脉冲产生与整形电路概述、结构和功能

1、脉冲产生与整形电路概述、结构和功能 概述 施密特触发器单稳态触发器多谐振荡器本章小结555 定时器的电路结构及其逻辑功能主要要求： 了解脉冲信号产生与整形的方法。 了解脉冲波形的主要参数。 7.1 概 述Umtrtf TtW 脉 冲 幅 度 Um： 脉冲上升时间 tr：脉冲下降时间 tf：脉 冲 宽 度 tW ：脉 冲 周 期 T ：脉 冲 频 率 f ： 占 空 比 q ：脉冲电压变化的最大值 脉冲波形从 Um 上升到 Um 所需的时间 脉冲上升沿 Um 到下降沿 Um 所需的时间 脉冲波形从 Um 下降到 Um 所需的时间 周期脉冲中相邻两个波形重复出现所需的时间 1 秒内脉冲出现的次数

2、f = 1/T 脉冲宽度 tw 与脉冲周期 T 的比值 q = tw/T 一、脉冲波形的主要参数 主要用以将缓慢变化或快速变化的非矩形脉冲变换成陡峭的矩形脉冲。 常用的有施密特触发器和单稳态触发器。 获取脉冲信号的方法 脉冲信号产生与整形电路的实现是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便、灵活，应用广泛。 用多谐振荡器直接产生。 用整形电路对已有波形进行整形、变换。 施密特触发器单稳态触发器 主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。用门电路构成。 用专用的集成电路。 用 555 定时器构成。 二、脉冲信号产生与整形的方

3、法 主要要求： 了解 555 定时器的电路结构，掌握其符号和功能。7.2 555 定时器的电路结构及其逻辑功能 了解 555 定时器的电路结构，掌握其符号和功能。555 定时器简介 555 定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。它的电源电压范围宽(TTL 555 定时器为 5 16 V，CMOS 555 定时器为 3 18 V)，可提供与 TTL 及 CMOS 数字电路兼容的接口电平，还可输出一定功率，驱动微电机、指示灯、扬声器等。TTL 单定时器型号的最后 3 位数字为 555，双定时器的为 556；CMOS 单定时器的最后 4 位数为 7555，双定时器的为 755

4、6。它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。 7.2.1 555 定时器的电路结构C1C2G3QQG1G2RSVRRRUR1UR2G4555 定时器的电路结构与符号 UR1UR2 构成电阻分压器，为比较器 C1、C2 提供两个基准电压: UR1 =(2/3)VDD， UR2 =(1/3)VDD。 输出缓冲器构成基本 RS 触发器，决定电路输出。MOS 开关管构成电压比较器，比较 TH 与 UR1 和TR 与 UR2 的大小。555 定时器的电路结构与符号 C1C2G3QQG1G2RSVRRRUR1UR2G4GNDVDDRDOUTCO555THTRDIS电路符号627153843OUT输出端 8V

5、DD电源端 4RD直接置0端 DIS7放电端 TH6阈值输入端 TR2触发输入端 CO5控制电压输入端 GND1接地端 定时器 CC7555 的工作原理 7.2.2 555 定时器的逻辑功能当 TH 端电压大于UR1= VDD，TR 端电压大于UR2= V DD时，电压比较器 C1 和C2 分别输出 R=1、S=0，基本 RS 触发器置 0，Q =0、Q = 1， 输出 uO =0 ，这时 MOS 管 V 导通。1323当 TH 端电压小于UR1= VDD，TR 端电压小于UR2= V DD时，电压比较器 C1 和C2 输出 R= 0、S=1，基本 RS 触发器置 1，Q =1、Q = 0，

