第五章 脉冲波形的产生与变换第五章 脉冲波形的产生与变换

5.1 概 述5.2 集成 555 定时器5.3 单稳态触发器5.4 多谐振荡器5.5 施密特触发器

55 ．． 1 1 概 述概 述

在数字系统中，经常需要用到有一定宽度和幅度的各种不同频率的时钟脉冲信号，且该时钟脉冲信号的上升沿、下降沿越陡峭越好，即脉冲信号越理想越好。获得矩形脉冲的方法通常有两种：一种是由脉冲振荡器直接产生；另一种是利用整形电路，将一个已有的不符合要求的波形通过整形变换成为矩形脉冲。

脉冲振荡器常用电路有多谐振荡器等；脉冲整形电路主要有单稳态触发器及施密特触发器。

5.1.15.1.1 常见的几种脉冲信号波形常见的几种脉冲信号波形

一切具有突变部分的周期性或非周期性的电流或电压波形统称为脉冲。脉冲是指在短暂的时间内作用于电路的电压或电流，即电压脉冲或电流脉冲。从广义来说，我们把各种非正弦信号统称为脉冲信号。

常见的脉冲信号波形，如图 5—1 所示

图 5—1 常见的脉冲信号波形

(a) 矩形脉冲 (b) 钟形波 (c) 方波 (d) 锯齿波 (e) 尖脉冲 (f) 阶梯波

5.1.25.1.2 矩形脉冲波形参数矩形脉冲波形参数 由于脉冲波形是各种各样的，所以，

用以描述各种不同脉冲波形特征的参数申不一样。例如用描述矩形脉冲的参数就和锯齿波的参数不一样。所以，我们仅以矩形脉冲为例，介绍脉冲波形的参数。

图 5—2 所示，为实际的矩形脉冲波形，用以下几个主要参数表示 .

图 5—2 矩形脉冲的主要参数

1 ．脉冲幅度 Vm—— 脉冲电压的最大变化幅度。

2 ．脉冲宽度 twm— 一脉冲波形前、后沿 0.5Vm 处的时间间隔

3 ．上升时间 tr— 一脉冲前沿 0 ． 1Vm 上升到 0.9Vm 所需要的时间。 4. 下降时间 tf—— 脉冲后沿从 0 ． 9Vm 下降

到 0.1Vm 所需要的时间。 5 ．脉冲周期 T—— 在周期性连续脉冲中，两个

相邻脉冲间的时间间隔。有时也用重复频率 f=1/T 表示单位时间内脉冲重复的次数。

5.1.3 最简单的脉冲波形变换电路——微分电路和积分电路

1 ．微分电路

微分电路可以将输入矩形脉冲的跳变部分选择出来，形成一对正负尖脉冲。因此，微分电路是——个最简单的波形变换电路，它可将矩形脉冲变换为一对正负尖脉冲。

微分电路的形式就是一个 RC 串联电路，输出电压为电阻 R 两端的电压。如图 5—3(a)所示。

(a) 电路原理图 (b) 工作波形图

图 5—3 微分电路

组成微分电路的条件是：电路的时间常数，

形脉冲宽度细小得多。即必须满足 RC ＜＜ tw 。在实际电路中，一般取 RC ＜ tw 则，输出电压即电路的输出电压与输入电压近似成微分关系，所以称之为微分电路。图 5—3(b) 是微分电路的工作波形图。

值得提出的是：当 RC>>tw 时，输出电压v0 与输入电压 vI 的波形近似相同，此时的 RC电路是耦合电路，而不是微分电路。

22 ．积分电路．积分电路 积分电路可以将输入的矩形脉冲变换为锯

齿波。所以，积分电路也是—个最简单的波形变换电路。

图 5—4(a) 所示为积分电路。与微分电路相比较，只是 R 和 C 的位置对调了，输出电压为电容两端的电压。

积分电路必须满足 RC>>tw 。当电路满足条件 RC>>tw 时有

(a) 电路原理图 (b) 工作波形图

图 5—4 积分电路

电路输出电压 v0 与输入电压 vi 近似成积分关系，因此，这种 RC 电路称为积分电路。图 5—4(b) 是积分电路的工作波形图。

1 RdtC Rv

0

1c c

dtCv v i

1 1R Idt dt

RC RCv v

5.2 5.2 集成集成 555555 定时器定时器

555 集成定时器产生于 70 年代初，它是一种中规模定时器，又称时基（ Time base ）电路。它广泛应用于波形的产生与变换、测量与控制、家用电器及电子玩具等各领域。我国先后生产了双极性定时器、 CMOS 定时器。两者电路结构基本相同，功能一致。下面以 5G555（双极性定时器）为例简要介绍其组成及功能。

