1、第6章脉冲波形的产生与变换第章脉冲波表的产生与变换6.1概述概述6.2集成集成555定时器及其应用定时器及其应用6.3施密特触发器施密特触发器6.4单稳态触发器单稳态触发器6.5多谐振荡器多谐振荡器6.6脉冲波形的产生与整形电路仿真实验脉冲波形的产生与整形电路仿真实验实验与实训实验与实训本章小结本章小结习题习题第6章脉冲波形的产生与变换6.1 概概 述述脉冲信号是指那些瞬间突然变化，作用时间极短的电压或电流波形。它可以是周期性重复的，也可以是非周期性的。由于数字电路系统中，离不开各种不同频率及幅值的脉冲信号，如时序逻辑电路中时钟信号、控制过程的定时信号等，因此，矩形脉冲特性的好坏直接关系到整个
2、系统能否正常工作。第6章脉冲波形的产生与变换矩形脉冲的获取通常有两种途径：一种是利用各种形式的脉冲振荡电路，直接产生所需的矩形脉冲，如多谐振荡器等。这种电路在工作时一般不需要外加信号源，只要加上合适的工作电压，就能自动产生脉冲信号，所以这类电路属于自激的脉冲振荡电路。另一种是通过整形电路（或脉冲变换电路）把一种非矩形脉冲，或者性能不符合要求的矩形脉冲变换成符合要求的矩形脉冲，如施密特触发器、单稳态触发器等。第6章脉冲波形的产生与变换这种电路本身并不能自行产生脉冲信号，它只是把已有的某种脉冲信号“加工”成符合要求的矩形脉冲信号。555定时器是一种多用途集成电路，其使用灵活、方便，在波形产生与变换
3、、测量控制等方面有着广泛的应用。本章主要以555定时器应用为主线介绍施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工作原理与应用。第6章脉冲波形的产生与变换 6.2 集成集成555定时器及其应用定时器及其应用 6.2.1 电路组成电路组成 555定时器内部结构的逻辑如图6.2.1 所示，它由五部分组成：3个5 k电阻组成的分压器，两个集成运放C1、C2 组成电压比较器，基本RS触发器，放电管T及反相器G4构成的输出缓冲器构成。第6章脉冲波形的产生与变换图6.2.1 555定时器的逻辑图第6章脉冲波形的产生与变换1.电阻分压器电阻分压器为电压比较器提供参考电压uR1和uR2。(1)当控制电压输入端（即
4、5脚）uIC悬空时，uR1=UCC，uR2=UCC；(2)当控制电压输入端（即5脚）接电压uIC时，uR1=uIC,uR2=uIC；(3)当不需要外接控制电压时，通常在控制电压输入端（即5脚）uIC与地之间接一个大小为0.01 F的电容滤波，提高电压uR1和uR2的稳定性。3121第6章脉冲波形的产生与变换2.电压比较器电压比较器由C1、C2两个结构相同的集成运算放大器组成。由集成运算放大器的特点可知：U+U时，运放的输出是高电平；U+U时，运放的输出是低电平。3.基本RS触发器基本RS触发器由两个与非门G1、G2组成，它的输出状态由两个比较器输出uC1和uC2控制，其中，uC1接入基本RS
5、触发器的置0端，uC2接入基本RS 触发器的置1端。第6章脉冲波形的产生与变换4.输出缓冲器缓冲器由非门G4构成。它的作用是改善输出信号的波形，提高驱动负载能力。5.放电管V当RS 触发器输出为低电平时，放电管V导通；当RS 触发器输出为高电平时，放电管V截止。放电管可为外接电容提供放电回路。第6章脉冲波形的产生与变换6.2.2 工作原理工作原理555定时器的具体工作原理如下所述：（1）RD是复位端。当 RD=0时，输出端uO=0。正常工作时，应使 RD=1。（2）当uI1uR1、uI2uR2时，uC1=1、uC2=0，即 RD=1、SD=0，基本RS触发器被置1，Q=1，放电管V截止，输出端
6、uO=1，为高电平。第6章脉冲波形的产生与变换（3）当uI1 uR2时，uC1=1、uC2=1，RD=1、SD=1，基本RS触发器维持原来状态不变，因而放电管V和输出端uO也维持原来状态不变。（4）当uI1uR1、uI2uR1、uI2uR2时，uC1=0、uC2=1，即 RD=0、SD=1，基本RS触发器被置0，Q=0，放电管V导通，输出端uO=0，为低电平。第6章脉冲波形的产生与变换综合上述分析，不外接控制电压时，可得555定时器功能表如表6.2.1所示。第6章脉冲波形的产生与变换6.3 施密特触发器施密特触发器施密特触发器是波形变换中经常使用的一种电路，它能将边缘变化缓慢的电压波形整形为边
7、缘陡峭的矩形脉冲。它具有类似于磁滞回线形状的电压传输特性，如图6.3.1所示。通常把这种形状的特性曲线称为滞回特性或施密特触发特性。第6章脉冲波形的产生与变换图6.3.1 施密特触发器的电压传输特性第6章脉冲波形的产生与变换（1）属于电平触发且有两个稳定状态。两个稳定状态的维持和相互转换只与输入电压的大小有关，而与输入电压的变化速度无关，且输出由高电平转换到低电平或由低电平转换到高电平所需输入电压的大小是不同的，其差值称为回差电压UT，即UT=UT+UT。其中，UT+为正向阈值电压；UT为负向阈值电压。（2）电压传输特性转折时上升时间和下降时间极短，或者说上升沿和下降沿非常陡，抗干扰能力较强，