6、输出 uO =1 ，这时 MOS 管 V 截止。1323当 TH 端电压小于UR1= VDD，TR 端电压大于UR2= V DD时，电压比较器 C1 和C2 分别 R= 0、S=0，基本 RS触发器置保持原状态不变。输出 uO 保持不变。1323定时器 CC7555 的功能表 不变不变1截止11导通01导通00V 状态OUT (uO)RDTRTH输 出 输 入7.2.2 555 定时器的逻辑功能 施密特触发器主要要求： 理解施密特触发器的逻辑功能、工作特点。理解施密特触发器的典型应用。了解用 555 定时器构成施密特触发器的方法。7.3.1 施密特触发器的逻辑符号和电压传输特性 Schmitt

7、 Trigger一、施密特触发器的逻辑符号 uO1uI施密特触发器的逻辑符号(a)反相输出逻辑符号； (b)同向输出逻辑符号uO2uI(a) (b)UOLUOH二、施密特触发器的传输特性UT =UT+ - UT-回差电压施密特触发器工作特点 (1)允许输入信号为缓慢变化的信号。 (2)有两个阈值电压。 (3)有两个稳态。 UT+OuOuI正向阈值电压负向阈值电压 当 uI 从小增大时，经过 UT+ 处才能使输出发生跃变。UT- 当uI从大减小时，经过UT-处才能使输出发生跃变。VDDRDOUTCOTHTRDIS7.3.2 用 555 定时器组成施密特触发器 一、电路组成 uIuOOuOtOuI

8、tUOH(2/3)VDD(1/3)VDDUOL 二、工作原理当输入电压 uIVDD 时，比较器 C1 和 C2 分别输出 R= 0、S =1， 触发器置 1，Q = 1，输出 uO 为高电平 UOH。13当输入电压 VDD uI VDD时，比较器 C1 和 C2 输出 R= 0、S =0， 触发器保持 1 状态不变， 输出 uO = UOH不变。2313当输入电压 uIVDD 时，比较器 C1 和 C2 输出 R= 1、S =0， 触发器 0，Q = 0，输出 uO 为由高电平 UOH 跃到低电平 UOL 。所以，施密特触发器的正向阈值电压 UT+ = VDD。2323OuOtOuItUOH(

9、2/3)VDD(1/3)VDDUOL 二、工作原理当输入电压由大于 VDD下降到 VDD uI VDD 时，比较器 C1 和 C2 输出 R= 0、S =0， 触发器保持 0 状态不变，输出 uO保持低电平 UOL不变。232313当输入电压下降到 uI VDD时，比较器 C1 和 C2 输出 R =0、S =1， 触发器置 1 ， Q = 1，输出 uO 由低电平 UOL 跃到高电平 UOH。所以，施密特触发器的负向阈值电压 UT- = VDD。1313OuOtOuItUOH(2/3)VDD(1/3)VDDUOL 二、工作原理555 定时器的功能表 不变不变1截止11导通01导通00V 状态

10、OUT (uO)RDTRTH输 出 输 入电压传输特性为反相输出的滞回特性0uOuIUOL(1/3)VDD(2/3)VDDUOH UT+ = (2/3)VDD UT- = (1/3)VDD回差电压：UT = UT+ - UT- = (1/3)VDD 三、传输特性双4输入施密特与非门逻辑符号1ACT74LS132A2C2B2D1Y2Y1D1B1C六施密特反相器逻辑符号1A2A3A4A5A6A1Y2Y3Y4Y5Y6YCT7414输出逻辑表达式为Y=A输出逻辑表达式为Y=ABCD7.3.3 集成施密特触发器一、TTL集成施密特触发器TTL 集成施密特触发门电路一些重要参数的典型值 tPHL8.754

11、2.5典型延迟时间/ns8.825.58.625.5典型UT+ /V典型每门功耗/mW双 4 输入与非门四 2 输入与非门六反相器电路名称CT74LS13CT7413CT74LS132CT74132CT74LS14CT7414型号tPLH典型UT- /V典型UT /V1.61.71.61.71.61.70.80.90.80.90.80.90.80.80.80.80.80.8181515151515151815151515TTL 施密特触发器的特点 (1) 可将变化缓慢的信号变换成上升沿和下降沿都很陡直的脉冲信号。 (2) 具有阈值电压和回差电压温度补偿。 (3) 具有很强的抗干扰能力。六施密特

