1、第8章 脈沖波形的產生與整形 第第8章章 脈沖波形的產生與整形脈沖波形的產生與整形 8.1 概述概述 8.2 555定時器及其應用定時器及其應用 8.3 集成單穩態觸發器集成單穩態觸發器 8.4 集成邏輯門構成的脈沖電路集成邏輯門構成的脈沖電路 第8章 脈沖波形的產生與整形 8.1 概概 述述 8.1.1 脈沖產生電路和整形電路的特點脈沖產生電路和整形電路的特點 獲得矩形脈沖的方法通常有兩種：一種是用脈沖產生 電路直接產生；另一種是對已有的信號進行整形，然后將 它變換成所需要的脈沖信號。 脈沖產生電路能夠直接產生矩形脈沖或方波，它由開 關元件和惰性電路組成，開關元件的通斷使電路實現不同 狀態的

2、轉換，而惰性電路則用來控制暫態變化過程的快慢。 典型的矩形脈沖產生電路有雙穩態觸發電路、單穩態觸 發電路和多諧振蕩電路三種類型。 第8章 脈沖波形的產生與整形 雙穩態觸發電路具有兩個穩定狀態，兩個穩定狀態的 轉換都需要在外加觸發脈沖的推動下才能完成。 單穩態觸發電路只有一個穩定狀態，另一個是暫時穩 定狀態，從穩定狀態轉換到暫穩態時必須由外加觸發信號 觸發，從暫穩態轉換到穩態是由電路自身完成的，暫穩態 的持續時間取決于電路本身的參數。 多諧振蕩電路能夠自激產生脈沖波形，它的狀態轉換 不需要外加觸發信號觸發，而完全由電路自身完成。因此 它沒有穩定狀態，只有兩個暫穩態。 第8章 脈沖波形的產生與整形

3、 脈沖整形電路能夠將其它形狀的信號，如正弦波、 三角波和一些不規則的波形變換成矩形脈沖。施密特觸 發器就是常用的整形電路，它有兩個特點： 能把變化 非常緩慢的輸入波形整形成數字電路所需要的矩形脈沖； 有兩個觸發電平，當輸入信號達到某一額定值時，電 路狀態就會轉換，因此它屬于電平觸發的雙穩態電路。 第8章 脈沖波形的產生與整形 8.1.2 脈沖電路的基本分析方法脈沖電路的基本分析方法 圖 8-1 RC開關電路 UC(t) UR(t) S E C R 第8章 脈沖波形的產生與整形 開關轉換的一瞬間，電容器上電壓不能突變，滿足 開關定理UC(0+)=UC(0-)。 暫態過程結束后，流過電容器的電流i

4、C()為0，即電 容器相當于開路。 電路的時常數=RC, 決定了暫態時間的長短。根據 三要素公式，可以得到電壓(或電流)隨時間變化的方程為 / )()0()()( t exxxtx 如果U(tM)=UT，它是U(0+)和U(）之間的某一轉換值， 那么從暫態過程的起始值U(0+)變到UT所經歷的時間tM(見圖 8-2)可用下式計算： T M UU UU nRCt )( )0()( 1 第8章 脈沖波形的產生與整形 圖 8-2 從U(0+)到UT所經歷的時間tM U(0+)tM U(t) UT t U( ) 0 第8章 脈沖波形的產生與整形 8.2 555 定時器及其應用定時器及其應用 8.2.1

5、 555 定時器的組成與功能定時器的組成與功能 圖圖 8-3 555 定時器定時器 (a) 電路結構；電路結構； (b) 引腳圖引腳圖 C1 UR1 5k 5k C2 5k UR2 & & &1 4 G1 R Q Q G2 S G3G4 3 V1 8 UCC UCO U6 (TH) 5 (TR) 6 2 1 7 Uo RD (a) 1 2 3 4 8 7 6 5 地 U2 Uo RD UCC 放電端 U6 UCO 555 (b) U2 放電端 第8章 脈沖波形的產生與整形 圖 8-3(a)中，比較器C1的輸入端U6(接引腳 6)稱為閾值輸 入端，手冊上用TH標注，比較器C2的輸入端U2(接引腳

