脉冲波形的产生与整形(全)
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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 。
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➢ 矩形脉冲波常作为时钟信号。波形的好坏直接
关系到电路能否正常工作。为了定量描述矩形 脉冲波，通常采用如图所示参数。
Tw T
tr
tf
0.9Vm
0.5Vm
Vm
0.1Vm
TW
T
脉冲波形参数
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8.1 集成555定时器及应用
➢ 集成555定时器的用途很广，有双极型（型 号最后三位为555）和CMOS型（型号最后 四位为7555）两类电路。它们的功能、外 引线排列完全相同。在测量与控制、家用 电器和电子玩具等许多领域得到了广泛的 应用。
C2 的比较电压 分别为：
控制电压 高触发
5 R1 5k Ω
V-C TH 6
VR1
+ - C1
低触发
R2 5k Ω
2
TL
+
VR2 - C2
2V 和1V
3 CC
3 CC
R3 5k Ω
GND 1
4R
R
Q
1
3
v0
VC1(VR)
S VC1(VS)
7
2Q
D
T R
1)当vTH>
2 3
VCC,
vTL>
1 3
VCC时，比较器C1输出低电平，
的状态保持。
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控制电压 高触发
低触发
5 R1 5k Ω
V-C TH 6
VR1
+ - C1
R2 5k Ω
2
TL
+
VR2 - C2
R3 5k Ω
4R
R
Q
1
3
v0
VC1(VR)
S VC1(VS)
7
2Q
D
T R
GND 1
4) 当vTH> 2
3
VCC,
vTL< 1
3
R
VO
0
0
1
0
1
不变
1
1
T
导通 导通 不变 截止
当=若 RT只T通0保SHT，T；要触H>持Hv2<发o<QRV=原221C器V=V来，C0CC/保C3，C状三/时/3持3则态,极,，TT原；管LLQ即来><T=VVV状1截CC-，>CC态止V//33v+不。o时时，=变0，，v，C，则则1=T因v0v处CC，此11==Q于11输=、、导1出，vv通CCvv22o状==o和=100态，三、，基极Q；T=本管当导1、
0.9Vm
0.5Vm
Vm
0.1Vm
TW
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T
脉冲波形参数 4
脉冲宽度Tw——从脉冲波形上升沿上升到0.5Vm起
到下降沿下降到0.5Vm止的时间。
上升时间tr——脉冲波形的上升沿从0.1Vm上升到
0.9Vm所需时间。
下降时间tf——脉冲波形的下降沿从0.9Vm下降 到
0占.1空Vm比所q需—时—间脉。冲宽度Tw与脉冲周期T之比即q
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➢ 用 555 定 时 器 很 容 易
VCC
构成多谐振荡器。如
通常，把非正弦波称之为脉冲波。按脉冲 波形的形式分成矩形波、梯形波、阶梯波、锯 齿波等。本章主要介绍用多谐振荡器直接产生 矩形波和利用整形电路获得矩形波的方法。
概述 8.1 集成555定时器及应用
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概述
获得矩形脉冲波形的两种方法 ：
1）利用各种形式的多谐振荡器电路， 直接产生矩形脉冲；
比较器C2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v0为低电平。
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控制电压 高触发
低触发
5 R1 5k Ω
V-C TH 6
VR1
+ - C1
R2 5k Ω
2
TL
+
VR2 - C2
R3 5k Ω
4R
R
Q
1
3
v0
VC1(VR)
S VC1(VS)
0.9Vm 0.5Vm 0.1Vm
tr
tf
Vm
TW T
脉冲波形参数
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➢ 脉冲周期T——周期性重复的脉冲序列中，
相邻两个脉冲间的时间间隔。➢ 脉冲频率f——频率f表示单位时间内脉冲重
复的次数， f 1 T
➢ 脉冲幅度Vm——脉冲波形的电压最大变化
幅度。
tr
tf
V-C
高触发端 TH 6
VR1
+ - C1
R2 5k Ω
低触发端
2 TL
+
比较器
VR2 - C2
R3 5k Ω
复位端
4R
R
1
VC1(VR)
S
2
VC1(VS)
R
地端
1
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输出缓冲器
Q 31
3 输出端
7 放电端
Q
D
T
三极管 开关
8
2 工作原理
8
5脚悬空时，
比较器C1、
7
2Q
D
T R
GND 1
2) 当vTH<
2 3
VCC,
vTL<
1 3
VCC时，比较器C1输出高电平，
比较器C2输出低电平， 基本RS触发器被置1，放电三极
管T截止，输出端v0为高电平。