12、反相器逻辑符号1A2A3A4A5A6A1Y2Y3Y4Y5Y6YCC40106输出逻辑表达式为Y=A7.3.3 集成施密特触发器二、CMOS 集成施密特触发器四2输入施密特与非门逻辑符号1ACC40933A4A3B4B1Y2Y3Y4Y2B1B2A输出逻辑表达式为Y=ABCMOS 施密特触发门电路一些重要参数 CMOS 集成施密特触发器的特点 (1) 可将变化缓慢的信号变换成上升沿和下降沿都很陡直的脉冲信号。 (2) 在电源电压VDD一定时，触发阈值电压稳定，但其值会随VDD变化。 (3) 电源电压VDD变化范围宽，输入阻抗高，功耗极小。 (4) 抗干扰能力很强。平均传输延迟时间 tpd/ns15

13、10515105UT+ /VVDD/V最小值 最大值四 2 输入与非门六反相器电路名称CC4093CC40106型号UT- /VUT /V 6.8 10.8 4.6 7.1 2.2 3.6 0.9 2.8130180380120140280最小值 最大值最小值 最大值 6.8 10.8 4.6 7.1 2.2 3.6 2.5 5.2 4.0 7.4 0.9 2.8 2.5 5.2 4.0 7.4 0.3 1.6 1.2 3.4 1.6 5.0 0.3 1.6 1.2 3.4 1.6 5.0OuItuOUT+UT-Ot一、脉冲波形变换 将三角波、正弦波和其他不规则信号变换成矩形脉冲。 UOHUO

14、L 当 uI UT+ 后，uO = UOL ；当 uI下降到小于 UT- 时，uO 才跃变到 UOH。 当 uI VDD，TH = uC 0 VDD，TH = uI VDD，因此 uO 为低电平，V 导通，电容 C 经放电管 V 迅速放电完毕，uC 0 V。132323 2. 触发进入暂稳态 二、工作原理uCOtOuOtUOLUOH tWOtUIHuIVDDUILUOH充电当输入 uI 由高电平跃变为低电平(应小于 VDD )时，使 TR=UIL VDD ，而TH = uC 0 V VDD，因此 uO 跃变为高电平，进入暂稳态，这时放电管 V截止，VDD 又经 R 向 C 充电，uC 上升。1

15、32313 3. 自动返回稳定状态 二、工作原理uCOtOuOtUOLUOH tWOtUIHuIVDDUOLUIH放电V这时 uI 必须已恢复为高电平TH VDD23当 uC 上升到 uC VDD时， TH = uC VDD，而 TR = uI = UIH (大于 VDD )，因此 uO 重新跃变为低电平。同时，放电管导通，C 经 V 迅速放电 uC 0 V，放电完毕后，电路返回稳态。132323例 用上述单稳态电路输出定时时间为1 s 的正脉冲，R = 27 k，试确定定时元件 C 的取值。 三、输出脉冲宽度的计算uCOtOuOtUOLUOH tWOtUIHuIVDD输出脉冲宽度 tW 即为

16、暂稳态维持时间，主要取决于充放电元件 R、C。 该电路为不可重复触发单稳，且要求输入负脉宽小于输出脉宽 tW 。解：因为 tW 1.1 RC故可取标称值 33 F。估算公式 tW 1.1 RCGNDVDDRDOUTCO555THTRDISVDD0.01 FRCuIuOCdRd四、具有 RC 输入微分电路的单稳态触发器当输入 uI 负脉冲宽度大于输出脉冲宽度 t W 时，需在 TR 端和输入触发信号 uI 之间接入 RdCd 微分电路后，电路才能正常工作。VDDRdCd集成单稳态触发器暂稳态期间如再次被触发，对原暂稳态时间无影响，输出脉冲宽度 tW 仍从第一次触发开始计算。 暂稳态期间如再次被触