6、2)稱 觸發輸入端，手冊上用TR標注。C1和C2的參考電壓(電壓比 較的基準)UR1和UR2由電源UCC經三個5k的電阻分壓給出。 當控制電壓輸入端UCO懸空時， ， ； 若UCO外接固定電壓，則 。 RD為異步置 0 端，只要在RD端加入低電平，則基本RS觸發器 就置 0，平時RD處于高電平。 CCR UU 3 2 1 CCR UU 3 1 2 CORCOR UUUU 2 1 , 21 第8章 脈沖波形的產生與整形 定時器的主要功能取決于兩個比較器輸出對RS觸發器 和放電管V1狀態的控制。 當 時，比較器C1輸出為 0，C2 輸出為 1，基本RS觸發器被置 0，V1導通，Uo輸出為低電 平。

7、 當 時，C1輸出為 1，C2 輸出為 0，基本RS觸發器被置 1，V1截止，Uo輸出高電平。 當 時，C1和C2輸出均為 1，則 基本RS觸發器的狀態保持不變，因而V1和Uo輸出狀態也維 持不變。 CCCC UUUU 3 1 3 2 26 、 CCCC UUUU 3 1 3 2 26 、 CCCC UUUU 3 1 3 2 26 、 第8章 脈沖波形的產生與整形 表表 8-1 555定時器功能表定時器功能表 第8章 脈沖波形的產生與整形 8.2.2 555 定時器的典型應用定時器的典型應用 1. 單穩態觸發器單穩態觸發器 圖圖 8-4 用用 555 定時器構成的單穩觸發器定時器構成的單穩觸發

8、器 (a) 電路圖；電路圖； (b) 波形圖波形圖 48 7 6 2 3 15 UC C Uo Ui (a) R T Ui 1 3 UCC 0 Uo 0 TWTW UC 0 2 3 UCC t t t (b) UCC 0.01 555 UCC 第8章 脈沖波形的產生與整形 1) 工作原理 靜止期：觸發信號沒有來到，Ui為高電平。電源 剛接通時，電路有一個暫態過程，即電源通過電阻R向電 容C充電， 當UC上升到 時，RS觸發器置 0，Uo=0， V1導通，因此電容C又通過導電管V1迅速放電，直到 UC=0，電路進入穩態。這時如果Ui一直沒有觸發信號來 到，電路就一直處于Uo=0 的穩定狀態。 C

9、C U 3 2 第8章 脈沖波形的產生與整形 暫穩態：外加觸發信號Ui的下降沿到達時，由于 ，RS觸發器Q端置 1，因此Uo=1, V1截止，UCC開始通過電阻R向電容C充電。隨著電容C充電 的進行，UC不斷上升，趨向值UC()=UCC。 Ui的觸發負脈沖消失后，U2回到高電平，在 期間，RS觸發器狀態保持不變，因此，Uo 一直保持高電平不變，電路維持在暫穩態。但當電容C上 的電壓上升到 時，RS觸發器置 0，電路輸出Uo =0，V1導通，此時暫穩態便結束，電路將返回到初始的 穩態。 0)( 3 1 62 CCC UUUU、 、 CC UU 3 1 2 CC UU 3 2 6 CC UU 3

10、2 6 第8章 脈沖波形的產生與整形 恢復期：V1導通后，電容C通過V1迅速放電，使 UC0，電路又恢復到穩態，第二個觸發信號到來時， 又重復上述過程。 輸出電壓Uo和電容C上電壓UC的工作波形如圖 8- 4(b)所示。 第8章 脈沖波形的產生與整形 2) 輸出脈沖寬度TW 輸出脈沖寬度TW是暫穩態的停留時間，根據電容C的充 電過程可知： , 3 2 )(,)(, 0)0(RCUTUUUUU CCWCTCCCC 因而代入式(8-2)可得 RCnRC UU UU nRCT TC CC W 1 . 131 )( )0()( 1 圖 8-4(a)所示電路對輸入觸發脈沖的寬度有一定要求， 它必須小于T

