第5章脈沖波形的產生與變換5.1概述5.2施密特觸發(fā)器5.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器5.4多諧振蕩器5.5

555定時器及其應用

5.1概述

在數字系統(tǒng)中，常常需要邊沿陡峭且脈沖寬度、幅值有一定要求的脈沖信號，例如，時序邏輯電路中的時鐘脈沖、控制過程中的定時信號等。獲取這些脈沖信號的方法有兩種：一種是利用脈沖振蕩器直接產生；另一種是對已有的信號進行整形處理，使之符合系統(tǒng)的要求。脈沖產生電路能夠直接產生矩形脈沖或方波，它由開關器件和惰性電路組成。開關器件的通斷使電路實現不同狀態(tài)的轉換，而惰性電路（由電容C或電感L組成）則用來控制暫態(tài)變化過程的快慢。典型的矩形脈沖產生電路有雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路和多諧振蕩電路三種類型。脈沖整形電路能夠將其他形狀的信號，如正弦波、三角波和一些不規(guī)則的波形變換成矩形脈沖。

5.2施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器(SchmittTrigger)是一種常用脈沖波形變換電路，它具有以下兩個基本特點：

(1)在輸入信號從低電平上升和從高電平下降兩個過程中，使電路狀態(tài)發(fā)生翻轉的輸入電平值不同，這種特性稱為滯回特性或回差特性。

(2)在電路狀態(tài)轉換時，電路內部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。利用施密特觸發(fā)器的這兩個基本特點，不僅能夠將邊沿變化緩慢的信號整形為邊沿陡峭的矩形脈沖，而且可以有效去除疊加在矩形脈沖高、低電平上的一定幅度的噪聲。5.2.1用門電路構成的施密特觸發(fā)器

將兩個反相器串接，再通過分壓電阻將輸出電壓反饋到輸入端，就構成了施密特觸發(fā)器，如圖5.1所示。

假設反相器G1和G2是CMOS電路，它們的閾值電壓當uI=0時，因為G1和G2接成了正反饋電路，所以uO=0，這時uA=0；隨著uI上升，uA上升，當uA=uTH時，進入傳輸特性的放大區(qū)。所以uA的增加將引發(fā)如下的正反饋過程:于是電路的狀態(tài)迅速轉換為高電平，由此可以求出uI在上升過程中電路發(fā)生轉換所對應的輸入電平UT+,即所以(5.1)UT+稱為正向閾值電壓。當uI由高電平下降時，uO1也隨之上升,uA也會下降，又引發(fā)正反饋:之后uI下降，uA下降，當下降到uA=UTH時，電路的狀態(tài)迅速轉換,uO=0，此時所以UT－稱為負向閾值電壓。(5.2)圖5.1用反相器構造的施密特觸發(fā)器若輸入電壓uI為三角波，則可以畫出輸出端uO1、uO

的波形,如圖5.2所示。圖5.2電路的工作波形由圖5.2可見，施密特觸發(fā)器的狀態(tài)轉換取決于輸入電壓的大小。當輸入電壓uI上升到略大于UT+或下降到略小于UT－時，施密特觸發(fā)器的狀態(tài)才會迅速翻轉，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。施密特觸發(fā)器的正向閾值電壓UT+與負向閾值電壓UT－之差稱為回差電壓(BacklashVoltage)，用ΔUT表示，則ΔUT=UT+－UT－。施密特觸發(fā)器的這種特性如圖5.3所示。圖5.3電路的電壓傳輸特性由以上分析可以看出，施密特觸發(fā)器與前面介紹的各類觸發(fā)器的性質截然不同，它的輸出狀態(tài)直接受控于輸入信號的電平值，即只要輸入信號變化到某一電平，電路就從一種穩(wěn)定狀態(tài)翻轉為另一種穩(wěn)定狀態(tài)，而且穩(wěn)定狀態(tài)的保持也與輸入信號的電平值密切相關。5.2.2施密特觸發(fā)器的典型應用