17、发，输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽 tW 。 可重复触发型 非重复触发型 uOuI1uOuI限定符号“1 ”表示不可重复触发型单稳态触发器。限定符号“ ”表示可重复触发型单稳态触发器。 7.4.2 集成单稳态触发器单稳工作波形举例单稳输出波形非重复触发型 单稳输出波形可重复触发型 输入波形OuItOuOtOuOttWtWtWtW暂稳态期间不能再次触发。暂稳态期间能再次触发。其输出脉宽将在原暂稳态时间基础上再展宽 tW 。触发脉冲到来时，输出翻转为暂稳态，经暂稳态持续时间 tW 后自动回到稳态。外触发脉冲未来时，输出为稳态。单稳态触发器 CT74121 的逻辑图一、非重复触发单稳态

18、触发器1. 电路组成与逻辑符号输入触发脉冲控制电路输出缓冲级微分型单稳态触发器一、非重复触发单稳态触发器1. 电路组成与逻辑符号有 3 个触发信号输入端，TR-A和 TR-B 用负脉冲触发， TR+ 用正脉冲触发。 有 2 个互补输出端TR+TR-BTR-AQQRI CX RX/CXRintCextRext/CextRI CX RX/CX不可重复触发型单稳的限定符号 外接定时元件端 “”号表示非逻辑连接，即没有任何逻辑信息的连接，例如外接 R、C 和 VCC 等。 负脉冲触发应用举例RI CX RX/CXTR+TR-BTR-AQQ+VCC+VCC 欲负脉冲触发，则将触发脉冲从 TR-A 或 T

19、R-B 加入，而 TR+ 接 1。 CT74121 可正脉冲触发，也可负脉冲触发。QTR-B2. 工作原理 CT74121 的功能表 0011111101110010101010QQTR+TR-BTR-A输 出输 入正脉冲触发应用举例RI CX RX/CXuO+VCCuITR+ 欲正脉冲触发，则将触发脉冲从 TR+ 加入，而 TR-A 和 TR-B 至少有一接0。uIuO2. 工作原理 CT74121 的功能表 0011111101110010101010QQTR+TR-BTR-A输 出输 入2. 逻辑功能单稳态触发器CT74121 的工作波形 在暂稳态期间再次进行触发时，对暂稳态时间没有影响

20、。3. 输出脉冲宽度的计算RI CX RX/CXTR+TR-BTR-AQQ悬空不接CextRextVCC一般接法tW 0.7 RextCext通常取：Rext = 2 40 k，Cext = 10 pF 10 F。当输出脉宽不大时，可用内部电阻 Rint = 2 k取代 Rext ，接法如下：RI CX RX/CXTR+TR-BTR-AQQCext+VCCtW 0.7 RintCext1RD1TR-1TR+1Q1Q1Cext1Rext /Cext2TR-2TR+2RD2Cext2Rext /Cext2Q2Q二、可重复触发单稳态触发器1. 逻辑符号 有两个触发信号输入端，1TR-用负脉冲触发，1

21、TR+ 用正脉冲触发。 可重复触发型单稳的限定符号 互补输出 直接复位端为1RD，低电平有效。 CT74HC123由两个独立的可重复触发单稳组成。 2. 逻辑功能CT74HC123 的功能表 11010110011011100QQTR+TR-RD输 出输 入下降沿触发上升沿触发稳 定状 态复 位说 明2. 逻辑功能单稳态触发器CT74HC123 的工作波形 3. 输出脉冲宽度的估算 可重复触发单稳态触发器 CC74HC123 的输出脉冲宽度 tW 可用下式估算 tW RC 对于单稳态触发器 CT74LS123，在电容 C 1000pF时，其输出脉冲宽度 tW 可用下式估算 tW RC二、脉冲定

