数字电路与逻辑设计第六章脉冲波的产生和整形课件

1、学 习 目 标： 本章介绍由555集成定时器组成的多谐振荡器、施密特触发器及单稳态触发器。 重点与难点： 555集成定时器的基本工作原理及及其在形波产生和整形方面的应用。学 习 要 求： 掌握555集成定时器电路结构、工作原理，555集成定时器如何构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器，理解电路的工作原理及应用，了解RC环形振荡器、COMS多谐振荡器和石英晶体振荡器。6.1 概述6.2 多谐振荡器6.3 施密特触发器6.4 单稳态触发器本章小结目 录目前，脉冲电路从由电子管、晶体管、电容、电阻等分立元件组成的脉冲电路，进入到集成电路时代。在电子设备中，集成脉冲电路已基本取代了分立元件的脉冲

2、电路。获得脉冲波形的方法一般有两种，一是利用脉冲振荡器直接产生所需的脉冲波形；另外就是利用已有的周期性变化的波形，通过脉冲整形电路变换成所需的脉冲波形。因为数字系统中，矩形波是最常见的脉冲波形 ，所以本章重点分析矩形波的产生和整形。6.1 概述6.1.1 矩形脉冲的基本特性描述矩形脉冲的指标上升时间t r脉冲周期T脉冲幅度Um脉冲宽度 t w下降时间t f占空比q= t w / T对于理想矩形脉冲，其上升时间t r和下降时间t f则均视为零。6.1.2 555定时器555定时器根据内部器件类型可分为双极型和单极型（均有单或双定时器集成电路）。555定时器的内部结构和引脚排列图1：接地端2：低电

3、平触发端，也称为触发输入端，由此输入触发脉冲3：输出端4：复位端5：电压控制端6：高电平触发端，又叫做阈值输入端，由此输入触发脉冲7：放电端8：电源端555定时器的功能表截止UOH1VCC/32VCC/3不变不变1VCC/32VCC/3导通UOL1VCC/32VCC/3导通UOL0T的状态uOUTH多谐振荡器是产生矩形波的自激振荡电路。由于矩形波包含基波和高次谐波等较多的谐波成分，因此称为多谐振荡器。另外，这类电路不存在稳态，故又称无稳态电路。6.2 多谐振荡器6.2.1 555定时器构成的多谐振荡器接通电源后，电源VCC经R1和R2对C充电，当u C上升到2VCC/3时，比较器C1的输出为0

4、，将基本RS触发器置0，定时器输出u o0。这时基本RS触发器的 ，使放电管T导通，电容C通过R2和T放电，u C下降。当u C下降到VCC/3时，比较器C2的输出为0，将基本RS触发器置1，u O又由0变为1。由于此时基本RS触发器的 ，放电管T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程。第一个暂稳态的脉冲宽度tp1，即u c从VCC/3充电上升到2VCC/3所需的时间。根据电路分析中的三要素法，即可求出：tp10.7(R1+R2)C第二个暂稳态的脉冲宽度tp2，即u c从2VCC/3放电下降到VCC/3所需的时间，同理可得：tp20.7R2C振荡周期：Ttp1tp20.7(R12

5、R2)C占空比：由上式可知，无论R1或R2怎样改变，q总是50%。在改变占空比的同时，振荡频率也将改变。若改变q的同时，要求振荡频率f不变，可采用占空比可调而振荡频率保持不变的矩形波发生器。占空比可调振荡频率不变的多谐振荡器由二极管单向导电性，其充电回路为：VCCRAD1C地，充电时间常数c=RAC；放电回路为：u C（+）D2RBT地（u C（），放电时间常数为d=RBC，输出高电平的脉宽为：tp10.7RAC输出低电平的脉宽为：tp20.7RBC振荡周期：Ttp1tp20.7(RARB)C占空比：由上两式可知，在调节电位器RW的滑臂时，只改变RA和RB阻值，而RARB保持不变，故在改变q时

6、可使T保持不变。电阻R3的作用，使输出高电平时为VCC，以便与CMOS电路输入高电平相匹配，故R3又称上拉电阻。6.2.2 其它多谐振荡器1. RC环形多谐振荡器它由3级反相器接成环形构成，故称为环形振荡器。R和C组成延时环节；RS是限流电阻，其值不大，约100。下面以振荡器进入稳定振荡时来说明其工作原理。（1）第一暂稳态及其自动翻转的工作过程t1时刻，ui1（u O）由0变为1，于是uO1（ui2）由1变为0，uO2由0变为1。由于电容电压不能跃变，故ui3必定跟随ui2发生负跳变。这个低电平保持u O为1，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，uO2（高电平）通过电阻R对电容C充电，

7、使ui3逐渐上升。在t2时刻，ui3上升到门电路的阈值电压UT，使u O（ui1）由1变为0，uO1（ui2）由0变为1，uO2由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故ui3跟随ui2发生正跳变。这个高电平保持u O为0。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。（2）第二暂稳态及其自动翻转的工作过程在t2时刻，uO2变为低电平，电容C开始通过电阻R放电。随着放电的进行，ui3逐渐下降。在t3时刻，ui3下降到UT，使u O（ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。由上述可知，造成振荡器自动翻转的原因是电容C的充放电。由于充放电的时间常数不同，

