第6章_脉冲产生与整形电路

1、(6-1)肖合九肖合九 教授教授数字逻辑电路数字逻辑电路 (6-2)第第6 6章章 脉冲产生与整形电路脉冲产生与整形电路 (6-3)第第6 6章章 脉冲产生和整形电路脉冲产生和整形电路概述概述6.1 施密特触发器施密特触发器6.2 单稳态触发器单稳态触发器6.3 多谐振荡器多谐振荡器(6-4)一一 常用脉冲波形及参数常用脉冲波形及参数 1. 常见的脉冲波形 脉冲波形是指突变的电流和电压的波形。 常见的脉冲波形图 概概 述述(6-5)2. 矩形波及其参数 非周期性和周期性矩形波(a) 非周期性 (b) 周期性数字电路中用得最多的是矩形波。矩形波有周期性与非周期性两种。 (6-6)矩形波的主要参数

2、 周期性矩形波的周期用T表示，有时也用频率f表示（f =1/ T）。 矩形波的另外几个主要参数： （1）脉冲幅度Um （2）脉冲宽度tw （3）上升时间tr （4）下降时间tf （5）占空比q =t w /T 。通常q用百分比表示，如果q =50%，则称为对称方波。 (6-7) 555这个名称的由来是由于在芯片中采用了这个名称的由来是由于在芯片中采用了3个个5k的分压电的分压电阻。阻。555定时电路又称时基电路。定时电路又称时基电路。 由于它巧妙地将模拟功能和逻辑功能结合在一块硅片上，所由于它巧妙地将模拟功能和逻辑功能结合在一块硅片上，所以能有效地应用于模拟和数字两大类型的电路设计中，应用极以

3、能有效地应用于模拟和数字两大类型的电路设计中，应用极其广泛。其广泛。二、二、555定时器定时器1&1COTHTR+VCCuOuD5kC1C2G1G2G3TD+2658437RQQ5k5k(6-8)触发端阈值端电压控制端复位端放电端4.516V输出端接地端1&1COTHTR+VCCuOuD5kC1C2G1G2G3TD+2658437RQQ5k5k（1）电路组成）电路组成阈值端又称高电平触发端阈值端又称高电平触发端触发端又称低电平触发端触发端又称低电平触发端 如果在电压控制端如果在电压控制端CO另加控制电压，可改变另加控制电压，可改变C1、C2的参考的参考电压。工作中不使用电压。工

4、作中不使用CO端时，一般通过一个端时，一般通过一个0.01F的电容接的电容接地，以旁路高频干扰。地，以旁路高频干扰。(6-9)电阻分压器电阻分压器电压比较器电压比较器基本基本RS触发器触发器放电管放电管TD缓冲器缓冲器1&1COTHTR+VCCuOuD5kC1C2G1G2G3TD+2658437RQQ5k5k 555集成定时器由集成定时器由五部分组成。五部分组成。(6-10)011&1COTHTR+VCCuOuD5kC1C2G1G2G3TD+2658437RQQ5k5k100R=0时，Q=1 ，uO=UOL为低电平，TD管饱和导通。（2）工作原理）工作原理(6-11)R=1、U

5、TH2VCC/3、UTRVCC/3时，C1输出低电平，C2输出高电平，即R基=0、S基=1，Q=0、Q=1，uO=UOL，TD管饱和导通。2UCC/3UCC/3 11&1COTHTR+VCCuOuD5kC1C2G1G2G3TD+2658437RQQ5k5k 101S基基R基基0(6-12)R=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3时，C1、C2输出均为高电平，即R基=1、S基=1，Q、Q不变，uO及TD管将保持原状态不变。2UCC/3UCC/3 1&1COTHTR+VCCuOuD5kC1C2G1G2G3TD+2658437RQQ5k5k 111S基基R基基(6-13)2UCC

6、/3UCC/3 01&1COTHTR+VCCuOuD5kC1C2G1G2G3TD+2658437RQQ5k5k 110S基基R基基1R=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3时，C1输出高电平，C2输出低电平，即R基=1、S基=0，Q=1、Q=0，uO=UOH，TD管截止。(6-14)截止UOH1VCC/32VCC/3不变不变1VCC/32VCC/3导通UOL1VCC/32VCC/3导通UOL0TD的状态uORUTRUTH555定时器的功能表定时器的功能表 最基本最典型的脉冲产生整形电路有施密特触发最基本最典型的脉冲产生整形电路有施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。器、单稳态触发

