第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形9.1概述9.2

555定時(shí)器9.3施密特觸發(fā)器9.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器9.5多諧振蕩器習(xí)題

本章介紹幾種常用脈沖信號(hào)的產(chǎn)生和整形電路———施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，并著重討論了廣為應(yīng)用的555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)、邏輯功能及由555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器電路的方法。

脈沖信號(hào)是指突然變化的電壓或電流。在數(shù)字電路中，為了控制和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作，常常需要脈沖信號(hào)。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(chǎn)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(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器主要用以將緩慢變

化或快速變化的非矩形脈沖變換成陡峭的矩形脈沖;單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器主要用以將寬度不符合要求的脈沖變換成符合要求的矩形脈沖。

9.1概述

555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字—模擬混合集成電路，利用它能方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，因而在定時(shí)、控制、檢測、報(bào)警等方面得到了廣泛的

應(yīng)用。

這樣，我們就得到了表9－1所示的555定時(shí)器的功能表。

9.2

555定時(shí)器

555定時(shí)器因輸入端設(shè)計(jì)有三個(gè)5kΩ電阻而得名，它的電源電壓范圍寬(雙極型555定時(shí)器為5~16V，

CMOS555定時(shí)器為3~18V)，可提供與TTL及CMOS數(shù)字電路兼容的接口電平，還可輸出一定功率，驅(qū)動(dòng)微電機(jī)、指示燈、揚(yáng)聲器等。555定時(shí)器的產(chǎn)品型號(hào)繁多，但所有雙極型產(chǎn)品型號(hào)最后三位數(shù)碼都是555，所有CMOS產(chǎn)品型號(hào)最后的四位數(shù)碼都是7555。它們的功能和外部引腳的排列完全相同。下面以雙極型555定時(shí)器為例介紹555定時(shí)器的電路組成。

圖9－1雙極型555定時(shí)器電路結(jié)構(gòu)圖

圖9－2555定時(shí)器引腳圖

這樣，我們就得到了表9－1所示的555定時(shí)器的功能表。

9.3施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)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(fā)器的特性和符號(hào)

施密特觸發(fā)器有兩個(gè)重要特性:

(1)輸入信號(hào)從低電平上升的過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平與輸入信號(hào)從高電平下降過程中對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。

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

利用這兩個(gè)特性不僅能將邊沿變換緩慢的信號(hào)波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。

施密特觸發(fā)器分為反相施密特觸發(fā)器和同相施密特觸發(fā)器，其相應(yīng)的電壓傳輸特性和邏輯符號(hào)如圖9－3所示。圖中，

UT+稱為正向閾值電平或上限觸發(fā)電平;UT-稱為負(fù)向閾值電平或下限觸發(fā)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(dāng)UI

從低電平上升到UT+

時(shí)，

UO

從高電平變?yōu)榈碗娖?當(dāng)UI從高電平下降到UT-時(shí)，

UO

從低電平變?yōu)楦唠娖?。由于UI

和UO

始終為反相關(guān)系，因此稱這類施密特觸發(fā)器為反相施密特觸發(fā)器，其邏輯符號(hào)見圖9－3(c)。反之，若UI和UO為同相關(guān)系(如圖9－3(b)所示)，則稱為同相施密特觸發(fā)器，其邏輯符號(hào)如圖9－3(d)所示。圖9－3施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性及邏輯符號(hào)(a)反相施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性;(b)同相施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性;(c)反相施密特觸發(fā)器邏輯符號(hào);(d)同相施密特觸發(fā)器邏輯符號(hào)

可以看出，施密特觸發(fā)器是一種受輸入信號(hào)電平直接控制的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。它有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，只要輸入信號(hào)電平達(dá)到觸發(fā)電平，輸出信號(hào)就會(huì)發(fā)生突變，從一個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到

另一個(gè)穩(wěn)態(tài)，并根據(jù)外加觸發(fā)信號(hào)來決定穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間。另外，由于施密特觸發(fā)器具有滯后特性或回差特性，即對(duì)正向和負(fù)向增長的輸入信號(hào)，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(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器的方法

