第7章脉冲产生与整形电路

第7章脉冲产生与整形电路第七章脉冲产生和整形电路本章的重点：

1.施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器典型电路的工作原理，以及电路参数和性能的定性关系；

2．555定时器的应用；

3．脉冲电路的分析方法。本章的难点：

分析脉冲电路时使用的是分析非线性电路过渡过程的方法，而且在分析电路时必须考虑集成电路在不同工作状态下输入端和输出端的等效电路。因此，脉冲电路的分析方法是本章的难点。描述矩形脉冲特性的指标trtfTWT0.9

Um0.5

Um0.1

UmUm7.1概述脉冲周期T脉冲幅度Vm脉冲宽度上升时间tr下降时间tf占空比：本章只讨论矩形脉冲。矩形脉冲的主要参数：脉冲周期T；脉冲频率：脉冲幅度VM；脉冲宽度tW；上升时间tr；下降时间tf；

本章讨论三种脉冲电路：施密特触发器；单稳态触发器；多谐振荡器。每种电路都有三种构成方式：集成；用门电路构成；用555电路构成。f=1/T占空比q：q=tw/T.

7.2施密特触发器施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。00110111110001100011下限阈值电压上限阈值电压回差电压（滞后电压）：ΔUT＝

UT＋－UT－前面介绍的施密特触发器的回差电压为：ΔUT＝UT＋－UT－＝UT－(UT－UD)＝UD＝0.7V缺点是回差太小，且不能调整。集成施密特触发器7.2.3施密特触发器的应用1.波形变换2.脉冲整形3.脉冲鉴幅波形变换脉冲整形脉冲鉴幅施密特触发器的应用

单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形波）、整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。单稳态触发器具有下列特点：（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。7.3单稳态触发器单稳态触发器——有一个稳态和一个暂稳态；在触发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。（1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态当vI=1时，电路工作在稳定状态，即vO=0，vC=0。（一）

电路组成及工作原理（2）vI下降沿触发当vI下降沿到达时，vO由0跳变为1，电路由稳态转入暂稳态。（3）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，三极管T截止，VCC经R向C充电。时间常数τ1=RC，vC由0V开始增大，在vC上升到2/3VCC之前，电路保持暂稳态不变。（4）自动返回时间——当vC上升至2/3VCC时，vO变0，电路由暂稳态重新转入稳态。（5）恢复过程——当暂稳态结束后，C通过饱和导通的T放电，时间常数τ2=RCESC，由于RCES很小，所以放电很快。C放电完毕，恢复过程结束。

主要参数估算(1)输出脉冲宽度Tw（用三要素法计算）（2）恢复时间tre

tre=（3～5）τ2（3）最高工作频率fmax

vI周期的最小值：

Tmin=tW＋tre

最高工作频率:TTW（二）单稳态触发器的应用1.延时与定时（1）延时图中，v/O的下降沿比vI的下降沿滞后了时间tW。（2）定时当v/O=1时，与门打开，vO=

vF。当v/O=0时，与门关闭，vO为低电平。与门打开的时间是单稳输出脉冲v/O的宽度tW。*附加:2.整形单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲vO。vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于暂稳态时间。*附加:3.触摸定时控制开关

555定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片P，由于人体感应电压相当于在触发输入端（管脚2）加入一个负脉冲，555输出端输出高电平，灯泡（RL）发光，当暂稳态时间（tW）结束时，555输出端恢复低电平，灯泡熄灭。该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由RC参数调节。*附加:4.触摸、声控双功能延时灯555和T1、R3、R2、C4组成单稳定时电路，定时（即灯亮）时间约为1分钟。当击掌声传至压电陶瓷片时，HTD将声音信号转换成电信号，经T2、T1放大，触发555，使555输出高电平，触发导通晶闸管SCR，电灯亮；同样，若触摸金属片A时，人体感应电信号经R4、R5加至T1基极，也能使T1导通，触发555，达到上述效果。（1）没有触发信号时电路工作在稳态当没有触发信号时，ui为低电平。因为门G2的输入端经电阻R接至VDD，VA为高电平，因此uo2为低电平；门G1的两个输入均为0，其输出uo1为高电平，电容C两端的电压接近为0。这是电路的稳态，在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：uo1＝1，uo2＝0。00117.3.1微分型单稳态触发器110（2）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态当正触发脉冲ui到来时，门G1输出uo1由1变为0。由于电容电压不能跃变，uA也随之跳变到低电平，使门G2的输出uO2变为1。这个高电平反馈到门G1的输入端，此时即使ui的触发信号撤除，仍能维持门G1的低电平输出。但是电路的这种状态是不能长久保持的，所以称为暂稳态。暂稳态时，uo1＝0，uo2＝1。0011（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态在暂稳态期间，VDD经R和G1的导通工作管对C充电，随着充电的进行，C上的电荷逐渐增多，使uA升高。当uA上升到阈值电压UT时，G2的输出uo2由1变为0。由于这时G1输入触发信号已经过去，G1的输出状态只由uo2决定，所以G1又返回到稳定的高电平输出。uA随之向正方向跳变，加速了G2的输出向低电平变化。最后使电路退出暂稳态而进入稳态，此时uo1＝1，uo2＝0。脉冲宽度：tp=0.7RC电路的改进当ui的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个RC微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门G1被ui封住了，会使uo2的下降沿变缓。