8、当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。第6章脉冲波形的产生与变换6.3.1 用用555定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器将555定时器的阈值输入端(6管脚)和触发输入端(2管脚)连在一起，便构成了施密特触发器，如图6.3.2 所示。第6章脉冲波形的产生与变换图6.3.2 555定时器组成的施密特触发器（a）电路图;（b）工作波形图第6章脉冲波形的产生与变换当UIC端通过0.01 F 电容接地，电路的工作原理如下：1）输入信号uI从低电位逐渐升高当uI UCC时，uI1 UCC，uI2UCC，触发器置1，uO1=1，为高电平，放电管V截止。当UCCuIUCC时，uI1
9、UCC，电路输出仍保持不变，uO1=1，为高电平，放电管V截止。31313131323232第6章脉冲波形的产生与变换 当uIUCC时，uI1UCC，uI23UCC，触发器复位，uO1=0，为低电平，放电管V导通。2）输入信号uI从高电位逐渐下降 当uIUCC时，uI1UCC，uI2UCC，触发器复位，uO1=0，为低电平，放电管V导通。313232323231第6章脉冲波形的产生与变换当UCCuIUCC时，uI1UCC，电路输出仍保持不变，uO1=0，为低电平，放电管V导通。当uIUCC时，uI1UCC，uI2UCC，触发器置1，uO1=1，为高电平，放电管V截止。3231323131323
10、1第6章脉冲波形的产生与变换 因此，在uI上升过程中，当uI上升到UCC时，电路输出状态翻转，使uO1由1变为0；在uI下降过程中，当uI下降到UCC时，电路输出状态翻转，使uO1 由0变为1。由此可知：正向阈值电压UT+=UCC，负向阈值电压UT=UCC，回差电压UT=UT+UT=3UCCUCC=3UCC。323132313131第6章脉冲波形的产生与变换 如将图中5脚外接控制电压uIC，改变uIC的大小，则可以调节回差电压的范围，即 UT=UT+UT=uICuIC=uIC 如果在555定时器的放电管V输出端（7脚）外接一电阻，并与另一电源UCC1相连，则当放电管V导通时，另一输出端uO2=
11、0,为低电平；放电管V截止时，uO2=UCC1,输出端为高电平，因此，uO2输出电平的大小可通过改变UCC1来实现。2121第6章脉冲波形的产生与变换6.3.2 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器1.电路组成由两个CMOS反相器组成的施密特触发器如图6.3.3所示。电路中两个CMOS反相器串接，分压电阻R1、R2将输出端的电压反馈到输入端对电路产生影响。第6章脉冲波形的产生与变换图6.3.3 CMOS反相器组成的施密特触发器(a)电路图；(b)图形符号第6章脉冲波形的产生与变换2.工作原理假定电路中CMOS反相器的阈值电压Uth，R1R2，且输入信号uI为三角波，则根据叠加原
12、理有uI1=uI+uO （1）当输入电压为 0 V 时。uI=0 V 时，uI1Uth，则G1输出uO1为高电平，G2输出uO 0 V，此时uI10 V。当输入从0 V电压逐渐增加时，只要uI1UT+时，电路状态维持uO为高电平不变。第6章脉冲波形的产生与变换（3）当输入电压下降时。uI继续上升至最大值后开始下降，随着uI下降,uI1也逐渐降低，当uI1低于Uth时，G1输出，uO1为高电平，G2输出，uO为低电平，电路产生如下正反馈过程：uI1uO1uO第6章脉冲波形的产生与变换3.回差电压回差电压，即正向阈值与负向阈值之差。UT=UT+UT 2UthUDD由上式可见，电路回差电压与R1/R
13、2成正比，改变R1、R2的比值，即可调节回差电压的大小。电路的工作波形及传输特性曲线如图6.3.4所示。RR21RR21第6章脉冲波形的产生与变换图6.3.4 施密特触发器的工作波形和传输特性曲线(a)工作波形；(b)传输特性曲线第6章脉冲波形的产生与变换6.3.3 集成施密特触发器集成施密特触发器TTL集成施密特触发器具有以下特点：（1）具有较强的带负载能力。（2）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。（3）具有较强的抗干扰能力。第6章脉冲波形的产生与变换CMOS集成施密特触发器具有以下特点：（1）在电源电压UDD一定时，触发阈值电压稳定；（2）电源电压UDD变化范围宽，输
14、入阻抗高，功耗极小；（3）具有很强的抗干扰能力。第6章脉冲波形的产生与变换6.3.4 施密特触发器的应用施密特触发器的应用1.波形变换因为施密特触发器的输出只有高、低电平两种状态，且状态转换时输出电压波形的边沿又十分陡峭，所以利用施密特触发器可把缓慢变化的电压信号转换为比较理想的矩形脉冲信号。只要输入信号的幅度大于UT+且峰峰值大于T，即可在施密特触发器的输出端得到同频率的矩形脉冲信号。如图6.3.5所示。第6章脉冲波形的产生与变换图6.3.5 用施密特触发器实现波形变换第6章脉冲波形的产生与变换2.脉冲整形在数字系统中，矩形脉冲信号经过传输以后往往发生波形畸变。常见的有三种情况，如图6.3.
