第9章脈沖信號的產生與整形9.1概述9.2555定

時

器9.3施密特觸發器9.4單穩態觸發器9.5多諧振蕩器

9.1概述

脈沖信號是指突然變化的電壓或電流。在數字電路中，為了控制和協調整個系統的工作，常常需要脈沖信號。獲得矩形脈沖的方法有兩種：一種是利用多諧振蕩器直接產生所需要的矩形脈沖；另一種是通過整形電路把已有的周期性變化波形變換成符合要求的矩形脈沖。

常用的整形電路有施密特觸發器和單穩態觸發器，施密特觸發器主要用于將緩慢變化或快速變化的非矩形脈沖變換成陡峭的矩形脈沖；單穩態觸發器主要用于將寬度不符合要求的脈沖變換成符合要求的矩形脈沖。

555定時器是一種多用途的數字—模擬混合集成電路，利用它能方便地構成施密特觸發器、單穩態觸發器和多諧振蕩器，因而555定時器在定時、控制、檢測、報警等方面得到了廣泛的應用。

9.2555定

時

器

555定時器因輸入端設計有三個5kΩ電阻而得名，它的電源電壓范圍寬(雙極型555定時器為5~16V，CMOS555定時器為3~18V)，可提供與TTL及CMOS數字電路兼容的接口電平，還可輸出一定功率，驅動微電機、指示燈、揚聲器等。555定時器的產品型號繁多，但所有雙極型產品型號最后的三位數碼都是555，所有CMOS產品型號最后的四位數碼都是7555。它們的功能和外部引腳的排列完全相同。

9.2.1555定時器的電路組成

圖9-1雙極型555定時器電路結構圖

圖9-2555定時器引腳圖

9.3施密特觸發器

施密特觸發器是脈沖波形變換中經常使用的一種電路，利用它可以將正弦波、三角波以及其他一些周期性的脈沖波形變換成邊沿陡峭的矩形波。另外，它還可以用作脈沖鑒幅器、比較器等。

9.3.1施密特觸發器的特性和符號

施密特觸發器有兩個重要特性：

(1)輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態轉換時對應的輸入電平與輸入信號從高電平下降過程中對應的輸入轉換電平不同。

(2)在電路狀態轉換時，通過電路內部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡峭。

施密特觸發器分為反相施密特觸發器和同相施密特觸發器，其相應的電壓傳輸特性和邏輯符號如圖9-3所示。圖中，UT+

稱為正向閾值電平或上限觸發電平；UT-

稱為負向閾值電平或下限觸發電平；其差值稱為回差電壓(滯后電壓)，用ΔUT

表示，即有ΔUT=UT+-UT-

。在圖9-3(a)中，當UI

從低電平上升到UT+

時，UO

從高電平變為低電平；當UI

從高電平下降到UT-

時，UO從低電平變為高電平。由于UI

和UO

始終為反相關系，因此稱這類施密特觸發器為反相施密特觸發器，其邏輯符號見圖9-3(c)。反之，若UI

和UO

為同相關系，如圖9-3(b)所示，則稱為同相施密特觸發器，其邏輯符號如圖9-3(d)所示。

可以看出，施密特觸發器是一種受輸入信號電平直接控制的雙穩態觸發器。它有兩個穩定狀態，只要輸入信號電平達到觸發電平，輸出信號就會發生突變，從一個穩態轉變到另一個穩態，并根據外加觸發信號來決定穩態的維持時間。另外，由于施密特觸發器具有滯后特性或回差特性，即對正向和負向增長的輸入信號，電路有不同的閾值電平，因此提高了抗干擾能力。

9.3.2用555定時器構成施密特觸發器的方法

將555定時器的高電平觸發端和低電平觸發端連接起來，作為觸發信號的輸入端，就可構成施密特觸發器，如圖9-4所示。

圖9-4555定時器構成的施密特觸發器

對照555定時器的功能表，可知圖9-4所示電路的工作過程形成了一個反相施密特觸發器電壓傳輸特性曲線，如圖9-5所示。圖9-5555定時器構成的施密特觸發器電壓傳輸特性曲線