5G555 时基电路简化原理图及外引线排列图分别如图 5—5 （ a ）、（ b ）所示。

(a)5G555 时基电路简化原理图表 (b) 5G555 时基电路外引线排列图

图 5—5 5G555 时基电路

555 定时器含有两个电压比较器 A 和 B 、

一个由“与非”门组成的基本 RS 触发器、一个放电晶体管 VT 以及由三个 R=5kΩ 的电阻组成的分压器。比较器 A 的参考电压为 Vcc ，加在同相输入端； B 的参考电压为 Vcc ，加在反相输入端。两者均由分压器上取得。各外引线端的功能是：

1脚为接地端。 2脚为低电平触发端，由此输入触发脉冲。

当 2脚的输入电压高于 Vcc 时， B 的输出为“ 1” ；当输入电压低于 Vcc 时， B 的输出为“ 0” ，使基本 RS 触发器置“ 1” 。

3脚为输出端，输出电流可达 200mA ，因此可直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等。输出高电压比电源电压 Vcc约低1～ 3V 。

4脚为复位端，由此输入负脉冲而使触发器

直接置“ 0” 复位。 5脚为电压控制端，在此端可外加一电压以改变比较器的参考电压。不用时，经 0.01μF 的电容接“地”，以防止干扰的引入。

6脚为高电平触发端，由此输入触发脉冲。当输入电压低于 Vcc 时， A 的输出为“ 1” ，当输入电压高于 Vcc 时， A 的输出为“ 0”使基本 RS 触发器置“ 0” 。

7脚为放电端，当触发器的端为“ 1” 时，放电晶体管 T导通，外接电容元件通过 T放电。

8脚为电源端，可在 5～ 18V范围内使用。

5.3 5.3 单稳态触发器单稳态触发器

5.3.1 TTL 微分型单稳态电路 5.3.2 TTL 积分型单稳态路 5.3.3 555 定时器构成的单稳态触发器

一、电路组成一、电路组成

由两个或非门和 RC 电路组成，如图 5—6(a) 所示。

(a) 电路原理图 (b) 工作波形图

图 5—6 TTL 微分型单稳态电路

二、工作原理二、工作原理

1 ．当 vi=0 时，由于此时 vi2 为高电平（等于Vcc ），所以门 2 输出 vo2 为低电平（等于0 ）；门 1 的输入全为低电平，门 1 输出为高电平，即门 1截止、门 2导通， vo1=1 、 vo2=0 。这是电路的稳定状态。

2 ．当 vi 从 0 跳变为 Vcc 时，电路产生如下正反馈过程：

这个过程使得电路迅速进入门 1导通、门 2截止，电源 VCC 的经门 1 、 R 、 C开始对电容 C进行充电，电路进入暂稳状态。同时输入电压 vi 跳变为 0 。

3 ．随着 C 的充电，电容两端的电压上升，

即 vi2 上升。当 vi2 上升到门电路的阈值电压 VTH 时，电路将产生如下正反馈过程：

随着 C 的充电

这个过程使得电路迅速进入门 1截止、门

2导通的起始稳定状态，即 vO1=1 、 vO2=0 。此时，电容 C 经门 2 、 R放电。

4 ．随着 C 的放电，电容 C 两端的电压下降为 0 ，电路恢复到初始的稳定状态，等待下一次的触发。

图 5—6(b) 为其工作波形图。

三、输出脉冲宽度三、输出脉冲宽度 ttWW 的估算的估算

电路的输出脉冲宽度可按下式估算

RCVv

vvRCt

THI

IIW 7.0

)(

)0()(ln

2

22

5.3.2 TTL 积分型单稳态电路一、电路组成

如图 5—7(a) 所示电路，是由两个与非门和连接成积分电路形式的 RC 定时电路组成的。

(a) 电路原理图

二、工作原理

当输入 vi1 为低电平时，门 1截止， vol 为高电平；门 2截止， v0 为高电平。这是电路的稳态。稳态时，电容 C 电压 vc＝ V0H ，因此 vi2 为高电平。