15、6所示。其中，(a)图的传输线上接有较大的电容，由于电容电压不能突变，所以脉冲信号的上升沿和下降沿都将变坏；(b)图是传输线较长，而且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配，当脉冲的上升沿或下降沿到达接收端时，将发生振荡现象；(c)图是其他脉冲信号通过导线之间的分布电容或公用电源线叠加到矩形脉冲信号上时,信号上将形成附加的噪声。第6章脉冲波形的产生与变换图6.3.6 用施密特触发器进行脉冲整形(a)接收大电容时；(b)接收端与传输端的阻抗不匹配；(c)其他脉冲信号通过时第6章脉冲波形的产生与变换3.脉冲鉴幅如图6.3.7所示，若将一系列不同幅度的脉冲信号加到施密特触发器输入端时，则只有那些幅度大于U
16、T+的脉冲才能在输出端产生脉冲信号。因此，施密特触发器可以将幅度大于UT+的脉冲选出，从而达到脉冲鉴幅的目的。如果uI是缓慢变化的连续的电压信号，则利用施密特触发器也可以在输入到达UT+时给出输出信号。这在输入信号到达一定值需要给出超限报警信号时是很有用的。第6章脉冲波形的产生与变换图6.3.7 用施密特触发器鉴别脉冲幅度第6章脉冲波形的产生与变换课堂活动课堂活动一、课堂提问和讨论1.试述施密特触发器的工作特点。2.试述施密特触发器的主要用途。3.试述用555集成块组成的施密特触发器调节回差电压的方法。4.试述用门电路组成的施密特触发器调节回差电压的方法。5.试述用555集成块组成的施密特触发
17、器其改变输出电平大小的方法。第6章脉冲波形的产生与变换二、学生演讲和演板1.描述或写出555定时器的功能表。2.试述555定时器各管脚的功能。三、课堂练习1.在图6.3.2(a)所示施密特触发器中，估算在下列条件下电路的UT+、UT、UT。(1)UCC=12 V，UIC端通过0.01 F 电容接地；(2)UCC=12 V，UIC端接5 V电源。第6章脉冲波形的产生与变换2.在图6.3.2(a)所示施密特触发器也可作为脉冲鉴幅器。为从图6.3.8所示的输入信号中将幅值大于5 V的脉冲检出，电源电压UCC应取多少？如规定UCC=10 V不变，则电路做何修改？第6章脉冲波形的产生与变换图6.3.8第
18、6章脉冲波形的产生与变换 6.4 单稳态触发器单稳态触发器6.4.1 用用555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器将555定时器的各个管脚如图6.4.1（a）所示进行连接，便构成了施密特触发器。其工作波形如图6.4.1（b）所示。第6章脉冲波形的产生与变换图6.4.1 由555定时器组成的单稳态触发器（a）电路图;（b）工作波形第6章脉冲波形的产生与变换（1）没有触发信号时,uI为高电平，电路处于一种稳态，即u0=0。电源接通后，电路有一个稳定的过程，即电源通过电阻R向电容C充电。当uC上升到略大于UCC时，无触发信号(uI为高电平)即uI1UCC，uI2 UCC,触发器复位，u
19、O为低电平，放电管V导通，电容C经7管脚对地放电。随着放电过程，uC电压下降，当uC低于 UCC，即uI1UCC时，一直到uC=0 V，电路输出仍保持不变;uO=0时，电路进入稳定状态。323232323131第6章脉冲波形的产生与变换（2）在触发信号作用下，电路由稳态进入暂态，即uO=1。若触发输入端施加触发信号（uI为低电平），则uI13UCC，uI2UCC，uI2 UCC，电路又发生翻转，触发器复位，uO=0为低电平，放电管V导通，电容C经7管脚对地放电，电路恢复至稳定状态。如果忽略V的饱和压降，则uC从零电平上升到UCC的时间，即为输出电压uO的脉宽tW，它等于暂稳态的持续时间，主要由
20、电阻R和电容C大小决定。tW=RCln31.1RC。313232第6章脉冲波形的产生与变换6.4.2 用门电路组成的单稳态触发器用门电路组成的单稳态触发器1.电路组成由于单稳态触发器的暂稳态都是靠RC电路的充、放电过程来维持的，因此，根据RC电路的不同接法，单稳态触发器可分为微分型和积分型两种，如图6.4.2（a）和（b）所示。第6章脉冲波形的产生与变换图6.4.2 用门电路组成的单稳态触发器（a）微分型；（b）积分型第6章脉冲波形的产生与变换2.工作原理 （1）在没有触发信号时，电路处于一种稳态，即uO=0。无外来触发信号时，uI=0,所以ud=0,为低电平;uI2=UDD，为高电平，G2为