11、W。若輸入觸發脈沖寬度大于TW時，應在U2輸入 端加RiCi微分電路。 第8章 脈沖波形的產生與整形 3) 單穩觸發電路的用途 延時，將輸入信號延遲一定時間(一般為脈寬 TW)后輸出。 定時， 產生一定寬度的脈沖信號。 第8章 脈沖波形的產生與整形 2. 多諧振蕩器多諧振蕩器 圖圖 8-5 用用 555 定時器構成的多諧振蕩器定時器構成的多諧振蕩器 (a) 電路圖；電路圖； (b) 波形圖波形圖 48 7 6 2 3 15 C (a) UC 1 3 UCC Uo 0 T1 2 3 UCC t t (b) UCC R1 R2 555 UCC T2 Uo 0.01 0 第8章 脈沖波形的產生與整形

12、 1) 工作原理 多諧振蕩器只有兩個暫穩態。假設當電源接通后， 電路處于某一暫穩態，電容C上電壓UC略低于 ，Uo 輸出高電平，V1截止，電源UCC通過R1、R2 給電容C充電。 隨著充電的進行UC逐漸增高，但只要 ， 輸出電壓Uo就一直保持高電平不變，這就是第一個暫穩 態。 CCCCC UUU 3 2 3 1 第8章 脈沖波形的產生與整形 當電容C上的電壓UC略微超過 時(即U6和U2均大于等 于 時)， RS觸發器置 0，使輸出電壓Uo從原來的高電平 翻轉到低電平，即Uo=0，V1導通飽和，此時電容C通過R2和 V1放電。隨著電容C放電，UC下降，但只要 ， Uo就一直保持低電平不變，這就

13、是第二個暫穩態。 當UC下降到略微低于 時，RS觸發器置 1，電路輸 出又變為Uo=1，V1截止，電容C再次充電，又重復上述過程， 電路輸出便得到周期性的矩形脈沖。其工作波形如圖8-5(b)所 CCCCC UUU 3 1 3 2 CC U 3 2 CC U 3 2 CC U 3 1 第8章 脈沖波形的產生與整形 2) 振蕩周期T的計算 多諧振蕩器的振蕩周期為兩個暫穩態的持續時間， T=T1+T2。由圖 8-5(b)UC的波形求得電容C的充電時間T1和 放電時間2各為 CRRnCRR UU UU nCRRT CCCC CCCC )(7 . 021)( 3 2 3 1 1)( 2121211 CR

14、nCR U U nCRT CC CC 2222 7 . 021 3 1 0 3 2 0 1 CRRTTT)2(7 . 0 2121 因而振蕩周期 第8章 脈沖波形的產生與整形 3) 占空比可調的多諧振蕩器 圖 8-6 占空比可調的多諧振蕩器 84 7 6 2 3 UCC R1 R2 555 RW Uo 0.01C V 2 V 1 51 第8章 脈沖波形的產生與整形 電容C的充電路徑為UCCR1V1C地，因而 T1=0.7R1C。 電容C的放電路徑為CV2R2放電管V1地，因 而T2=0.7R2C。 振蕩周期為 CRRTTT)(7 . 0 2121 占空比為 21 11 RR R T T D 第

15、8章 脈沖波形的產生與整形 4) 多諧振蕩器應用舉例 用兩個多諧振蕩器可以組成如圖8-7(a)所示的模擬聲 響電路。適當選擇定時元件，使振蕩器A的振蕩頻率 fA=1Hz， 振蕩器B的振蕩頻率 fB= 1kHz。由于低頻振蕩 器A的輸出接至高頻振蕩器B的復位端(4腳)，當Uo1輸出高 電平時，B振蕩器才能振蕩，Uo1輸出低電平時， B振蕩器 被復位，停止振蕩，因此使揚聲器發出 1kHz的間歇聲響。 其工作波形如圖 8-7(b)所示。 第8章 脈沖波形的產生與整形 圖 8-7 用 555 定時器構成的模擬聲響發生器 (a) 電路圖； (b) 波形圖 84 7 6 2 3 51 555 A 0.01

16、 C R1A R2A 84 7 6 2 3 15 555 0.01 C R1B R2B Rd Uo1 8 Uo2 5 UCC Uo1 Uo2 (a) (b) B 第8章 脈沖波形的產生與整形 3. 施密特觸發器施密特觸發器 1) 施密特觸發器的構成與工作原理 圖圖 8-8 用用 555 定時器構成的施密特觸發器定時器構成的施密特觸發器 (a) 電路圖；電路圖； (b) 波形圖；波形圖； (c) 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 84 6 2 1 0.01 3 UCC Ui Uo Uo t 0 0 Ui 1 3 UCC 2 3 UCC t (a)(b)(c) Uo 0UU 555 Ui U U 5 Uo

