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第14章 脉冲的产生和整形电路
教学重点：
1．掌握锯齿波电压发生器的工作原理和锯齿波电压参数。 2．掌握单稳态电路的工作原理及应用。 3．掌握多谐振荡电路的工作原理及应用。 4．掌握施密特电路的工作原理及应用。
教学难点：
1．环形多谐振荡器的工作原理。 2．单稳态触发器的工作原理 。 3．施密特触发器的滞回特性。
学时分配：
14.1 锯齿波电压发生器和多谐振荡器
14.1.1 锯齿波电压发生器
锯齿波电压在示波器、雷达、自动控制和测量仪器等设备中广泛应用。 一、锯齿波电压的参数
锯齿波电压的波形参见图14.1.1。
1．扫描期T 1：要求在T 1时间内电压随时间线性变化。 2．回扫期T B ：电压在此期间迅速回到起始值，要求越小越好。
3．休止期T N ：是扫描结束到下次扫描开始的间隔时间。
4．恢复期T 2：T 2 =T B +T N
图14.1.1 锯齿波主要参数
5．重复周期T：T =T1+T2
6．频率f：f = 1/T
7．扫描幅度V m：扫描期内电压的幅值。
图14.1.2 产生锯齿波电压原理图图14.1.3用晶体管作开关的锯齿波电压发生器
二、锯齿波电压发生器基本原理
1．工作原理：利用电容器的缓慢充电和快速放电的过程，在电容器两端得到锯齿波电压。
2．工作过程：初始时开关S闭合，v C = 0。若将S断开，C开始充电，τ = RC，V C按指数规律上升，经短暂时间T1(T1 << τ)后再将S闭合，C快速放电。不断重复上述过程，就可以得到锯齿波。
3．简单的锯齿波电压发生器：如图14.1.3所示。用晶体管V代替开关S，在V的基极输入连续的矩形波，让V交替地工作在截止与饱和状态，就可以获得锯齿波电压。
三、自举补偿锯齿波电路
1．电路如图14.1.4所示。
+V G为电源；V2是射极跟随器；V1起开关作用；C1
为自举电容器；V3是隔离二极管。
2．要求：自举电容C1电容量足够大。
3．工作原理：V1截止时，电容C充电，V2输出锯
齿波正程电压；V1饱和导通时，C迅速放电，V2输出锯
齿波逆程电压。同时+V G通过V3、C1、R e对C1再充电，
补足被放掉的电荷。
14.1.2 多谐振荡器
在数字电路系统中，经常要处理脉冲的产生、延时、整形等问题，多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器可以实现这些功能。
多谐振荡器：能自动反复输出矩形脉冲的自激振荡电路，是无稳态电路。
无稳态电路：不需要外加触发信号，电路的输出状态会在高、低电平两种状态间反复不停的翻转，没有稳定的状态。
一、用非门组成的多谐振荡器
1．结构特点：输出端与输入端接有反馈线，电路成环形。
2．工作原理
动画环形多谐振荡器
图14.1.4 自举补偿锯齿波电路
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3．起振条件：(R + R 1) δ 0.85 k Ω；R < 0.8 k Ω。 4．实现电路措施：
用一块T081型四非门或一SN74S04型六非门集成电路实现；
用一块SN7400型四2输入与非门或CC4011型四2输入与非门，把每个与非门的输入端并接后改为非门来实现。
二、环形多谐振荡器的改进电路
1．改进电路：原电路中的R 用电位器来代替。如图14.1.6所示。 2．参数选择：电位器R 为1 k Ω，C 为15
pF ；
3．改进目的：构成频率可调的多谐振荡器； 4．频率可调范围：1.4
~ 8 MHz
5．带石英晶体的环形振荡器，如图14.1.7所示。
特点：提高频率的稳定性；电路输出的工作频率决定于石英晶体的串联谐振频率f 。
14.2 单稳态触发器
单稳态触发器：有一个稳定状态和一个暂稳态的触发器。 主要应用：延时、整形等方面。
14.2.1 用与非门组成的单稳态触发器
1．电路组成
单稳态触发器由两个与非门和一个积分电路组成，如图14.2.1所示。
2．工作原理
电路处于稳态 外加触发信号，电路翻转为暂稳态 自动返回到稳态。
(1) 电路的稳态
无论v I 是高电平还是低电平，G 2处于关闭状态，输出v O 为高电平，这是电路的稳态； (2) 外加触发信号，电路翻转为暂稳态
设稳态时v I 为低电平。当v I 电平由低变高时，由于v C 不能突变仍保持高电平，则使v o 电平从高变低；随电容C 的放电过程进行，v C 将下降，维持G 2开通的条件将被破坏，因此G 2开通的状态是暂时的，是暂稳态；