21、反相器，故uO为低电平；这样或非门G1的两个输入都为低电平，其输出uO1=UDD，这时电容C两端的电位uO1和uI2都为高电平，电容C无充放电现象，电路稳定。第6章脉冲波形的产生与变换（2）在外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态，即uO=1。当触发脉冲uI加到输入端，在Rd和Cd组成的微分电路输出端得到很窄的正、负脉冲ud，当ud=UTH时，或非门G1翻转，uO1=0。由于电容C上电压不能突变，所以uI2也同时跳变为低电平，从而促使反相器G2翻转,uO=UDD，电路进入暂稳态。这时即使ud回到低电平，uO的高电平仍将维持。第6章脉冲波形的产生与变换由稳态进入暂稳态中的正反馈，会使uO1、uO的
22、边沿变得很陡，过程如下：第6章脉冲波形的产生与变换 （3）电容充电时，电路由暂稳态自动返回稳态，即uO=0。暂稳态期间，uO1=0，UDD经电阻R向电容C充电，随着充电过程的进行，uI2逐渐升高，当升到uI2=UTH时，又引发另外一个正反馈过程第6章脉冲波形的产生与变换由此可画出电路中各点电压波形，如图6.4.3所示。图6.4.3 电路中各点电压波形第6章脉冲波形的产生与变换3.主要参数1）输出脉冲宽度tW指电容C从开始充电到uI2上升至UTH的这段时间，即tW0.7RC2）输出脉冲幅度Um Um=UOHUOLUDD第6章脉冲波形的产生与变换3）恢复时间tre暂稳态结束后，还需要一段恢复时间，
23、以便电容C在暂稳态期间所充的电荷释放完，使电路恢复到初始状态。一般，tre（35）RONC式中，RON为G1门的输出电阻。4）分辨时间td分辨时间是指在保证电路能正常工作的前提下，允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔，即 td=tW+tre 第6章脉冲波形的产生与变换5）最高工作频率fmax微分型单稳态触发器只用于窄脉冲触发，抗干扰能力较差。而积分型单稳态触发器必须在触发脉冲的宽度大于输出脉冲的宽度时，才能正常工作，因而抗干扰能力较强。但输出波形的边沿较差。damxt1frewtt1第6章脉冲波形的产生与变换6.4.3 集成单稳态触发器集成单稳态触发器用门电路组成的单稳态触发器虽然电路简单，
24、但输出脉宽的稳定性差，调节范围小，且触发方式单一。因此，在实际工作中我们更多地使用集成单稳态触发器。集成单稳态触发器的原理与以上所讲的相似，按其电路结构不同可分为TTL电路和CMOS电路两类。仅从功能上看，两类触发器区别不大，但从性能上看，CMOS 电路优于TTL 电路（CMOS 电路的工作电压更宽，抗干扰能力更强等）。第6章脉冲波形的产生与变换集成单稳态触发器按其触发条件不同可分为不可重复触发和可重复触发两种，其工作波形如图6.4.4所示。主要区别是：不可重复触发单稳态触发器在进入暂稳态期间，如有触发脉冲作用，电路的工作过程不受影响，只有当电路的暂稳态结束后，输出触发脉冲才会影响电路状态，电
25、路输出脉宽由R、C参数确定；而可重复触发单稳态触发器在暂稳态期间，如有触发脉冲作用，电路会重新被触发，使暂稳态继续延迟一段时间，直至触发脉冲的间隔超过输出脉宽，电路才返回稳态。第6章脉冲波形的产生与变换图6.4.4 两种单稳态触发器的工作波形（a）不可重复触发单稳态触发器;（b）可重复触发单稳态触发器第6章脉冲波形的产生与变换6.4.4 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用1.脉冲延迟（滞后）单稳态触发器的脉冲延迟作用从图6.4.3的工作波形可以看出，输出信号uO的上升沿相对输入信号uI的上升沿延迟了一段时间tW。第6章脉冲波形的产生与变换2.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
26、矩形脉冲，因此可利用它来作定时电路。在图6.4.5中，单稳态触发器的输出电压uO用作与门的输入定时控制信号，当uO为高电平时，与门打开,uO=uF；当uO为低电平时，与门关闭,uO为低电平。显然，与门打开的时间就是单稳态触发器输出脉冲uO的宽度tW。第6章脉冲波形的产生与变换图6.4.5 单稳态触发器用于定时选通第6章脉冲波形的产生与变换3.脉冲整形 和施密特触发器一样，单稳态触发器也可用来把不规则的输入信号uI整形成宽度和幅度都符合要求的标准矩形脉冲uO，uO的幅度取决于单稳态触发器输出的高、低电平，宽度tW取决于单稳态触发器的暂稳态时间。图6.4.6是单稳态触发器用于波形整形的一个简单例子