17、H UoL 第8章 脈沖波形的產生與整形 圖中U6(TH)和U2(TR)端直接連在一起作為觸發電平輸 入端。若在輸入端Ui加三角波，則可在輸出端得到如圖 8- 8(b)所示的矩形脈沖。其工作過程如下： Ui從0開始升高，當 時，RS觸發器置 1，故 Uo=UoH；當 時，RS=11，故Uo=UoH保持 不變；當 時，電路發生翻轉， RS觸發器置 0， Uo從UoH變為UoL，此時相應的Ui幅值 稱為上觸發 電平U+。 CCi UU 3 1 CCiCC UUU 3 2 3 1 CCi UU 3 2 ) 3 2 ( CC U 第8章 脈沖波形的產生與整形 當 時，Uo=UoL不變；當Ui下降，且

18、時，由于RS觸發器的RS=11，故Uo=UoL保持不變；只有當Ui 下降到小于等于 時，RS觸發器置 1，電路發生翻轉，Uo 從UoL變為UoH，此時相應的Ui幅值( )稱為下觸發電平U-。 從以上分析可以看出，電路在Ui上升和下降時，輸出電 壓Uo翻轉時所對應的輸入電壓值是不同的，一個為U+，另 一個為U-。 這是施密特電路所具有的滯后特性，稱為回差。 回差電壓 。電路的電壓傳輸特性如圖8-8(c) 所示。改變電壓控制端UCO(5腳)的電壓值便可改變回差電壓， 一般UCO越高，U越大，抗干擾能力越強，但靈敏度相應降 低。 CCi UU 3 2 CCiCC UUU 3 2 3 1 CC U 3

19、 1 CC U 3 1 CC UUUU 3 1 第8章 脈沖波形的產生與整形 2) 施密特觸發器的應用 施密特觸發器應用很廣， 主要有以下幾方面： 波形變換。可以將邊沿變化緩慢的周期性信號變 換成矩形脈沖。 脈沖整形。將不規則的電壓波形整形為矩形波。 若適當增大回差電壓，可提高電路的抗干擾能力。圖 8- 9(a)為頂部有干擾的輸入信號，圖 8-9(b)為回差電壓較小 的輸出波形， 圖 8-9(c)為回差電壓大于頂部干擾時的輸出 波形。 第8章 脈沖波形的產生與整形 脈沖鑒幅。圖 8-10 是將一系列幅度不同的脈沖信 號加到施密特觸發器輸入端的波形，只有那些幅度大于 上觸發電平U+的脈沖才在輸出

20、端產生輸出信號。因此， 通過這一方法可以選出幅度大于U+的脈沖， 即對幅度 可以進行鑒別。 此外，施密特觸發器還可以構成多諧振蕩器等，是 應用較廣泛的脈沖電路。 第8章 脈沖波形的產生與整形 圖 8-9 波形整形 Uo t0 Uo t0 Ui t0 U U U (a) (b) (c) 第8章 脈沖波形的產生與整形 圖 8-10 幅度鑒別 Ui U U t0 Uo 0t 第8章 脈沖波形的產生與整形 8.3 集成單穩態觸發器集成單穩態觸發器 1. 74LS121非重觸發單穩態觸發器非重觸發單穩態觸發器 74LS121單穩態觸發器的引腳圖和邏輯符號如圖8 - 11(a)、(b)所示，其功能表如表8

21、 - 2 所示。該集成電路內 部采用了施密特觸發輸入結構，因此對于邊沿較差的輸 入信號也能輸出一個寬度和幅度恒定的矩形脈沖。輸出 脈寬為 TTW CRT7 . 0 第8章 脈沖波形的產生與整形 圖圖 8 - 11 集成觸發器集成觸發器74LS121 (a) 引腳圖；引腳圖； (b) 邏輯符號邏輯符號 1Q 2NC 3A1 4A2 5B 6Q 7GND 74LS121 14UCC 13NC 12NC 11Rext/Cext 10Cext 9Rint 8NC (a) 74LS121 A1 A2 B Q Q (9) (10)(11) RintCextRext/Cext (b) 第8章 脈沖波形的產生