7、器和多谐振荡器。(6-15)三、脉冲产生整形电路三、脉冲产生整形电路 最基本、最典型的脉冲产生整形电路有施密特触最基本、最典型的脉冲产生整形电路有施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。发器、单稳态触发器和多谐振荡器。 1、获得脉冲波形的方法主要有两种：、获得脉冲波形的方法主要有两种： 、利用多谐振荡器直接产生符合要求的矩形脉冲；、利用多谐振荡器直接产生符合要求的矩形脉冲； 、通过整形电路对已有的波形进行整形、变换使之、通过整形电路对已有的波形进行整形、变换使之符合系统的要求。符合系统的要求。 2、施密特触发器：主要用于将非矩形脉冲变换成、施密特触发器：主要用于将非矩形脉冲变换成 上升沿和下降

8、沿都很陡峭的矩形脉冲。上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲。 3、单稳态触发器：主要用以将宽度不符合要求的脉、单稳态触发器：主要用以将宽度不符合要求的脉冲换成符合要求的矩形脉冲。冲换成符合要求的矩形脉冲。(6-16)6.1.1 用用555定时器构成施密特触发器定时器构成施密特触发器一、电路组成及其工作原理一、电路组成及其工作原理1、电路组成、电路组成(6-17)（1）当）当ui0时，由于比时，由于比较器较器C1=1、C2=0，触发器，触发器置置1，即，即Q1，Q=0uo1uo1。ui升高时，升高时，在未到达在未到达2VCC/3以前，以前，uo1uo1的状态不会改变。的状态不会改变。（2）ui升高到

9、大于升高到大于2 VCC /3时，比较器时，比较器C1输出为输出为0、C2输出为输出为1，触发器置触发器置0，即，即Q0、Q=1，uo1=uo=0。此后，。此后，ui上升到上升到VCC，然后再降低，但在未到达然后再降低，但在未到达1VCC/3以前，以前，uo1uo0的状态的状态不会改变。不会改变。（3）ui下降到下降到1VCC/3时，比较器时，比较器C1输出为输出为1、C2输出为输出为0，触发器置触发器置1，即，即Q1、Q=0，uo1=uo=1。此后，。此后，ui继续下降到继续下降到0，但但uo1uo1的状态不会改变。的状态不会改变。2、工作原理、工作原理(6-18) 滞回特性滞回特性 滞回特

10、性是施密特触发器的电压传输特性，即输出滞回特性是施密特触发器的电压传输特性，即输出电压与输入电压的关系曲线。当电压与输入电压的关系曲线。当u uI I由由0 0V 上升到上升到2 VCC/3 时，时，u uO O由由UOH 跳变到跳变到UOL，但是，但是uI由由VCC下降到下降到2VCC/3 时时uO=uOL 却不改变，只有当却不改变，只有当u I下降到下降到VCC/3 时，时，uO才才会由会由UOL 跳变回到跳变回到UOH 。上升过程和下降过程的阈值。上升过程和下降过程的阈值电平不同。这是施密特触发器固有的特性。电平不同。这是施密特触发器固有的特性。 3、滞回特性及主要参数、滞回特性及主要参

11、数uoui(b)逻辑符号(a)电压传输特性uIuO01/3VCC2/3VCCVCCUOLUOH(6-19) 主要静态参数主要静态参数 上限阈值电压：上限阈值电压：u uI I上升过程中，输出电压上升过程中，输出电压u uO O由由U UOHOH跳跳变到变到U UOLOL时，所对应的输入电压的值。用时，所对应的输入电压的值。用U UT T表示。表示。 下限阈值电压：下限阈值电压： u uI I下降过程中，输出电压下降过程中，输出电压u uO O由由U UOLOL跳跳变到变到U UOHOH时，所对应的输入电压的值。用时，所对应的输入电压的值。用U UT T表示。表示。 回差电压：回差电压：UT =

12、 UT+UTuIuO0UTUTUOLUOH下限触发转换下限触发转换电平电平UT 上限触发转换上限触发转换电平电平UT+ (6-20) 4、特点、特点 、施密特触发器有两个稳定状态、施密特触发器有两个稳定状态(“0”(“0”态和态和“1”1”态态) )，其维持与转换完全取决于输入电压的大小。，其维持与转换完全取决于输入电压的大小。 、电压传输特性特殊，有两个不同的阈值电压、电压传输特性特殊，有两个不同的阈值电压(UT和和UT )。当。当ui递增时，在递增时，在uiUT时刻，时刻，uo由由UOH下跳为下跳为UOL；当；当ui递减时，在递减时，在uiUT时刻，时刻， uo由由UOL上跳为上跳为UOH