27、。第6章脉冲波形的产生与变换图6.4.6 单稳态触发器用于波形的整形第6章脉冲波形的产生与变换课堂活动课堂活动一、课堂提问和讨论1.试述单稳态触发器的工作特点。2.试述单稳态触发器的主要用途。3.555定时器由哪几部分构成？各部分功能是什么?二、学生演讲和演板1.集成单稳态触发器可分为哪两类?有何区别？2.试述图6.4.2（b）中的积分型单稳态触发器的工作原理。第6章脉冲波形的产生与变换三、课堂练习在图6.4.1的单稳态触发器中，已知UCC=12 V,R=10 k，C=10 F，试问：(1)该电路的触发脉冲是正脉冲还是负脉冲？触发脉冲的幅度至少应低于多少伏？(2)输出的脉冲宽度是多少？(3)若
28、需增大输出脉冲的宽度，应如何调整电路参数?第6章脉冲波形的产生与变换6.5 多多 谐谐 振振 荡荡 器器多谐振荡器是一种自激振荡电路，工作时不需要任何外加触发信号，只要一接通电源，它就能自动产生一定频率和幅值的矩形脉冲信号。因为矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。由于多谐振荡器一旦启振后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们作交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，故又称为无稳态电路，常用来做脉冲信号源。第6章脉冲波形的产生与变换6.5.1 用用555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器由555定时器构成的多谐振荡器及工作波形如图6.5.1所示。图6.5.1 由5
29、55定时器组成的多谐振荡器（a）电路图；（b）工作波形第6章脉冲波形的产生与变换其具体工作原理如下：1.第一暂稳态接通电源后，电容C被充电，uC上升，当uC到略大于 UCC时，则uI1UCC，uI2UCC，根据555定时器功能表得知，此时uO为低电平，同时放电管V导通。此时，电容C通过R2和经7管脚接入放电管V进行放电，使uC下降。uC由UCC下降到UCC这段时间，电路都处于第一暂稳态。电容器C放电所需的时间为tPL=R2Cln2 0.7R2C。32323131第6章脉冲波形的产生与变换2.第二暂稳态当uC下降到略小于UCC时，则uI1UCC，uI2UCC，根据555定时器功能表得知，此时uO
30、为高电平，同时放电管V截止，电容C放电结束时。这时UCC将通过R1、R2向电容器C充电，uC由UCC上升到 UCC这段时间，电路都处于第二暂稳态。电容器C充电所需的时间为tPH=(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C。32323131第6章脉冲波形的产生与变换当uC上升到UCC时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的矩形波，其频率为PHPLtt1fC)R2R(43.121占空比为PHPLPHtttq2121R2RRR第6章脉冲波形的产生与变换图6.5.1 所示电路的tPLtPH，且占空比固定不变。如果将电路改成如图6.5.2 所示的形式，电路利用VD1、VD2单向导
31、电性将电容器C充、放电回路分开，再加上电位器调节，便构成了占空比可调的多谐振荡器。图中，UCC通过RA、VD1向电容C充电，充电时间为 tPH0.7RAC第6章脉冲波形的产生与变换电容器C通过VD2、RB及555中的放电管V放电，放电时间为tPL0.7RBC因而，振荡频率为可见，这种振荡器输出波形的占空比为PHPLtt1fC)RR(43.1BABAARRRq100%第6章脉冲波形的产生与变换图6.5.2 占空比可调的方波发生器第6章脉冲波形的产生与变换6.5.2 用门电路组成的多谐振荡器用门电路组成的多谐振荡器具有如下共同的特点：（1）含有开关器件。如门电路、电压比较器、BJT等。这些器件主要
32、用作产生高、低电平。（2）具有反馈网络。将输出电压恰当地反馈给开关器件,使之改变输出状态。（3）还有延迟环节。利用RC电路的充、放电特性可实现延时，以获得所需要的振荡频率。第6章脉冲波形的产生与变换在许多实用电路中，反馈网络兼有延时的作用。1.电路组成图6.5.3 所示是由CMOS门电路组成的不对称的多器谐振荡器。图6.5.3 由CMOS门电路组成的多谐振荡器第6章脉冲波形的产生与变换2.工作原理为了分析方便，假设门电路的电压传输曲线为理想化的折线，即开门电平UON和关门电平UOFF相等，称为门坎电平UTH（或阈值电平），且设Uth=UDD,则有UON=UOFF=UTH=UDD。1）第一暂稳态