3) 当vTH<
2 3
VCC,
vTL>
1 3
VCC时，比较器C1输出高电平，
比较器C2输出高电平， 基本RS触发器状态不变，v0和T
➢ 5G555定时器的电路组成及工作原理
➢ 集成555定时器的应用
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8.1.1 电路组成及工作原理
➢ 图8-1为双极型5G555定时器的原理电路和引脚排列图。
+VCC D TH V-C 876 5 5G555 12 34
GND TL R OUT
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脉冲波形的产生与整形
8.3 单稳态电路
1.输出 脉冲宽度tW
2.恢复时间tre
4.输出脉 冲幅度Um
3.分辨时间td
8.3 单稳态电路
8.3.3 集成单稳态电路
常用单稳态电路有 54/74121，54/74221， 54/74123，CD4098， CD4538等。
集成单稳态电路分为 可重复触发型和不可重复 触发型两种。如图8.3.7 所示，输入给电路的4个 触发脉冲分别作用于两种 单稳态电路。
8.4 多谐振荡电路
2.石英晶体多谐振荡器 前述的各种多谐振荡器由于阻容元件及门电路的阈值电压等随外界条
件（主要是温度）变化较大，其频率稳定性一般很难优于10－3。石英晶体 多谐振荡器具有极高的稳定性，用它作为谐振元件做成的石英晶体多谐振 荡器的频率稳定性可优于10－9。
石英晶体的等效电路如图8.4.7（a）所示，图8.4.7（b）是其电路符 号，图8.4.7（c）是其阻抗频率特性。
因为ui=uo,再经过3个tpd时间,uo自动返回到低电 平,如此循环反复,输出矩形脉冲,产生振荡信号。矩 形脉冲振荡信号波形图如图8.4.2（b）所示，其振荡 周期为T=2×3tpd =6tpd
8.4 多谐振荡电路
图8.4.2 环形多谐振荡器
8.4 多谐振荡电路
8.4.2 对称和谐振荡器
在介绍单稳态电路时，将RS锁存器一侧的反馈回路改为RC微 分电路，如图8.4.4(a)、(b)所示，结果使电路由具有两个稳态 变成了具有一个稳态和一个暂稳态。
第8章 脉冲波形的产生与整形
本章小结 ➢施密特触发器除了波形变换、脉冲鉴幅、脉冲整形外，还可以改善 输入脉冲的上升沿和下降沿，使脉冲接近理想脉冲信号。施密特触发 器除有反相传输和同相传输两种电路外，还有施密特与非门、施密特 或非门等。 ➢集成定时器电路有TTL构成的电路，也有CMOS构成的电路。除了作 为定时器外，还可作为施密特触发器、单稳态电路和多谐振荡器等。 ➢当需要产生的脉冲信号频率较高，并且频率稳定性较高时，通常采 用石英晶体振荡器。
第7章脉冲波形
1、组成
1 UO1 1 UO2 1 UO3
利用门电路的传输延迟时间tpd ， G1
G2
G3
将奇数个反相器首尾相接。
2、工作波形
UO1 tpd
3、计算
TW = ntpd ；
UO2
t
n是门的数目。
UO3
t
T=2TW ； f =1/T
TW
一般，tpd =
TTL类几十 ns CMOS类几百ns
（所以，环形振荡器 t 的振荡频率f 特别高）
vO VOH
VOL
0
VT-
VT+
vI
图7.5 施密特触发器的传输特性和电路符号
7-3-1 用门电路构成施密特触发器
一、构成（用CMOS非门）
R1
二、工作原理
UI
R2
G1
1
UI’
UO1
G2 1
UO
UI =0 UI上升 过程中
UI下降 过程中
UI
0
<VT+ =>VT+ =VT+ >VT+
>VT=>VT=VT<VT-
A1 (3)
A2 (4)
1
B (5)
RINT (9) CEXT (10)
REXT/CEXT (11)
(6)
Q
TR_A (3) ≥1 & 1
TR_B (4)
(6) Q
TR+ (5)
RINT (9)
(1)
Q
RI
CEXT (10)
CX
REXT/CEXT (11) RI/ CX
(1)
Q
7-4-4 单稳态触发器的应用
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10章 脉冲波形
uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间。
数字电子技术
单稳态触发器小结
单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由 555定时器构成。在单稳态触发器中，由一个暂稳 态过渡到稳态，其“触发”信号也是由电路内部 电容充（放）电提供的，暂稳态的持续时间即脉 冲宽度也由电路的阻容元件决定。
单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但 却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途 很广。
对称式 多谐振荡器
数字电子技术
二、工作原理
假定接通电源后，由于某种原因使uI1有微小正跳变，则 必然会引起如下的正反馈过程 ：
使uO1迅速跳变为低电平、uO2迅速跳变为高电平， 电路进入第一暂稳态。 此后，uO2的高电平对C1电容充电使uI2升高，电容 C2放电使uI1降低。由于充电时间常数小于放电时间常数， 所以充电速度较快，uI2首先上升到G2的阈值电压UTH， 并引起如下的正反馈过程：
为数字—模拟混合集成电路。 可产生精确的时间延迟和振荡，内部有 3 个 5KΩ的电阻分压器，故称555。