將555定時(shí)器的高電平觸發(fā)端和低電平觸發(fā)端連接起來，作為觸發(fā)信號(hào)的輸入端，就可構(gòu)成施密特觸發(fā)器，如圖9－4所示。

對(duì)照555定時(shí)器的功能表，可知圖9－4所示電路的工作過程形成了一個(gè)反相施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性曲線，如圖9－5所示。圖9－4555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器圖9－5555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性曲線

【例9.1】

用555定時(shí)器將輸入三角波轉(zhuǎn)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(fā)器應(yīng)用舉例

1.用于脈沖整形

在數(shù)字測量和控制系統(tǒng)中，由傳感器送來的信號(hào)波形邊沿較差，此外，脈沖信號(hào)經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸后，往往會(huì)發(fā)生各種各樣的畸變，整形電路可以把這些脈沖信號(hào)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(fā)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(fā)器在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋?zhàn)饔?，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(hào)。

在圖9－8所示的例子中，輸入信號(hào)是由直流分量和正弦分量疊加而成的，只要輸入信號(hào)的幅度大于UT+

，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同頻率的矩形脈沖信號(hào)。即施密特觸發(fā)器能把不規(guī)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(hào)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(fā)器輸出狀態(tài)取決于輸入信號(hào)UI

的幅值，即只有當(dāng)輸入信號(hào)UI

的幅值大于UT+時(shí)，才會(huì)在輸出端產(chǎn)生輸出信號(hào)，因此，施密特觸發(fā)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(gè)典型的鑒幅電路波形圖。圖9－9鑒幅電路波形圖

9.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

9.4.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特性和符號(hào)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特性具有如下的顯著特點(diǎn):

(1)有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)不同的工作狀態(tài)(雙穩(wěn)態(tài)有兩個(gè)穩(wěn)態(tài))。

(2)在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間tW

以后再自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)，并在其輸出端產(chǎn)生一個(gè)寬度為t

W

的矩形脈沖。

(3)暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。由于具備這些特點(diǎn)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被廣泛應(yīng)用于脈沖整形(把不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換成寬度、幅度都符合要求的脈沖)、延時(shí)(產(chǎn)生滯后于觸發(fā)脈沖的輸出脈沖)以及定時(shí)(產(chǎn)生固定時(shí)間寬度的脈沖信號(hào))等場合。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可分為不可重復(fù)觸發(fā)型和可重復(fù)觸發(fā)型。暫穩(wěn)態(tài)期間如再次被觸發(fā)，對(duì)原暫穩(wěn)時(shí)間無影響，輸出脈沖寬度仍從第一次觸發(fā)開始計(jì)算的稱為不可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)

觸發(fā)器;而可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫穩(wěn)態(tài)期間再次被觸發(fā)時(shí)，輸出脈沖寬度在此前暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間的基礎(chǔ)上再展寬t

W

。圖9－10和圖9－11所示分別為兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的邏輯符號(hào)和波形圖。其中，

Q1

是不可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形;Q2

是可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形。

9.4.2用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的方法

在555定時(shí)器的外部加接幾個(gè)阻容元件，就可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路。它所形成的單脈沖持續(xù)寬度可以從幾微秒到幾個(gè)小時(shí)。圖9－12所示是由555定時(shí)器所構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，

其中，

R、C是定時(shí)元件。圖9－10兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器邏輯符號(hào)(a)不可重復(fù)觸發(fā)型;(b)可重復(fù)觸發(fā)型圖9－11兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖圖9－12由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

圖9－13由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路波形圖

由以上分析可知，這種單穩(wěn)態(tài)電路為不可重復(fù)觸發(fā)器，要求輸入觸發(fā)脈沖寬度一定要小于tW

。當(dāng)輸入觸發(fā)脈沖寬度大于tW時(shí)，要在輸入端加RC微分電路。若觸發(fā)脈沖是周期性的，則其周期應(yīng)大于tW

。

9.4.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用舉例

利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在觸發(fā)信號(hào)作用下由穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)一定的時(shí)間后自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)的特點(diǎn)，可將單穩(wěn)態(tài)電路用于對(duì)脈沖信號(hào)的寬度進(jìn)行波形變換、脈沖整形、定