22、與整形 表8-2 集成單穩74LS121功能表 第8章 脈沖波形的產生與整形 式中，RT和CT是外接定時元件，RT(Rext)范圍為2k40 k, CT(Cext)為 10pF1000F。CT接在 10、11腳之間，RT接在 11、14 腳之間。如果不外接RT，也可以直接使用阻值為2k 的內部定時電阻Rin，則將Rin接UCC，即9、14 腳相接。外接 RT時 9 腳開路。 74LS121的主要性能如下： 電路在輸入信號A1、A2、B的所有靜態組合下均處于 穩態Q=0，Q=1。 有兩種邊沿觸發方式。輸入A1或A2是下降沿觸發，輸 入B是上升沿觸發。從功能表可見，當A1、A2或B中的任一端 輸入

23、相應的觸發脈沖，則在Q端可以輸出一個正向定時脈沖， Q端輸出一個負向脈沖。例如當A1或A2為低，B端有上升沿觸 發時，其輸出波形如圖 8 - 12(a)所示。 第8章 脈沖波形的產生與整形 電路工作中存在死區時間。在定時時間TW結束 之后，定時電容CT有一段充電恢復時間，如果在此恢復 時間內又輸入觸發脈沖，則輸出脈沖寬度就會小于規定 的定時時間TW。因此CT的恢復時間就是死區時間，記作 TD。若要得到精確的定時，則兩個觸發脈沖之間的最小 間隔應大于TW+TD，如圖 8 -12(c)所示。死區時間TD的存 在，限制了這種單穩的應用場合。 第8章 脈沖波形的產生與整形 圖 8-12 74LS121

24、工作波形 UB Q TW t (a) UR Q TW t (b) UB Q TW t (c) TD t t t ABCD 第8章 脈沖波形的產生與整形 圖圖 8-13 集成觸發器集成觸發器74LS123 (a) 引腳圖；引腳圖； (b) 邏輯符號邏輯符號 11A 21B 31RD 41Q 52Q 62Cext 7 74LS123 16UCC 15 14 13 1Rext/Cext 12 11 8 2B10 9GND 2Rext/Cext 1Cext 1Q 2Q 2RD 2A (a) Cext 1Q 1Q 74LS123 UCC RT CT (15) (14) (4) (13) 1B 1A 1R

25、D (b) (2) Rext/Cext (3) (16) (1) 第8章 脈沖波形的產生與整形 2. 74LS123可重觸發單穩態觸發器可重觸發單穩態觸發器 74LS123對于輸入觸發脈沖的要求和74LS121基本相同。 其外接定時電阻RT(即Rext)取值范圍為5 k50 k，對外接 定時電容CT(即Cext)通常沒有限制。輸出脈寬 ) 7 . 0 1 (28. 0 T TTW R CRT 當CT1000 pF時，TW可通過查找有關圖表求得。 單穩態觸發器74LS123具有可重觸發功能，并帶有復位 輸入端RD。所謂可重觸發，是指該電路在輸出定時時間TW 內， 可被輸入脈沖重新觸發。 第8章

26、脈沖波形的產生與整形 圖 8-14 74LS123工作波形 UB Q TW t (a) TW TW UB RD t t t Q t TW (b) UB Q t t (c) TWTWTW 第8章 脈沖波形的產生與整形 8.4 集成邏輯門構成的脈沖電路集成邏輯門構成的脈沖電路 8.4.1 微分型單穩態觸發電路微分型單穩態觸發電路 用與非門構成的微分單穩觸發電路如圖8-15(a)所示， 其工作波形如圖8-15(b)所示。圖中Ri、Ci為輸入微分電路， R、C為微分定時電路。電路參數應滿足： OFFONi RRRR, 第8章 脈沖波形的產生與整形 圖 8-15 微分單穩觸發電路 (a) 電路圖； (b

