第二十五二十六讲脉冲电路的产生与整形

1第1页，课件共83页，创作于2023年2月

在前面各章的讨论中，常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿的脉冲信号，如触发器就需要时钟脉冲（CP），等等。事实上，现代电子系统都离不开脉冲信号。获取脉冲信号的方法通常有两种：①直接产生；②将其它非脉冲信号经过整形变换电路变为脉冲信号。§7.1概述矩形波尖顶波锯齿波阶梯波第2页，课件共83页，创作于2023年2月脉冲波形 为了定量地描述矩形脉冲波的特性，我们来看看它的几个指标：trtf0.9Vm0.5Vm0.1Vm••••••TtwVm第3页，课件共83页，创作于2023年2月描述矩形脉冲特性的主要参数T—脉冲周期(f)。Vm—脉冲电压最大变化幅度。tw—脉冲宽度。tr—上升时间。tf—下降时间。q—占空比，脉冲宽度与脉冲周期的比值即：q=tw/T第4页，课件共83页，创作于2023年2月本章内容脉冲的产生多谐振荡器脉冲的整形单稳态触发器施密特触发器多用途定时电路555定时器

与产生模拟信号要用模拟振荡器一样，产生脉冲信号要用脉冲振荡器。脉冲波形变换则包括脉冲宽度、幅度、相位及上升和下降时间等等的改变，通过变换，使这些特性符合要求。第5页，课件共83页，创作于2023年2月TTL：555，556（含有两个555）；CMOS：7555，7556（含有两个7555），755８（含有三个7555）。流行产品:§7.2555定时器555定时器电路是一种用途广泛的数-模混合中规模集成电路。只需外接几个阻容元件,就可以方便地构成各种不同用途的脉冲电路,如多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等。555定时电路有TTL集成定时电路和CMOS集成定时电路,它们的逻辑功能与外引线排列都完全相同。第6页，课件共83页，创作于2023年2月一、555定时器的电路结构由以下几部分组成：（1）三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器。（2）两个电压比较器C1和C2。电压比较器的功能：v+>v-，vO=1v+<v-，vO=0（3）基本RS触发器、（4）放电三极管T及缓冲器G。第7页，课件共83页，创作于2023年2月第8页，课件共83页，创作于2023年2月（1）4脚为复位输入端：RD=0时，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；（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。（4）3脚为输出端，7脚是放电端，8、4脚分别是电源和地。比较器C1和C2的比较电压分别为VCO和1/2

VCO。当不用时，应在该端和地之间接一个0.01f的去耦电容，以消除干扰，保证其稳定在2/3VCC

而当其输入电压为VCO时:第9页，课件共83页，创作于2023年2月二.555定时器的工作原理第10页，课件共83页，创作于2023年2月

on

0

0T

V

V

V

VV

RDOC2C1I2I1Doff

1

0

0

V31

V32

1CCCC<>off

1

0

1

V31

V32

1CCCC<<on

0

1

0

V31

V32

1CCCC>>不

不

1

1

V31

V32

1CCCC><变变工作原理分析第11页，课件共83页，创作于2023年2月555的功能表第12页，课件共83页，创作于2023年2月555定时器功能表第13页，课件共83页，创作于2023年2月1）定时的精度、工作速度和可靠性高；2）使用的电源电压范围宽，从2V~18V，能和数字电路直接连接；3）有一定的输出功率，可驱动微电机、指示灯、扬声器等；4）结构简单，使用灵活，用途广泛(有“万能芯片”之称)。555定时器的特点：555定时器的用途：

555定时器主要用于脉冲波形的产生、变换、控制与检测。可组成各种波形的脉冲振荡器、定时延时电路、检测电路、电源变换电路、频率变换电路。下面介绍由５５５定时器构成的多谐振荡器、施密特触发器、单稳态触发器。第14页，课件共83页，创作于2023年2月§7.4多谐振荡器多谐振荡器——不需外加触发脉冲就能够产生一定频率和幅度的矩形脉冲波的电路。由于矩形波中除基波外，还含有丰富的高次谐波成分而得此名。特点：（１）没有稳态，只有两个暂稳态;（２）在自身的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换。用途：自动产生矩形波。第15页，课件共83页，创作于2023年2月当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0；当f=fp时，为并联谐振，石英晶体的电抗X无穷大。二．石英晶体多谐振荡器1.石英晶体的选频特性有两个谐振频率石英晶体具有很好的选频特性，另外它具有一个极为稳定的串联谐振频率：f0