22、时 一、脉冲整形 由于单稳态触发器可产生宽度和幅度都符合要求的矩形脉冲，因此，可利用它来作定时电路。 7.4.3 单稳态触发器的应用脉冲信号经过长距离传输后，其边沿会变差或叠加了某些干扰，这时可利用单稳态触发器进行整形。将这些受到干扰的脉冲信号加到单稳态触发器的输入端，输出便可得到符合要求的矩形脉冲。二、脉冲定时 由CT74121组成的定时电路 某生产线上有3道加工工序，要求第 1 道工序加工10s，第 2 道工序加工 20s，第 3 道加工工序加工 30s。当要求对这 3 道工序的加工进行自动控制时，则可用 3片集成单稳态触发器 CT74121 串接起来实现。二、脉冲定时 工作波形 某生产线

23、上有3道加工工序，要求第 1 道工序加工10s，第 2 道工序加工 20s，第 3 道加工工序加工 30s。当要求对这 3 道工序的加工进行自动控制时，则可用 3片集成单稳态触发器 CT74121 串接起来实现。由CT74121组成的定时电路若已知 Rext = 10 k，Cext = 1 F则可得 tW 0.7 RextCext = 7 msRI CX RX/CXQ+VCCuIRextCextQOuItOuOt脉冲展宽电路和工作波形三、脉冲展宽 tW接成正脉冲触发方式将窄脉冲展宽成宽度为 tW 的脉冲7.5 多谐振荡器主要要求： 了解用 555 定时器构成多谐振荡器的方法。理解石英晶体多谐振

24、荡器的工作原理。 即矩形脉冲产生电路，由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，故常称多谐振荡器。 (1)不需输入信号。(2)无稳定状态，只有两个暂稳态。 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，输出周期性的矩形脉冲信号。 工作特点Astable MultivibratorGuO逻辑符号多谐振荡器 GNDVDDRDOUTCO555THTRDISVDD0.01 FR1CuOuC-+R27.5.1 用 555 定时器组成多谐振荡器 一、电路组成 DISVDDR1CuC-+R2THTRGNDVDDRDCO0.01 FOUTuOuCOtOuOtUOLUOHtWHtWL 二、工作原理 充电U

25、OHTH = TR = uC 很小接通 VDD 后，开始时 TH = TR = uC 0，uO 为高电平，电路处于暂稳态。 这时放电管截止，VDD 经 R1、R2 向 C 充电，uC 上升。uCOtOuOtUOLUOHtWHtWL 二、工作原理 UOLTH = TR 2/3 VCC当 uC 上升到 TH = TR = uC 2/3VDD 时，uO 跃变为低电平，电路进入暂稳态 。这时放电管 V 导通，C 经 R2 和 V 放电，uC 下降。接通 VDD后，开始时TH = TR = uC 0，uO 为高电平，电路处于暂稳态。这时放电管截止，VDD经 R1、R2 向 C 充电，uC 上升。放电uC

26、OtOuOtUOLUOHtWHtWL当 uC 下降到 TH = TR = uC 1/3VDD 时， uO 重新跃变为高电平，同时放电管 V 截止，电路返回到暂稳态。 二、工作原理TH=TR1/3VCC接通 VDD 后，开始时 TH = TR = uC 0，uO 为高电平，电路处于暂稳态。这时放电管截止，VDD 经 R1、R2 向 C 充电，uC 上升。当 uC 上升到 TH = TR = uC 2/3VDD 时，uO 跃变为低电平，电路进入暂稳态 。这时放电管 V 导通，C 经 R2 和 V 放电，uC 下降。 二、工作原理电容 C 如此循环充电和放电，使电路产生振荡，输出矩形脉冲。周期估算t

27、W1 0.7 (R1 + R2)C tW2 0.7 R2CT = tW1 + tW2 0.7 (R1 + 2R2)CuCOtOuOtUOLUOHtWHtWL 三、占空比可调的多谐振荡器 充电回路为 VDD 经R1、VD1 对 C 充电，时间常数为 R1C。 放电回路为 C 经VD2、 R2和放电管 V 放电，时间常数为R2C 。GNDVDDRDOUTCO555THTRDISVDD0.01 FR1CuOVD2R2RPVD1R1R2VDDCVD2RPVD1占空比估算tW1 0.7 R1C tW2 0.7 R2C 三、占空比可调的谐振荡器 555定时器组成的防盗报警电路当导线 ab 连通时，直接置

