《数字电路与逻辑设计》第九章 脉冲单元电路

1、 目的与要求：1.理解脉冲电路的分析方法 第九章 脉冲单元电路2.掌握施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的典型电路及工作原理3.熟悉555定时器的原理并掌握其典型应用重点与难点：555定时器的逻辑功能和典型应用 9.1 脉冲信号与脉冲电路 9.2 集成门构成的脉冲单元电路 9.3 555定时器及其应用 第九章 脉冲单元电路 9.1 脉冲信号与脉冲电路（2）脉冲波形的主要产生方法： 1）利用脉冲产生电路直接产生。 2）对已有的波形进行整形，将其变换成所需要波形。 （1）脉冲信号： 狭义上指一种持续时间极短的电压或电流波形。 广义上指不具有连续正弦波形状的信号。第九章 脉冲单元电路1.常见的脉

2、冲波形(a)(b)(c)(d)(e)方波矩形波尖顶波锯齿波钟形波 9.1 脉冲信号与脉冲电路2.矩形波及其参数 矩形波是数字电路中的常用波形，其主要有以下两种类型： （a） 非周期性矩形波（b）周期性矩形波 9.1 脉冲信号与脉冲电路2.矩形波及其参数 0.5Vmtr0.9Vm0.1VmtfVmT实际的矩形脉冲波形tw描述矩形波的主要参数：（1）周期T（2）脉冲幅度Vm（3）上升时间tr （4）下降时间tf （5）脉冲宽度tw（6）脉冲休止期Ttw（7）占空比q =tw/T 如果q =50%，则为对称方波脉冲休止期Ttw 9.1 脉冲信号与脉冲电路3.脉冲电路脉冲电路：用来产生和处理脉冲信号的

3、电路。常用脉冲电路：双稳态触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器、射极耦合双稳态触发器（施密特电路）及锯齿波电路。脉冲电路构成：分立晶体管、场效应管RC（或RL）电路集成门电路（或集成运算放大器）RC充、放电电路 9.1 脉冲信号与脉冲电路9.2集成门构成的脉冲单元电路施密特触发器123单稳态触发器多谐振荡器第九章 脉冲单元电路9.2.1 施密特触发器 施密特触发器功能：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。1.两级CMOS反相器电路构成的施密特触发器（1）电路构成两个CMOS反相器G1、G2，两个分压电阻R1、R2逻辑符号9.2集成门构成的脉冲单元电路（2）工作

4、过程 设输入信号vI为三角波。 vO0t当vI=0时， 第一种稳定状态0vIt当vI上升时， ,只要 ,00VDD9.2集成门构成的脉冲单元电路vO0t第二种稳定状态0vIt当vI上升至使VDD0VT+ 其中，上限触发电平GS(th)GS(th)T)1(21221VVVRRRRR+=+当vI下降时，VDD 只要当vI下降至使 ，其中，下限触发电平DDGS(th)T21221-=+-VVVRRRRRVT 9.2集成门构成的脉冲单元电路GS(th)T)1(1VVRR+=+RDDGS(th)T21221-=-VVVRRRR（3）电压传输特性 如果 ，则RGS(th)T21-=-）V（1VR回差电压v

5、OvIVTVT+VGS(th)2 VGS(th)R1R2电压传输特性 改变R1和R2的大小可以改变回差电压9.2集成门构成的脉冲单元电路用TTL门构成的施密特触发器（1）电路构成 G1为与非门， G2为反相器， vI通过R1、R2控制门的状态（2）工作过程 当vI=0时，第一种稳定状态当vI上升时，只要 ,第二种稳定状态当vI上升至使其中，上限触发电平DthT221VVVRRR+=+0VOHVOLVOHVOL9.2集成门构成的脉冲单元电路当vI下降时，只要其中，下限触发电平回差电压VOHVOL9.2集成门构成的脉冲单元电路 a.施密特触发器属于电平触发电路，当输入信号达到某一定电压值时，输出电

6、压会发生突变。 c.施密特触发器有两个转换电平（上限触发转换电平VT+和下限触发转换电平VT），电路具有如下图所示的传输特性。施密特触发器的工作特点： b.施密特触发器是一个双稳态电路，两种稳定状态的维持和转换完全取决于外加触发信号。vOvIvOvI9.2集成门构成的脉冲单元电路 集成施密特触发器(1)CMOS集成施密特触发器CC40106其上、下限触发器电平典型数值如下表参数名称VDD/V最小值/V最大值/VVT510152.24.66.83.67.110.8VT510150.31.21.61.63.45.012345678910111213141A1Y2A2Y3A3Y4A4Y5A5Y6A6