≈

fs（晶体的标称频率）。石英晶体的选频特性极好，f0十分稳定，其稳定度可达10-10～10-11。一.门电路构成的多谐振荡器(略)第16页，课件共83页，创作于2023年2月石英晶体的电抗频率特性和符号第17页，课件共83页，创作于2023年2月2.石英晶体多谐振荡器（1）串联式振荡器R1、R2的作用——使两个反相器在静态时都工作在转折区。对于TTL门，常取R1=R2=0.7～2kΩ，CMOS门则常取R1=R2=10～100MΩ；

C1=C2是耦合电容。石英晶体工作在串联谐振频率f0下，只有频率为f0的信号才能通过，满足振荡条件。因此，电路的振荡频率=f0，与外接元件R、C无关，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。第18页，课件共83页，创作于2023年2月（2）并联式振荡器RF是偏置电阻，保证在静态时使G1工作转折区，构成一个反相放大器。晶体工作在略大于fS与fP之间，等效一电感，与C1、C2共同构成电容三点式振荡电路。电路的振荡频率=f0。

反相器G2起整形缓冲作用，同时G2还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。第19页，课件共83页，创作于2023年2月三.用555定时器接成的多谐振荡器1.电路组成及工作原理第20页，课件共83页，创作于2023年2月48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC0tuouC0tVCC/32VCC/3输出波形第21页，课件共83页，创作于2023年2月48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC设电容C原先未充电,故TH=TR<VCC/3,此时uo=1,555内的晶体管TD截止,电源通过R1和R2对电容C充电。第22页，课件共83页，创作于2023年2月48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCCuC0tVCC/32VCC/30tuo在uC没有充电到2VCC/3之前,uo保持

1不变。第23页，课件共83页，创作于2023年2月uC0tVCC/32VCC/30tuo在uC没有充电到2VCC/3之前,uo保持

1

不变。t1t2t348162357R1R2CuC555DTHTRuoVCCT1T2T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C第24页，课件共83页，创作于2023年2月多谐振荡器的电压波形图第25页，课件共83页，创作于2023年2月555定时器构成的多谐振荡器的电压波形图第26页，课件共83页，创作于2023年2月（2）电容放电时间T2（3）电路振荡周期T

T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C（4）电路振荡频率f（5）输出波形占空比q（1）电容充电时间T1：（用三要素法计算）2.振荡频率的估算第27页，课件共83页，创作于2023年2月第28页，课件共83页，创作于2023年2月四．占空比可调的多谐振荡器电路利用半导体二极管的单向导电特性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。

可计算得：T1=0.7R1CT2=0.7R2C占空比：第29页，课件共83页，创作于2023年2月五.用施密特触发器构成的多谐振荡器第30页，课件共83页，创作于2023年2月施密特触发器脉冲占空比可调的多谐振荡器第31页，课件共83页，创作于2023年2月六．多谐振荡器应用实例

1.简易温控报警器第32页，课件共83页，创作于2023年2月2.双音门铃。第33页，课件共83页，创作于2023年2月3.秒脉冲发生器CMOS石英晶体多谐振荡器产生f=32768Hz的基准信号，经T/触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒信号。这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源。第34页，课件共83页，创作于2023年2月用74161组成的秒脉冲发生器(其分频为频率为1Hz)。第35页，课件共83页，创作于2023年2月例多谐振荡器的设计试用555构成一个多谐振荡器,要求输出脉冲的振荡频率为20KHZ,占空比25%.第36页，课件共83页，创作于2023年2月作业P216