28、0 端 RD 为低电平，电路不振荡，扬声器不发出声响，电容 C4 上电压为 0，三极管 V 工作在导通状态。 三、占空比可调的谐振荡器 当 ab 导线被人拉断时，电源 VCC 经 R3、V 将 C4 迅速充电到高电平，使 RD 端为高电平，多谐振荡电路开始振荡，其振荡频率 f 1/0.7(R1+2 R2) C 1kHz，于是，扬声器发出1kHz 的报警声响。555定时器组成的防盗报警电路振荡频率稳定 由石英晶体的阻抗频率特性可知，只有外加信号的频率 f 和石英晶体的固有谐振频率 f0 相同时，石英晶体才呈现极低的阻抗，而在其他频率时，则呈现很高的阻抗。因此，石英晶体具有很好的选频特性。石英晶体

29、的阻抗频率特性7.5.2 石英晶体多谐振荡器 一、石英晶体的选频特性符号 电阻RF1、RF2用于确定反相器 G1 和 G2 的工作点，使其工作在放大区，有利于电路起振。对于TTL反相器，RF1 和 RF2 通常取0.7 2 k；对于CMOS 反相器，RF1和RF2 通常取10 100 M ，电容 C1 和 C2 为G1和G2间的耦合电容，在频率为 f 0时，它们呈现的容抗极小，可忽略不计，使G1和G2之间形成正反馈环路。对称石英晶体多谐振荡器7.5.2 石英晶体多谐振荡器 二、石英晶体多谐振荡器1. 对称石英晶体多谐振荡器 由于石英晶体接在 G1 和 G2 两级反相器之间，且具有很好的选频特性

30、，因此，在接通电源后，对频率为 f 0 的信号非常容易通过石英晶体而产生频率为f0 的自激振荡。反相器 G3用于整形，使输出 uO 的波形更接近于矩形脉冲， G3还具有缓冲隔离作用，也提高了负载能力。对称石英晶体多谐振荡器7.5.2 石英晶体多谐振荡器 二、石英晶体多谐振荡器1. 对称石英晶体多谐振荡器 电阻R1、R2 用以使反相器工作在放大区。对于 TTL 反相器R1 和 R2 通常取0.7 2 k；对于CMOS 反相器，R1 和 R2 通常取10 100 M 。 C 1为反相器 G1 和 G2 之间的耦合电容，使 G1 和 G2 之间形成正反馈环路，对于频率为 f0 的信号，其呈现的容抗极

31、小，可忽略不计。串联石英晶体多谐振荡器7.5.2 石英晶体多谐振荡器 二、石英晶体多谐振荡器2. 串联石英晶体振荡器 在电路接通电源后， G2 输出频率为 f 0 的信号很容易通过石英晶体形成很强的正反馈而产生自激振荡。 G3 用以整形，使输出 uO 的波形更接近于矩形脉冲，并具有缓冲隔离和提高负载能力的作用。串联石英晶体多谐振荡器7.5.2 石英晶体多谐振荡器 二、石英晶体多谐振荡器2. 串联石英晶体振荡器 RF为反馈电阻，使反相器 G1 工作在电压传输特性的过渡区，RF常取10 100 M。 G1 、RF 和石英晶体、C1、C2 构成电容三点式振荡电路。C1、C2 和石英晶体组成形选频网络，对于频率为 f0 的信号选频能力最强，很易通过石英晶体而产生自激振荡。反馈系数取决于 C1 和 C2 的比值，C1 还可微调振荡频率。反相器 G2 用以整形，使输出 uO 为矩形脉冲，并可隔离外接负载对振荡电