1.波形變換

利用施密特觸發(fā)器在狀態(tài)轉換過程中的正反饋作用，可以將正弦波、三角波等邊沿變化緩慢的周期性信號變換為同頻率的矩形波信號，其變換情況如圖5.4所示。圖5.4用施密特觸發(fā)器實現波形變換

2.脈沖整形

在數字系統(tǒng)中，矩形脈沖經過傳輸后常常發(fā)生波形畸變。其中，比較常見的有矩形波邊沿變緩、矩形波邊沿振蕩和矩形波疊加干擾三種情況，如圖5.5所示。這時只要利用施密特觸發(fā)器對波形進行整形,通過合理設置UT+和UT－，就可以獲得理想的整形效果。圖5.5用施密特觸發(fā)器實現脈沖整形

3.幅度鑒別

若將一系列幅度不等的脈沖信號加到施密特觸發(fā)器的

輸入端，則只有那些幅值大于UT+的脈沖才會在輸出端產生脈沖信號。因此，施密特觸發(fā)器可用于脈沖信號的幅度鑒別，如圖5.6所示。圖5.6用施密特觸發(fā)器實現幅度鑒別

4.溫度控制

采用電壓比較器(VoltageComparator)可以構成空調溫度控制電路，當溫度傳感器(TemperatureSensor)檢測到的實際溫度值高于設定溫度值(對應電壓值為Us)時，電壓比較器就會啟動空調壓縮機進行制冷，使溫度下降。一旦實際溫度值低于設定值，電壓比較器的輸出就會發(fā)生躍變，使壓縮機停止工作。顯然，這種控制方式勢必造成壓縮機的頻繁啟停，嚴重影響壓縮機的使用壽命。

5.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

5.3.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的基本特點

與雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器相比，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有以下三個基本特點:

（1）有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩種工作狀態(tài)。

（2）在沒有外加觸發(fā)信號時，電路處于穩(wěn)態(tài)；在外加觸發(fā)信號的作用下，電路由穩(wěn)態(tài)進入暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，又自動返回穩(wěn)態(tài)。（3）電路在暫穩(wěn)態(tài)的維持時間僅由電路本身的阻容參數決定，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關。利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，可制作出許多實用電路。例如，樓道燈控制電路，平時燈不亮，按下開關(相當于外加觸發(fā)信號)，燈點亮，一段時間后又自動熄滅。顯然，樓道燈有兩種狀態(tài)：穩(wěn)態(tài)時熄滅，暫穩(wěn)態(tài)時點亮。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可用在定時選通、脈沖整形、脈沖延時等電路中。5.3.2用門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由門電路和RC微分電路組成。其中的門電路既可以是CMOS系列，也可以是TTL系列,既可以是與非門，也可以是或非門。圖5.7所示為由CMOS或非門和RC微分電路構成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。圖5.7

CMOS門電路組成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器當uI=0時，由于電容C、Cd均無充放電存在，相當于開路，故有ud=0，uI2=UDD，uO=0，uO1=UDD，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。

在輸入端uI加一正脈沖，電路由穩(wěn)態(tài)進入暫穩(wěn)態(tài)。由于電容兩端電壓不能突變，所以uI的上升沿將引起ud的正跳變。當ud=UTH時，將引發(fā)正反饋過程：使uO1迅速跳變?yōu)榈碗娖?。由于電容C上的電壓不可能發(fā)生突變，所以uI2也同時跳變到低電平，并且使uO跳變?yōu)楦唠娖?，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。與此同時，電容C開始充電。隨著充電過程的進行uI2逐漸升高，當升到uI2=UTH時，又引發(fā)另一個正反饋:（1）輸出脈沖寬度tW。由圖5.8可知，輸出脈沖寬度

tW就是電容電壓uC從0充電到UTH(1/2UDD)所需要的時間。根據對RC電路過渡過程的分析可知，在電容充、放電過程中，電容上的電壓uC從充、放電開始到變化至某一個數值所經歷的時間為由圖5.8可知，U(∞)=UDD,U(0)=0,U(t)=UTH,所以有：(5.3)由此可得出，輸出脈沖寬度僅與電路的R、C參數有關，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關。因此，調節(jié)R、C的數值即可改變輸出脈沖的寬度。圖5.8單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形（2）輸出脈沖幅度Um。