在波形的产生与变换、测量与控制、家用电
器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。
数字电子技术
各公司生产的 555 定时器的逻辑功能与外引线 排列都完全相同。
双极型产品 单555型号的最后几位数码 双555型号的最后几位数码 优点 电源电压工作范围 负载电流 555 556 驱动能力较大 5~16V 可达200mA CMOS产品 7555 7556 低功耗、高输入阻抗 3~18V 可达4mA
数字电子技术
10.4 多谐振荡器
1. 多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。 • 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。 • 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。
脉冲波形的产生和整形
第十章脉冲波形的产生和整形内容提要本章主要介绍矩形波的产生和整形电路。
在矩形波产生电路中介绍几种常用的多谐振荡器－对称式和非对称多谐振荡器、环形振荡器以及用施密特触发器和555定时器构成的多谐振荡器等。
此外对几种不同类型的压控振荡器也做了介绍。
在整形电路中，介绍了施密特触发器和单稳态触发器。
本章也讨论了最常用的555定时器及其所构成的施密特触发器、单稳态触发器及多谐振荡器的电路及工作原理。
本章内容10.4 多谐振荡器10.5 555定时器及其应用一、产生矩形脉冲的途径形如图10.1.1所示。
其中：图10.1.1脉冲周期T ：周期行重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。
有时也用频率f＝1/ T表示单位时间内脉冲重复的次数上升时间t r ：脉冲上升沿从0.1V m 上升到 0.9V m 所需要的时间图10.1.1W ：从脉冲前沿到达0.5V m 起，到脉冲后沿到达0.5V m 为止的一段时间。
下降时间t ：脉冲下降沿从图10.1.1占空比q ：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q ＝t w 注：在脉冲整型或产生电路用于数字系统时，有时对脉冲有些特殊要求，如脉冲周期和幅度的稳定性10.2 施密特触发器（Schmitt Trigger）换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。
注：利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢地信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形波脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。
图10.2.111I v 1R 2R I v ′o v 1o v ov ′G 1G 2图6.2.1 用C M O S 反相器构成的施密特触发器（a ）电路I v v ′I v o v 设反相器G 1和G 2均为CMOS 门，其阈值电压为＝011≈+=v R R v A ①当v I ＝0时， v o1＝ V OH ， v o ＝ V OL ≈0，此时G 1门的输入电压为逐渐升高到使得v A＝时，反相器进入电压传输特性的放大区（转折区），故v A的增加，会引起下面的正反馈，即v1o v vA设施密特触发器在输入信号v I 正向增加时的门槛电T ＋，称为正向阈值电压，此时v o ＝0， G 1门的输入电压为++=T 212TH V V R R R v A ＝121T V V R R R R ++＝于也存在正反馈，即ov 使电路迅速跳变到v o ＝V OL ≈ 0此时施密特触发器在v I 下降时对应输出电压由高电平转为低电平时的输入电压为DD 211T 2120211I 212TH V V V R R R R R R v R R R v R R R v A ++++++=－＝＝TH21T V )1V R R −＝（－由于V TH ＝ V DD / 2，故只要v ITH21T T T V 2V V V R R =∆－＋－＝THT I V R R V V )(211+==+THT I V R R V V )(211−==−施密特触发器的电压传输特性为图10.2.2所示图10.2.2TH V DDV Iv ov V O L＋T V －T V TV ∆TH V DD V Iv Av 0＋T V －T V TV ∆(a ）同相输出（b ）反相输出V O HV O LV O H用门电路组成的施密特触发器TH DDV Iv ＋T －T TH V V Av 0＋T V －T V TV ∆(a ）同相输出（b ）反相输出图100..2.3由C M OS 反相器构成的施密特触发器的电压传输特性V O LV O H图10.2.3(a)是以v o 做为输出的， v o 和v I 同相位；而图10.2.3(b)是以v ′A 做为输出的，利用施密特触发器可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲DD V I v ＋（b ）反相输出反相器构成的施密特触发器的电压传输特性利用施密特触发器将一系列幅度不同的脉冲信号，其中幅度大于正向阈值电压的幅度鉴别出来。