一、学习目的
| 脉冲信号的产生与整形是在实际工作和较大规模的电路系统中经常遇到的技术环节。通过本章的学习要掌握脉冲信号产生与整形的原理、方法以及用于脉冲信号整形和产生的器件的工作方式和实际应用。 |
| 本章讨论的施密特触发器和单稳态触发器是常用的脉冲整形电路，主要介绍它们的工作原理和应用。多谐振荡器的电路有多种形式，这里只介绍常用的对称式和非对称式多谐振荡器，并介绍石英晶体振荡器。还讲述555定时器的电路结构及其构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的方法与工作原理。 |
| 本章重点：施密特触发器的工作原理和应用，单稳态触发器的工作原理和应用，555定时器的工作原理和应用，多谐振荡器的工作原理，各种信号参数的计算。 |
| 本章难点：555定时器的应用。 |
| 方法提示: 对于施密特触发器和单稳态触发器要掌握其工作特性和外部元件的配合关系。而对于555定时器则最好掌握其内部的电路组成和工作原理，这样才能更好地应用它。要始终把握本章讨论的电路都是在充放电的影响下工作的。 |
5、1 概述
| 教学要求 |
| 了解波形发生电路的基本情况 |
| 获得脉冲波形的方法主要有两种，一种是利用多谐振荡器直接产生符合要求的矩形脉冲；另一种是通过整形电路对已有的波形进行整形、变换，使之符合系统的要求。 |
| 施密特触发器和单稳态触发器是两种不同用途的脉冲波形的整形、变换电路。施密特触发器主要用以将变化缓慢的或快速变化的非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲，而单稳态触发器则主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。 |
| 555定时器是一种多用途集成电路，只要其外部配接少量阻容元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便、灵活。因此，在波形变换与产生、测量控制、家用电器等方面都有着广泛的应用。 |
5．2 施密特触发器
| 教学要求 |
| 了解施密特触发器的电路结构 |
| 理解施密特触发器的工作原理 |
| 掌握集成施密特触发器的应用 |
1．电路结构
| 右上图为由G1和G2两个CMOS反相器组成的施密特触发器，输入电压uＩ经电阻R１和R２分压来控制反相器的工作状态，要求R２＞R１。 | |
| 右下图分别为施密特触发器反相输出和同相输出的逻辑符号。框内的“”为施密特触发器的限定符号。 |
| 由上分析可知，施密特触发器有两个稳定状态，而这两个稳定状态的维持和转换完全取决于输入电压的大小。只要输入电压uＩ上升到略大于UＴ+或下降到略小于UＴ－时，施密特触发器的输出状态就会发生翻转，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。 |
| 输入电压uI上升到使电路状态发生翻转时的值，称为正向阈值电压，用UＴ+表示。输入电压uＩ下降到使电路状态发生翻转时的值，称为负向阈值电压，用UＴ－表示。施密特触发器的正向阈值电压UＴ+和负向阈值电压UＴ－的差值，称为回差电压，用ΔUＴ表示。 | |
| 电压传输特性反映的是触发器输出电压随输入电压变化的规律. | |
反相施密特触发器电压传输特性 | 同相施密特触发器电压传输特性 |
| 反相施密特触发器:随着输入电压的升高和降低，输出电压呈反相变化趋势。 | 同相施密特触发器:随着输入电压的升高和降低，输出电压呈同相变化趋势。 |
二、集成施密特触发器
施密特触发器的应用十分广泛，因此，TTL和CMOS数字集成电路中都有施密特触发器。集成施密特触发器具有较好的性能，其正向阈值电压UＴ+和负向阈值电压UＴ－也很稳定，有很强的抗干扰能力，使用也十分方便。