(3) 自动返回到稳态
当v C 下降到关门电平时，G 2由开通返回到关闭状态，v O 由低电平返回到高电平。 3．正常工作条件：输入正脉冲v I 的宽度t pI 一定要大于单稳态的输出脉冲宽度t p 。
图14.1.6 频率可调的多谐振荡器
图14.1.7 带石英晶体的环形振荡器
图14.2.1积分型单稳态触发器
4．弱点：正常工作依赖输入脉冲宽度。
5．改进措施：采用负窄脉冲触发的积分型单稳电路，如图14.2.2所示。
图14.2.2 负窄脉冲触发的积分型单稳电路图14.2.3 CT74121外引线排列
14.2.2 单稳态触发器集成电路简介
一、CT74121型单稳态触发器简介
1．引脚排列
CT74121型单稳态触发器如图14.2.3所示。
2．功能
CT74121型单稳态触发器的控制功能参见表14.2.1。
表14.2.1 74121控制功能表
说明：? 表示任意值；↓ 表示电平从高到低的跳变；↑ 表示电平从低到高的跳变；“高”表示高电平脉冲；“低”表示低电平脉冲。
使用：C ext是外接电容端，R int是内部电阻端，R int／C ext是外接电阻和电容公共端。
单稳态触发器输出脉冲的宽度由定时元件R和C决定。接法见图14.2.4。
图14.2.4 74121的外接电阻和电容接法图14.2.5 CT74LS123的外引线排列
二、CT74LS123双单稳态触发器简介
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1．引脚排列
CT74LS123双单稳态触发器的引脚排列，参见图14.2.5。
2．使用
在直接复位端输入低电平脉冲，可提前终止输出脉冲，迫使脉冲变窄，由t p变为t p'，如图14.2.6所示。
此芯片具有重复触发功能，可使输出脉冲加宽，如图14.2.7所示。
14.2.6 外加负脉冲终止输出脉冲14.2.7 重触发脉冲加宽输出脉宽
3．功能表
CT74LS123双单稳态触发器的控制功能参见表14.2.2。
表14.2.2 CT74LS123控制功能
14.2.3单稳态触发器应用举例
单稳态触发器在数字脉冲系统中有着广泛的应用。
例：由CT74LS123组件接成的两级单稳态定时电路如图14.2.9所示，工作波形参见图14.2.10。
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14.3 施密特触发器
电路特点：具有两个稳态；电路存在回差现象。
14.3.1 用与非门组成的施密特电路
一、工作原理 1．电路构成 2．工作原理
动画 施密特触发器
第一稳态 输入信号作用 第二稳态 输入信号作用 回到第一稳态。 3．工作特点：是一个双稳态电路；电路状态的翻转依赖于外触发信号电平来维持。 二、滞回特性
1．下限门槛电压V TL ：在输入电压下降过程中，施密特触发器的输出电平由低变高时的输入电压。又称下触发电平。
2．上限门槛电压V TH ：在输入电压上升过程中，施密特触发器的输出电平由高变低时的输入电压。又称上触发电平。
3．回差(滞回电压)：V TH 与V TL 之间的差值；即V H = V TH - V TL 4．滞回特性：
施密特触发器由第一稳态翻转到第二稳态的上限门槛电压V TH 与第二稳态翻转到第一稳态的下限门槛电压V TL 存在差值的现象。
14.3.2 集成施密特触发器电路简介
集成施密特触发器性能一致性好，触发电平稳定。 一、TTL 集成施密特触发器
CT7414型六施密特反相器如图14.3.5所示。
图14.2.9 由CT74LS123组成的两极单稳定时电路 图14.2.10 图14.2.9 电路的工作波形
二、CMOS集成施密特触发器
CC40106和CC4093是国产CMOS施密特触发器的典型产品，如图14.3.6所示。
14.3.3 施密特触发器应用举例
一、波形的变换和整形
1．将连续变化的波形，如正弦波、三角波等变换成矩形波。如图14.3.7所示。
图14.3.7 施密特电路用于波形变换图14.3.8 施密特触发器的整形作用
2．将发生畸变的矩形波整形。如图14.3.8所示。
注：施密特触发器的输出信号与输入信号是反相的，如果要求输出与输入信号同相，可在施密特触发器的输出端再接一级反相器。
二、构成多谐振荡器
1．电路：如图14.3.10，将施密特反相器的输出端经RC充放电电路与输入端相连。
2．波形如图14.3.10（b）所示。注：振荡频率