13、 。 、状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的、状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。矩形脉冲。uIuO0UTUTUOLUOH(6-21)(a) 40106的引脚排列图 14 13 12 1 1 10 9 840106 1 2 3 4 5 6 7VDD 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y VSS 14 13 12 1 1 10 9 84093 1 2 3 4 5 6 7(b) 4093的引脚排列图VDD 3A 3B 3Y 4Y 4B 4A 1A 1B 1Y 2Y 2B 2A VSS6.1.2 集成施密特触发器集成施密特触发器一、一、CMOS

14、集成施密特触发器集成施密特触发器(6-22)(6-23)(a) 7414的 引 脚 排 列 图 14 13 12 1 1 10 9 87414 1 2 3 4 5 6 7VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND 14 13 12 1 1 10 9 874132 1 2 3 4 5 6 7(b) 74132的 引 脚 排 列 图VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND二、二、TTL集成施密特触发器集成施密特触发器(6-24) 1、波形变换、波形变换 将变化缓慢的波形变换成矩形波（如将三角波或将变化缓慢的波

15、形变换成矩形波（如将三角波或正弦波变换成同周期的矩形波）。正弦波变换成同周期的矩形波）。6.1.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用(6-25)2、脉冲整形、脉冲整形 在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形波形畸变畸变，或者，或者边沿产生振荡边沿产生振荡等。通过施密特触发器整等。通过施密特触发器整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。 波形波形畸变畸变边沿边沿振荡振荡(6-26)3、脉冲鉴幅、脉冲鉴幅 将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些入端，只

16、有那些幅度大于幅度大于UT+的脉冲才会在输出端产生的脉冲才会在输出端产生输出信号。可见，施密特触发器具有脉冲鉴幅能力。输出信号。可见，施密特触发器具有脉冲鉴幅能力。 (6-27)合理选择回差电压，可消除干扰信号。合理选择回差电压，可消除干扰信号。 vI O vO O vO O VT2 VT1 t t t 4 4、消除干扰信号、消除干扰信号(6-28)作业题作业题P422 题题6.2 题题6.3 一、填空题一、填空题 1、555定时器由定时器由( ) 、( ) 、( )、 ( ) 和和 ( ) 五部分组成。五部分组成。 2、施密特触发器有两个稳定状态施密特触发器有两个稳定状态(“0”(“0”态态

17、和和“1”1”态态) )，其维持与转换完全取决于，其维持与转换完全取决于( ) 。二、选择题二、选择题 1、555构成的施密特触发器的回差电压构成的施密特触发器的回差电压UT为为( )。 A、VCC B、VCC/2 C、 2VCC/3 D、VCC/3 (6-29)作业题作业题P422 题题6.2 题题6.3 一、填空题一、填空题 1、555定时器由定时器由(基本基本RS触发器触发器) 、(比较器比较器) 、(分压分压器器)、 (晶体管开关晶体管开关) 和和 (输出缓冲器输出缓冲器) 五部分组成。五部分组成。 2、施密特触发器有两个稳定状态施密特触发器有两个稳定状态(“0”(“0”态和态和“1”

18、1”态态) )，其维持与转换完全取决于，其维持与转换完全取决于(输入电压的大小输入电压的大小) 。 二、选择题二、选择题 1 1、555构成的施密特触发器的回差电压构成的施密特触发器的回差电压UT为为( ( D ) )。 A、VCC B、VCC/2 C、 2VCC/3 D、VCC/3 (6-30)提高基准电压稳定性的提高基准电压稳定性的滤波电容滤波电容 6.1.1 用用555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器一、电路组成及其工作原理一、电路组成及其工作原理1、电路组成、电路组成(6-31)工作特点：、有一个稳定状态和一个暂态；、在外加触发脉冲作用下，电路从稳定状态翻转到暂稳态；、

19、经过一段时间后，又自动返回到原来的稳定状态。而且暂稳态时间完全取决于电路本身的参数，与外加触发脉冲没有关系。uiCR 4 7 555 2 1 C C1 1uoVCC(a) 电路 uDTHTR8VCCR3uo65CO0.01F0.01F ui uo t t 0 0 (b) 工作波形 uC t 0 tp 2VCC/3tptWtW2、工作原理、工作原理(6-32) 当单稳态触发器未加输入脉冲时， ui为高电平，即UTR 1VDD/3。接通VCC后，VCC通过R对C充电，当uc上升到2VDD/3时，输出uo0，内部放电管TD导通，C通过TD迅速放电，直到uc0，因UTH 2VDD/3，电路保持原稳态“