1．TTL集成施密特触发器
左图为施密特触发六反相器CT7414和CT74LS14的逻辑符号，它有六个的施密特反相器。
| 右图为施密特触发双4输入与非门CT7413和CT74LS13的逻辑符号。 |
| TTL集成施密特与非门和缓冲器有如下特点： |
| 可将变化非常缓慢的信号变换成上升沿和下降沿都很陡直的脉冲信号。 |
| 具有阈值电压和回差电压温度补偿。因此，电路性能的一致性好。 |
| 具有很强的抗干扰能力。 |
左图为施密特六反相器CC40106的逻辑符号。右图为施密特触发四2输入与非门CC4093的逻辑符号。
| 当电源电压VDD变化时，对CMOS施密特触发器的电压传输特性也会产生一定的影响。由于集成CMOS施密特触发器内部参数离散性的影响，因此，其UＴ+和UＴ－也有较大的离散性。 |
| CMOS集成施密特触发器具有如下特点： |
| 可将变化非常缓慢的信号变换为上升沿和下降沿很陡直的脉冲信号。 |
| 在电源电压VDD一定时，触发阈值电压稳定，但其值会随VDD变化。 |
| 电源电压VDD变化范围宽，输入阻抗高，功耗极小。 |
| 抗干扰能力很强。 |
| 1．用于波形变换 | |
| 施密特触发器可用于将三角波、正弦波及其它不规则信号变换成矩形脉冲。 | |
| 2．用于脉冲整形 | 3．用于脉冲幅度鉴别 |
| 当传输的信号受到干扰而发生畸变时，可利用施密特触发器的回差特性，将受到干扰的信号整形成较好的矩形脉冲。 | 如输入信号为一组幅度不等的脉冲，而要求将幅度大于ＵＴ+的脉冲信号挑选出来时，则可用施密特触发器对输入脉冲的幅度进行鉴别。 |
5、3 多谐振荡器
| 教学要求 |
| 了解多谐振荡器的电路结构和工作原理 |
| 理解多谐振荡器的频率估算 |
| 理解用门电路、施密特触发器和石英晶体组成多谐振荡器 |
1、电路结构
多谐振荡器由门电路和阻容元件构成，它没有稳定状态，只有两个暂稳态，通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。如要求输出振荡频率很稳定的矩形脉冲时，则可采用石英晶体振荡器。由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，因此，常将矩形脉冲产生电路称作多谐振荡器。
| 右图为由TTL门电路组成的对称多谐振荡器的电路结构和电路符号。图中G1、G2两个反相器之间经电容C1和C2耦合形成正反馈回路。合理选择反馈电阻RF1和RF2，可使G1和G2工作在电压传输特性的转折区，这时，两个反相器都工作在放大区。由于G1和G2的外部电路对称，因此，又称为对称多谐振荡器。 |
设uO1为低电平0、uO２为高电平1时，称为第一暂稳态；uO1为高电平1、uO２为低电平0时，称为第二暂稳态。
设接通电源后，由于某种原因使uI1产生了很小的正跃变，经G1放大后，输出uO1产生负跃变，经C1耦合使uI２随之下降，G２输出uO２产生较大的正跃变，通过C２耦合，使uI1进一步增大，于是电路产生正反馈过程。
正反馈使电路迅速翻到G1开通、G２关闭的状态。输出uO1负跃到低电平UOL，uO２（uO）正跃到高电平UOH，电路进入第一暂稳态。
G2输出uO２的高电平经C2、RF1、G1的输出电阻对电容C2进行反向充电，使uI1下降。同时，uO2的高电平又经RF2、C1、C1的输出电阻对C1充电，uI2随之上升，当uI2上升到G2的阈值电平UTH时，电路又产生另一个正反馈过程。
正反馈的结果使G2开通，输出uO由高电平UOH跃到低电平UOL，通过电容C2的耦合，使uI1迅速下降到小于G1的阈值电压UTH，使G1关闭，它的输出由低电平UOL跃到了高电平UOH，电路进入第二暂稳态。
