脉冲的产生和整形电路

关于脉冲的产生和整形电路第1页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/236.1概述在数字电路中，时钟脉冲信号可以利用多谐震荡器产生或通过整形电路变换得到。整形电路分为两类，施密特触发器和单稳态触发器。矩形脉冲的性能指标。Umtrtf0.9Um0.5Um0.1UmtwT第2页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23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。有时也用频率f=1/T表示，

f代表单位时间内脉冲重复的次数。脉冲幅度Um——脉冲电压最大变化的幅值。脉冲宽度Tw——从脉冲前沿0.5Um始，到脉冲后沿0.5Um止的一段时间。上升时间tr——脉冲从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。下降时间tf——脉冲从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。上述几个指标反映了一个矩形脉冲的基本特性。第3页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/236.2施密特触发器

施密特触发器能把变化缓慢的波形变换成矩形脉冲。输入电压上升的翻转电平为上限阀值电平UT+；输入电压下降的翻转电平为下限阀值电平UT-。两者的值不同，且UT+>UT-。它们差称为回差电压。输入和输出为反向关系的施密特触发器为反向施密特触发器，输入和输出为同向关系的施密特触发器为同向施密特触发器。6.2.1门电路构成的施密特触发器6.2.2集成施密特触发器6.2.3施密特触发器应用举例第4页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/236.2.1门电路构成的施密特触发器下图(a)是用两个CMOS非门和电阻构成的施密特触发器，设UT≈VDD/2，且R1<R2。11uIuouo’R1R2G1G2uI’(a)电路上限阀值电压UT+=（1+R1/R2）UT下限阀值电压UT-=（1-R1/R2）UT电路回差电压ΔU=UT+-UT-=2UTR1/R2第5页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23UT+UT-

t

tuOuI(b)波形图可见，电路输出的状态由输入电压的大小决定，改变R1和R2就可调节回差电压VT的大小。

第6页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23集成施密特触发器

TTL集成施密特触发器有：74LS14，74132，7413等。性能如下表：型号Tpd（ns）Pw（mW）△UT（V）74141525.50.874LS132158.80.8741316.58.750.8表6.2.1TTL集成施密特触发器CMOS集成施密特触发器有：CD40106，CD4093和CD4584等。第7页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23

施密特触发器应用举例1.脉冲整形电路

在数字测量和控制系统中，由传感器送来的信号波形边沿较差，利用施密特电路可以对这些信号进行整形。将边沿较差或畸变脉冲uI作为施密特电路的输入，其输出uO为矩形波。

t脉冲整形波形图tttuIuOuIuOUT+UT-UT+UT-第8页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/232.脉冲变换电路

施密特电路在状态转换速度极快输出的矩形波的前后沿总是很陡峭。利用这一特点，施密特电路可以把变化比较缓慢的正弦波、三角波等变换成矩形脉冲信号。uIuOVDDUT+UT-VDDtt一种变换波形图第9页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/233.鉴幅电路

在一串幅度不相等的脉冲信号中，如果要剔除幅度不够大的脉冲，此时可利用施密特触发器。右图示出在施密特触发器的输入端送入一串幅度不等的脉冲时相应的输出波形。uIuO鉴幅电路UT+UT–第10页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23施密特触发器有同相传输和反相传输两种电路施密特触发器的电压传输特性施密特触发器

0OvIvOHVOLV?TV?TV第11页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23施密特触发器

施密特触发器特点：（1）输出有两种状态（输出为数字信号）；

（2）输入采用电平触发（输入为模拟信号）；（3）对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平（VT+和VT-）。第12页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23施密特触发器

应用举例脉冲变换脉冲整形第13页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23施密特触发器

应用举例脉冲鉴幅tt00OvtvV6T??VV2T??V构成多谐振荡器第14页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/236.3.1门电路构成的单稳态触发器6.3.2集成单稳态触发器6.3.3单稳态触发器的应用举例第15页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23微分电路（高通滤波电路）输出电压与电流成微分关系

微、积分电路

第16页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23当微分电路输入方波信号时，输出波形应如何？设RC＜＜TW

补充微积分电路第17页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23积分电路概述

第18页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/236.3单稳态触发器在触发脉冲的作用下，单稳态触发器从稳态翻转到暂稳态，经过时间tw后又自动翻回稳态，并在输出端产生一个宽度为tw的矩形脉冲。单稳态触发器通常由门电路和RC电路元件组成。暂稳态的时间取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度无关。单稳态触发器常用于数字系统的整形、延时和定时电路中。第19页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23用门构成的单稳态触发器1.微分型单稳态电路的组成

