第6章 脉冲信号的产生与变换

tr
tf T

为衡量实际矩形脉冲信号的优劣，经常使用以下参数对其进行描 述。 1.脉冲幅度 2.上升时间（Rise Time） 3.下降时间（Fall Time） 4.脉冲宽度 5.脉冲周期T 6.脉宽比，也称为占空比。
数字电路中，获得矩形脉冲信号的方法主要有两种：一种是利用 各种形式的多谐振荡电路，直接产生所需要的周期性矩形脉冲信 号；另一种是利用脉冲信号的变换电路，将现有的脉冲信号变换 成所需要的矩形脉冲信号。在这种方法中，电路本身不产生脉冲 信号，而仅仅起脉冲波形的变换作用。
VTH 该电路 ； 。其中， 为二极管VD的 R 正向导通电压， V VT 为门电路的阈值电压。所以，该电路的 VT VD 1 VTH R2 回差电压为 。通过改变电阻的值，可 以方便的调节回差电压的大小。图（b）为利用CMOS反相 器构成的施密特触发器。
Δ
V0
VI
R1
1
1
V0
(a)
(b)
R1 )VTH R2
VT VTH
VD
6.5 多谐振荡器（Multividrator）

Vcc
6.5.1 555定时器构成多谐振荡器
R1 7 R2 6 2 C 8 Vcc D TH TR 4 － R
OUT
Vc 2/3 Vcc 1/3 Vcc
3 V0
0 V0
t
—
＝
1
CO
5
＝ 0.01µF
Q
1 1 1 1
该电路触发方式可以概括为以下三种： ①在A1或A2端使用触发脉冲信号的下降沿触发。此时，另外两 个触发输入端必须为高电平； ②在A1、A2端同时使用触发脉冲信号的下降沿触发。要求B端 为高电平； ③在B端用触发脉冲信号的上升沿触发，且A1、A2所加信号中 至少有一个是低电平。 74121的工作波形如下：
0 t1 (b) t2
t
(a)


电路接通电源后，由于电容C两端电压较低，放电管VT截止， 555电路输出高电平，处于第一暂稳态。 2 vc VCC 随着电源电压对C充电的进行，当 时，放电管VT导 3 通，触发器置0，输出变为低电平，电路进入第二暂稳态。 此时，电容 C开始通过电阻 R2 和导通的放电管VT放电，vc下 1 降，当vc 3 VCC 时，触发器又被置1，VT重新截止，电路输出 VCC 又开始对电容C充电， 翻转为高电平，回到第一暂稳态。 重复以上过程。 通过上述分析可知，电路稳定工作时，两种暂稳态持续的时 间分别是电容C充电和放电持续的时间。 t1 0.7( R1 R2 )C 电容C充电的时间； 电容C放电的时间： t 2 0.7 R2C 电路输出矩形脉冲信号的周期为 T t1 t 2 。
第6章 脉冲信号的产生与变换
6.1 概述 6.2 555定时器 6.3 单稳态触发器（Monostable Multivibrator） 6.4 施密特触发器（Schmitt trigger） 6.5 多谐振荡器（Multividrator）
6.1 概述


数字电路中的信号大多数是矩形脉冲信号。将在较短时间间 隔内作用于电路的电压或电流信号，称为脉冲信号。这个时 间间隔可以和电路过渡过程持续时间（3τ～5τ）相比拟。 数字电路中常见的脉冲信号波形 如下
Q
—
5
>
RI Cx Rx/Cx (b)
6
Q
—
C Vcc R
=
10 — ＋ 11
1
Q
Vcc C
9 10 — ＋ 11
1
=
Q
6.3.3 单稳态电路的应用
VI

1.脉冲信号整形
V0

2.脉冲信号延时
1 VI
Q1
—
1 Q2
VI — Q1
Q2 (V0)
(a)
(b)

3.脉冲信号定时
1 VI
Q
G &
Q
V0
V I1



输入电压vi由低电平向高电平变化的过程中，当vi > 会引起电路状态的变化，将此时的输入电压称为上限触发电 平，用 VT 表示(也可以称为正向阈值电压或高电平阈值电 压)。所以，该电路的 VT 2 VCC 。 3 2 输入电压由高电平向低电平变化的过程中，当vi < 3 VCC，电路 1 状态并不发生变化，只有当vi <3 V 时，电路的状态才会再次 发生变化。将此时的输入电压称为下限触发电平，用 VT 表示(也可以称为负向阈值电压或低电平阈值电压)。所以， 1 该电路的 V 3 V 。 可见，对施密特触发器电路而言，上限触发电平不等于下限 触发电平，即导致电路状态发生变化的输入信号的值大小不 相等。将该电路的 V VT VT 定义为施密特触发器电路的回差 电压。施密特触发器所具有的 VT ≠ VT的特性，称为回差特 性或者回滞特性。
VI
TTL 积分型单稳
CMOS 积分型单稳
6.4 施密特触发器（Schmitt trigger）