27、) 波形圖 &1 UA C Ui2 Ci RiR Ui t Uo1 t UoH1 UoL1 Ui2 t UT UR(0) 0 Uo t TW (a) (b) UB Ui Uo 0 0 0 Uo1 G1G2 第8章 脈沖波形的產生與整形 1. 工作原理工作原理 1) 靜止期 電容C開路，由于RROFF，所以門G2關門，輸出高 電平， 即Uo=UoH。門G1輸入端中一個是從門G2反饋而來 的高電平，另一個輸入端經Ri接地，由于RiRON，所以 門G1開門，輸出低電平Uo1=UoL。 第8章 脈沖波形的產生與整形 2) 暫穩態 當輸入端Ui的負向觸發脈沖到來時，經Ri、Ci微分后加 到門G1輸入端，

28、使UB端得到一個負向尖脈沖，從而引起下 列正反饋過程： )( 201AoiB UUUUU 結果門G1迅速截止，門G2迅速導通，電路進入暫穩態。這 時Uo輸出低電平，因此即使觸發信號消失，門G1仍保持截 止。但這個狀態是不穩定的，因門G1的輸出高電平要對電 容C充電。隨著充電的進行Ui2要逐漸下降，當Ui2UT(門檻 電壓)時，又引起以下正反饋過程： 0102 )(UUUU Ai 第8章 脈沖波形的產生與整形 3) 恢復期 暫穩態結束后，電容C通過R放電。隨著放電電流逐漸 減少， Ui2，最后恢復到原來的穩態，電容C開路。 第8章 脈沖波形的產生與整形 2. 主要參數計算主要參數計算 1) 輸出

29、脈沖寬度TW 輸出脈沖寬度就是暫穩態的持續時間，它取決于Ui2從 暫態過程開始下降到UT所需要的時間。從圖8-16(a)電容C 的充電等效電路可看出： )()0()0(, 0)( 1122oLoHRii UUUUU UR(0)為穩態時Ui2的輸入電壓，一般UR(0)UOFF0.7V， 因而可求得TW: RC UU UU nRCT Ti ii W 7 . 0 )( )0()( 1 2 22 第8章 脈沖波形的產生與整形 2) 恢復時間 根據圖 8-16(b)可見，電路恢復時間為 RCTR)53( 圖圖 8-16 微分單穩電路中電容微分單穩電路中電容C的充、的充、 放電等效電路放電等效電路 (a)

30、 C充電等效電路；充電等效電路； (b) C放電等效電路放電等效電路 R C Ui2 R1 UCC Uo1 Ro UoH1 C i充 R UoH1 R C Ui2 R1 UCC Uo1 UoL1 i放 (a)(b) Uo1Ui2 i充 第8章 脈沖波形的產生與整形 8.4.2 多諧振蕩器多諧振蕩器 1. 環型振蕩器環型振蕩器 圖圖 8-17 環型振蕩器環型振蕩器 UM tp1tp2 T Uo UoH UoL 0 Uo1 0 Uo2 0 Ui2 UT UoH UoL t t t t 111 Ui1 G1 Uo1Uo2Ui3 G2 C UC (a) R C Ui3Uo1 UoL i充 UoH Uo

31、2 R C Ui3Uo1 UoH i放 UoL Uo2 (b)(c) (d) 0 G3 Uo RRS 第8章 脈沖波形的產生與整形 假設Ui1=Uo3，則Uo1，Uo2。由于電容兩端電壓不能 突變，因此當Uo1發生時，Ui3也，從而使Uo保持高電平， 即Uo1=UoL，Uo2=UoH，Uo=UoH，此時為暫穩態。但此暫態 不能長久維持，當Uo1輸出低電平時電容C進行充電，等效電 路如圖8-17(b)所示(此處忽略了各個門的輸出電阻和輸入電阻 的影響)。隨著C充電Ui3不斷上升，當Ui3UT后，電路翻轉為 門G3導通、門G1截止、門G2導通的暫穩態。這時Uo1=UoH， Uo2=UoL,Uo=UoL，電容C又將放電，等效電路如圖 8-17(c)所 示。隨著C放電，Ui3不斷下降，當Ui3UT時電路又會翻轉到 門G3截止，門G1導通，門G2截止的暫穩態，并重復以上過 程。電路的工作波形如圖 8-17(d)所示。 第8章 脈沖波形的產生與整形 RC環型振蕩器主要參數估算如下。 輸出電壓幅值： OLOHM UUU 振蕩周期： RCTTT RC UU UUU nRC UU UU nRCT