Um=uOH－uOL

(3)恢復時間。在暫穩(wěn)態(tài)結束后，要使電路完全恢復

到觸發(fā)前的穩(wěn)定狀態(tài)，還需要經歷一段恢復時間。使電容C在暫穩(wěn)態(tài)期間所充的電荷釋放掉(uC=0)的時間一般為

tre=(R+RON)C

式中，RON為門G1的輸出電阻。

2.集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

由邏輯門組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雖然電路結構簡單，但存在觸發(fā)方式單一、輸出脈寬調節(jié)范圍小、穩(wěn)定性差等問題。為提高單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的性能，目前在TTL和CMOS集成電路產品中，都有多種單片集成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如74LS121、74LS221、74HC123、MC14528/CD4528、MC14538/MC14098/CD4098等。根據觸發(fā)特性的不同，集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可分為可重復觸發(fā)型(RetriggerableOne－Shots)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和不可重復觸發(fā)型(NonretriggerableOne－Shots)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩大類，其邏輯符號和工作波形分別如圖5.9和圖5.10所示。圖5.9兩類單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的邏輯符號圖5.10兩類集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形

由圖5.10不難看出，兩類集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要區(qū)別在于:可重復觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫穩(wěn)態(tài)期間，只要有新的觸發(fā)信號作用，電路就會被再次觸發(fā)，從而使輸出脈沖寬度在此前暫穩(wěn)態(tài)時間t0的基礎上再順延tW，如圖5.10(a)所示;不可重復觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫穩(wěn)態(tài)期間不能接受新的觸發(fā)信號，只有當返回穩(wěn)態(tài)后，才能被重新觸發(fā)，如圖5.10(b)所示。因此，不可重復觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只能在穩(wěn)態(tài)時接收觸發(fā)信號。

74LS121是一種常用的不可重復觸發(fā)型TTL單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。它是在普通微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的基礎上，增加輸入控制電路和輸出緩沖電路構成的，可實現上升沿和下降沿兩種觸發(fā)方式。其邏輯符號如圖5.11所示，功能表如表5.1所示。圖5.11

74LS121的邏輯符號由功能表5.1可知，74LS121的觸發(fā)信號可以從A1、A2

或B的任何一端輸入，當觸發(fā)信號從A1或A2端輸入，且B

端接高電平時，可實現下降沿觸發(fā)；當觸發(fā)信號從B端輸入，而A1、A2端中至少有一個接低電平時，可實現上升沿觸發(fā)。74LS121一經觸發(fā)，立即進入暫穩(wěn)態(tài)，在輸出端Q

和Q出現互補的脈沖。74LS121的工作波形如圖5.12所示。圖5.12

74LS121的工作波形

74LS121的輸出脈沖寬度為

tW=RextCextln2(5.4)式中，Rext為外接電阻，取值范圍為2~30kΩ；Cext為外接電容，取值范圍為10pF~10μF。因此tW可在20ns~200ms范圍內變化。

3.可重復觸發(fā)型集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

MC14528是一種典型的可重復觸發(fā)型CMOS單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,它是在積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的基礎上，增加輸入控制電路和輸出緩沖電路構成的。MC14528有A、B兩個觸發(fā)信號輸入端，可實現上升沿和下降沿兩種觸發(fā)方式，另有一個清零控制端R。其功能表如表5.2所示，工作波形如圖5.13所示。由圖5.13可見，在t3時刻，電路受到一次觸發(fā)進入暫穩(wěn)定，經歷t0時間后，在t4時刻再次被觸發(fā)，使電路的暫穩(wěn)態(tài)過程延時，因此，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間為tW′=t0+tW，輸出tW仍可以由式（5.4）計算。圖5.13MC14528的工作波形

