及原理的应用
第6章脉冲波形的产生与整形
3. 实训设备及元器件 (1) 实训设备： 双路直流稳压电源、信号发生器1台、双踪示 波器1台、面包板1块、单股导线若干、万用表(数字表、指针表 各1块)。 (2) 实训器件：一只0.01mF的电容、一只1k的电阻、一块 NE555。 4. 测试内容 1) 测试电路 测试电路如图6.9所示。 2) 测试步骤 (1) 按图6.9所示接好电路，在输入端接入信号发生器，并用 示波器分别观测输入端和输出端的波形
1. 实训任务 (1) 用仪表仪器测试555定时器的逻辑功能。 (2) 分析和仿真555定时器的逻辑功能。 (3) 记录并比较测试结果。 2. 实训要求 (1) 熟悉555定时器的符号、逻辑功能、引脚排列。 (2) 小组之间相互学习和交流，比较实训结果。 3. 实训设备及元器件 (1)实训设备：直流稳压电源1台、面包板1块、单股导线若干、万 用表(数字表、指针表各1块)。 (2)实训器件：一只0.01mF的电容、一只1k的电阻、一块NE555。
第6章脉冲波形的产生与整形
NE555集成定时器内部电路如图6.1所示，它主要由3个电阻
R组成的分压器、两个高精度电压比较器C1和C2、一个基本RS
触发器、一个作为放电的三极管VT及输出驱动G3组成。
第6章脉冲波形的产生与整形
图6.1 NE555集成定时器内部电路
第6章脉冲波形的产生与整形
图6.2所示为555定时器的逻辑符号 和引脚排列。
t RC ln uC () uC (0) uC () UD
(6-2)
第6章脉冲波形的产生与整形
脉冲波形的产生与整形(全)
2020/8/16
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8.1.2 集成555定时器的应用
➢ 多谐振荡器 ➢ 单稳态触发器 ➢ 施密特触发器
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(一) 多谐振荡器
➢ 多谐振荡器是一种产生矩形脉冲波的自激 振荡器。由于矩形波含有丰富的高次谐波， 所以矩形波振荡器又称为多谐振荡器。多 谐振荡器没有稳态，不需外加触发信号， 当接通电源后，便可以自动地周而复始地 产生矩形波输出。
8
5 R1 5k Ω
V-C TH 6
VR1
+ - C1
R2 5k Ω
2
TL
+
VR2 - C2
R3 5k Ω
4R
R
1
VC1(VR)
Q 3
3 v0
S VC1(VS)
7
2Q
D
T R
1
图8-1集成5G555定时器原理图 7
1、555定时器基本结构
基本RS触发器 电源端
电阻分压器
8
电压控制端 5 R1 5k Ω
VCC时，
比较器C1输出低电平， 比较器C2输出低电平，
输出端v0为高电平， 放电三极管TD截止。
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5G555定时器的功能表。如表8-1所示。
表8-1 5G555定时器的功能表
TH
× ＞2VCC/3 ＜2VCC/3 ＜2VCC/3
TL
× × ＞VCC/3 ＜VCC/3
2）通过整形电路把已有的周期性变化 的波形变换为矩形脉冲。实现这一变换功能 的过程，称作“整形”。
常用的整形电路 有单稳态触发器和施密 特触发器 。
数字电子技术 第10章 脉冲波形的产生电路
第10章脉冲波形的产生与整形电路内容提要：本章主要介绍多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器的电路结构、工作原理及其应用。
它们的电路结构形式主要有三种：门电路外接RC电路、集成电路外接RC电路和555定时器外接RC电路。
10.1概述导读:在这一节中，你将学习：⏹多谐振荡器的概念⏹单稳态触发器的概念⏹施密特触发器的概念在数字系统中，经常需要各种宽度和幅值的矩形脉冲。
如时钟脉冲、各种时序逻辑电路的输入或控制信号等。
有些脉冲信号在传送过程中会受到干扰而使波形变坏，因此还需要整形。
获得矩形脉冲的方法通常有两种：一种是用脉冲产生电路直接产生，产生脉冲信号的电路称为振荡器；另一种是对已有的信号进行整形，然后将它变换成所需要的脉冲信号。
典型的矩形脉冲产生电路有双稳态触发电路、单稳态触发电路和多谐振荡电路三种类型。
（1）双稳态触发电路又称为触发器，它具有两个稳定状态，两个稳定状态之间的转换都需要在外加触发脉冲的作用下才能完成。
（2）单稳态触发电路又称为单稳态触发器。
它只有一个稳定状态，另一个是暂时稳定状态（简称“暂稳态”），在外加触发信号作用下，可从稳定状态转换到暂稳态，暂稳态维持一段时间后，电路自动返回到稳态，暂稳态的持续时间取决于电路的参数。
（3）多谐振荡器能够自激产生连续矩形脉冲，它没有稳定状态，只有两个暂稳态。
其状态转换不需要外加触发信号触发，而完全由电路自身完成。
若对该输出波形进行数学分析，可得到许多各种不同频率的谐波，故称“多谐”。
脉冲整形电路能够将其它形状的信号，如正弦波、三角波和一些不规则的波形变换成矩形脉冲。
施密特触发器就是常用的整形电路，它利用其著名的回差电压特性来实现。
自测练习1．获得矩形脉冲的方法通常有两种：一种是（）；另一种是（）。
2．触发器有（）个稳定状态，分别是（）和（）。
3．单稳态触发器有（）个稳定状态。
4．多谐振荡器有（）个稳定状态。
10.2 多谐振荡器导读:在这一节中，你将学习：⏹ 门电路构成多谐振荡器的工作原理 ⏹ 石英晶体多谐振荡器电路及其优点 ⏹ 秒脉冲信号产生电路的构成方法多谐振荡器是一种无稳态电路，它不需外加触发信号，在电源接通后，就可自动产生一定频率和幅度的矩形波或方波。