時(shí)、延時(shí)等場合。

1.用于脈沖整形

在圖9－14所示例子中，將波形不規(guī)則的UI加到單穩(wěn)態(tài)電路的輸入端，輸出端就得到了規(guī)則的脈沖信號(hào)UO，輸出脈沖寬度即為暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間，主要取決于充、放電元件R和C。

2.用于定時(shí)

利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)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(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)電路定時(shí)。圖9－15所示是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的定時(shí)電路和其相應(yīng)的工作波形。UC是與門G

開通與否的控制信號(hào)。當(dāng)UC為高電平時(shí)，門G

開通，信號(hào)UB

通過門G

輸入;當(dāng)UC為低電平時(shí)，門G

關(guān)閉，

UB不能輸出。通過計(jì)算在tW時(shí)間內(nèi)與門輸出脈沖的個(gè)數(shù)可得到定時(shí)時(shí)間。圖9－14脈沖整形圖9－15單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的定時(shí)電路和工作波形

3.用于脈沖延遲

在數(shù)字系統(tǒng)中，有時(shí)要求將某個(gè)脈沖寬度為T0

的信號(hào)延遲一段時(shí)間T1

后再輸出。利用兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以很方便地實(shí)現(xiàn)這種脈沖延時(shí)，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(duì)輸入信號(hào)UI

的上升沿延遲了TW1時(shí)間。圖中:

【例9.2】

用555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出定時(shí)時(shí)間為1s的正脈沖，設(shè)R=27kΩ，試確定定時(shí)元件C的取值。

解

因?yàn)門W≈1.1RC，故

從而可取標(biāo)稱值為33μF

。圖9－16單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的脈沖延時(shí)電路圖9－17脈沖延時(shí)波形圖

9.5多諧振蕩器

多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，不需要外加輸入信號(hào)就可以自動(dòng)地產(chǎn)生出矩形脈沖。它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，通過電容的充電和放電，使兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，輸出周期性的矩形脈沖信號(hào)。由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，因此習(xí)慣上又把矩形波振蕩器叫做多諧振蕩器。

9.5.1多諧振蕩器的工作原理

圖9－18所示電路是對(duì)稱式多諧振蕩器的典型電路，它是由兩個(gè)反相器G1

和G2

經(jīng)耦合電容

C1

、C2

連接起來的正反饋振蕩回路。為了產(chǎn)生自激振蕩，電路不能有穩(wěn)定狀態(tài)。也就是說，在靜態(tài)下(電路沒有振蕩時(shí))，它的狀態(tài)必須是不穩(wěn)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。

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

使UO1

迅速跳變?yōu)榈碗娖剑?/p>

UO2迅速跳變?yōu)楦唠娖?，電路進(jìn)入第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。同時(shí)，電容C1

開始充電而C2

開始放電。因?yàn)镃1

同時(shí)經(jīng)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:圖9－18對(duì)稱式多諧振蕩器電路

從而使UO2

迅速跳變至低電平而U

O1

迅速跳變至高電平，電路進(jìn)入第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。同時(shí)，

C2

開始充電而C1開始放電。由于電路的對(duì)稱性，這一過程和上面所述C1

充電、C2

放電的過程完全對(duì)應(yīng)，當(dāng)UI1上升到UTH時(shí)電路又將迅速地返回UO1

為低電平而UO2

為高電平的第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。因此，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只能不停地在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間往復(fù)振蕩，在輸出端產(chǎn)生矩形輸出脈沖。