33、及电路自动翻转的过程假定在t=0 时接通电源，电容C尚未充电，电路初始状态为uO1=UOH，uI=uO2=UOL状态，即第一暂稳态。此时，电源经G1、电阻R给电容C充电，uI随之上升。2121第6章脉冲波形的产生与变换当uI=UON时，电路发生下述正反馈过程：这一正反馈过程瞬间完成，使G1导通、G2截止，电路进入第二暂稳态，即uO1=UOL，uO2=UOH。第6章脉冲波形的产生与变换2）第二暂稳态及电路自动翻转的过程 电路进入第二暂稳态瞬间，G1开通，G2关闭，uO2高电平经C、R和G1的输出电阻对C进行反向充电(即C放电)，uI随之下降。当uI下降至UOFF时，电路又产生另一个正反馈过程：从
34、而使G1迅速截止，G2迅速导通，电路又回到第一暂稳态，即uO1=UOH，uO2=UOL。此后，电路重复上述过程，周而复始地从一个暂稳态翻转到另一个暂稳态，在G2的输出端即有周期性的矩形脉冲信号输出。第6章脉冲波形的产生与变换3.振荡周期在UTH=UDD/2时，振荡周期可用下式进行估算:T=T1+T2=RCln41.4RC第6章脉冲波形的产生与变换6.5.3 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期（或重复频率）不仅取决于时间常数RC，还取决于门电路的阈值电压UTH。由于UTH容易受温度、电源电压及干扰的影响，因此，频率稳定性较差。1.石英晶体的基本特性石英晶体的
35、品质因数Q很高，选频特性非常好，并且有一个极为稳定的串联谐振频率fs。图6.5.4 所示为石英晶体的符号及阻抗频率特性。第6章脉冲波形的产生与变换图6.5.4 石英晶体的电路符号及阻抗频率特性（a）电路符号；（b）阻抗频率特性第6章脉冲波形的产生与变换由阻抗频率特性可知：当外加电压信号的频率fs等于石英晶体的固有谐振频率f0时，石英晶体的等效阻抗量小，信号最容易通过。利用这一特性，把石英晶体接入多谐振荡器电路中，使电路的振荡频率只由晶体的固有谐振频率f0来决定，而与电路中其他元件（R或C）的参数无关。第6章脉冲波形的产生与变换石英晶体的频率稳定度是固有谐振频率的偏移量f0 与固有谐振频率f0的
36、比值:f0/f0，可达10101011，完全可以满足大多数数字系统对频率稳定度的要求。具有各种谐振频率的石英晶体已被制成标准化和系列化的产品出售。第6章脉冲波形的产生与变换2.石英晶体多谐振荡器图6.5.5所示是由两个反相器G1、G2和两个电容C1、C2及石英晶体等构成的多谐振荡器。其振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率 fs，而与电路中的R、C 数值无关，这是因为电路对 fs频率所形成的正反馈最强而易维持振荡。第6章脉冲波形的产生与变换反馈电阻R的作用是使反相器工作在线性放大区，对于TTL门电路，R通常在0.72 k之间，对于CMOS门电路，R通常在10100 M之间；电容C1用于两个反相
37、器之间的耦合，其大小应使C1在频率为fs时的容抗可以忽略不计，电容C2的作用是抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出，其大小应使2RC2fs1，从而使RC2并联网络在fs处产生极点，以减少谐振信号的损失。第6章脉冲波形的产生与变换图6.5.5 石英晶体振荡器第6章脉冲波形的产生与变换6.5.4 多谐振荡器的应用多谐振荡器的应用多谐振荡器能够产生输出连续、频率稳定的矩形脉冲信号，因此它常作为时钟脉冲信号发生器。同时，它也可以构成一些实用电路。1.双音门铃图6.5.6是用多谐振荡器构成的双音门铃电路。第6章脉冲波形的产生与变换图6.5.6 多谐振荡器构成的双音门铃电路第6章脉冲波形的产生与变换当按钮开
38、关AN按下时，开关闭合，UCC经VD2向C3充电，P点（4脚）电位迅速提高至UCC，复位解除；由于VD1将R3旁路，UCC经VD1、R1、R2向C充电，充电时间常数为(R1+R2)C，放电时间常数为 R2C，多谐振荡器产生高频振荡，喇叭发出高音。第6章脉冲波形的产生与变换当按钮开关AN松开时，开关断开，由于电容C3存储的电荷经R4放电要维持一段时间，在P点（4脚）电位降到复位电平之前，电路继续维持振荡；此时，UCC经VD1、R3、R1、R2向C充电，充电时间常数为(R3+R1+R2)C，放电时间常数为 R2C，多谐振荡器产生低频振荡，喇叭发出低音。当电容C3持续放电，使P点（4脚）电位降到复位