| 接着，G1输出的高电平uO1经C1、RF2和G2的输出电阻对C1进行反向充电，uI2随之下降，同时，G1输出uO1的高电平经RF1、C2和G2的输出电阻对C2进行充电，uI1随之升高。当uI1上升到G1的UTH时，G1开通、G2关闭，电路又返回到第一暂稳态。 | |
| 由以上分析可知，由于电容C1和C2交替进行充电和放电，电路的两个暂稳态自动相互交替，从而使电路产生振荡，输出周期性的矩形脉冲。 | |
如多谐振荡器采用CT74H系列与非门组成，当取RF1＝RF2＝RF、C1＝C2＝C、UTH＝1.4V、UOH＝3.6V、UOL＝0.3V时，则振荡周期Ｔ可用下式估算：
T＝2tW≈1.4RFC
当取RF＝1KΩ、C＝100 pF～100 μF时，则该电路的振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内变化。这时tＷ１＝tＷ２＝tＷ≈0.7RＦC。输出矩形脉冲的宽度与间隔时间相等。
二、用施密特触发器组成的多谐振荡器
| 设EN＝1，且电容上电压uC＝0。在接通电源后，输出uＯ为高电平UOH，其通过电阻R对电容C进行充电，电容C电压uＣ随之升高。当uC上升到UT+时，触发器状态发生翻转，使输出uO跃到低电平UOL。这时，C又经R和施密特触发器的输出电阻放电，当uC下降到UT-时，电路又发生了翻转，输出uO由UOL跃到UOH，又开始对C充电。电容C如此周而复始地进行充电和放电，电路便产生了振荡。而在EN＝0时，电路不振荡，输出uO为高电平。 | 工作波形图 |
四、用施密特触发器组成的多谐振荡器
前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC参数误差的影响。而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号频率不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。
石英晶体的选频特性
| 石英晶体具有很好的选频特性。当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率f０相同时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易通过，而其它频率的信号则被衰减掉。因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率f０，而与RC无关。 |
右图为由CMOS反相器组成的并联多谐振荡器。RF为反馈电阻，用以使G1工作在静态电压传输特性的转折区，RF值通常取5～10 MΩ。反馈系数取决于C1和C2的比值，C1还可微调振荡频率。
| 石英振荡器可以输出振荡频率很稳定的信号，但输出波形不太好，因此，G1输出端需加反相器G2，用以改善输出波形的前沿和后沿。 |
| 右图为由反相器组成的串联石英晶体多谐振荡器。C1为G1和G2间的耦合电容，R1和R2用以使G1和G2工作在电压传输特性的转折区。由于G2输出的振荡波形不好，因此输出端加了一个G3，用以改善输出振荡波形的前沿和后沿。 |
5．4 单稳态触发器
| 教学要求 |
| 理解单稳态触发器的电路结构和工作原理 |
| 理解集成单稳态触发器的逻辑功能和基本应用 |
| 了解用施密特触发器组成的单稳态触发器 |
| 掌握单稳态触发器的基本应用 |
一、微分型单稳态触发器
1． 电路结构
| 微分型单稳态触发器由CT74H系列与非门和RC定时电路组成。G２输出和G１输入之间为直接耦合，G１输出和G２输入之间采用RC微分电路耦合。因此，该电路称为微分型单稳态触发器。为使电路在输入电压uＩ为高电平时处于G１开通、G２关闭稳定状态，要求R＜ROFF。 |
| 第138页图5。4。2单稳态触发器的工作原理 |
单稳态触发器输出脉冲的宽度用tW表示，它实际上是暂稳态维持的时间。