7、YVVDDSSCC40106 集成施密特触发器9.2集成门构成的脉冲单元电路（2）TTL集成施密特触发器74LS14 其上、下限触发器电平典型数值如下表12345671A1Y2A2Y3A3YGND8910111213144A4Y5A5Y6A6YVCC74LS14参数CT5413/7413CT5414/7414CT54LS132/74LS132最小值/V最大值/V最小值/V最大值/V最小值/V最大值/VVT1.521.521.42VT0.61.10.61.10.519.2集成门构成的脉冲单元电路（1）波形变换将输入的正弦波、三角波、锯齿波等变换成矩形波输出。4施密特触发器的应用9.2集成门构成的

8、脉冲单元电路（2） 脉冲整形当矩形脉冲经过传输后因以下原因发生畸变，可通过施密特触发器的整形获得满意的矩形脉冲波形。(a)vItOvOtOVTVT图(a) 传输线上电容较大，波形的上升和下降沿变坏。vItOvOtOVTVT(b)图(b) 阻抗不匹配，波形的上升沿和下降沿产生振荡。vItOvOtOVTVT(c)图(c) 受到干扰，脉冲波形上叠加有噪声。9.2集成门构成的脉冲单元电路vItOvOtOVTVT（3） 脉冲鉴幅只有当输入脉冲信号的幅度大于施密特触发器上限触发电平时，在输出端才产生输出信号。9.2集成门构成的脉冲单元电路9.2.2 单稳态触发器工作特点有一个稳态和一个暂稳态。无外触发脉冲

9、输入时，电路处于稳态；在外界触发脉冲作用下，电路将从稳态翻转到暂稳态，经一段时间后，电路又自动返回到原来的稳态。暂稳态时间长短取决于电路本身的参数，与外加触发脉冲无关。9.2集成门构成的脉冲单元电路 1集成门构成的单稳态触发器按照维持暂态的RC定时电路的不同接法，单稳态触发器分为微分型和积分型。 （1）微分型单稳态触发器&G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF反馈线输入端微分电路微分型定时电路9.2集成门构成的脉冲单元电路0t1稳定状态触发器处于稳定状态vO1=VOL，vO2=VOH&G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF反馈线工作过程输入端无输入信号触发触

10、发输入为高电平Ri3.2k,vI开门电平，vO1=0.3VR0.9k，v2关门电平，vO2=3.6VvIv1vO1vO2v23.6V0.3V0.3V1.4V3.6V0.3V3.6V0.3V1.4V-1.5V3.6V0.3V0t1t29.2集成门构成的脉冲单元电路当t=t1时&G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF反馈线vIv1vO1vO2v23.6V0.3V0.3V1.4V3.6V0.3V3.6V0.3V1.4V-1.5V3.6V0.3V0t1t2vO1上跳至高电平v1产生一个负尖峰脉冲v2跳变为高电平vO2为低电平触发器受触发发生一次翻转，进入暂稳态（vO1=VOH，vO2

11、=VOL）。输入端vI下跳变由于电容器上电压不能突变 9.2集成门构成的脉冲单元电路&G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF反馈线vIv1vO1vO2v23.6V0.3V0.3V1.4V3.6V0.3V3.6V0.3V1.4V-1.5V3.6V0.3V0t1t2 t1t2暂稳态触发器进入暂稳态vO2=VOL反馈线G1关闭电容C充电v2(t)下降当t=t2时，v2=Vth触发器自动翻转一次，回到初始稳定状态（vO1=VOL，vO2=VOH） 。vO2=VOH反馈线G1开态9.2集成门构成的脉冲单元电路&G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF反馈线vIv1vO1

12、vO2v23.6V0.3V0.3V1.4V3.6V0.3V3.6V0.3V1.4V-1.5V3.6V0.3Vtw0t1t2 t1t2暂稳态暂态时间电容C开始放电，电路进入恢复阶段。tt2电路的恢复过程恢复时间为当下一个触发脉冲出现时，触发器再次进入暂稳态，经过tw时间后，回到稳态。9.2集成门构成的脉冲单元电路&G2G1Cv2RvO1vO2vI2、 积分型单稳态触发器twvIvO1vO2v21.4V0.3V3.6V3.6V0.3V3.6V0.3Vt1t20vO1=VOH vO2=VOH当t=t1时，vI上跳变积分型定时电路0t1稳定状态vI=VOL电容C充电结束，触发器处于稳定状态。触发器翻转

13、一次，进入暂稳态9.2集成门构成的脉冲单元电路&G2G1Cv2RvO1vO2vI（2） 积分型单稳态触发器twvIvO1vO2v21.4V0.3V3.6V3.6V0.3V3.6V0.3Vt1t20vO1=VOLt1t2暂稳态vI=VOH电容C放电,电压v2下降当t=t2时，电压v2下降至Vth，vO2=VOH，触发器状态自动翻转一次。9.2集成门构成的脉冲单元电路CRvOvIA1vItVTVTOvAOtvOtOVDD（3） 施密特触发器构成单稳态触发器稳状:当vI=0时，vO=VOL=0Vvi=VOH， vA随之上跳，只要大于VT+，则输出vO=VDD。触发器发生一次翻转，进入暂稳态。电容C充

