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第12章 脉冲信号的产生与整形 本章主要内容 （1）脉冲信号波形的特性参数 （2）单稳态触发器 （3）多谐振荡器 （4）施密特触发器 （5) 555定时器 12.1 脉冲信号波形的特性参数 所谓脉冲信号，是指在短时间内出现的阶跃电压或电流信号。在各种类型的脉冲信号中，最常见的是矩形脉冲。理想的矩形脉冲是一种无上升和下降时间，在持续时间内电压(或电流)保持不变的脉冲信号。如图12.1(a)所示。 ? ? ? (a) 理想矩形脉冲 （b）矩形脉冲特性参数 图12.1 矩形脉冲 脉冲信号波形的主要特性参数： ① 脉冲周期T——周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间的时间间隔。周期T的倒数即单位时间内出现的脉冲数弥为重复频率f，即f=1/T。 ② 脉冲幅度Vm——脉冲电压的最大变化幅度。 ③ 脉冲宽度Tw——从脉冲前沿上升到0.5Vm开始，到脉冲后沿下降到0.5Vm为止的一段时间(即脉冲幅度50％处的持续时间)。 ④ 上升时间tr——脉冲前沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时间。 ⑤ 下降时间tf——脉冲后沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需要的时间。 12.2 单稳态触发器 前面介绍的触发器电路，它有两种稳定状态，在外界触发信号作用下，可以从一种稳定状态翻转到另一种稳定状态。所以，也称触发器为双稳态电路。 触发器之所以具有这种特点，是由触发器电路的内部结构决定的。如果将基本RS触发器的两条交叉耦合支路的其中一条改为RC耦合(电阻电容耦合)，则电路的工作情况就大不一样。这种电路平时总是处于一种稳定状态。 在外来触发信号的作用下，它能翻转成新的状态，但这种状态是不稳定的，只能维持一定时间，因而称之为暂稳态。 暂稳态时间结束，电路能自动回到原来状态，从而输出一个矩形脉冲。由于这种电路只有一种稳定状态，因而称之为“单稳态触发器”，简称“单稳电路”或“单稳”。 单稳电路的暂态时间的长短，与外界触发脉冲无关，仅由电路本身的耦合元件RC决定，因此称RC为单稳电路的定时元件。 这种电路被广泛应用于数字系统中，可用于脉冲信号的宽度调整及延时等。 按照定时元件的连接方式，单稳电路可分为微分型和积分型两大类。 12.2.1 微分型单稳电路 1. 电路组成 微分型单稳电路如图12.2所示。图中G1、G2是CMOS“或非”门。电阻R和电容C组成微分延时电路。 图12.2 微分型单稳电路 2. 工作原理 如图12.2所示，该电路的输入触发脉冲为正脉冲。 稳态时(即正触发脉冲未到来时)，只要恰当选择R的阻值，G2一定导通，其输出V02为低电平。又由于VI1为低电平，所以G1的两个输入端均为低电平，G1截止，其输出V01为高电平。 当正触发脉冲到来并使VI1由低电平上升至VT(即CMOS“或非”门的开启电压)时，将引起下列正反馈过程： 该正反馈过程使电路快速翻转到G1导通（输出低电平）、G2截止（输出高电平），进入暂稳状态。接着VDD通过R及G1的输出电阻对电容C充电，VI2按指数规律上升，当VI2上升到VT时，又会产生下列正反馈过程（假设此时VI1已回到低电平）： VI2↑→ VO2↓→ VO1↑ 这个正反馈过程使电路快速返回到G1截止、G2导通的稳定状态。此后电容C通过G2输入端保护电路的二极管及G1的输出电阻放电，VI2基本保持在VDD，Vo1逐渐上升到VDD。 这种单稳态电路各点工作波形如图12.3所示。 图12.3 微分型单稳电路工作波形 由上述单稳电路的工作过程，可以得出输出脉冲宽度（即暂稳态时间）tw的估算公式如下： tw = (R + Ro)C lnVDD/ (VDD－VT) 若VT = 1/2VDD，则 tw = (R+Ro)C ln2 ≈ 0.7(R+Ro)C 其中Ro为G1门的输出电阻。 例如，若R=1kΩ，Ro=0.2kΩ，C=150pF，则单稳电路的输出脉冲宽度tw = 0.7（1kΩ+0.2kΩ）×150pF = 126nS。 输出脉冲的幅度近似等于VDD。 另外，为使单稳电路可靠工作，应让电容在暂稳态之后能够充分恢复到稳态时的电压。 为此，触发脉冲周期应大于tw+3τ。τ称为电容充、放电时间常数。在本电路中，τ即为（R+Ro）C。 2.工作原理 如图12.4所示，该电路的输入触发脉冲为负脉冲。 稳态时，VI1为高电平，G1和G2导通，所以Vo1为低电平，VI2为低电平，Vo2也为低电平。 当负触发脉冲到来时，VI1由高电平跳到低电平，G1截止，Vo1由低电平跳到高电平。但由于电容上的电压不能突变，所以此刻VI2仍为低电平，故G2由导通变为截止，Vo2由低电平跳变到高