| 估算公式： 恢复时间tre为:tre≈（３～５）RC |
1．集成单稳态触发器基本情况
集成单稳态触发器
| 非重触发型单稳态触发器 | 可重触发型单稳态触发器 | ||
| 该电路在触发进入暂稳态期间如再次受到触发，对原暂稳态时间没有影响，输出脉冲宽度tＷ仍从第一次触发开始计算。 | 该电路在触发进入暂稳态期间如再次被触发，则输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽tW。 | ||
| 限定符号“”表示非重触发型单稳态触发器。 | 限定符号“”表示可重触发型单稳态触发器。 | ||
非重触发型单稳态触发器工作波形举例 | 可重触发型单稳态触发器工作波形举例 | ||
2．两中常用的集成单稳态触发器芯片
| 非重触发型单稳态触发器 CT74121 | |||||
| 管脚说明 | 逻辑符号 | ||||
| 引线上的“X”为非逻辑连接符号，表示该输入端不输入任何数字信号，用以外接无源元件，如电阻、电容等。框内的CX用以外接电容，外引线端为Cext。RX／CX用以外接电容和电阻，外引线端为Rext／Cext。Rint为电路内部电阻外引线端。TR+为上升沿触发信号输入端。TR－Ａ和TR－Ｂ为下降沿触发信号输入端。Q和Q为互补信号输出端。 | |||||
| 逻辑功能表 | |||||
| 输入 | 输出 | 说明 | |||
| TR－Ａ | TR－Ｂ | TR+ | |||
| 0 | X | 1 | 0 | 1 | 稳定状态 |
| X | 0 | 1 | 0 | 1 | |
| X | X | 0 | 0 | 1 | |
| 1 | 1 | X | 0 | 1 | |
| 1 | 1 | 下降沿触发 | |||
| 1 | 1 | ||||
| 1 | |||||
| 0 | X | 上升沿触发 | |||
| X | 0 | ||||
| 输出脉冲宽度的估算：tＷ≈0.7RC | |
| 使用 Rint、Cext 和 Rext / Cext 端的方法： | |
| 一般接法：Rext = 2 ~ 40 kΩ，Cext = 10 pF ~ 10 μF。 | 当输出脉宽很小时，可用内部电阻 Rint = 2 kΩ取代 Rext ，接法如下： |
| 可重触发型单稳态触发器CC74HC123 | |||||||
| 管脚说明 | 逻辑符号 | ||||||
| 它由两个的可重触发型单稳态触发器组成，图中“”为可重触发型单稳态触发器的总限定符号。 TR-为下降沿触发信号输入端；TR+为上升沿触发信号输入端； 为直接复位端，低电平有效。其它各外引线端的功能及外接电阻和电容的连接方法与CT74121相同。 | |||||||
| 逻辑功能表 | |||||||
| 输入 | 输出 | 说明 | |||||
| TR－ | TR+ | ||||||
| 0 | X | X | 0 | 1 | 复位 | ||
| 1 | 1 | X | 0 | 1 | 稳定状态 | ||
| 1 | X | 0 | 0 | 1 | |||
| 1 | 0 | 上升沿触发 | |||||
| 1 | 1 | 下降沿触发 | |||||
| 0 | 1 | 上升沿触发 | |||||
| CC74HC123的工作波形的输出脉冲宽度取决于外接电阻和电容。 进行一次触发时，输出脉冲宽度为tＷ。如电路触发进入暂稳态期间再次进行触发时，电路又重新开始延长暂稳态时间。这时，输出脉冲宽度t′Ｗ为在此前暂稳态时间ΔtＷ的基础上再延长一个脉冲宽度tＷ，即t′Ｗ＝ΔtＷ+tＷ，电路才能回到稳定状态。如在暂稳态期间在直接复位端 上输入低电平时，则电路的暂稳态立刻终止，通常用这种方法来缩短输出脉冲的宽度。 对于可重触发型单稳态触发器而言，为获得宽度很大的脉冲信号时，可在暂稳态期间进行重触发，延长暂稳态的持续时间；而要获得宽度很窄的脉冲信号时，则可在暂稳态期间在复位端ＲＤ上输入低电平，提前终止暂稳态时间。 | ||