当 vi1 由低电平变为高电平时，一方面使门 2 的输入 A 端为高电平，另一方面使门 1导通， vol 由高电平变为低电平。但由于电容两端电压不能突变，所以门 2 的另一个输入 vi2仍保持高电平。因此，这时门 2 输出 v02= v0 为低电平。电路进入了门 1导通、门 2 也导通的暂稳状态。

在 vi1维持高电平期间，电容 C 经电阻、门 1 输出电路放电， vi2 以时间常数 τ＝ RC指数规律下降。当 vi2 下降到 vTH (＝ 1 ． 4V) 时，门 2 由导通变为截止， v0 就由低电平变为高电平，电路返回到门 2截止状态。

当 vi1 由高电平变为低电平时， vol随之由低电平跳变到高电平，并通过电阻 R 对电容C充电，此时暂稳态结束。

图 5—7(b) 是 TTL 与非门组成的积分型单稳态电路的工作波形图。

(b) 工作波形图

三、输出脉冲宽度的估算三、输出脉冲宽度的估算

电路的输出脉冲宽度可按下式估算

RCVv

vvRCt

THI

IIW 1.1

)(

)0()(ln

2

22

5.3.3 555 定时器构成的单稳态触发器

一、电路组成

由 555 定时器组成的单稳态触发器其原理图及波形图如图 5—8 （ a ）、（ b ）所示。其中输入触发脉冲 vI 从 2 端， 6 、 7 两端相连并与定时元件 R 、 C 相接。

(a) 电路原理图 (b) 工作波形图图 5—8 555 定时器组成的单稳态触发器

二、工作原理二、工作原理

1 ．电路的稳态 初始状态下，尚未加入触发脉冲， vi 为高电平，即基本 RS 触发器的端为 1 。同时电容未被充电， vc＝ 0 ，基本 RS 触发器的端也为 1 。所以，基本 RS 触发器处于保持状态。

当接通电源时，如果原状态为 Q = 0 ，，则，V管导通，电容 C被旁路而无法充电，因此电路就稳定在 Q = 0 ，的状态。如果开始触发器处于 Q = 1 ，状态，那么 V管截止，因此接通电源后，电路有一个逐渐稳定的过程：即电源 +Vcc经电阻 R 对电容 C充电，电容电压 Vc 上升，当Vc 上升到时，触发器置 0 ，即 Q = 0 ，，从而使放电管 V导通，随即电容 C 通过放电管 V放电，Vc迅速下降到 0 。一旦 V管导通，电容 C被旁路，无法再充电，这就是接通电源后电路所处的稳定状态。这时， Vc＝ 0 ， V0 为低电平。

2 ．触发翻转为暂稳态 在触发脉冲 vI 作用下，低触发端 ( 端 )加

入负脉冲，即＝ 0使触发器翻转为 1 态。输出v0 为高电平。因 Q = 1 ，，所以放电管 V截止，电路进入了暂稳态，定时开始。

在暂稳态阶段， C充电 (充电回路为 +VCC→R→C→地 ) ，充电时间常数为 τ＝ RC ，vC按指数规律上升，趋向 +VCC 值。

3 ．自动返回过程 当电容上的电压上升到时，高触发端由 0

变为 1 ，因这时 vI 已回到高电平，低触发端＝1 ，故触发器又被置 0 ，输出 v0 变为低电平。由于 Q = 0 ，，使放电管 V导通，定时电容 C充电结束，即暂稳态结束。