【例9.1】

用555定時器將三角波轉換成矩形波。

解

變換后的波形如圖9-6所示。圖9-6三角波變換矩形波波形圖

9.3.3施密特觸發器應用舉例

1.用于脈沖整形

在數字測量和控制系統中，由傳感器送來的信號波形邊沿較差，此外，脈沖信號經過遠距離傳輸后，往往會發生各種各樣的畸變，整形電路可以把這些脈沖信號變換成具有一定幅度和寬度的矩形波形。圖9-7是利用施密特觸發器獲得的比較理想的矩形脈沖波形。

圖9-7脈沖整形

2.用于波形變換

利用施密特觸發器在狀態轉換過程中的正反饋作用，施密特電路可以把變化比較緩慢的正弦波、三角波等變換成邊沿很陡峭的矩形脈沖信號。

在圖9-8所示的例子中，輸入信號是由直流分量和正弦分量疊加而成的，只要輸入信號的幅度大于UT+，即可在施密特觸發器的輸出端得到同頻率的矩形脈沖信號。即施密特觸發器能把不規則波形變換成前后沿陡峭的矩形波，且輸出波形的周期和頻率與輸入信號相同。

圖9-8正弦波脈沖變換波形圖

3.用于脈沖鑒幅電路

由于施密特觸發器的輸出狀態取決于輸入信號UI

的幅值，即只有當輸入信號UI

的幅值大于UT+

時，才會在輸出端產生輸出信號，因此，施密特觸發器能將幅度大于UT+

的脈沖選出，具有脈沖鑒幅能力。圖9-9給出了一個典型的鑒幅電路波形圖。

圖9-8正弦波脈沖變換波形圖

9.4單穩態觸發器9.4.1單穩態觸發器的特性和符號單穩態觸發器的工作特性具有如下的顯著特點：

(1)有一個穩態和一個暫穩態兩個不同的工作狀態(雙穩態有兩個穩態)。

(2)在外界觸發脈沖作用下，能從穩態翻轉到暫穩態，在暫穩態維持時間tW

以后再自動返回穩態，并在其輸出端產生一個寬度為tW

的矩形脈沖。

(3)暫穩態維持時間的長短取決于電路本身的參數，與觸發脈沖的寬度和幅度無關。

單穩態觸發器可分為不可重復觸發型和可重復觸發型。暫穩態期間如再次被觸發，對原暫穩時間無影響，輸出脈沖寬度仍從第一次觸發開始計算的稱為不可重復觸發型單穩態觸發器；而可重復觸發型單穩態觸發器在暫穩態期間再次被觸發時，輸出脈沖寬度在此前暫穩態時間的基礎上再展寬tW

。圖9-10和圖9-11所示分別為兩種單穩態觸發器的邏輯符號和波形圖。其中，Q1是不可重復觸發型單穩態觸發器輸出波形；Q2

是可重復觸發型單穩態觸發器輸出波形。

圖9-10兩種單穩態觸發器邏輯符號

圖9-11兩種單穩態觸發器波形圖

9.4.2用555定時器構成單穩態觸發器的方法

在555定時器的外部加接幾個阻容元件，就可構成單穩態電路。它所形成的單脈沖持續寬度可以從幾微秒到幾個小時。圖9-12所示是由555定時器所構成的單穩態觸發器，其中，R、C是定時元件。

圖9-12由555定時器構成的單穩態觸發器

圖9-13所示為555定時器構成的單穩態觸發器的工作波形。圖9-13由555定時器構成的單穩態電路波形圖

由以上分析可知，這種單穩態電路為不可重復觸發器，要求輸入觸發脈沖寬度一定要小于tW

。當輸入觸發脈沖寬度大于tW

時，要在輸入端加RC

微分電路。若觸發脈沖是周期性的，則其周期應大于tW

。

9.4.3單穩態觸發器應用舉例

利用單穩態觸發器在觸發信號作用下由穩態進入暫穩態，暫穩態持續一定的時間后自動返回穩態的特點，可將單穩態電路用于對脈沖信號的寬度進行波形變換、脈沖整形、定時、延時等場合。