门1的输出经微分电路RC接到门2的输入端，门2的输出直接耦合到门1的输入端。

应选R<Roff(0.7KΩ)。

&&CuO1uO2uIR(a)电路图图6.3.1微分型单稳态触发器2.功能分析 稳态？uO1=0，uO2=1 暂稳态？uO1=1，uO2=0第20页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23RoCUOHuI2&UT1.4VuI2U'OHtwt图6.3.2电容C的充电回路和uI2的波形图&&CuO1uO2uIR(a)电路图经验公式估算：第21页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23T5R1RC+5VuO1≈0恢复阶段C的放电回路暂稳态时间结束后，C通过图所示回路放电，使uI2以时间常数

2=(R1∥R)C按指数曲线上升，电路经历一个恢复阶段回到稳态时的初始状态。

&&CuO1uO2uIR(a)电路图恢复时间tre：第22页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23图6.3.1微分型单稳态触发器tw1uIttUOHUOLuO1ttwUOHUOLuO2t1.4vuI2

τ1

τ2

(b)工作波形图3.波形分析&&CuO1uO2uIR(a)电路图UT电路的分辨时间：第23页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23图适用于输入触发脉冲较窄的情况，若uI脉冲宽度twI>tw，为使单稳电路能按要求自动返回，则应通过微分电路RPCP再输入到与非门1，如下图所示。门3改善了输出波形，起反相和整形的作用。

&&1CPRPG1G2uO2uO1G3CRuI图6.3.2输入带微分环节的单稳态触发器第24页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23集成单稳态触发器

由于单稳态触发器在数字系统中应用十分普遍，目前已有各种单片集成电路。TTL系列的有74121、74122、74123等；CMOS系列的有4098、4528、4538等。这些器件只要外接很少的电阻和电容，就可构成单稳态触发电路。使用起来非常方便。第25页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23

74121是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加输入控制电路和输出缓冲级而形成的。1.TTL集成单稳态触发器（74121）图6.3.3单稳态触发器74121的的逻辑图&&&&≥11111BG1G2G3G4G5G6G7G8G9输入控制电路微分型单稳态触发器输出缓冲级&QCextRextVCC第26页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23输出脉冲宽度

可由下式估算(推导略)

通常值取在2KΩ~30KΩ。值取在10~10uF之间，得到的

范围可达20ns~200ms。DM74121:30ns~28s

另外，74121内部2KΩ电阻

可代替

。门G5、G6、G7和外接电阻电容组成的电路是一个用或非门构成的微分型单稳态触发器，它由G4给出的正脉冲触发，而输出脉冲宽度则由和决定。门G1~G4组成输入控制电路，用于实现上升沿与下降沿触发控制。输出缓冲级由G8和G9组成，用于提高电路的负载能力。内部电路不需要掌握第27页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23集成单稳态触发器（74121）功能表第28页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23两种不同接法正脉冲触发负脉冲触发集成单稳态触发器使用内部电阻使用外部电阻第29页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/232.CMOS集成单稳态触发器45384538的符号图如图6.3.7(a)所示(a)符号图(b)管脚图图6.3.7集成单稳态触发器4538

189164538是CMOS精密单稳态触发器。由于采用了线性CMOS技术，可得到高精度的输出脉冲宽度。

ABCR第30页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23单稳态触发器的应用举例1脉冲的整形图6.3.9脉冲整形uIuOVCC

BQ

A1

A2uOcxCx/RXu1第31页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23单稳态触发器应用用于定时(或延时、脉冲拓宽)B第32页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23回答问题：

以下题目本身是否有问题？(9)TTL集成单稳态电路的暂稳态时间tW为_______。(10)CMOS精密单稳态触发器的暂稳时间tW为______第33页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/236.3.2集成单稳态触发器一、非重复触发单稳态触发器74121非重复触发—只能在稳态接受输入信号。1.图形符号

1>1&TR–ATR–BTR+RintCextRICXRX/CXRext

/

Cext下降沿触发输入上升沿触发输入非重复触发外接定时电阻、电容VCC内接接定时电阻引出端第34页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六二、可重复触发单稳态触发器74122可重复触发—在暂稳态期间,能够接受新的触发信号。1.图形符号1TR–ATR–BTR+ARintCextRICXRX/CXRext

/

Cext&RTR+BRD直接复位可重复触发第35页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六6.4