4 ．恢复过程 放电管 V饱和导通后，电容 C 经放电管 V放电， vC迅速下降至 0 。这时＝ 1 ，＝ 1 ，基本 RS 触发器状态保持， Q 仍为 0 ， v0＝ 0 。电路恢复到稳态时的 vC＝ 0 ， v0 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。工作波形图见图 5—8 （ b ）。

55 ．． 4 4 多谐振荡器多谐振荡器

5.4.1 TTL 与非门组成的多谐振荡器5.4.2 555 定时器构成的多谐振荡器

5.4.1 TTL 与非门组成的多谐振荡器一、电路组成

图 5—9 所示是 TTL 与非门组成的对称式多谐振荡器电路。其中． vK 是控制信号，当 vK 是高电平时，振荡器振荡； vK 为低电平时，振荡器停止振荡。 RF1 ， RF2 是用来确定 TTL 与非门的静态工作点，使与非门工作于传输特性的转折区。

图 5—9 TTL 与非门组成的对称式多谐振荡器电路

二、工作原理二、工作原理

当 TTL 与非门工作在传输特性的转折区时，对输入信号有很强的放大作用，因此，只要把静态时工作在转折区的两个与非门用电容耦合起来，就可以形成一个多谐振荡器。

接通电源后并使 vK 为高电平时，由于门1 、门 2都工作在转折区，只要电路不完全对称或由于电源电压变化和一点小的干扰，都会引起振 荡。

例如，由于某种原因，使得 vI1略有增大，就会产生下列正反馈的过程：

从而使门 1迅速饱和导通，门 2迅速截止 . 这是电路的第一暂稳状态，是不稳定的，在这

一暂稳态的持续时间里，电容 C1充电， C2放电。

由于充电时间常数小于放电时间常数，所以 C1充电速度快， C2放电速度慢，因而使得vI2首先上升到阈值电压 VTH ，这又引起了以下的正反馈过程

则门 1迅速截止，门 2迅速饱和导通，电

路从第一暂稳态进入了第二暂稳态。与此同时，C2开始充电， C1放电，这时，同样是充电快、放电慢，即由于 C2充电快，使 vI1首先上升到阈值电压 VTH ，因而又一次引起正反馈连锁反应，使电路重新回到门 1饱和导通、门 2截止的第一暂稳态。

由以上分析可知，图 5—9 所示电路只有两个暂稳态。由于电容的充放电作用，使电路自动在两个暂稳态中交替转换，在与非门的输出端输出矩形脉冲。

由于矩形波中除基波外，还包含许多的高次谐波，因此，这种电路又称为多谐振荡器。当电路参数对称时，即 C1＝ C2 ， RF1=RF2 ，则输出对称的矩形脉冲 ( 又称为方波 ) 。

图 5—10 所示，为多谐振荡器的工作波形图。

图 5—10 多谐振荡器工作波形

三、振荡周期的估算三、振荡周期的估算 若取 R F1=RF2=RF 、 C1＝ C2＝ C 的条件下，

振荡周期 T 可近似地按下式估算：

其中 VIK 、 VOH 可从门电路手册中查得。考虑到门电路输入端反向钳位二极管的作用，若取 VIK＝ -1V ， VTH＝ 1 ． 4V ， VOH＝ 3 ． 6V ，则

THOH

IKOHF VV

VVCRT

ln2

CRT F4.1

5.4.2 5555.4.2 555 定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器

图 5—11 是由 555 定时器组成的多谐振荡器。其原理图及波形图如图 5—11 （ a ）、（ b ）所示。

(a) 电路原理图 (b) 工作波形图图 5—11 555 定时器组成的多谐振荡器

一、电路组成 如图 5—11 (a) 所示。其中，把 2 端和 6 端连接，

6 、 7 端之间接入电阻 R2 ，即构成了多谐振荡器。二、工作原理 接通电源时， vc＝ 0 ，则＝ 0 ， =1 ， 555 内部

RS 触发器置 1 ， 3 端输出 v0 为高电平。同时，因 =0 ，使放电管V截止。所以，接通电源后，电容 C开始充电，电路处于第一暂稳态。随着C充电， vc 上升，当 vc 上升至时，＝ 1 ， =0 ，触发器翻转为 0 态，输出 v0 为低电平。