20、0”不变。uiCR 4 7 555 2 1 C C1 1uoVCC(a) 电路 uDTHTR8VCCR3uo65CO0.01F0.01F ui uo t t 0 0 (b) 工作波形 uC t 0 tp 2VCC/3tptWtW(6-33)uiCR 4 7 555 2 1 C C1 1uoVCC(a) 电路 uDTHTR8VCCR3uo65CO0.01F0.01F ui uo t t 0 0 (b) 工作波形 uC t 0 tp 2VCC/3tptWtW 触发翻转。当单稳态触发器加入负脉冲时，UTRuiVCC/3，且UTH0 2VDD/3，则输出由“0”翻转为“1”。TD管截止，定时开始。 暂

21、稳态。经过一个负脉冲宽度时间，负脉冲消失， ui恢复为高电平，即UTRui1VDD/3。因TD管截止，VCC经R对C充电。UTH（uc)按指数规律上升，当UTHuc2VDD/3时，维持“1”态不变，这一阶段电路处于暂稳态。(6-34) 自动返回。当UTHuc上升到2VDD/3 时，电路由暂稳态“1”自动返回“0”状态，定时结束，TD管由截止变为导通，电容C放电结束，电路恢复到稳态“0”。 下一个触发脉冲到来时，电路重复上述过程。uiCR 4 7 555 2 1 C C1 1uoVCC(a) 电路 uDTHTR8VCCR3uo65CO0.01F0.01F ui uo t t 0 0 (b) 工作

22、波形 uC t 0 tp 2VCC/3tptWtW(6-35) （1）输出脉冲宽度）输出脉冲宽度tw 输出脉冲宽度输出脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间。根据，就是暂稳态的维持时间。根据uC的波的波形可以计算出形可以计算出 ： tw 1.1RC （2） 恢复时间恢复时间tre 暂稳态结束后，电路需要一段时间恢复到初始状态。一般，暂稳态结束后，电路需要一段时间恢复到初始状态。一般，恢复时间恢复时间tre为为35倍放电时间常数倍放电时间常数2。由于。由于2很小，所以恢复很小，所以恢复时间时间tre极短。极短。 （3）最高工作频率）最高工作频率fmax（或最小工作周期（或最小工作周期Tmin） 设触

23、发信号的时间间隔为设触发信号的时间间隔为T，为了使单稳态触发器能够正常，为了使单稳态触发器能够正常工作，应当满足工作，应当满足Ttw +tre的条件，即的条件，即Tmin= tw +tre。因此，单稳。因此，单稳态触发器的最高工作频率为态触发器的最高工作频率为 fmax = 1/ Tmin = 1/（tw +tre） 2、主要参数的估算、主要参数的估算(6-36)6.2.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器(a)uOuItwtw(b)uOuItwtw不可重复触发不可重复触发可重复触发可重复触发被重复触发被重复触发不可重复触发不可重复触发 一、不可重复触发（非重触发）单稳态触发器一、不可重复触发

24、（非重触发）单稳态触发器 74121 二、可重复触发单稳态触发器二、可重复触发单稳态触发器 74122(6-37)如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳电路来实现。如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳电路来实现。 uO的下降沿比的下降沿比uI的下降沿的下降沿延迟了延迟了tw 6.2.3 单稳态触发器应用举例单稳态触发器应用举例1、延时、延时(6-38)2 2、定时、定时 单稳态触发器能够产生一定宽度单稳态触发器能够产生一定宽度tw的矩形脉冲，利用这的矩形脉冲，利用这个脉冲去控制某一电路，则可使它在个脉冲去控制某一电路，则可使它在tw时间内动作时间内动作(或者不动或者不动作作)。 (6-39)

25、 3、脉冲整形脉冲整形 脉冲信号在经过长距离传输后其边沿会变差或在波形上脉冲信号在经过长距离传输后其边沿会变差或在波形上叠加了某些干扰。叠加了某些干扰。 为了使这些脉冲信号变成符合要求的波形，可利用单稳为了使这些脉冲信号变成符合要求的波形，可利用单稳态触发器进行整形。态触发器进行整形。uOuI(6-40) 4、脉冲展宽 当输入脉冲宽度较窄时，则用单稳态触发器展宽。 图示为利用CT74121组成的脉冲展宽电路。 只要合理选用Rext和Cext值，可输出宽度符合要求的矩形脉冲。(6-41)5、 触摸定时控制开关触摸定时控制开关84762153555+VCCRLR100kC100C10.01(+6V

