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第6章 脉冲波形的产生和整形 6.1 第6章 脉冲波形的产生和整形 返回总目录
第6章脉冲波形的产生和整形 本章内容 十，施密特触发器(Schmitt Trigger) 单稳态触发器 多谐振荡器 555定时器及其应用 本章小结 6.2
第6章 脉冲波形的产生和整形 6.2 • 施密特触发器(Schmitt Trigger) •单稳态触发器 •多谐振荡器 •555定时器及其应用 •本章小结 本章内容
第6章脉冲波形的产生和整形 获得脉冲波形的途径主要有两种，一种是利用多谐振荡器电路直接产生符合要求的 十矩形脉冲，另一种则是通过各种整形电路把已有的周期性变化波形进行整形、变换，最 终得到符合要求的矩形脉冲。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。其区别在于，施密特触发器主要将变化缓慢的或变化快速的非矩形 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是将宽度不符 合要求的脉冲变换成符合要求的脉冲。多谐振荡电路在数字脉烛电路中主要用作触发的 时钟信号。555定时器是一种多用途集成电路。要求其外部配接少量的阻容元件就可以 构成施密特触发器和单稳态触发器、多谐振荡器等，在波形的变换与产生、测量控制等 领域有着广泛的用途，本章主要介绍施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工作 原理及其应用。最后介绍广为应用的555定时器电路结构和应用。 6.3
第6章 脉冲波形的产生和整形 6.3 获得脉冲波形的途径主要有两种，一种是利用多谐振荡器电路直接产生符合要求的 矩形脉冲，另一种则是通过各种整形电路把已有的周期性变化波形进行整形、变换，最 终得到符合要求的矩形脉冲。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。其区别在于，施密特触发器主要将变化缓慢的或变化快速的非矩形 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是将宽度不符 合要求的脉冲变换成符合要求的脉冲。多谐振荡电路在数字脉冲电路中主要用作触发的 时钟信号。555定时器是一种多用途集成电路。要求其外部配接少量的阻容元件就可以 构成施密特触发器和单稳态触发器、多谐振荡器等，在波形的变换与产生、测量控制等 领域有着广泛的用途。本章主要介绍施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工作 原理及其应用。最后介绍广为应用的555定时器电路结构和应用
第6章脉冲波形的产生和整形 施密特触发器(Schmitt Trigger) 施密特触发器被称为触发器，它和普通触发器一样具有两个稳定的状态，不同之处 在于施密特触发器具有两个不同的触发阆值，通过其触发原理可以了解到这一点。 一、 施密特触发器原理 图6.1所示为一个简单的施密特触发器，由电路的组成可以看到，该电路由两个与 非门构成的基本RS触发器、非门和二极管D组成。电路工作原理分析如下：设G1、G2、 G,的阀值电压Vm相等，都为14V,二极管VD的正向压降为0.TV,为简单化，假设为低 电平，u。2为高电平时，为第一稳定状态。反之，为第二稳定状态。下面参照图6,2所示 波形讨论。 (Sp) () 平VD 图6.1施密特触发器 图6.2施密特触发器波形图 6.4
第6章 脉冲波形的产生和整形 6.4 施密特触发器(Schmitt Trigger) 施密特触发器被称为触发器，它和普通触发器一样具有两个稳定的状态，不同之处 在于施密特触发器具有两个不同的触发阈值，通过其触发原理可以了解到这一点。 一、施密特触发器原理 图6.1所示为一个简单的施密特触发器，由电路的组成可以看到，该电路由两个与 非门构成的基本RS触发器、非门和二极管VD组成。电路工作原理分析如下：设G1、G2、 G3的阈值电压VTH相等，都为1.4V，二极管VD的正向压降为0.7V。为简单化，假设uo1为低 电平， uo2为高电平时，为第一稳定状态。反之，为第二稳定状态。下面参照图6.2所示 波形讨论。 图6.1 施密特触发器 图6.2 施密特触发器波形图