14、电，vA下降，一旦达到VT-，施密特触发器发生自动翻转，vO=VOL=0V，返回至稳态。暂稳态:暂稳态持续时间为9.2集成门构成的脉冲单元电路uOuI1逻辑符号集成单稳态触发器分为非可重触发和可重触发两种类型。非可重触发单稳态触发器指在暂稳态定时时间tW之内，若有新的触发脉冲输入，电路不会产生任何响应,输出脉冲宽度tW 仍从第一次触发开始计算。2. 集成单稳态触发器符号“1 ”表示非可重触发单稳态触发器。（1）工作特点9.2集成门构成的脉冲单元电路逻辑符号uOuI可重触发单稳态触发器指在暂稳态定时时间tW之内，若有新的触发脉冲输入，可被新的输入脉冲重新触发。符号“ ”表示可重触发单稳态触发器。

15、 暂稳态期间如再次被触发，输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽tW 。下面通过工作波形的分析来说明可重触发和非可重触发单稳态触发器的区别。9.2集成门构成的脉冲单元电路非可重触发单稳态触发器输出波形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 后重新自动回到稳态。外触发脉冲未到时，输出为稳态。可重触发单稳态触发器输出波形输入波形9.2集成门构成的脉冲单元电路TR+&G1&G2&G3G4&11G5G6C111G7G8G9RCextVCCRintRi

16、ntRext/CextTR-ATR-BQQ（2）TTL集成单稳态触发器CT54121/74121非可重触发单稳态触发器外接元件和连线少，触发方式灵活，可使用输入脉冲的正跳沿触发，又可用负跳沿触发，使用方便，工作稳定，因此应用广泛。 9.2集成门构成的脉冲单元电路有3个触发信号输入端，TR-A和TR-B 用负跳沿触发，TR+ 用正跳沿触发。 有2个互补输出端TR+TR-BTR-AQQRI CX RX/CXRintCextRext/CextRI CX RX/CX非可重复触发型单稳态触发器 外接定时元件端 CT54121/74121非可重触发单稳态触发器的逻辑符号 9.2集成门构成的脉冲单元电路CT

17、54121/74121非可重触发单稳态触发器的功能表 输入输出TR-ATR-BTR+QQ0101010100111011111100稳态暂稳态9.2集成门构成的脉冲单元电路CT54121/74121Rint、Cext 和 Rext / Cext 端的使用一般接法RI CX RX/CXTR+TR-BTR-AQQ悬空不接CextRextVCCtW 0.7RextCext通常取：Rext = 1.440 k，Cext = 10pF 10F。 不接外部电阻时，可用内 部电阻Rint=2k取代 RextRI CX RX/CXTR+TR-BTR-AQQCext+VCCtW 0.7RintCext 输出脉冲

18、较窄9.2集成门构成的脉冲单元电路1G12Q&1G1Q&G2&1G5G6G711G11G9TPTNG3G41G81G101G131G141G151G16VDDVDDvATR+TRRCR（3） CMOS集成单稳态触发器CC14528可重触发单稳态触发器逻辑图9.2集成门构成的脉冲单元电路输入输出RTR+TR-QQ0011010011110CC14528可重触发单稳态触发器功能表9.2集成门构成的脉冲单元电路3.单稳态触发器的应用 （1） 脉冲展宽uOuI将窄脉冲展宽成宽度为 tW 的脉冲tW9.2集成门构成的脉冲单元电路uAuBuCuOGuAuCuBuO 门的定时时间即为单稳态触发器的暂稳态持续

19、时间。tWuC uC为与G门打开与否的控制信号。 uC=1，G门打开，信号uB 通过G门输出； uC=0，G门关闭，uB不能输出。 （2）脉冲定时 9.2集成门构成的脉冲单元电路多谐振荡器即矩形波形产生电路，由于矩形波形中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。 9.2.3多谐振荡器 工作特点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。 9.2集成门构成的脉冲单元电路&G1CRd&G2abt1t2t3充电放电V1.4V0.3V0.3V3.6Vvdvbva 电容正反馈多谐振荡器(1) 基本工作原理设

20、某时刻电容C充电vd上升至vdVthG1变为开态，va=VOLG2变为关态，vb=VOH由于电容C两端电压不能突变，使vd随vb的上跳而上跳，维持G1处于开态，G2处于关态。9.2集成门构成的脉冲单元电路&G1CRd&G2abtw1t1t2t3tw2充电放电V1.4V0.3V0.3V3.6Vvdvbva暂态（t1t2）电容C放电，vd下降，在vd下降至Vth之前的时间tw1。当vd下降至Vth时G1变为关态，va=VOHG2变为开态，vb=VOL电路又一次翻转，电容C再次充电，vd电位上升，在vd上升至Vth之前，这段时间称为暂态。暂态（t2t3）9.2集成门构成的脉冲单元电路&G1CRd&G