7.67.9(7.10)第37页，课件共83页，创作于2023年2月§7.2施密特触发器特点：1）电路有两个稳态，所以是一种双稳态触发器；2）电路状态的翻转依赖于外加触发信号的幅值，因此，施密特触发器不具有记忆功能。3)具有滞回特性。用途:1)用于波形变换、整形；鉴别脉冲幅度2)构成多谐振荡器、单稳态触发器555电路构成的施密特触发器（重点介绍）门电路组成的施密特触发器(略)集成施密特触发器（简介）内容：第38页，课件共83页，创作于2023年2月555定时器功能表一.用555定时器接成的施密特触发器第39页，课件共83页，创作于2023年2月1.电路组成及工作原理1265VCCRDO5553Ov7vvI2I1vIC8412IvCCVv第40页，课件共83页，创作于2023年2月1.电路组成及工作原理电压滞回特性第41页，课件共83页，创作于2023年2月2.电压滞回特性和主要参数

（1）电压滞回特性（a）正向阈值电压VT+

—vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。（b）负向阈值电压VT

—vI下降过程中，VO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。回差电压：△VT=VT+

–VT–

可见，VT+≠VT–，将此现象称为“回差现象”。VT–VIVT+VO第42页，课件共83页，创作于2023年2月（3）回差电压ΔVT

：

ΔVT=VT+－VT—=1/3VCC（2）555定时器构成的施密特触发器主要静态参数（a）上限阈值电压VT＋：VT+=2/3VCC。（b）下限阈值电压VT—：VT—=1/3VCC。第43页，课件共83页，创作于2023年2月2．输入输出波形及电压传输特性输入输出波形电压传输特性逻辑符号VT–VT+

△VT第44页，课件共83页，创作于2023年2月电压传输特性

（a）同相输出（b）反相输出第45页，课件共83页，创作于2023年2月CMOS反相器构成的施密特触发器二.集成施密特触发器1.TTL集成施密特触发器7414内部电路图第46页，课件共83页，创作于2023年2月TTL集成施密特触发器7414的电压传输特性第47页，课件共83页，创作于2023年2月2.CMOS集成施密特触发器CC40106电路图第48页，课件共83页，创作于2023年2月集成施密特触发器CC40106的电压传输特性

（a）电压传输特性

（b）VDD对VT＋、VT－的影响第49页，课件共83页，创作于2023年2月集成施密特触发器

1.CMOS集成施密特触发器CC401062.TTL集成施密特触发器74LS14

第50页，课件共83页，创作于2023年2月四．施密特触发器的应用举例1.用作接口电路——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。2.用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。第51页，课件共83页，创作于2023年2月用施密特触发器对脉冲整形第52页，课件共83页，创作于2023年2月

3.用于脉冲鉴幅——从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于VT+的输入脉冲。

第53页，课件共83页，创作于2023年2月４．用于波形变换－－将其它波形变换为矩形波VIVT+VT–ttVO第54页，课件共83页，创作于2023年2月５．用施密特触发器构成的多谐振荡器第55页，课件共83页，创作于2023年2月６．用施密特触发器构成的单稳态触发器第56页，课件共83页，创作于2023年2月§7.3单稳态触发器1.有一个稳态和一个暂稳态；2.在触发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；3.暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。单稳态触发器特点:单稳态触发器用途:用作整形、延时和定时。第57页，课件共83页，创作于2023年2月

它的突出特点是:输出端只有一个稳定状态,另一个状态则是暂稳态.一般情况下处于稳态，加入触发信号后,它可以由稳定状态翻转成暂稳态,在暂稳态经过一定时间以后,它又会自动返回原来的稳态。在暂稳态维持的时间由电路参数决定，与触发脉冲无关。稳定状态稳定状态暂稳态由外界触发自动返回恢复期第58页，课件共83页，创作于2023年2月