第6章脉冲波形的产生和整形 施密特触发器(Schmitt Trigger) 1.稳定状态 当输入电压u1=0V,二极管导通，其阳极被钳位在0.TV,G2关闭，输出uo2为高电T V咖。同时，由子u-0y,G输出端也为高电平。这时，G的输入全部为1，输出uo为低 电平V。,电路此时处于第一稳定状态。 2.电路状态的第一次翻转 当输入电压u上升到Gg的阙值电压为14Y,G输出端为低电平，G1输出0由低电平变 成高电平V腿，同时，二极管导通，其阳极电位=Vom十0.TV,G2输出u2由高电平变成低 电平VL。电路此时翻转到第二稳定状态。使电路由第一稳定状卷翻转到第三稳定状态 的输入电压，称为正向阙值电压，用V1,表示。显然VT+=Vm=1.4V。此后若继续增大输 入电压，由于u1>VTH,电路状态保持不变。 3.电路状态的第二次翻转 当输入电压u由高电平下降到即，时，G关闭，其输出为高电平。二极管仍然导通其 阳极电位=Ym十Q,TV,大于C2的阀值电压Vm:所以，C2仍然开通，输出为低电平。只 有在输入电压下降到0.7V时，即二极管的阳极电位为u1十0.7V≤V时，G2关闭，输出 uo2由低电平跃为高电平。这时，门G输入全是1，输出u由高电平跃到低电平，则电路 返回到第二稳定状态，使电路由第二稳定状态翻转到第一稳定状态的输入电压，称为负 向阈值电压，用VT-表示。显然此时Vr=Vm一0.TV=0.TN。 6.5
第6章 脉冲波形的产生和整形 6.5 施密特触发器(Schmitt Trigger) 1. 稳定状态 当输入电压 ui=0V，二极管导通，其阳极被钳位在0.7V，G2关闭，输出u02为高电平 VOH 。同时，由于 ui=0V，G3输出端也为高电平。这时，G1的输入全部为1，输出u01为低 电平VOL，电路此时处于第一稳定状态。 2. 电路状态的第一次翻转 当输入电压ui上升到G3的阈值电压为1.4V，G3输出端为低电平，G1输出01由低电平变 成高电平 VOH ，同时，二极管导通，其阳极电位＝VOH＋0.7V，G2输出u02由高电平变成低 电平VOL 。电路此时翻转到第二稳定状态。使电路由第一稳定状态翻转到第二稳定状态 的输入电压，称为正向阈值电压，用VT+表示。显然VT+＝VTH＝1.4V。此后若继续增大输 入电压，由于ui＞VTH，电路状态保持不变。 3. 电路状态的第二次翻转 当输入电压ui由高电平下降到VT+时，G3关闭，其输出为高电平。二极管仍然导通其 阳极电位＝VTH＋0.7V，大于G2的阈值电压VTH，所以，G2仍然开通，输出u02为低电平。只 有在输入电压下降到0.7V时，即二极管的阳极电位为 ui＋0.7V≤VTH时，G2关闭，输出 u02 由低电平跃为高电平。这时，门G1输入全是1，输出uO1由高电平跃到低电平，则电路 返回到第一稳定状态。使电路由第二稳定状态翻转到第一稳定状态的输入电压，称为负 向阈值电压，用VT-表示。显然此时VT-＝VTH－0.7V=0.7V
第6章脉冲波形的产生和整形 施密特触发器(Schmitt Trigger) 由以上分析，可以得出施密特触发器的特点。施密特触发器有两个稳定状态，只要 输入电压u;上升到略大于正向阅值电压或略小于负向阈值电压，触发器的状态就会翻转 十从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。而且，输入电压山，的上升边沿和下降边沿时间越短，输 出脉冲的宽度越大，反之越小。 施密特触发器的正向阈值电压和负向阅值电压的差定义为回差电压（滞后电压），用△V: 表示，即 Vre=Vr+一Vn 产生回差电压的原因是在G%输入端串入了转移电平二极管吧。因此，该电路的回差 电压等于二极管的正向压降。施密特触发器的特性常用电压传输特性来描述，如图6,3 所示。 图6.3施密特触发器电压传输特性 6.6