26、)P 555定时器构成单稳态触定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金发器。只要用手触摸一下金属片属片P，由于人体感应电压，由于人体感应电压相当于在触发输入端（管脚相当于在触发输入端（管脚2）加入一个负脉冲，加入一个负脉冲，555输出端输出端输出高电平，灯泡（输出高电平，灯泡（RL）发）发光，当暂稳态时间（光，当暂稳态时间（tW）结）结束时，束时，555输出端恢复低电平，输出端恢复低电平，灯泡熄灭。灯泡熄灭。该触摸开关可用该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间于夜间定时照明，定时时间可由可由RC参数调节。参数调节。(6-42)6.3 多谐振荡器多谐振荡器6.3.1 用用555定时器构成的多谐

27、振荡器定时器构成的多谐振荡器一、电路组成及其工作原理一、电路组成及其工作原理1、电路组成、电路组成(6-43) 接通接通VCC后，后，VCC经经R1和和R2对对C充电。当充电。当uc上升到上升到2VCC/3时，时，uo=0，TD导通，导通，C通过通过R2和和TD放电，放电，uc下降。当下降。当uc下降到下降到VCC/3时，时，uo又由又由0变为变为1，TD截止，截止，VCC又经又经R1和和R2对对C充电。如此重充电。如此重复上述过程，在输出端复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。产生了连续的矩形脉冲。2、工作原理、工作原理暂稳态暂稳态时间时间tw2= 0.7R2C 暂稳态暂稳态时间时间

28、tw1=0.7( R1+R2)C (6-44)T暂稳态暂稳态时间时间tw1=0.7( R1+R2)C 暂稳态暂稳态时间时间tw2= 0.7R2C 振荡器输出脉冲振荡器输出脉冲uO的工作周期为：的工作周期为： T=0.7(R1+2R2)C 振荡频率振荡频率ff=1/T= 1/0.7(R1+2R2)C 占空比占空比qq=(R1+R2)/(R1+2R2)(6-45)1、多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态；2、通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，无需外触发；3、输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的谐波分量，故称做多谐振荡器多谐振荡器的特点多谐振荡器的特点(6-46) 前面

29、介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC参数误差的影响。而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号频率不稳定直接影响到系统的工作，显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。6.3.2 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器一、石英晶体的选频特性一、石英晶体的选频特性 石英晶体具有很好的选频特性。当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率f0相同时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易通过，而其它频率的信号则被衰减掉。因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可以组成石英晶体

30、振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率f0，而与RC无关。(6-47)将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率率fo，而与，而与RC无关。无关。在对称式多谐振荡器的基础上，在对称式多谐振荡器的基础上，串接一块石英晶体串接一块石英晶体，就，就可以构成一个石英晶体振荡器电路。该电路将产生稳定度极可以构成一个石英晶体振荡器电路。该电路将产生稳定度极高的矩形脉冲，其高的矩形脉冲，其振荡频率由石英晶体的串联谐振频率振荡频率由石英晶

31、体的串联谐振频率fo决决定定。 二、石英晶体多谐振荡器二、石英晶体多谐振荡器(6-48)6.3.3 多谐振荡器应用举例多谐振荡器应用举例一、秒信号发生器一、秒信号发生器 CMOS石英晶体多谐振荡器产生石英晶体多谐振荡器产生f=32768Hz的基准信号，经的基准信号，经由由T触发器构成的触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒信号。这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信高的秒信号。这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源。号源。(6-49)二、模拟声响电路二、模拟声响电路 图图(a) 所示是用两个多所示是用两个多谐振荡器构成的模拟声谐振荡器构成的模拟声响电路。响电路。振荡器振荡器：f 1Hz ，振荡器，振荡器：f 1 kHz ，那么扬声器就会，那么扬声器就会发出呜发出呜鸣的间隙声响。鸣的间隙声响。因为振荡器因为振荡器的输出电的输出电压压u01，接到振荡器，接到振荡器 中中555 定时器的复位端定时器的复位端R (4 脚脚)，当，当u01 为高电平时为高电平时振荡振荡，为低电平时，为低电平时555 复位复位， 停止振荡。图停止振荡。图 (b)所示是电路的工作波所示是电路的工作波形形。(6-50)26VCCRD5553vI2I1v847RRVCC12C150.01C