8、所以两个暂稳态的脉冲宽度也不一样。如果采用的是TTL门电路，振荡周期为：T2.2RC2. CMOS多谐振荡器（1）第一暂稳态及其自动翻转的工作过程t1时刻， u O由01，由于电容电压不能跃变，ui1必定跟随u O发生正跳变，ui2（uO1）由10。这个低电平保持u O为1，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，电容C通过电阻R放电，使ui1逐渐下降。t2时刻，ui1下降到门电路的开启电压UT，使uO1（ui2）由01，u O由10。同样由于电容电压不能跃变，故ui1跟随u O发生负跳变，于是ui2（uO1）由01。这个高电平保持u O为0。（2）第二暂稳态及其自动翻转的工作过程t2时刻

9、，uO1变为高电平，这个高电平通过电阻R对电容C充电。随着充电的进行，ui1逐渐上升。在t3时刻，ui1上升到UT，使u O（ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。若UT0.5VDD，振荡周期为：T1.4RC3. 石英晶体多谐振荡器前面介绍的多谐振荡器，振荡频率容易受温度、电源电压变化等因素的影响，频率稳定性较差。在许多数字系统中，要求时钟脉冲的频率f十分稳定。为了得到频率稳定性很高的脉冲信号，可采用石英晶体多谐振荡器。石英晶体具有如图所示的阻抗频率特性，当外加电压的频率ff0时，石英晶体的电抗X0，在其它频率下电抗都很大。石英晶体不仅选频特性极

10、好，而且谐振频率f0十分稳定。R1、R2的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对于TTL反相器，常取R1R2R0.7 2 k，而对于CMOS门，则常取R1R2R10100 k；C1C2C是耦合电容，它们的容抗，在石英晶体谐振频率f0时可以忽略不计；石英晶体构成选频环节。由于石英晶体具有极好的选频特性，只有频率为f0的信号能够顺利通过，满足振荡条件，所以一旦接通电源，电路就会在频率f0形成自激振荡。6.2.3 多谐振荡器的应用1秒信号发生器如图是一个秒信号发生器的逻辑电路图。石英晶体多谐振荡器产生f32768Hz的基准信号，经由T触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极

11、高的秒信号。这种秒信号发生器可作为各种计时系统的基准信号源。2. CMOS5544时钟集成电路其内部振荡器与外接谐振频率为32768 Hz的石英晶体构成振荡电路，电容C用于微调振荡频率，经16级二分频电路，输出OUT1、OUT2两路周期为2 s交替负脉冲信号。将OUT1和OUT2输出经二极管D3、D4和NPN型三极管T组成与非门电路，输出即为周期1s的脉冲信号，输出高电平近于VDD。在1脚和2脚间，利用D1、D2上压降获得近于1.5 V电源电压。SI、SO分别为闹铃输出控制端和输出端。当SI与VSS接通时，则SO输出波形为2048Hz间歇振荡闹铃信号。用于驱动时钟步进电机时，只需将输出端和与时

12、钟步进电机相连，即构成指针式石英钟，其电路如图所示。时钟电路3模拟声响电路若调节定时元件R1、R2、C1使振荡器的振荡频率f11 Hz，调节R3、R4、C2使振荡器的振荡频率f21 kHz，则扬声器就会发出呜呜的间歇声响。因为振荡器的输出电压uo1，接到振荡器中555定时器的复位端 （4脚），当uo1为高电平时振荡器振荡，为低电平时555定时器复位，振荡器停止震荡。凡输出和输入信号电压具有如图所示的滞后电压传输特性的电路均称为施密特触发器。施密特触发器一个最重要的特点，就是能够把变化非常缓慢的输入脉冲波形，整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲，而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。广泛应

13、用于脉冲的产生和整形电路中。6.3 施密特触发器特点：当输入信号由小到大，达到或超过正向阈值电压U T时，输出由高电平转为低电平。反之，输入信号由大到小，达到或小于负向阈值电压U T时，输出由低电平翻转为高电平（也有输出状态与上述相反的电路） 。正向阈值电压U T与负向阈值电压U T的差值UH称为回差电压，即UH= U T U T6.3.1 555定时器构成的施密特触发器将555定时器的TH端和 端连接起来作为信号u i的输入端，便构成了施密特触发器，如图所示。555中的放电晶体管T的集电极引出端D通过电阻R接电源VCC1，成为输出端uo1，其高电平可通过改变VCC1进行调节；u o是555的

14、信号输出端。（1）当u i0时，由于比较器C1输出为1、C2输出为0，基本RS触发器置1，即Q1、 ，uO11、u O1。U i升高时，在未到达2VCC/3以前，uO11、u O1的状态不会改变。（2）u i升高到2VCC/3时，比较器C1输出跳变为0、C2输出为1，基本RS触发器置0，即跳变到Q0、 ，uO1、u O也随之跳变到0。此后，u i上升到VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3以前，uO10、u O0的状态不会改变。（3）u i下降到1VCC/3时，比较器C1输出为1、C2输出跳变为0，基本RS触发器置1，即跳变到Q1、 ，uO1、u O也随之跳变到1。此后，u i继续下降到0，