三、用555定时器组成单稳态触发器1.电路组成及工作原理一、门电路构成的单稳态触发器（略）第59页，课件共83页，创作于2023年2月用555定时器接成的单稳态触发器（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。（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。波形图第60页，课件共83页，创作于2023年2月（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（暂稳态结束）时间当vC上升至2/3VCC时，vO由1跳变0，三极管T由截止转为饱和导通，电容C经T迅速放电，电压vC迅速降至0V，电路由暂稳态重新转入稳态。第61页，课件共83页，创作于2023年2月（5）恢复过程当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的放电三极管T放电，时间常数τ2=RCESC，经过（3～5）τ2后，电容C放电完毕，恢复过程结束。第62页，课件共83页，创作于2023年2月2.主要参数估算(1)输出脉冲宽度Tw（用三要素法计算）上式说明，单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节tW。（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因此，单稳态触发器的最高工作频率应为:第63页，课件共83页，创作于2023年2月单稳态触发器电压波形图第64页，课件共83页，创作于2023年2月单稳态触发器的作用：

在一个输入触发脉冲作用下，输出端能输出一个一定宽度的脉冲，其脉冲宽度tw取决于电路内部的参数R、C，而它的周期由外加脉冲信号控制。3.参数计算：

1）输出脉宽tw—暂稳态维持时间tw=1.1RC

在定时电路中，为了调整tw，通常以改变电容C作为粗调，改变R作为细调。2）脉冲输出周期TO

TO=TI（输出脉冲=输入脉冲）3）分辨时间td和最高触发脉冲频率fmaxtd—触发脉冲最小触发周期

td=tw+trefmax=1/td其中tre=(3~5)RdC触发脉冲周期TI应大于输出脉宽周期tw第65页，课件共83页，创作于2023年2月问：若出现TI<td，会出现什么情况？答：tw不定。当电路进入恢复阶段后，若恢复过程尚未完成又出现新的输入信号，此时，电路虽仍会触发而输出脉冲，但由于触发前电容上的电压尚未达到稳定值，因而会使输出脉冲宽度发生改变，最终导致脉宽不稳，这种现象称为“脉宽抖动”，应避免。第66页，课件共83页，创作于2023年2月二、集成单稳态触发器74121的逻辑图１．74121的电路结构输入控制电路输出缓冲电路微分型单稳态触发器第67页，课件共83页，创作于2023年2月A1和A2是两个下降沿有效的触发信号输入端，B是上升沿有效的触发信号输入端。２．74121的逻辑功能第68页，课件共83页，创作于2023年2月３．74121的外部连接方法

（a）使用外接电阻Rext（下降沿触发）

（b）使用内部电阻Rint（上升沿触发）第69页，课件共83页，创作于2023年2月集成单稳态触发器74121的工作波形图４．74121的工作波形图第70页，课件共83页，创作于2023年2月不可重复触发型与可重复触发型单

稳态触发器的工作波形（a）不可重复触发型（74121、74221、74ＬＳ221）（b）可重复触发型（74122、7412３、74ＬＳ12３等）第71页，课件共83页，创作于2023年2月

74121内部电阻=2kΩ，外接电阻Rext可在1.4～40kΩ之间选择，外接电容C可在10pF～10μF之间选择(得到的tＷ范围可达到２０ns~２００ms)，所以，当R=2kΩ时，最大占空比qmax为67%；当R=40kΩ时，最大占空比qmax可达90%。５．74121的主要参数(1)输出脉冲宽度tW使用外接电阻：tW≈0.7RextC使用内部电阻：tW≈0.7RintC（2）输入触发脉冲最小周期Tmin

Tmin=tW＋tretre是恢复时间。（3）周期性输入触发脉冲占空比q定义：q=tW/T最大占空比：qmax=tW/Tmin第72页，课件共83页，创作于2023年2月四．单稳态触发器的应用

图中，v/O的下降沿比vI的下降沿滞后了时间tW。

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。显然与门打开的时间是恒定不变的，就是单稳输出脉冲v/O的宽度tW。１．延时2．定时第73页，课件共83页，创作于2023年2月例：试设计一个电路，以实现如下控制要求。灯1亮0.34S，灯2暗灯2亮0.25S，灯1暗灯1、灯2全灭0.41S1S0.34S0.25S0.41SVI1VO1VO2单稳0.34S单稳0.25SVO1VI2VI1•灯1VO2灯21第74页，课件共83页，创作于2023年2月