第八章脉冲波形的产生与整形 在数字电路或系统中,常常需要各种脉冲波形,例如时钟脉冲、控制过程的定时信 号等。这些脉冲波形的获取,通常采用两种方法:一种是利用脉冲信号产生器直接产生 另一种则是通过对已有信号进行变换,使之满足系统的要求。 本章以中规模集成电路555定时器为典型电路主要讨论555定时器构成的施密特 触发器、单稳态触发器、多谐振荡器以及555定时器的典型应用。 81集成555定时器 55定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。该电路使用灵活、方便,只需外 接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而在波形的产生与变换 测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用 目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型,其型号分别有NE555(或5G555 和C7555等多种。通常,双极型产品型号最后的三位数码都是55,CMOS产品型号的 最后四位数码都是7555,它们的结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。 般双极型定时器具有较大的驱动能力,而CMOS定时电路具有低功耗、输入阻抗 高等优点。555定时器工作的电源电压很宽,并可承受较大的负载电流。双极型定时器 电源电压范围为5~16V,最大负载电流可达200mA:CMOS定时器电源电压变化范围 为3~18V,最大负载电流在4mA以下 555定时器的电路结构与工作原理 1.555定时器内部结构 (1)由三个阻值为5k9的电阻组成的分压器 (2)两个电压比较器C1和C2: v+<v-,V=0。 (3)基本RS触发器 (4)放电三极管T及缓冲器G 2.工作原理 当5脚悬空时,比较器C1和C2的比较电压分别为=V和=V (1)当m>3la,m2>la时,比较器C1输出低电平,C2输出高电平,基本RS
第八章 脉冲波形的产生与整形 在数字电路或系统中，常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、控制过程的定时信 号等。这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号产生器直接产生； 另一种则是通过对已有信号进行变换，使之满足系统的要求。 本章以中规模集成电路 555 定时器为典型电路，主要讨论 555 定时器构成的施密特 触发器、单稳态触发器、多谐振荡器以及 555 定时器的典型应用。 8.1 集成 555 定时器 555 定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外 接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而在波形的产生与变换、 测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。 目前生产的定时器有双极型和 CMOS 两种类型，其型号分别有 NE555（或 5G555） 和 C7555 等多种。通常，双极型产品型号最后的三位数码都是 555，CMOS 产品型号的 最后四位数码都是 7555，它们的结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。 一般双极型定时器具有较大的驱动能力，而 CMOS 定时电路具有低功耗、输入阻抗 高等优点。555 定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器 电源电压范围为 5～16V，最大负载电流可达 200mA；CMOS 定时器电源电压变化范围 为 3～18V，最大负载电流在 4mA 以下。 一． 555 定时器的电路结构与工作原理 1．555 定时器内部结构： （1）由三个阻值为 5kΩ的电阻组成的分压器； （2）两个电压比较器 C1 和 C2： v+＞v－，vo=1； v+＜v－，vo=0。 （3）基本 RS 触发器； （4）放电三极管 T 及缓冲器 G。 2．工作原理。 当 5 脚悬空时，比较器 C1 和 C2 的比较电压分别为 Vcc 3 2 和 Vcc 3 1 。 （1）当 vI1> Vcc 3 2 ，vI2> Vcc 3 1 时，比较器 C1 输出低电平，C2 输出高电平，基本 RS
触发器被置0,放电三极管T导通,输出端ν为低电平。 (2)当w<-p,m<时,比较器C1输出高电平,C2输出低电平,基本RS 触发器被置1,放电三极管T截止,输出端v为高电平 RS艘发器人,k,m>r2时,比较器C1输出高电平,C也输出高电平,即基本 (3)当w1< S=1,触发器状态不变,电路亦保持原状态不变。 复位 skI 控制电压 R& 阈值输入 IVCC ORD 触发输入 kQ (a) 图81-1555定时器的电气原理图和电路符号 (a)原理图 (b)电路符号 由于阈值输入端(w)为高电平(>三V。)时,定时器输出低电平,因此也将该端称 为高触发端(TH)。 因为触发输入端(m2)为低电平(<1v)时,定时器输出高电平,因此也将该端称 为低触发端(TL)。 如果在电压控制端(5脚)施加一个外加电压(其值在0~Vc之间),比较器的参 考电压将发生变化,电路相应的阈值、触发电平也将随之变化,并进而影响电路的工作 状态 另外,Rb为复位输入端,当R为低电平时,不管其他输入端的状态如何,输出v