15、但uO11、u O1的状态不会改变。由上可知，施密特触发器将输入的缓慢变化的正弦波u i，整形成为输出跳变的矩形脉冲u O。6.3.2 集成施密特触发器施密特触发器可由分立元器件也可由集成门电路组成，但是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，而且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。如图是CMOS集成施密特触发器40106（6反相器）和4093（四2输入与非门）的引脚排列图。如图是 TTL集成施密特触发器7414和74132的引脚排列图图6-3-4所示是TTL集成施密特触发器7414（6反相器）和74132（四2输入与非门）的引

16、脚排列图。另外，还有两个以上多输入端的与非施密特触发器集成电路，如7413为二4输入与非施密特触发器。多输入与非施密特触发器可以作为多输入与非门使用，若作为整形电路使用，只要在任意一个输入端接入被整形的信号，余下的输入端全部接高电平即可。6.3.3 施密特触发器的应用1接口与整形施密特触发器用作TTL系统的接口，将缓慢变化的输入信号转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形。密特触发器应用于接口及整形（a）缓慢输入波形的TTL系统接口 （b）整形电路的输入、输出波形2幅度鉴别和多谐振荡器（a）图是用作幅度鉴别时，施密特触发器的输入、输出波形，显然，只有幅度达到UT的输入电压信号，才可被鉴别出来，并形

17、成相应的输出脉冲。（b）图是用施密特触发反相器构成的多谐振荡器。接通电源瞬间，电容C上的电压为0，施密特触发反相器的输出电压为高电平uo， uo的高电平通过电阻R对电容C充电，随着充电过程的进行，u C逐渐升高，当u C上升到U T时，施密特触发器翻转，uo跳变到低电平，此后电容C又开始放电，u C下降，当u C下降到U T时， uo又跳变到高电平，于是形成振荡。（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。（2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。（3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。6.4 单稳态触

18、发器6.4.1 555定时器构成的单稳态触发器接通电源VCC后瞬间，电路有一个稳定的过程，即电源VCC通过电阻R对电容C充电，当u C上升到2VCC/3时，比较器C1的输出为0，将基本RS触发器置0，电路输出u o0。这时基本RS触发器的 ，使放电管T导通，电容C通过T放电，电路进入稳定状态。当触发信号u i到来时，因为u i的幅度低于VCC/3，将基本RS触发器置1，u o又由0变为1。电路进入暂稳态。由于此时基本RS触发器的 ,放电管T截止，VCC经电阻R对电容C充电。虽然此时触发脉冲已消失，比较器C2的输出变为1，但充电继续进行，直到u C上升到2VCC/3时，将基本RS触发器置0，电路

19、输出u o0，T导通，电容C放电，电路恢复到稳定状态。忽略放电管T的饱和压降，则u C从0充电上升到2VCC/3所需的时间，即为u O的输出脉冲宽度t p。tp1.1RC6.4.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器，按能否被重触发，将其分成两类：一类是可重触发的；一类是不能重触发的，即非重触发的。重触发是指在暂稳态期间能够接收新的触发信号，重新开始暂稳态过程；非重触发则是在暂稳态期间不能接收新的触发信号，即非重触发的单稳态触发器只能在稳态时接收触发信号，一旦被触发由稳态翻转到暂稳态后，即使再有新的触发信号到来，其既定的暂稳态过程也会照样进行下去，直至结束为。74121是典型的TTL非重触发单稳

20、态触发器，TRA、TRB是两个下降沿有效的触发信号输入端，TR是上升沿有效的触发信号输入端。Q和 是两个状态互补的输出端。R ext/C ext、C ext是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻R（R1.440 k ）接在VCC和R ext/C ext之间，外接定时电容C（C10 p F 10 F）接在C ext（正）和R ext/C ext之间。74121内部已设置了一个2 k 的定时电阻，R in是其引出端，使用时只需将R in与VCC连接起来即可，不用时则应将R in开路。上升沿触发00下降沿触发11111保持稳态0 10 10 10 11100101TRTRBTRA说 明输 出输

21、入（1）若TRA、TRB中有一个或两个为低电平，TR由0到1的正跳变。（2）若TRA、TRB和TR全为高电平，TRA、TRB中有一个或两个产生由1到0的负跳变。如果TRA、TRB和TR的状态保持不变，则电路一直工作在稳定状态。74121的输出脉冲宽度： tp0.7RC在下述情况下，电路可由稳态翻转到暂稳态： 74122是典型的TTL可重触发单稳态触发器。TRA、TRB是两个下降沿有效的触发信号输入端，TRA、TRB是两个上升沿有效的触发信号输入端。Q和 是两个状态互补的输出端。 R ext/C ext、C ext、R in 3个引出端是供外接定时元件使用的，外接定时电阻R（R550 k ）、电容C（无限制）的接法与74121相同。 为直接复位输入端，低 电平有效。表74122的功能表上升沿触发11111111111下