39、电平之后，多谐振荡器停止振荡，喇叭停止发出声音。第6章脉冲波形的产生与变换2.救护车扬声器发音电路图6.5.7 所示是用两个定时器（也可用一片双定时器556）接成的救护车扬声器发音电路，它能交替发出两种高、低不同的叫声。高、低音的持续时间各约1 s。图中第（1）片555定时器接成低频多谐振荡器。在图中标明的参数下，振荡周期约为2 s。uO1输出脉冲的高、低电平持续时间各约1 s。第6章脉冲波形的产生与变换第（2）片555定时器接成另一个多谐振荡器，它的控制电压输入端与第一片555的输出端相连。因此，第（2）片555的uCO值随uO1而改变。当uO1为高电平时，uCO较高，UT+和UT也较高；当
40、uO1为低电平时，UT+和UT也较低。当UT+较高时，电容充、放电的电压幅度较大，因而振荡频率较低;反之，当UT+较低时，电容充、放电的电压幅度较小，充、放电过程完成得快，故振荡频率较高。第6章脉冲波形的产生与变换课堂活动课堂活动一、课堂提问和讨论1.数字电路中的脉冲信号都是由多谐振荡器直接产生的吗？2.石英晶体多谐振荡器的特点是什么？其振荡频率如何确定？3.由555定时器组成的多谐振荡器在振荡周期不变的情况下，如何改变脉冲的宽度？第6章脉冲波形的产生与变换二、学生演讲和演板1.555定时器是一种中规模集成电路，外接一些阻容元件可构成哪些不同的电路？2.试比较多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触
41、发器的工作特点，并说明主要用途。第6章脉冲波形的产生与变换三、课堂练习1.在图6.5.1所示的多谐振荡器中，欲降低电路振荡频率，下列的各种方法哪个是正确的?为什么？(1)加大R1的阻值；(2)加大R2的阻值；(3)减少C的容值。2.试用555定时器设计一个多谐振荡器，要求输出脉冲的振荡频率为10 kHz，占空比为20%，电源电压为8 V，画出电路并计算阻容元件的数值。第6章脉冲波形的产生与变换6.6 脉冲波形的产生与整形电路仿真实验脉冲波形的产生与整形电路仿真实验1.555定时器应用仿真实验1）使用555定时器构成施密特触发器仿真实验在仿真工作区搭建一个由555定时器构成的施密特触发器实验电路
42、，按图6.6.1所示，使其中的输入信号为三角波。打开仿真开关，在示波器面板上可以观察到对应于输入三角波形UI的输出波形UO为方波信号，如图6.6.2所示。第6章脉冲波形的产生与变换图6.6.1 由555定时器构成的施密特触发器电路第6章脉冲波形的产生与变换图6.6.2 施密特触发器工作波形第6章脉冲波形的产生与变换观测如图6.6.2所示的电压波形图，分析、验证施密特触发器的功能。2）使用555定时器构成单稳态触发器仿真实验在仿真工作区搭建一个由555定时器构成的单稳态触发器实验电路，如图6.6.3所示。其中，输入触发信号为方波信号，单稳态的持续时间tW可由R、C的参数调整。第6章脉冲波形的产生
43、与变换图6.6.3 由555定时器构成的单稳态触发器电路第6章脉冲波形的产生与变换由于不可重复触发单稳态触发器的输出脉冲宽度主要取决于定时元件R和C，所以若将不符合要求的脉冲信号输入单稳态触发器，则可在单稳态触发器的输出端获得边沿、宽度和幅值都符合要求的矩形脉冲。其中，单稳态脉冲的脉宽tW1.1RC。打开仿真开关，进行仿真实验，在示波器面板上可以观察到如图6.6.4所示的单稳态触发器的工作波形。第6章脉冲波形的产生与变换图6.6.4 单稳态触发器工作波形第6章脉冲波形的产生与变换3）使用555定时器构成多谐振荡器仿真实验在实验工作区搭建一个由555定时器构成的多谐振荡器，如图6.6.5所示。打
44、开仿真开关，在示波器面板上可以观察到电容器C上的充、放电波形和与之对应的矩形波输出，如图6.6.6所示。第6章脉冲波形的产生与变换图6.6.5 由555定时器构成的多谐振荡器电路第6章脉冲波形的产生与变换矩形波信号的周期取决于电容器充、放电回路的时间常数，输出矩形脉冲信号的周期T0.7（R1+2R2）C。观测如图6.6.6所示的电压波形图，分析验证多谐振荡器的功能。第6章脉冲波形的产生与变换图6.6.6 多谐振荡器的工作波形第6章脉冲波形的产生与变换4）使用555定时器构成占空比可调的多谐振荡器仿真实验数控线切割机床中的高频电源的信号源一般都采用由555定时器构成的占空比可调的多谐振荡器电路，