2 触发器被置 0，放电三极管 T 导通，输出端 vO 为低电平。 （2）当 vI1< Vcc 3 2 ，vI2< Vcc 3 1 时，比较器 C1 输出高电平，C2 输出低电平，基本 RS 触发器被置 1，放电三极管 T 截止，输出端 vO 为高电平。 （3）当 vI1< Vcc 3 2 ，vI2> Vcc 3 1 时，比较器 C1 输出高电平，C2 也输出高电平，即基本 RS 触发器 R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。 C C & & & 1 R S T G 5kΩ 5kΩ 5kΩ 1 2 V R v v v C C D IC I1 I2 O O v , (1) (7) (2) (6) (5) (8) (4) (3) 电源 复位 1 2 6 5 8 4 3 7 O v , vI2 v vI1 vIC VC C vO 555 (a) (b) RD 阈值输入 控制电压 触发输入 放电端 图 8.1—1 555 定时器的电气原理图和电路符号 (a)原理图 （b）电路符号 由于阈值输入端(vI1) 为高电平（> Vcc 3 2 ）时，定时器输出低电平，因此也将该端称 为高触发端（TH）。 因为触发输入端(vI2)为低电平（< Vcc 3 1 ）时，定时器输出高电平，因此也将该端称 为低触发端（TL）。 如果在电压控制端（5 脚）施加一个外加电压（其值在 0～VCC 之间），比较器的参 考电压将发生变化，电路相应的阈值、触发电平也将随之变化，并进而影响电路的工作 状态。 另外，RD 为复位输入端，当 RD 为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出 vo
为低电平,即Rb的控制级别最高。正常工作时,一般应将其接高电平。 555定时器的功能表 表81-1555定时器功能表 阈值输入(m)触发输入(2)复位(R) 输出(vo)放电管T 导通 1 截止 0 <二V 不变 不变 82施密特触发器 施密特触发器—員有回差电压特性,能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡 峭的矩飛脉冲。 用555定时器构成的施密特触发器 电路组成及工作原理 (a)电路图 (b)波形图 图82-1555定时器构成的施密特触发器 (1)w=0V时,v输出高电平 (2)当η上升到三时,w输出低电平。当η由三l继续上升,wo保持不变
3 为低电平，即 RD 的控制级别最高。正常工作时，一般应将其接高电平。 二．555 定时器的功能表 表 8.1—1 555 定时器功能表 阈值输入(vI1) 触发输入(vI2) 复位(RD) 输出(vO) 放电管 T × × 0 0 导通 < Vcc 3 2 < Vcc 3 1 1 1 截止 > Vcc 3 2 > Vcc 3 1 1 0 导通 < Vcc 3 2 > Vcc 3 1 1 不变 不变 8.2 施密特触发器 施密特触发器——具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡 峭的矩形脉冲。 一． 用 555 定时器构成的施密特触发器 1. 电路组成及工作原理 1 2 6 5 VC C RD 555 3 O O 7 v v v I2 vI1 IC 8 4 1 2 I v VC C VC C2 R t t vI vO1 2 3 VC C C C 1 V 3 (a)电路图 (b)波形图 v 图 8.2—1 555 定时器构成的施密特触发器 （1） vI =0V 时，vo1 输出高电平。 （2）当 vI上升到 Vcc 3 2 时，vo1 输出低电平。当 vI由 Vcc 3 2 继续上升，vo1 保持不变
(3)当n下降到时,电路输出跳变为高电平。而且在n继续下降到0V时 电路的这种状态不 图中,R、Vc2构成另一输出端v2,其高电平可以通过改变co进行调节。 2.电压滞回特性和主要参数 电压滞回特性 (a)电路符号 (b)电压传输特性 图82—2施密特触发器的电路符号和电压传输特性 主要静态参数 (1)上限阈值电压V-—w上升过程中,输出电压v由高电平oH跳变到低电 平Vo1时,所对应的输入电压值。r=-V (2)下限阈值电压VrⅥ下降过程中,1o由低电平Vo跳变到高电平VoH时, 所对应的输入电压值。=Va (3)回差电压△r 回差电压又叫滞回电压,定义为 A=r+-13c 若在电压控制端Vc(5脚)外加电压Is,则将有+=Vs、-=s2、4Vr=s2, 而且当改变Vs时,它们的值也随之改变 二.集成施密特触发器 施密特触发器可以由555定时器构成,也可以用分立元件和集成门电路组成。因为 这种电路应用十分广泛,所以市场上有专门的集成电路产品出售,称之为施密特触发门 电路。集成施密特触发器性能的一致性好,触发阈值稳定,使用方便 1.CMOS集成施密特触发器