稳态时，ui＝1，G1、G2均导通。uo1＝0，uA＝0，uo2＝0。

ui负跳变到0时，G1截止，uo1随之跳变到1。由于电容电压不能跃变，uA仍为0，故门G2截止，uo2跳变到1。在G1、G2截止时，C通过R和G1的导通管放电，使uA逐渐上升。当uA上升到管子的开启电压UT时，如果ui仍为低电平，G2导通，uo2变为0。当ui回到高电平后，G1导通，C又通过R和G1的导通管充电，电路恢复到稳定状态。7.3.2积分型单稳态触发器TR-A、TR-B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。Rext/Cext、Cext是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻R（R=1.4kΩ～40kΩ）接在VCC和Rext/Cext之间，外接定时电容C（C=10pF～10μF）接在Cext（正）和Rext/Cext之间。74121内部已设置了一个2kΩ的定时电阻，Rin是其引出端，使用时只需将Rin与VCC连接起来即可，不用时则应将Rin开路。74121的输出脉冲宽度：tp≈0.7RC7.3.3集成单稳态触发器TR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端，TR+A、TR+B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。Rext/Cext、Cext、Rin3个引出端是供外接定时元件使用的，外接定时电阻R（R=5kΩ～50kΩ）、电容C（无限制）的接法与74121相同。RD为直接复位输入端，低电平有效。当定时电容C＞1000pF时，74122的输出脉冲宽度：tp≈0.32RC（一）电路的特点

1.有两个状态——稳态、暂稳态；

2.在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动返回；

3.暂稳态维持时间长短取决于电路本身参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。单稳态触发器tWtW由电路内部参数决定暂稳态稳态7.3.4构成单稳态触发器RC（二）工作原理1.稳态=VH,设TD工作在饱和状态，则：VC=VTH=0V,555电路处于保持状态，且一定是VO=VL，

这是因为若假设TD截止，则不合理。2.触发555电路状态翻转为VO=VH此时TD截止，VC保持0V不变。3.暂稳态电容C充电

=VIL充其三要素为：(0)=0V,()=VCC，=RC4.自动返回VCC+VCC当=2/3VCC时，555电路翻转为输出VL,而保持不变。5.恢复由于TD导通，电容C向TD放电，使迅速下降为0V。RC充+4.自动返回(t)（三）参数计算VCCtW1.脉冲宽度tW得到公式：tWVCC0V2.恢复时间tre:tre=(3~5)rcec3.分辨时间td:td=tw+tretre（四）电路特点：窄脉冲触发。触发脉冲的最小周期触发脉冲宽度要小于输出脉冲宽度RC2/3VCCt0VCCRC若条件不满足可在输入端加微分电路：（五）应用1.整形——改变输入脉冲的占空比。2.定时（延时）控制脉冲被测脉冲&单稳计数器CP输出频率值例1：数字频率计。例2：延时触发单稳一单稳二ttt000tW2tW1能输出固定宽度的脉冲。宽度为1秒的正脉冲延迟时间为tW1，输出脉宽为Tw2.7.4多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器。在接通电源以后不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以又把矩形波振荡器称为多谐振荡器。一、对称式多谐振荡器可恰当地选取RF1和RF2的值，使反相器的静态工作点P位于电压传输特性的线性区或转折区，电源波动和外界干扰使VI1有微小的正跳变，必有如下反馈：Vo2RF1C2RF2G1G2R111Vo1VI2C1使Vo1迅速跳变为低电平，Vo2迅速跳变为高电平，电路进入第1个暂稳态，同时电容C1开始充电，充电速度较快。VI1Vo1VI2Vo2VI2Vo2VI1Vo1VI2首先上升至G2的阈值电压VTH，并引起如下正反馈,从而使Vo2迅速跳变至低电平而Vo1迅速跳变至高电平，电路进入第二个暂稳态。接着C2开始充电而C1开始放电。各点电压的波形图(1)工作原理采用CMOS门；RF使门1工作在转折区。因此门2也工作在转折区，电容C引入正反馈，使电路振荡。设t1时刻G1输出低电平、G2输出高电平。定为暂稳态2。当＝VTH时，产生连锁反应：随之电路进入暂稳态1。见下页图。C充电VDD0i充＋－＋－C放电=VDD，=0，=VTH－VDD。在t2时刻：在暂稳态1：t1t2i放三要素为：放=RFC。t3在t3时刻＝VTH，又发生连锁反应，进入暂稳态2：(0)=VTH＋VDD，在暂稳态2，C充电的三要素为：(0)=VTH－VDD，()=VDD，充＝RFC()=0VDD0＋＋－－(2)周期计算：T=T1+T2RFC1.1=ttWIIIIW)()()0()(ln1111-¥-¥=uuuut将前面的三要素代入下面的公式，即可求出T1和T2：V00－VTH－VDDRFCTHln-=T2RFC1.1=VVDDVDD－VTH+VDDRFCTHln-=T1T=2.2RFC思考：若将RP短路，会发生什么情况？用TTL门构成这种单稳电路也可，但分析较复杂。(0)=VTH＋VDD，暂稳态2，C充电的三要素为：充＝RFC()=0()=VDD，放=RFC。(0)=VTH－VDD，暂稳态1中，C放电三要素：环形振荡器一个最简单的环形振荡器这个电路是没有稳定状态的。在静态时任何一个反相器的输入和输出都不可能稳定在高电平或低电平，而只能处于高低电平之间，所以处于放大状态。用施密特触发器构成的多谐振荡器电容上初始电压为零，所以输出为高电平，并开始经电阻R向电容充电。当充至时，输出跳变为低电平，电容C又经R开始放电。石英晶体多谐振荡器以上介绍的振荡器的频率稳定性不高，石英晶体电抗频率特性：外加电压频率为f0时阻抗最小，所以频率为f0的电压信号最容易通过它，并在电路中形成正反馈，而频率不是f0的电压信号被衰减。