45、在仿真工作区搭建仿真电路，如图6.6.7所示。输出端输出矩形脉冲信号的周期为T0.7（R1R2R3RW）C。第6章脉冲波形的产生与变换图6.6.7 由555定时器构成的占空比可调的多谐振荡器第6章脉冲波形的产生与变换可通过调节R1、R2和C的参数来调节矩形脉冲的宽度，可通过调节RW、R3、C的参数来调节矩形脉冲的间隔。VD1和VD2的作用是减小调节脉冲宽度和脉冲间隔的互相影响。打开仿真开关，观测如图6.6.8所示的示波器面板上显示的输出电压波形。可改变R1、R2和RW的参数，并观测输出波形的变化情况。第6章脉冲波形的产生与变换图6.6.8 多谐振荡器的工作波形（一）第6章脉冲波形的产生与变换实
46、验与实训实验与实训脉冲波形的产生与整形电路1.训练目的（1）掌握施密特触发器、单稳态触发器及多谐振荡器的工作特性及测试方法。（2）熟悉用555定时器构成上述三种电路的方法及其他典型应用。（3）了解定时元件R、C与脉冲周期、脉冲宽度等的关系。第6章脉冲波形的产生与变换2.训练内容与步骤（1）门电路组成的多谐振荡器功能测试。按图6.6.9连线，R=1 k，C=0.047 F，输出接示波器。观察uO的波形，改变R、C的数值，观察uO波形变化情况。说明R、C值与输出波形的关系。第6章脉冲波形的产生与变换（2）施密特触发器组成的多谐振荡器功能测试。将施密特触发器CT1121（74121）按图6.6.10
47、连线，C1=0.047 F，R为10 k 的电位器，用SR8双踪示波器观察uC和uO两点的电压波形。改变R值，观察波形变化情况，并绘出波形图。第6章脉冲波形的产生与变换图6.6.9 第6章脉冲波形的产生与变换图6.6.10 第6章脉冲波形的产生与变换（3）555定时器组成的三种应用电器。构成施密特触发器。将555定时器5G1555按图6.3.2（a）连线。10 k电位器R的中点接输入端uI，另两端分别接电源端UCC和地，改变R值，分别测量对应的uI和uO值，绘出施密特触发器的电压传输特性，指出UT+和UT值。说明该电路的特点。第6章脉冲波形的产生与变换 构成单稳态触发器。将555定时器5G15
48、55按 图 6.4.1（a）连线。C1=0.01 F，R为47 k 的电位器，输入端uI接连续脉冲，f=1 kHz，用双踪示波器观察uI和uO的对应波形并绘出。若改变R、C的数值，观察波形变化情况。第6章脉冲波形的产生与变换 构成多谐振荡器。将555定时器5G1555按图 6.5.1（a）连线。R1=5.1 k，R2=10 k，C1=0.047 F。用双踪示波器观察uC和uO的波形并绘图。若改变R、C的数值，观察波形变化情况。将555定时器5G1555按图6.5.7连线。当接通电源后，扬声器能交替发出两种高、低不同声调的声音，高、低音的持续时间各约1 s。分别改变电阻R1、R3的大小，观察声音
49、变化情况。第6章脉冲波形的产生与变换3.训练报告要求（1）画出集成电路连线示意图、工作波形图，并分析结果。（2）总结施密特触发器、单稳态触发器及多谐振荡器的功能和各自特点。（3）写出多谐振荡器振荡周期和单稳态触发器脉宽的计算公式，定性说明定时元件与它们的关系。4.训练仪器与器材（1）数字电路实验箱1台，SB8双踪示波器1台。（2）参考器件有T063、CT1121、5G1555定时器、扬声器、电阻、电容。第6章脉冲波形的产生与变换5.预习要求与思考题（1）预习要求。由门电路组成的施密特触发器、单稳态触发器及多谐振荡器的工作原理及特点。555定时器组成的三种电路的方法、工作原理及特点。电路输入电压
50、uI（或电容电压uC）与输出电压uO的关系。所用集成电路的功能和外部引线排列。第6章脉冲波形的产生与变换（2）思考题 什么是施密特触发器的滞回特性？为什么单稳态触发器要求触发脉冲宽度小于输出脉冲宽度？单稳态触发器输出脉冲宽度和重复频率各与什么有关？试用555定时器设计一个多谐振荡器，其正负脉宽比为2 1。第6章脉冲波形的产生与变换本本 章章 小小 结结1.施密特触发器和单稳态触发器是两种常用的脉冲波形整形变换电路，可将输入的周期性信号整形变换成所要求的同周期的矩形脉冲输出。2.施密特触发器有两个稳定状态，有两个不同的触发电平，具有回差特性。这两个稳定状态是靠两个不同的触发电平来维持的，调节回差