此时，因 =1 ，使放电管 V导通、电容 C充电结束，电路进入第二暂稳态。

由于放电管 V导通，电容 C开始放电。随着 C 的放电， Vc 下降，当 Vc 下降到时，触发器置 1 ，输出 Vc 为高电平，电路又翻转到第一暂稳态。这时，放电管 V 又截止，电容 C放电结束，又处于充电状态，重复上述过程。

工作波形图如图 5—11(b) 所示。

三、电路振荡周期 T 的估算

其中

则

WHWL ttT

CRCRtWL 22 7.02ln

CRRCRRtWH )(7.02ln)( 2121

WHWL ttT CRR )2(7.0 21

5.5 施密特触发器

施密特触发器是数字系统中常用的电路之一，它可以把变化十分缓慢的不规则的脉冲波形变换成为数字电路所需要的矩形脉冲。

施密特电路的特点在于它也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是不仅这两个稳定状态的转换需要外加触发信号，而且稳定状态的维持也得依赖于外加触发信号，因此它的触发方式是电平触发。

5.5.1 TTL 与非门组成的施密特触发器

如图所示。由三个与非门 和二极管 D 组成。其中门 1 、 门 2 组成基本 RS 触发器， D

为电平转移二极管，用以产 生固定的回差电压。

(a) 电路原理图

(b) 工作波形图图 5—12 TTL 与非门组成的施密特触发器

二、工作原理二、工作原理 为了便于分析，假设输入信号为一个三角

波，如图 5—12(a) 所示， (b) 为施密特触发器的工作波形图。

1 ．当 t＝ 0 时， vi 为高电平，门 3导通，，D截止，为悬空高阻状态，因端具有 1 ． 4V钳位电压，故相当于＝ 1 。所以门 1截止， v01 为高电平，门 2导通， v02 为低电平，并通过反馈自锁，电路处于第一稳态。

2. 当 t＝ t1 时， vi＝ 1 ． 4V ，门 3开始截止，

v03 为高电平，即，但基本 RS 触发器状态不变。二极管 D仍然截止，仍为 1 。由于基本 RS 触发器状态不变，即 v01仍为高电平， v02仍为低电平。

3.若 v01继续下降，当 t＝ t2 时， vI＝ 0 ． 7V ，二极管 D导通，端电压下降到 1 ． 4V ，即＝ 0 ，而这时门 3仍为截止，，因此，基本RS 触发器翻转为门 2截止、门 1导通的状态，即 v02 为高电平， v01 为低电平，电路由第一稳态翻转为第二稳态。

随后， vI继续下降，电路仍维持在第二稳态。

4 ． vi 过了三角形最低值以后开始上升。当 t＝ t3 时， vi 上升到 0 ． 7V ，门 3仍截止，即；端因二极管 D截止而仍处于悬空状态。所以，电路并不翻转，仍将保持在第二稳定状态。

5 ． vi继续上升，当 t＝ t4 时， vi＝ 1 ． 4V ，此时 D仍为截止，仍为悬空。但由于门 3导通，v03 为低电平，即，因而使门 1截止， v01 为高电平；门 2导通， v02翻转成低电平，即电路由第二稳态返回到第一稳态。

以上分析表明，施密特触发器具有两个稳定状态。不仅稳定状态的转换需要外加触发脉冲，而且稳定状态的维持也需要外加触发脉冲。

5.5.2 555 定时器构成的施密特触发器

图 5—13 是由 555 定时器组成的施密特触发器。其原理图及波形图如图 5—13 （ a ）、（ b ）所示

(a) 电路原理图 (b) 工作波形图图 5—13 555 定时器组成的施密特触发器

在该电路中，将 555 定时器的高触发端 (6端 ) 和低触发端 (2 端 ) 连接起来，因此，不论输入信号的波形如何，只要其幅度达到，使 =0 ，＝ 1 ，触发器将置 0 ，即 Q＝ 0 ，输出 v0 为低电平。若输入信号幅度降至，使 =1 ，＝0 ，，则触发器置 l ，即 Q＝ 1 ，输出 v0 为高电平。