工作原理
当输入uI＝VDD时，uA＝VDD，电容C上的电压为0V，输出uO为低电平UOL。这时电路处于稳定状态。
当输入电压uI由VDD负跃到低电平时，由于在跃变瞬间C两端的电压不能突变，uA产生同样的负跃变，使uA＜UT－，输出uO由低电平UOL正跃到VDD，随即VDD经R对C充电，电路进入暂稳态。
| 随着C的充电，uA也随之升高。当uA上升到大于UT+时，电路状态又发生翻转，输出uO由高电平VDD负跃到低电平UOL。电路返回到初始的稳定状态。 | 用施密特触发器组成单稳态触发器 工作波形图 |
用施密特触发器组成单稳态触发器电路图 |
应用一、脉冲整形
| 脉冲信号在经过长距离传输后其边沿会变差或在波形上叠加了某些干扰。为了使这些脉冲信号变成符合要求的波形，这时可利用单稳态触发器进行整形。 |
| 应用二、脉冲定时 由于单稳态触发器可输出宽度和幅度符合要求的矩形脉冲，因此，可利用它来作定时电路。 |
| 应用二、脉冲展宽 当输入脉冲宽度较窄时，则可用单稳态触发器展宽。 |
| 教学要求 |
| 理解555定时器的电路结构和工作原理 |
| 理解555定时器组成施密特触发器的应用 |
| 理解555定时器组成单稳态触发器的应用 |
| 理解555定时器组成多谐振荡器的应用 |
| 555定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。只要外部配接少数几个阻容元件便可组成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等电路。555定时器的电源电压范围宽，双极型555定时器为5～16V，CMOS 555定时器为3～18 V。可以提供与TTL及CMOS数字电路兼容的接口电平。555定时器还可输出一定的功率，可驱动微电机、指示灯、扬声器等。它在脉冲波形的产生与变换、仪器与仪表、测量与控制、家用电气与电子玩具等领域都有着广泛的应用。 |
一、555定时器的电路结构及其工作原理
| 555定时器功能表 | ||||
| 输 入 | 输 出 | |||
| uI1 | uI2 | uO | V状态 | |
| X | X | 0 | 0 | 导通 |
| ＞ | ＞ | 1 | 0 | 导通 |
| ＜ | ＜ | 1 | 1 | 截止 |
| ＜ | ＞ | 1 | 不变 | 不变 |
工作原理
当输入uI＜时，电压比较器C1和C2的输出uC1＝1，uC2＝0，基本RS触发器置1，＝1、＝0，这时输出uO＝UOH。
当输入＜uI＜时，uC1＝1、uC２＝1，基本RS触发器保持原状态不变，即输出uO＝UOＨ。
当输入uＩ≥时，uC1＝0、uC2＝1，RS触发器置0，＝0、＝1，输出uO由高电平跃到低电平，即uO＝0。
| 当输入uI由高电平逐渐下降，且＜uI＜ 时，电压比较器的输出分别为uC1＝1、uC2＝1。基本RS触发器保持原状态不变。即＝0、＝1，输出uO＝UOL。 当输入uI≤时，uC1＝1、uC2＝0，RS触发器置1，＝1、＝0，uO由低电平跃到高电平UOH。 可见，当uI下降到时，电路输出 又发生另一次跃变，所以，电路的负向阈值电压UT-＝。 | |
| 施密特触发器的回差电压ΔUT为 ：ΔUT＝UT+－UT-＝ | |
| 施密特触发器的工作波形图 | 施密特触发器的电压传输特性 |
| 单稳态触发器输出的脉冲宽度tＷ为暂稳态维持的时间，它实际上为电容C上的电压由0V充到所需的时间，可用 该式估算：tW＝RC ln 3≈1.1RC |
四、用555定时器组成多谐振荡器