第6章 脉冲波形的产生和整形 6.6 施密特触发器(Schmitt Trigger) 由以上分析，可以得出施密特触发器的特点。施密特触发器有两个稳定状态，只要 输入电压ui上升到略大于正向阈值电压或略小于负向阈值电压，触发器的状态就会翻转， 从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。而且，输入电压ui 的上升边沿和下降边沿时间越短，输 出脉冲的宽度越大，反之越小。 施密特触发器的正向阈值电压和负向阈值电压的差定义为回差电压(滞后电压)，用VT+ 表示，即 VT+＝VT+－VT- 产生回差电压的原因是在G2输入端串入了转移电平二极管VD。因此，该电路的回差 电压等于二极管的正向压降。施密特触发器的特性常用电压传输特性来描述，如图6.3 所示。 图6.3 施密特触发器电压传输特性
第6章 脉冲波形的产生和整形 施密特触发器(Schmitt Trigger) 集成施密触发器 由于集成施密触发器的应用非常广泛，所以目前在市场上已有TL和©0S两种集成 电路的施密特触发器产品可供选择使用。 1.TTL集成施密特触发器7413 图6,4是TTL电路集成施密特触发器7413的电路图及图形符号。因为在电路的输入部 分附加了“与”的逻辑功能，在输出端附加了反相器，所以也把这个电路叫做与非门施 密特触发器。在集成电路手册中把它归入“与非”门一类中，一般没有单列。由图可见， 每个与非门由四部分构成，各部分功能如下。 二极管与门 庭密特电路电平幅移，输出电路，人 T B 图形符号 6.7 图6.4TTL集成施密特触发器7413电路图及图形符号
第6章 脉冲波形的产生和整形 6.7 施密特触发器(Schmitt Trigger) 二、集成施密触发器 由于集成施密触发器的应用非常广泛，所以目前在市场上已有TTL和CMOS两种集成 电路的施密特触发器产品可供选择使用。 1. TTL集成施密特触发器7413 图6.4是TTL电路集成施密特触发器7413的电路图及图形符号。因为在电路的输入部 分附加了“与”的逻辑功能，在输出端附加了反相器，所以也把这个电路叫做与非门施 密特触发器。在集成电路手册中把它归入“与非”门一类中，一般没有单列。由图可见， 每个与非门由四部分构成，各部分功能如下。 图6.4 TTL集成施密特触发器7413电路图及图形符号
第6章脉冲波形的产生和整形 施密特触发器(Schmitt Trigger) (①)三极管D1个D,和电阻R构成与门输入级，实现与逻辑功能。下面四个二极管 P是阻尼三极管，防止负脉冲干扰。 (2)T1、T2和R2、R3、R,构成施密特触发器，是电路的核心部分。T1和T2通过公共发 射极电阻R4耦合实现正反馈，加速状态转换。 (3)T3、Dg、R5、R构成电平偏移电路，其主要作用是在T2饱和时，利用V3和Dg的 电平偏移，保证T4工作在截止状态。 ,(4)T5T6、D0、R,、R和Rg构成有推拉输出级结构，即实现逻辑非的功能，又增 强其带负载能力。 下面具体分析一下其工作原理。假定晶体管发射结的导通压降和二极管的正向导通 压降均为0.7V,那么当输入端的电压使得 -4=4a阳0.7V时，T进入导通状态同时产 生如下的正反馈过程 财t→台个→钱，与62→M→4个妇个→个 从而使T迅速饱和导通、T迅速截止。 若从高电平逐渐下降，并且降至“m只有0,7八左右时，i,开始减小，于是又引爱 了另一个正反馈过程： 4→ig↓→46↑→>i6个-→4个>4↓→i→↓ 6.8
第6章 脉冲波形的产生和整形 6.8 施密特触发器(Schmitt Trigger) (1) 二极管D1～D4和电阻R1构成与门输入级，实现与逻辑功能。下面四个二极管D5～ D8是阻尼二极管，防止负脉冲干扰。 (2) T1、T2和R2、R3、R4构成施密特触发器，是电路的核心部分。T1和T2通过公共发 射极电阻R4耦合实现正反馈，加速状态转换。 (3) T3、D9、R5、R6构成电平偏移电路，其主要作用是在T2饱和时，利用VBE3和D9的 电平偏移，保证T4工作在截止状态。 (4) T5、T6、D10、R7、R8和R9构成有推拉输出级结构，即实现逻辑非的功能，又增 强其带负载能力。 下面具体分析一下其工作原理。假定晶体管发射结的导通压降和二极管的正向导通 压降均为0.7V，那么当输入端的电压使得 T1将截止，T2饱和导通。若 逐渐升高并使 >0.7V时，T1进入导通状态同时产 生如下的正反馈过程： 从而使T1迅速饱和导通、T2迅速截止。 若 从高电平逐渐下降，并且降至 只有0.7V左右时，iC1开始减小，于是又引发 了另一个正反馈过程： i E BEI u u u − = 0.7V i u BEI u i C1 C1 C2 E BE1 C1 i u i u i u u i v → → → → → → → i u BEI u i C1 C1 C2 E BE1 C1 i u i u i u u i v → → → → → → →