圖9－19所示為電路中各點(diǎn)電壓的波形。

從圖9－19中可以看出，

RC

電路的充、放電作用自動(dòng)控制UI1

和UI2波形的變化，從而控制G1

、G2門交替開通和關(guān)閉，使電路輸出周期性的矩形脈沖。

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(shí)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(wěn)定性只有約10-3或更差。因此，

在對(duì)頻率穩(wěn)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(gòu)成的，石英晶體可將振蕩器的頻率穩(wěn)定性提高到10-6

~10-8。

高質(zhì)量的石英晶體振蕩器，其晶片置于恒溫盒中，其頻率穩(wěn)定性可達(dá)10-11

，足以滿足大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)對(duì)頻率穩(wěn)定度的要求。目前家用電子鐘表幾乎都采用具有石英晶體諧振器的方波發(fā)生器，由于它的頻率穩(wěn)定性高，所以走時(shí)準(zhǔn)確，在通常的氣溫條件下，很容易保證每天的精度誤差小于0.

5s。

由石英晶體的電抗頻率特性可知，當(dāng)外加電壓的頻率為諧振頻率f0

時(shí)，石英晶體的阻抗最小，所以和C1、C2

構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)，形成正反饋，振蕩頻率約等于晶體頻率，與外接電阻、電容無關(guān)，所以這種電路振蕩頻率的穩(wěn)定度很高。因此，將石英晶體接在多諧振蕩器的回路中就可組成石英晶體振蕩器，這時(shí)，振蕩頻率只取決于石英晶體的固有諧振頻

率，而與RC無關(guān)。

在對(duì)稱式多諧振蕩器的基礎(chǔ)上，串接一塊石英晶體，就可以構(gòu)成一個(gè)石英晶體振蕩器電路。該電路將產(chǎn)生穩(wěn)定度極高的矩形脈沖，其振蕩頻率由石英晶體的串聯(lián)諧振頻率決定。

圖9－20為石英晶體多諧振蕩器電路。圖9－20石英晶體多諧振蕩器電路

從而可得到輸出方波的周期和振蕩頻率為

輸出方波的占空比為圖9－22多諧振蕩器的波形圖

【例9.3】

設(shè)計(jì)一個(gè)由石英晶體多諧振蕩器產(chǎn)生兩相時(shí)鐘的電路。

解

電路如圖9－23所示，其產(chǎn)生的波形如圖9－24所示。圖9－23兩相時(shí)鐘產(chǎn)生電路圖9－24兩相時(shí)鐘產(chǎn)生電路的工作波形

習(xí)題

9－1若反相施密特觸發(fā)器輸入信號(hào)波形如圖9－25所示，試畫出輸出信號(hào)的波形。施密特觸發(fā)器的觸發(fā)電平UT+

、UT-

已在輸入信號(hào)波形圖上標(biāo)出。圖9－25反相施密特觸發(fā)器輸入波形

9－2畫出由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特電路的電路圖。若輸入波形如圖9－26所示，VCC

=15V，試畫出對(duì)應(yīng)的輸出波形。如5腳改接10kΩ的電阻，再畫出輸出波形。(畫圖時(shí)要與輸入波形時(shí)間關(guān)系對(duì)齊)圖9－26輸入波形圖

9－3圖9－27所示的單穩(wěn)態(tài)電路中，若其5腳不接0.01μF的電容，而改接直流正電源UR

，則當(dāng)UR

變大和變小時(shí)，單穩(wěn)態(tài)電路的輸出脈沖寬度如何變化?若5腳通過10kΩ的電阻接地，則其輸出脈沖寬度又作何變化?圖9－27單穩(wěn)態(tài)電路

9－4參照用集成電路定時(shí)器555構(gòu)成的定時(shí)電路和輸入波形UI

(如圖9－28所示)，畫出所對(duì)應(yīng)的電容上電壓UC

和輸出電壓UO

的工作波形，并求出暫穩(wěn)寬度tW

。

9－5圖9－29所示為555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，已知VCC=10V，

C=0.1μF，R1=20kΩ，

R2=80kΩ，求振蕩周期T，并畫出相應(yīng)的UC及UO的