4 （3）当 vI下降到 Vcc 3 1 时，电路输出跳变为高电平。而且在 vI继续下降到 0V 时， 电路的这种状态不变。 图中，R、VCC2 构成另一输出端 vo2，其高电平可以通过改变 VCC2 进行调节。 2. 电压滞回特性和主要参数 电压滞回特性 v V V I o OH OL V V V v CC CC CC 1 3 2 3 0 I v vo (a)电路符号 (b)电压传输特性 图 8.2—2 施密特触发器的电路符号和电压传输特性 主要静态参数 （1） 上限阈值电压 VT+——vI上升过程中，输出电压 vO 由高电平 VOH 跳变到低电 平 VOL 时，所对应的输入电压值。VT+= Vcc 3 2 。 （2）下限阈值电压 VT———vI 下降过程中， vO 由低电平 VOL 跳变到高电平 VOH 时， 所对应的输入电压值。VT—= Vcc 3 1 。 （3）回差电压ΔVT 回差电压又叫滞回电压，定义为 ΔVT= VT+－VT— = Vcc 3 1 若在电压控制端 VIC（5 脚）外加电压 VS，则将有 VT+=VS、VT—=VS/2、ΔVT= VS/2， 而且当改变 VS时，它们的值也随之改变。 二． 集成施密特触发器 施密特触发器可以由 555 定时器构成，也可以用分立元件和集成门电路组成。因为 这种电路应用十分广泛，所以市场上有专门的集成电路产品出售，称之为施密特触发门 电路。集成施密特触发器性能的一致性好，触发阈值稳定，使用方便。 1. CMOS 集成施密特触发器
图8.2—3(a)是CMOS集成施密特触发器CC40106(六反相器)的引线功能图, 表82-1所示是其主要静态参数 LAO 2A O 1四 2Y0-4 5y 2Yo-4 3A O 画 (a)CC40106 (b)74LS14 图82一3集成施密特触发器CC40106和74LS14外引线功能图 表82-1集成施密特触发器CC40106的主要静态参数 电源电压ⅤDDⅤr最小值Ⅴr+最大值Ⅴr-最小值Vr-最大值4最小值A阡最小值单位 3.6 4.6 7.1 3.4 1.6 5 2.TIL集成施密特触发器 图82-3(b)所示是TIL集成施密特触发器74LS14外引线功能图,其几个主要参 数的典型值如表82-2所示。 TIL施密特触发与非门和缓冲器具有以下特点 (1)输入信号边沿的变化即使非常缓慢,电路也能正常工作。 (2)对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿 (3)带负载能力和抗干扰能力都很强。 表82—2TIL集成施密特触发器几个主要参数的典型值 器件型号延迟时间(ns)每门功耗(mW)Vr+(V)Vr-(V)4r(V) 74LS14 74LS132 1.6 74LS13 8.75 0.8 0.8
5 图 8.2—3（a）是 CMOS 集成施密特触发器 CC40106（六反相器）的引线功能图， 表 8.2—1 所示是其主要静态参数。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y V V DD S S 2Y 2A 1 6 2 5 1Y GND 7 3Y 1A 3 4 3A V 9 12 C C 13 6Y 11 10 6A 4A 8 5Y 5A 4Y 14 (a) CC40106 (b)74LS14 图 8.2—3 集成施密特触发器 CC40106 和 74LS14 外引线功能图 表 8.2—1 集成施密特触发器 CC40106 的主要静态参数 电源电压 VDD VT+最小值 VT+最大值 VT－最小值 VT－最大值 ΔVT 最小值 ΔVT 最小值 单位 5 2.2 3.6 0.9 2.8 0.3 1.6 V 10 4.6 7.1 2.5 5.2 1.2 3.4 V 15 6.8 10.8 4 7.4 1.6 5 V 2. TTL 集成施密特触发器 图 8.2—3（b）所示是 TTL 集成施密特触发器 74LS14 外引线功能图，其几个主要参 数的典型值如表 8.2—2 所示。 TTL 施密特触发与非门和缓冲器具有以下特点： （1）输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作。 （2）对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿。 （3）带负载能力和抗干扰能力都很强。 表 8.2—2 TTL 集成施密特触发器几个主要参数的典型值 器件型号 延迟时间（ns） 每门功耗（mW） VT+（V） VT－（V） ΔVT（V） 74LS14 15 8.6 1.6 0.8 0.8 74LS132 15 8.8 1.6 0.8 0.8 74LS13 16.5 8.75 1.6 0.8 0.8