6.4.1 555电路构成施密特触发器
Vcc 8 Vcc VI 6 2 TH OUT — TR 1 CO
—
4 R
VI VT＋ VT—
3 5
＋
V0
V0
0
t
VCO
—
0 (b)
t
(a)
工作过程 1 2 VCC V TR 电路接通电源后，由于TH < CC ， < ，放电管VT截止， 3 3 触发器置1，电路输出高电平。 1 2 VCC 随着输入电压vi的上升，当输入电压在3 < vi < 3 VCC 范围内变 化时，电路仍维持原状态，输出保持高电平不变。 2 当输入电压 vi > 3 VCC 时，VT导通，触发器置0，电路输出变为 低电平，状态发生翻转。 随着输入电压的变化，在其由高电平向下变化的过程中， 1 2 当 3 VCC <vi< 3 VCC 时，电路维持原态，仍然输出低电平。 1 随输入电压下降，当 vi < 3 VCC 时，VT截止，触发器再次置1， 电路输出又变为高电平。

若要输出方波信号，需要对上述电路进行改进，组成输出脉 冲信号的占空比可以调整的多谐振荡器。
Vcc R1 RW R2 VD 2 C 7 VD 1 6 2 8 Vcc D TH — TR 1 CO 4 － R
OUT
3
V0
5
＝
＝ 0.01μF

555定时器电路构成的多谐振荡器，优点是电路简单，但存 在振荡频率较低、振荡频率稳定性不高、容易受到温度等外 界因素的干扰等缺点。而在许多场合对电路振荡频率的稳定 性都有严格的要求，如在数字时钟电路中，脉冲基准信号来 源的频率稳定性直接关系到计时的准确性。这时就应该使用 石英晶体多谐振荡器。
t

1.波形变换
VI1
V0
0
t
0 VI2
t
0
t

2.波形整形
VI3
0
t
V0
0
t

3.信号鉴幅
VI VT+
0 V0
t
0
t

4.构成单稳态触发器
C VI R
1
V0
6.4.4 门电路构成的施密特触发器
R2 R1 VI VD
R2
&
1

图（a）为由TTL门电路构成的施密特触发器电路。
VT VD (1


有效触发输入信号，电路工作于稳态。 vi 触发输入信号 由高电平变为低电平时，电路进入暂稳态。
随着放电管VT的导通，电路恢复稳态。
6.3.2 集成单稳态触发器


集成单稳态触发器具有温度特性好、抗干扰能力强、电源稳 定性好、输出脉宽调节范围大、外围元件少等优点。集成单 稳态触发器分为两大类：可重触发单稳电路和不可重触发单 稳电路。 1.电路介绍 74121是一种典型的TTL集成不可重触发单稳态触发器
输出OUT 0
0 原状态 1
×


6.3 单稳态触发器（Monostable Multivibrator）

单稳态触发器是具有一个稳态的触发器。它具有两种状态： 一个稳态和一个暂稳态。 电路暂稳态持续时间的长短，与外加触发脉冲信号的宽度没 有关系，仅取决于电路本身定时元件的参数值。 单稳态触发器可以由分立元件构成；也可以通过门电路和RC 元件构成；或通过集成单稳态电路外接RC元件来实现；也可 以使用555定时器电路构成单稳态触发器。其中，RC元件组 成的电路部分称为定时电路，由电容的充放电时间决定单稳 态触发器暂稳态持续时间的长短。 根据RC电路连接方式的不同，单稳态电路分为微分型单稳和 积分型单稳。 若根据电路及工作状态的不同，单稳态电路又分为非可重触 发电路和可重触发电路两种。
6 7
阈值输入端TH 放电端口D
决定电压比较器C1的同相输入电压
作为VT的集电极开路输出，并提供放电通路
555定时器功能表
阈值电压 TH ×
2 VCC 3 2 VCC 3
触发输入 ×
1 VCC 3 1 VCC 3 1 VCC 3
复位 0
1 1 1
放电管VT 导通
导通 原状态 截止
A1 A2 D Rext Cext Rxex
3 4 5
X 9
=1
& 1
>
RI Cx Rx/Cx Vcc: 14; GND: 7 (a)
6
Q
—
10 X 11 X
1
Q
Q NC A1 A2 B Q GND
—
1
14