5.4多諧振蕩器

5.4.1多諧振蕩器的基本特點

多諧振蕩器(AstableMultivibrator)是一種自激振蕩器，它在接通電源后，無須外加觸發(fā)信號，就能自動振蕩起來，產生一定頻率和幅值的矩形脈沖，所以常用作脈沖信號源。由于矩形波中除基波分量外，還包含許多高次諧波分量，因此習慣上稱這類振蕩器為多諧振蕩器。5.4.2用門電路構成的多諧振蕩器

1.最簡單的環(huán)型振蕩器

圖5.14所示是一個由三個反相器依次首尾相連構成的環(huán)型振蕩器。不難看出，電路中任何一個反相器的輸入和輸出都不可能穩(wěn)定在高電平或低電平，而是在兩者之間，因此，它們都處于放大狀態(tài)。這樣只要其中任何一個反相器的輸入電壓發(fā)生微小變化，就會引起電路的振蕩，所以這個電路沒有穩(wěn)定狀態(tài)。圖5.14最簡單的環(huán)型振蕩器

2.RC環(huán)型振蕩器

圖5.14所示的環(huán)型振蕩器雖然結構簡單，但由于門電路的傳輸延遲時間極短(TTL電路只有幾十納秒，CMOS電路也不過幾百納秒)，且不穩(wěn)定，因此低頻信號難以調節(jié)。為此，在圖5.14所示電路的基礎上，增加RC延遲電路，就構成了RC環(huán)型振蕩器，如圖5.15所示。圖5.15中，Rs為限流電阻，可防止門G3輸入過流。圖5.15

RC環(huán)型振蕩器5.4.3用施密特觸發(fā)器構成的多諧振蕩器

利用施密特觸發(fā)器也可以構成多諧振蕩器,其電路圖及工作波形圖分別如圖5.16和圖5.17所示。

前面已經講過，施密特觸發(fā)器最突出的特點是它的電壓傳輸特性有一個滯回區(qū)。由此我們得到啟發(fā)，倘若能使它的輸入電壓在UT+與UT－之間不停地往復變化，那么在輸出端就可以得到矩形脈沖波。圖5.16施密特觸發(fā)器構造的多諧振蕩器圖5.17用施密特觸發(fā)器構造的多諧振蕩器的波形圖實現上述設想的方法很簡單，只要將施密特觸發(fā)器的反相輸出端經RC積分電路接回輸入端即可，如圖5.16所示。當接通電源以后，因為電容上的初始電壓為零，所以輸出端的高電平通過電阻R向電容C充電。當充電到輸入電壓為uI=UT+時，輸出跳變?yōu)榈碗娖剑娙軨又經電阻R開始放電。當放電至uI=UT－時，輸出電位又跳變成高電平，電容C重新開始充電。如此周而復始，電路便不停地振蕩。若使用的是CMOS施密特觸發(fā)器，則當uOH=UDD,

uOL=0時，依據圖5.17的工作波形可得到計算振蕩周期的

公式為(5.5)通過調節(jié)R和C的大小，即可改變振蕩周期。5.4.4用石英晶體構成的多諧振蕩器

圖5.18給出了石英晶體的符號和電抗的頻率特性，外加頻率為f0的信號最容易通過，而其他頻率則被衰減。石英晶體不但頻率特性穩(wěn)定，而且品質因數很高，有極好的選頻特性。另外，石英晶體的諧振頻率與石英晶體的結晶方向和外形尺寸有關。圖5.19所示為石英晶體組成的振蕩器。圖5.18石英晶體的符號及電抗的頻率特性圖5.19石英晶體組成的振蕩器

5.5

555定時器及其應用

5.5.1

555定時器的內部結構

555定時器為8腳直插式結構,其結構圖如圖5.20(a)所示。為了減小體積，現在也有貼片式的集成塊出售。555定時器的外部引腳排列圖如圖5.20（b）所示。圖5.20