多谐振荡器

多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源以后，不需外加触发信号，就能自动地不断来回翻转，产生矩形脉冲。由于输出的矩形波中含有很多谐波分量，故通常将它称为多谐振荡器，又称方波发生器。6.4.1门电路构成的多谐振荡器6.4.2石英晶体多谐振荡器第36页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23集成门电路构成的多谐振荡器图6.4.1表示用三个集成非门构成的方波发生器。这些门组成一个环形，所以称为环形振荡器。它是利用门电路的时延tpd来产生方波振荡的。1图6.4.1环型振荡器11uOuI图6.4.2环行单稳态的波形uIuOuFtpd2tpd第37页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23电路组成及工作原理11G2G1RCvO1vO2vI1由门电路构成多谐振荡器

（1）设电路的初态为vO1=1,vO2=0，这种状态下不可能持久维持；1001（2）通过vO1→R→C→vO2向C充电，使vI1不断上升；（3）当vI1＞VT时，G1输出低电平，G2输出高电平，即vO1=0，

vO2=1。第38页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23工作原理11G2G1RCvO1vO2vI1由门电路构成多谐振荡器

（4）vO1=0，

vO2=1这个状态也不能持久；1001（5）通过vO2→C→R→vO1对电容C反向充电，vI1逐步减少；（6）当vI1＜VT时，G1输出高电平，G2输出低电平，即又回到vO1=1，vO2=0的状态。（7）周而复始产生方波。第39页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23工作波形11G2G1RCvO1vO2vI1由门电路构成多谐振荡器

T1T2tvO10tvO20vI1t0T1、T2的计算公式请同学自己推导。UT第40页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/236.4.2石英晶体多谐振荡器1.石英晶体的基本特性石英晶体的符号如图6.4.4所示。频率稳定性能达到10-5~10-8，高质量石英晶体振荡器，频率稳定性可达10-11。QR图6.4.4石英晶体的电路符号2.CMOS石英晶体多谐振荡器图6.4.5所示为方波发生器的简化电路，其中虚线以上部分制作在集成电路内，而石英谐振器QR及C1、C2为外接分立元件。在有些集成电路中，C2也做在芯片内。G1RQRC1C21uO图6.4.5石英晶体多谐振荡器

第41页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/236.5555定时器及其应用

555定时器是一种中规模集成电路，目前在仪器、仪表和自动化控制装置中应用很广。它可组成定时、延时和脉冲调制等各种电路。本节先简单介绍该定时器内部电路原理和参数，然后着重介绍由它组成的施密特电路、单稳态电路和多谐振荡电路。6.5.1555定时器6.5.2555构成的施密特触发器6.5.3555构成的单稳态触发器6.5.4555构成的多谐振荡器第42页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/236.5.1555定时器图6.5.1NE555集成定时器1+–OUT5627VCCTHC-UDIS3＆＆＆1+–GNDOUT

C-U

TH

DIS

VCC第43页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23表6.5.1555功能表不变×THOUT×DISLL导通

HL导通

H不变×HH截止1+–OUT5627VCCTHC-UDIS3＆＆＆1+–当2个触发信号高于其域值电压，基本RS触发器清0，输出为0；当触发端处于功能表第三行，RS触发端均无效，输出不变；当同相端触发信号低于其域值电压，基本RS触发器置1，输出为1。第44页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/236.5.2用555构成的施密特触发器

VDDRDTHOUTTRC-UuOVDDuI图6.5.2555构成的施密特电路ttuIuOVDD图6.5.3三角波变换矩形波电路uOuIUTLUTH图6.5.4回差特性

UT+=UT=2VDD/3

UT–=UTL=VDD/3

UT=VDD/3第45页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/236.5.3用555构成的单稳态触发器图6.5.5555构成的单稳态触发器及工作波形(a)电路图VDDRDTHTRDISC-UOUTVDDGNDuOuICR(b)工作波形VDD/32VDD/3tw充电放电uIuCuOt图6.5.5555构成的单稳态触发器及工作波形tttw=1.1RC第46页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23应用：丢失脉冲检测器ui为连续脉冲输入端，信号周期比该单稳电路的脉宽窄第47页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/236.5.4用555构成的多谐振荡器图6.5.6555定时器构成的多谐振荡器及工作波形（a）电路图

VDDRDDISOUTTR555THC-UGND

R1R2CuCuOVDD（b）波形图ttt1t2t3t4T1T2uCuO图6.5.6555定时器构成的多谐振荡器及工作波形第48页，共54页，2022年，5月20日，1点39分，星期六2022/11/23充电时间T1为：

T1=(R1+R2)Cln2=0.693(R1+R2)C(6.5.3)放电时间T2为:

T2=R2Cln2=0.693R2C(6.5.4)频率f为:

f=1/(T1+T2)=1.44/(