第6章脉冲波形的产生和整形 施密特触发器(Schmitt Trigger) 使电路迅速返回T载止、T,饱和导通的状态。 可见，无论由导通变为酸止还是由载止变为导通，都件随有正反馈过程发生，正 是因为这两个正反馈过程，使输出电压的上升沿和下降沿都很陡，具有良好的脉冲边 沿特性。 同时，因为R2>R3,T饱和导通时的u值必然低于T2饱和导通时的E值。因此，T由 截止变为导通时的输入电压高于T由导通变为截止时的输入电压，这样就得到了 施密特触发特性。若以V和V,分别表示与%和片相对应的输入端电压，则V也一 定高于。 可以列出当T截止、T饱和导通时电路的方程为 R2iB2+VBE(S2+R(in2 +ic2)=Vcc Rin cH+R(im2 +ic2)=Vcc 式中，Vu以、e分别表示I2饱和导通时B-E间和C-E间的压降，假定》a， 将图6.4中给定的参数代入，并取m2=0.8V,=0.2V,可以得到 12》1.3mA ic3》22mA c3》22mA ,+=4a+0.7V》2.4V 4e2=R(2ti)y1.7V 6.9
第6章 脉冲波形的产生和整形 6.9 施密特触发器(Schmitt Trigger) 使电路迅速返回T1截止、T2饱和导通的状态。 可见，无论T2由导通变为截止还是由截止变为导通，都伴随有正反馈过程发生，正 是因为这两个正反馈过程，使输出电压 的上升沿和下降沿都很陡，具有良好的脉冲边 沿特性。 同时，因为R2 > R3，T1饱和导通时的uE值必然低于T2饱和导通时的E 值。因此，T1由 截止变为导通时的输入电压 高于T1由导通变为截止时的输入电压 ，这样就得到了 施密特触发特性。若以 和 分别表示与 和 相对应的输入端电压，则 也一 定高于 。 可以列出当T1截止、T2饱和导通时电路的方程为 VT+ VT− VT+ VT− VT+ VT− VT+ VT− 3 2 B2 BE(sat)2 4 B2 2 CC 3 CE(sat)2 4 B2 2 CC ( ) ( ) C R C R i V R i i V R i V R i i V + + + = + + + = 式中 ， 、 分别表示T2饱和导通时B-E间和C-E间的压降。假定 ， 将图6.4中给定的参数代入，并取 ＝0.8V， ＝0.2V，可以得到 VBE(sat)2 VCE(sat)2 3 R C2 i i » VBE(sat)2 VCE(sat) B2 C 2 C 2 T E2 E2 4 B2 2 1.3mA 2.2mA 2.2mA 0.7V 2.4V ( ) 1.7V C i i i V u u R i i » » » » » + + = + = +
第6章脉冲波形的产生和整形 施密特触发器(Schmitt Trigger) 另一方面，当%从高电平下降至仅比R4上的压降高出0，TV以后，T开始脱离饱和状 十态，u开始上升，至1大于0,7V以后，T开始导通并引起正反绩过程，因此转换时R 上的压降为 4=e-m名风 将um1=0.7V、R22处0、R4=0.48kQ代入上式计算后得到 e》0.8V -=E,+07V》15V 因为整个电路的输入电压u等于心减去输入端三极管的压降V,故得 ',=%-V。》17V .=-V%》0.8V △='-V.》0.9V 6.10
第6章 脉冲波形的产生和整形 6.10 施密特触发器(Schmitt Trigger) 另一方面，当 从高电平下降至仅比R4上的压降高出0.7V以后，T1开始脱离饱和状 态，uCE1开始上升，至uCE1 大于0.7V以后，T2开始导通并引起正反馈过程，因此转换时R4 上的压降为 4 E1 CC CE1 2 4 ( ) R u V v R R = − + 将 uCE1 ＝0.7V、R2=2kΩ 、 R4 =0.48kΩ 代入上式计算后得到 因为整个电路的输入电压ui等于 减去输入端二极管的压降VD，故得 1 u E1 T E1 0.8V 0.7V 1.5V u V u » » − = + i u T T D T T D T T T- 1.7V 0.8V 0.9V V V V V V V V V V » » » + + − − + = − = − = −