可通过改变R和C的大小来调节。
图14.3.5 CT74LS132外引线排列图14.3.6 CC40106和CC4093外引线排列
图14.3.10 用施密特触发器构成多谐振荡
器
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本章小结
一、锯齿波和矩形波是两种电子设备常用的电压波；自举补偿锯齿波电路是产生锯齿波电压的电路。
二、用集成与非门组成的环形多谐振荡器是产生矩形波的一种电路。
三、单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态，在外加触发信号的作用下可从稳态转为暂稳态，经过一段时间后自动从暂稳态翻转回稳态，从而输出具有一定脉冲宽度的矩形波。
用途：做为自动控制的定时和延时线路。
四、施密特触发器有两个稳态，电路状态的维持和翻转依赖于输入端的电平。
两个稳态翻转时的输入端触发电压不同，存在回差，这是该触发器的固有特征――滞回特性；
应用：波形变换、整形和构成多谐振荡器。
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第六章 一、选择题 1．脉冲整形电路有。 A.多谐振荡器 B.单稳态触发器 C.施密特触发器 D.555定时器2．多谐振荡器可产生。 A.正弦波 B.矩形脉冲 C.三角波 D.锯齿波 3．石英晶体多谐振荡器的突出优点是。 A.速度高 B.电路简单 C.振荡频率稳定 D.输出波形边沿陡峭 4．T T L单定时器型号的最后几位数字为。 A.555 B.556 C.7555 D.7556 5．555定时器可以组成。 A.多谐振荡器 B.单稳态触发器 C.施密特触发器 D.J K触发器6．用555定时器组成施密特触发器，当输入控制端C O外接10V电压时，回差电压为。 A.3.33V B.5V C.6.66V D.10V 7．以下各电路中，可以产生脉冲定时。 A.多谐振荡器 B.单稳态触发器 C.施密特触发器 D.石英晶体多谐振荡器 二、判断题（正确打√，错误的打×） 1.施密特触发器可用于将三角波变换成正弦波。（） 2.施密特触发器有两个稳态。（） 3.多谐振荡器的输出信号的周期与阻容元件的参数成正比。（） 4.石英晶体多谐振荡器的振荡频率与电路中的R、C成正比。（） 5.单稳态触发器的暂稳态时间与输入触发脉冲宽度成正比。（） 6.单稳态触发器的暂稳态维持时间用t W表示，与电路中R C成正比。（）
7.采用不可重触发单稳态触发器时，若在触发器进入暂稳态期间再次受到触发，输出脉宽可在此前暂稳态时间的基础上再展宽t W。（）8.施密特触发器的正向阈值电压一定大于负向阈值电压。（） 三、填空题 1．555定时器的最后数码为555的是产品，为7555的是 产品。 2．施密特触发器具有现象，又称特性；单 稳触发器最重 要的参数为。 3．常见的脉冲产生电路有，常见的脉冲整形电路有、。 4．为了实现高的频率稳定度，常采用振荡器；单稳态触发器受到外触发时进入态。 四、练习题 1. 如图所示的单稳态触发器电路中， G 1 和 G 2 为 CMOS 或非门，电源电压V DD =15V 。已知R d = 100k Ω，R = 51 k Ω，C d = 1000pF ，C = 0.01 μ F 。试计算输出脉冲的宽度和幅度。
自我检测题 1．集成单稳触发器，分为可重触发及不可重触发两类，其中可重触发指的是在 暂稳态期间，能够接收新的触发信号，重新开始暂稳态过程。 2．如图T6.2所示是用CMOS 或非门组成的单稳态触发器电路， v I 为输入触发脉冲。指出稳态时a 、b 、d 、 e 各点的电平高低；为加大输出脉冲宽度所采取的下列措施哪些是对的，哪些是错的。如果是对的，在（ ）内打√，如果是错的，在（ ）内打×。 （1）加大R d （ ）； （2）减小R （ ）； （3）加大C （ ）； （4）提高V DD （ ）； （5）增加输入触发脉冲的宽度（ ）。 v I v O V 图 P6.2 解：（1）×（2）×（3）√（4）×（5）× 3．四个电路输入v I 、输出v O 的波形如图T6.3所示，试写出分别实现下列功能的最简电路类型（不必画出电路）。 （a ）二进制计数器；（b ）施密特触发器； （c ）单稳态触发器；（d ）六进制计数器。 t t v I v t t （a ） v v （b ） t t v I v （c ）v I v （d ）