1.用于脈沖整形

在圖9-14所示例子中，將波形不規則的UI

加到單穩態電路的輸入端，輸出端就得到了規則的脈沖信號UO，輸出脈沖寬度即為暫穩態維持時間，主要取決于充、放電元件

R

和C。

圖9-14脈沖整形

2.用于定時

利用單穩態觸發器脈沖寬度取決于電路元件R和C，且輸出脈沖寬度一定的特點，可以實現電路定時。圖9-15所示是單穩態觸發器組成的定時電路和其相應的工作波形。UC

是與門G開通與否的控制信號。當UC

為高電平時，門G開通，信號UB

通過門G輸入；當UC為低電平時，門G關閉，UB

不能輸出。通過計算在tW

時間內與門輸出脈沖的個數可得到定時時間。

圖9-15單穩態觸發器組成的定時電路和工作波形

3.用于脈沖延遲

在數字系統中，有時要求將某個脈沖寬度為T0的信號延遲一段時間T1后再輸出。利用兩個單穩態觸發器可以很方便地實現這種脈沖延時，其電路圖和波形圖如圖9-16和圖9-17所示。從波形圖可以看出，UO

脈沖的下降沿相對輸入信號UI

的上升沿延遲了TW1時間。圖中：

圖9-16單穩態觸發器組成的脈沖延時電路

圖9-17脈沖延時波形圖

【例9.2】

用555定時器構成的單穩態觸發器輸出定時時間為1s的正脈沖，設R=27kΩ，試確定定時元件C的取值。

解

因為tW≈1.1RC，故

從而可取標稱值為33μF。

9.5多

諧

振

蕩

器

9.5.1多諧振蕩器的工作原理圖9-18所示電路是對稱式多諧振蕩器的典型電路，它是由兩個反相器G1

和G2

經耦合電容C1、C2

連接起來的正反饋振蕩回路。為了產生自激振蕩，電路不能有穩定狀態。也就是說，在靜態下(電路沒有振蕩時)，它的狀態必須是不穩定的。下面以圖9-18所示電路為例分析多諧振蕩器的工作原理。

圖9-18對稱式多諧振蕩器電路

假定由于某種原因(例如電源波動或外界干擾)使UI1有微小的正跳變，則必然會引起如下的正反饋過程：

使UO1迅速跳變為低電平，UO2迅速跳變為高電平，電路進入第一個暫穩態。同時，電容C1

開始充電而C2開始放電。因為C1

同時經RF1和RF2兩條支路充電，所以充電速度較快，UI2首先上升到G2

的閾值電壓UTH，并引起如下的正反饋過程：

從而使UO2迅速跳變至低電平而UO1迅速跳變至高電平，電路進入第二個暫穩態。同時，C2

開始充電而C1

開始放電。由于電路的對稱性，這一過程和上面所述C1

充電、C2

放電的過程完全對應，當UI1上升到UTH

時電路又將迅速地返回UO1

為低電平而UO2

為高電平的第一個暫穩態。因此，電路沒有穩態，只能不停地在兩個暫穩態之間往復振蕩，在輸出端產生矩形輸出脈沖。

圖9-19所示為電路中各點電壓的波形。

圖9-18對稱式多諧振蕩器電路

9.5.2石英晶體多諧振蕩器

由于在RC

振蕩器中，決定振蕩頻率的主要因素是電路的定時元件

RC

以及門電路的閾值電壓UTH

，而它們都容易受溫度影響，因此頻率穩定性只有約10-3或更差。因此，在對頻率穩定性要求較高的場合，普遍采用石英晶體振蕩器。石英晶體振蕩器是將切成薄片的石英晶體置于兩平板之間構成的，石英晶體可將振蕩器的頻率穩定性提高到10-6~10-8。

在對稱式多諧振蕩器的基礎上，串接一塊石英晶體，就可以構成一個石英晶體振蕩器電路。該電路將產生穩定度極高的矩形脈沖，其振蕩頻率由石英晶體的串聯諧振頻率決定。

圖9