工作原理：接通电源后，VCC经电阻R1和R2对电容C充电，当uC≥时，uC1＝0、uC2＝1，RS触发器被置0，＝0、＝1，uO跃到低电平。同时，放电管V导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。
| 随着电容的放电，uC随之下降。当下降到小于时，uC1＝1、uC2＝0，RS触发器被置1，＝1、＝0，输出uO由低电平跃到高电平。同时，因＝0，放电管V截止，VCC又经电阻R1和R2对电容C充电。电路又返回到前一个暂稳态。因此，电容C上的电压uC将在和之间来回充电和放电，从而使电路产生了振荡，输出矩形脉冲。 |
| 多谐振荡器波形参数 多谐振荡器的振荡周期Ｔ为：T＝tＷ１+tＷ２ tＷ１为电容电压由充到所需的时间。 tＷ１＝（R１+R２）Cln 2 ≈0.7（R１+R２）C tＷ２为电容电压由降到所需的时间。 tＷ２＝R２Cln 2≈0.7R２C 多谐振荡器的振荡周期T为: T＝tＷ１+tＷ２≈0.7（R１+2R２）C | 多谐振荡器工作波形 |
在放电管处于V截止时，电源VCC经R1和VD1对电容C充电；当V导通时，C经过VD2、R2和放电管V放电。调节电位器RW可改变R1和R2的比值。因此，也改变了输出脉冲的占空比q。
tＷ１＝0.7R1C tＷ2＝0.7R2C
振荡周期T为:T＝tＷ１+tＷ２＝0.7（R1+R2）C
占空比q为: q＝tＷ１/(tＷ１+tＷ２)
| ＝R1/(R1+R2) |
| 施密特触发器和单稳态触发器是两种常用的整形电路，可将输入的周期性脉冲信号整形成所要求的同周期的矩形脉冲输出。这两种整形电路由于内部存在正反馈，因此，电路状态的转换十分迅速，使输出的脉冲边沿十分陡峭。 |
| 施密特触发器有两个稳定状态，这两个稳定状态是靠两个不同的电平来维持的。当输入信号的电平上升到正向阈值电压ＵＴ+时，输出状态从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态；而当输入信号的电平下降到负向阈值电压ＵＴ－时，电路又返回到原来的稳定状态。由于正向阈值电压ＵＴ+和负向阈值电压ＵＴ－的值不同，因此，施密特触发器具有回差特性，回差电压ΔＵＴ＝ＵＴ+－ＵＴ－。施密特触发器可将任意波形（包括边沿变化非常缓慢的波形）变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲，还常用来进行幅度鉴别，脉冲整形、构成单稳态触发器和多谐振荡器。 |
| 单稳态触发器有一个稳定状态和一个暂稳态。没有外加触发信号输入时，电路处于稳定状态。在外加触发信号作用下，电路进入暂稳态，经一段时间后，又自动返回到稳定状态。暂稳态维持的时间为输出脉冲宽度，它由电路的Ｒ、Ｃ定时元件的数值决定，而与输入触发信号没有关系。改变Ｒ、Ｃ数值的大小可调节输出脉冲的宽度。单稳态触发器可将输入的触发脉冲变换为宽度和幅度都符合要求的矩形脉冲，还常用于脉冲的定时、整形、展宽等。集成单稳态触发器。由于其具有温度漂移小、工作稳定性高、脉冲宽度调节范围大、使用方便灵活的特点，因此，它是一种较为理想的脉冲整形与变换电路。 |
| 多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。暂稳态间的相互转换完全靠电路本身电容的充电和放电自动完成。因此，多谐振荡器接通电源后就能输出周期性的矩形脉冲。改变Ｒ、Ｃ定时元件数值的大小，可调节振荡频率。在振荡频率稳定度要求很高的情况下，可采用石英晶体振荡器。 |
| ５５５定时器是一种多用途的集成电路。只需外接少量阻容元件便可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等。此外，它还可组成其它各种实用电路。由于５５５定时器使用方便、灵活，有较强的负载能力和较高的触发灵敏度，因此，它在自动控制、仪器仪表、家用电器等许多领域都有着广泛的应用。 |