21、2abtw1t1t2t3tw2充电放电V1.4V0.3V0.3V3.6Vvdvbva 不断重复上述过程，从而形成周期振荡，在输出端获得矩形波vb。(2) 振荡周期的计算振荡周期9.2集成门构成的脉冲单元电路带有RC定时电路的环形振荡器&G2CR&G3vO&G1RSv3v2v1t1t2t3OvOtOv1tOv2tOv3tVmVmVtht4利用电容C的充、放电过程，控制电压v3，从而控制与非门的自动开闭。(1) 基本工作原理9.2集成门构成的脉冲单元电路t1t2t3OvOtOv1tOv2tOv3tVmVmVtht4&G2CR&G3vO&G1RSv3v2v1暂稳态t1t2设t “-”端输入端电压VC

22、=VOL电压比较器VC2、555定时器的工作原理与逻辑功能 VC=VOH“+”端输入端电压 “-”端输入端电压9.3 555定时器及其应用2、555定时器的工作原理与逻辑功能 5比较器基准电压VREF1、VREF2经三个5K精密电阻分压得到。当控制电压VCO悬空时：当控制电压VCO为外加固定电压时：555定时器的主要功能取决于两个比较器对RS触发器和放电管V的控制。C1C2G3QQG1G2RSR5k5k5kVREF1VREF2V3VO8VCC4RDDIS7TH6TR2GND1VCO.9.3 555定时器及其应用C1C2G3QQG1G2RSR5k5k5kVREF1VREF2V3VO8VCC4RD

23、DIS7TH6TR2GND1VCO放电管导通，VO=0。101010011112、555定时器的工作原理与逻辑功能 当VCO悬空时：TH2VCC/3，比较器C1=0=R TRVCC/3，比较器C2=1=S放电管截止，VO=1。TH2VCC/3，比较器C1=1=R TRVCC/3，比较器C2=0=S放电管截止，VO保持。THVCC/3，比较器C2=1=S9.3 555定时器及其应用由以上分析得：2、555定时器的工作原理与逻辑功能 555定时器功能表通常不用CO 端，为了提高电路工作稳定性，将其通过 0.01 F 电容接地。注意： TH 电平高低与2/3VCC比较，TR 电平高低与VCC/3比较

24、。若控制输入端CO 加uCO，则UREF1=uCO，UREF2 = uCO/2，故 TH 和 TR 电平高低的比较值将变成 uCO 和 uCO/2。不变不变1截止11导通01导通00V 状态VORDTRTH输 出 输 入9.3 555定时器及其应用0uOuIUOL1/3VCC2/3VCCUOH当TH=TR=uI2/3VCC时当TH=TR=uI1/3VCC时1/3VCC0当1/3VCC TH=TR=uI2/3VCC时当uI1/3VCC时当uI由高电平逐渐下降，且1/3VCC uI VCC /3)。 uC 2VCC/3时，TH=uC 0VCC/3，TH=uI 2VCC/3uO为低电平，放电管V导通

25、，电容C经V迅速放电完毕，uC0。09.3 555定时器及其应用uCOtOuOttWOtuItWIVCC （2）暂稳态 当输入uI 跳变为低电平(1/3VCC)时，充电TR=UIL1/3VCC TH=uC 0VVCC/3)输出脉冲宽度tW主要取决于充放电元件 R、C，估算公式tW1.1RC。9.3 555定时器及其应用GNDVCCRDVOCO555THTRDISVCC0.01 FR1CuOuC-+R21、电路结构 DISVCCR1THTRCuC-+R29.3.1 用555定时器构成多谐振荡器9.3 555定时器及其应用2、工作原理uCOtOuOtUOLUOHtW1tW2充电刚上电时，TH=TR

26、=uC 0 GNDVCCRDVOCO555THTRDISVCC0.01 FR1CuOuC-+R2uO 为高电平，放电管截止，VCC 经R1、R2 向C充电，uC 上升，这时电路处于暂稳态。 充电当uC 上升到TH =TR =uC 2/3VCC 时，uO 变为低电平，放电管V导通，C经R2和V放电，uC 下降，电路进入暂稳态。放电当uC 下降到TH=TR=uC1/3VCC 时，uO 重新跳变为高电平，放电管V截止，C 又被充电，uC 上升，电路又返回到暂稳态。电路如此不断重复形成振荡，在VO端得到连续方波。9.3 555定时器及其应用3、暂态宽度tW1、tW2的计算 C充电时: uC(0+)=1/3VCC， uC()=VCC由于第一个周期电路没有