555定時器的內部結構和外部引腳排列各引腳的作用如下：

(1)引腳1為接地端；

(2)引腳2為觸發(fā)信號(脈沖或電平)輸入端；

(3)引腳3為輸出端；

(4)引腳4是直接清零端(復位)；

(5)引腳5為控制電壓端；

(6)引腳6為高電平觸發(fā)端；

(7)引腳7為放電端；

(8)引腳8為接外部電源的端子。圖5.20(a)所示的結構圖由分壓器（由3個阻值為5kΩ的電阻組成）以及2個電壓比較器、1個基本RS觸發(fā)器和1只放電三極管V組成。定時器的主要功能取決于比較器的輸出端控制RS觸發(fā)器和放電管V的狀態(tài)。圖5.20中，RD為復位(直接清零)端。當RD為低電平時，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出uO為低電平；正常工作時，RD接高電平。5.5.2

555定時器的工作原理

比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器置0，Q=1，放電三極管V導通，輸出端uO=Q為低電平。比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器置1，Q=0，放電三極管V截止，輸出端uO=Q為高電平。比較器C1輸出高電平，比較器C2也輸出高電平，基本RS觸發(fā)器的R=1,S=1，觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路保持原狀態(tài)不變。綜上所述，555定時器的功能表如表5.3所示。圖5.21用555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器5.5.3用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

由555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路如圖5.21所示。

(1)穩(wěn)態(tài)。電源接通瞬間，電源UDD通過電阻R向電容C充電，當uC上升到(2／3)UDD時，uI1呈高電平，設uI(uI2)的初始狀態(tài)為高電平且大于(1/3)UDD，基本RS觸發(fā)器的R=0、S=1，觸發(fā)器復位，使uO輸出低電平，而Q端輸出高電平又使放電管V導通，7與6腳為低電平，此時電容C放電，比較器C1輸出為1，使R=1。此后由于R=S=1,基本RS觸發(fā)器保持uO輸出低電平不變，因此，通電后電路便自動停在

uO=0的穩(wěn)態(tài)。（2）觸發(fā)翻轉。若在輸入端(2腳)輸入一負脈沖，即

uI2<(1/3)UDD，則R=1、S=0，觸發(fā)器發(fā)生翻轉，電路進入暫穩(wěn)態(tài)，uO輸出高電平，放電管V截止,電容又被充電，直至uC=(2/3)UDD，電路又發(fā)生翻轉，uO為低電平，V導通，電容C放電，電路恢復到穩(wěn)態(tài)。電路uI、uC和uO的波形如圖5.22所示。圖5.22

555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖該單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)脈沖寬度為

tW=RCln3≈1.1RC

(5.6)

脈沖寬度tW(即延時的多少)可為幾微秒到數分鐘，精度可達0.1%，電容C的取值范圍為幾百皮法到幾百微法，電阻R的取值范圍為幾百歐到幾兆歐。因為單穩(wěn)態(tài)電路具有延時功能，且可作定時器使用，所以本電路也是555集成電

路的定時器應用，555定時器的命名也源于此。圖5.23用555定時器構成的多諧振蕩器5.5.4用555定時器構成的多諧振蕩器

由555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖5.23所示，其波形圖如圖5.24所示。圖5.24

555定時器構成的多諧振蕩器的波形圖和圖5.21相比，本電路將uI2和uI1(2、6腳)接在一起，經R2接到放電管的放電端(7腳)。該電路的工作過程如下：（1）電源接通后，UDD通過電阻R1、R2對電容C充電，當uC上升到(2/3)UDD時，觸發(fā)器被復位，同時放電管V導通，uO為低電平，電容C通過電阻R2和V放電，使uC下降。（2）當uC下降到(1/3)UDD時，觸發(fā)器又被置位，uO

翻轉為高電平。電容放電所需時間為

T2=R2Cln2≈0.7R2C(5.7)（3）當電容C放電結束時，放電管V截止，UDD將通過R1、R2向電容C