构成：在对称式多谐振荡器的反馈回路中串入石英晶体。石英晶体电抗的频率特性如图。f0称为固有频率。特点：f0的稳定度极高～可达10－10～10－11（f0/f0）。因此可构成高精度多谐振荡器。从而克服了其他振荡器频率稳定度低、抗干扰能力差的缺点。

原理：只有振荡频率等于f0时，晶体的阻抗为0（最小），电路才能产生振荡。因此输出频率一定为f0。多谐振荡器的应用秒信号发生器多谐振荡器分频电路电压比较器的功能：

v+>v-，vO=1v+<v-，vO=0由以下几部分组成：（1）三个5k电阻组成的分压器。（2）两个电压比较器

C1和C2。CC&&&1RS5k¦¸5k¦¸5k¦¸12VRC-VTROUTDDD(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位TH阈值输入控制电压触发输入(7)DISVT放电端(1)G1G2G3G27.5555定时器及其应用一、555定时器的电路结构（3）基本RS触发器，（4）放电三极管T及缓冲器G。电路符号CC&&&1RS5k¦¸5k¦¸5k¦¸12VRC-VTROUTDDD(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位TH阈值输入控制电压触发输入(7)DISVT放电端(1)G1G2G3G212658437DISTRTHC-VVDDOUT555DR低电平触发端高电平触发端电压控制端复位端低电平有效放电端4.5～16V001①R=0时，Q=1，uo=0，T导通。①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。＞2VCC/3＞VCC/300011①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。＜2VCC/3＞VCC/310011③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。110①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。＜2VCC/3＜VCC/311100③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。④R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＜VCC/3时，C1=1、C2=0，Q=0、Q=1，uo=1，T截止。二．逻辑功能（1）4脚为复位输入端（RD

），当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo为低电平。正常工作时，应将其接高电平。（2）5脚为电压控制端，当其悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3VCC

和1/3VCC

。1/3VCC2/3VCCCC&&&1RS5k¦¸5k¦¸5k¦¸12VRC-VTROUTDDD(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位TH阈值输入控制电压触发输入(7)DISVT放电端(1)G1G2G3G2（3）2脚为触发输入端，6脚为阈值输入端，两端的电位高低控制比较器C1和C2的输出，从而控制RS触发器，决定输出状态。1/3VCC2/3VCC阈值输入阈值输入复位输出vI1vI2RDvo×＜2/3VCC＞2/3VCC＜2/3VCC×＜1/3VCC＞1/3VCC＞1/3VCC0111010不变功能表CC&&&1RS5k¦¸5k¦¸5k¦¸12VRC-VTROUTDDD(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位TH阈值输入控制电压触发输入(7)DISVT放电端(1)G1G2G3G27.5.2由555定时器构成施密特触发器三、由555定时器构成单稳态触发器接通VCC后瞬间，VCC通过R对C充电，当uc上升到2VCC/3时，比较器C1输出为0，将触发器置0，uo＝0。这时Q=1，放电管T导通，C通过T放电，电路进入稳态。

ui到来时，因为ui＜VCC/3，使C2＝0，触发器置1，uo又由0变为1，电路进入暂稳态。由于此时Q=0，放电管T截止，VCC经R对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