图 T6.3 4．单稳态触发器的主要用途是。 A ．整形、延时、鉴幅 B ．延时、定时、存储 C ．延时、定时、整形 D ．整形、鉴幅、定时 5．为了将正弦信号转换成与之频率相同的脉冲信号，可采用。 A ．多谐振荡器 B ．移位寄存器 C ．单稳态触发器 D ．施密特触发器 6．将三角波变换为矩形波，需选用。 A ．单稳态触发器 B ．施密特触发器 C ．多谐振荡器 D ．双稳态触发器 7．滞后性是的基本特性。 A ．多谐振荡器 B ．施密特触发器 C ．T 触发器 D ．单稳态触发器 8．自动产生矩形波脉冲信号为。 A ．施密特触发器 B ．单稳态触发器 C ．T 触发器 D ．多谐振荡器 9．由CMOS 门电路构成的单稳态电路的暂稳态时间t w 为 。 A . 0.7RC B . RC C . 1.1RC D . 2RC 10．已知某电路的输入输出波形如图T6.10所示，则该电路可能为。 A ．多谐振荡器 B ．双稳态触发器 C ．单稳态触发器 D ．施密特触发器 1 v I v o V DD R C G 1 G 2C d R d 图T6.10 11．由555定时器构成的单稳态触发器，其输出脉冲宽度取决于。 A ．电源电压 B ．触发信号幅度 C ．触发信号宽度 D ．外接R 、C 的数值 12．由555定时器构成的电路如图T6.12所示，该电路的名称是。 A ．单稳态触发器 B ．施密特触发器 C ．多谐振荡器D ．SR 触发器 R C v v O R 图 T6.12 习题
在电子电路中，电源、放大、振荡和调制电路被称为模拟电子电路，因为它们加工和处理的是连续变化的模拟信号。电子电路中另一大类电路的数字电子电路。它加工和处理的对象是不连续变化的数字信号。数字电子电路又可分成脉冲电路和数字逻辑电路，它们处理的都是不连续的脉冲信号。脉冲电路是专门用来产生电脉冲和对电脉冲进行放大、变换和整形的电路。家用电器中的定时器、报警器、电子开关、电子钟表、电子玩具以及电子医疗器具等，都要用到脉冲电路。 电脉冲有各式各样的形状，有矩形、三角形、锯齿形、钟形、阶梯形和尖顶形的，最具有代表性的是矩形脉冲。要说明一个矩形脉冲的特性可以用脉冲幅度Um 、脉冲周期T 或频率f 、脉冲前沿t r 、脉冲后沿t f 和脉冲宽度t k 来表示。如果一个脉冲的宽度t k =1 ／2T ，它就是一个方波。 脉冲电路和放大振荡电路最大的不同点，或者说脉冲电路的特点是：脉冲电路中的晶体管是工作在开关状态的。大多数情况下，晶体管是工作在特性曲线的饱和区或截止区的，所以脉冲电路有时也叫开关电路。从所用的晶体管也可以看出来，在工作频率较高时都采用专用的开关管，如2AK 、2CK 、DK 、3AK 型管，只有在工作频率较低时才使用一般的晶体管。 就拿脉冲电路中最常用的反相器电路（图1 ）来说，从电路形式上看，它和放大电路中的共发射极电路很相似。在放大电路中，基极电阻R b2 是接到正电源上以取得基极偏压；而这个电路中，为了保证电路可靠地截止，R b2 是接到一个负电源上的，而且R b1 和R b2 的数值是按晶体管能可靠地进入饱和区或止区的要求计算出来的。不仅如此，为了使晶体管开关速度更快，在基极上还加有加速电容C ，在脉前沿产生正向尖脉冲可使晶体管快速进入导通并饱和；在脉冲后沿产生负向尖脉冲使晶体管快速进入截止状态。除了射极输出器是个特例，脉冲电路中的晶体管都是工作在开关状态的，这是一个特点。 脉冲电路的另一个特点是一定有电容器（用电感较少）作关键元件，脉冲的产生、波形的变换都离不开电容器的充放电。 产生脉冲的多谐振荡器 脉冲有各种各样的用途，有对电路起开关作用的控制脉冲，有起统帅全局作用的时钟脉冲，有做计数用的计数脉冲，有起触发启动作用的触发脉冲等等。不管是什么脉冲，都是由脉冲信号发生器产生的，而且大多是短形脉冲或以矩形脉冲为原型变换成的。因为矩形脉冲含有丰富的谐波，所以脉冲信号发生器也叫自激多谐振荡器或简称多谐振荡器。如果用门来作比喻，多谐振荡器输出端时开时闭的状态可以把多谐振荡器比作宾馆的自动旋转门，它不需要人去推动，总是不停地开门和关门。 （ 1 ）集基耦合多谐振荡器 图2 是一个典型的分立元件集基耦合多谐振荡器。它由两个晶体管反相器经RC 电路交叉耦合接成正反馈电路组成。两个电容器交替充放电使两管交替导通和截止，使电路不停地从一个状态自动翻转到另一个状态，形成自激振荡。从 A 点或 B 点可得到输出脉冲。当R b1 =R b2 =R ，C b1 =C b2 =C 时，输出是幅度接近E 的方波，脉冲周期T=1.4RC 。