数字电子技术（第3版）-课件 第六章

数字电子技术中北大学

DigitalElectronicsTechnology2第6章脉冲信号的产生与整形6.1概述6.2

施密特触发器6.3单稳态触发器6.4多谐振荡器主要要求：

理解用于脉冲信号整形的施密特触发器和单稳态触发器的工作原理及应用。了解多谐振荡器的工作原理。6.1概述第6章脉冲信号的产生与整形理解555定时器的工作原理及应用方法。什么叫脉冲信号？脉冲信号是指短时间内突变，且在很短的时间内复原的信号。凡是不具有连续正弦波形的信号，都可以称为脉冲信号。在数字电路中，最常使用的脉冲信号是矩形脉冲，也称为矩形波。时序逻辑电路中的时钟信号即是矩形脉冲。脉冲周期T——两个相邻脉冲的时间间隔。脉冲幅度Um——脉冲电压的最大变化幅度。脉冲宽度tW——从脉冲上升沿0.5起至脉冲下降沿0.5为止的一

段时间。上升时间tr——脉冲上升沿从0.1上升到0.9所需要的时间。下降时间tf——脉冲下降沿从0.9下降到0.1所需要的时间。占空比——q=tW/T，通常q用百分比表示，如果q=50%，则称

为对称方波。实际的矩形脉冲常用的有施密特触发器和单稳态触发器。

脉冲信号产生与整形的方法获取脉冲信号的方法

脉冲信号产生与整形电路的实现是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便、灵活，应用广泛。用多谐振荡器直接产生。

用整形电路对已有波形进行整形、变换。

施密特触发器主要用以将缓慢变化或快速变化的非矩形脉冲变换成陡峭的矩形脉冲。单稳态触发器主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。用门电路构成。用专用的集成电路。用

555

定时器构成。第6章脉冲信号的产生与整形施密特触发器是把非脉冲信号或非标准幅值的脉冲信号转换为标准幅值的脉冲信号。即：输入可以是模拟信号，也可以幅值不规则的脉冲信号，输出是数字电路标准的高、低电平。施密特触发器也是一种双稳态触发器，与滞回比较器相类似。不同的是其输出标准的高低电平，对于TTL电路高电平就是3V以上，低电平是零点几伏；对于CMOS电路，高电平就是VDD，低电平就是0V。6.2施密特触发器SchmittTriggerUOLUOH(一)施密特触发器的特性和符号

UT=UT+-

UT-回差电压施密特触发器工作特点(1)允许输入信号为缓慢变化的信号。(2)有两个阈值电压。(3)有两个稳态。UT+OuOuIUT-上限阈值电压下限阈值电压当uI从小增大时，经过UT+处才能使输出发生跃变。当uI从大减小时，经过UT-处才能使输出发生跃变。UOLUOHUT+OuOuIUT-uOuI具有施密特特性的与非门符号第6章脉冲信号的产生与整形SchmittTrigger(1)初始状态当时，G1关闭，输出高电平VDD；G2开通，输出低电平0V。(2)电路状态的一次翻转上输入uI增大时，也随之增大

0

V；G2关闭，输出。当uI由高电平下降时，发生另外一次翻转。注：R1、R2取值可改变上下限阈值电压值，但一定要R1＜R2，否则电路无法正常工作。（二）门电路构成的施密特触发器第6章脉冲信号的产生与整形G1、G2为二个CMOS反相器，阈值电压UTH=VDD/2当输入电压上升到UTH时，G1工作在电压传输特性的转折区(即放大区)，这时的微小增大就会使电路产生反馈过程：555定时器简介

555定时器是一种结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。它电源电压范围宽(双极型555定时器为5~16V，CMOS555定时器为3~18V)，可提供与TTL及CMOS数字电路兼容的接口电平，还可输出一定功率，驱动微电机、指示灯、扬声器等。

TTL单定时器型号的最后3位数字为555，双定时器的为556；CMOS单定时器的最后4位数为7555，双定时器的为7556。第6章脉冲信号的产生与整形（三）用555

定时器组成施密特触发器集成555定时器是一种将模拟电路与数字电路的功能巧妙结合在一起的多用途单片集成电路，有些书上把它描述为：模拟电路与数字电路的的完美结合。在其外部配接上少许阻容定时元件，便能构成多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等多种应用电路。电路结构电阻分压器两个CMOS比较器一个基本RS触发器一个NMOS开关第6章脉冲信号的产生与整形555定时器的电路结构与符号

C1C2G3QQG1G2RSVR5k

5k

5k

UR1UR2GNDVCCRDOUTCO555THTRDIS电路符号627153843OUT输出端

8VCC电源端

4RD直接置0端

DIS7放电端TH6阈值输入端TR2触发输入端CO5控制电压输入端

GND1接地端

集电极开路输出端UR1UR2构成电阻分压器，为比较器

C1、C2提供两个参考电压，UR1=2/3VCC，UR2=1/3VCC。

输出缓冲器OUT=Q构成基本RS触发器，决定电路输出。

放电管，其输入为Q，输出为开路集电极。Q构成电压比较器，比较TH与UR1和TR与

UR2的大小。C1C2G3QQG1G2RSVR5k

5k

5k

UR1UR23OUT输出端

8VCC电源端

4RD直接置0端

DIS7放电端TH6TR2CO5控制电压输入端

GND1接地端

UR1UR2Q第6章脉冲信号的产生与整形555定时器的工作原理与逻辑功能

101导通定时器

5G555的功能表

不变不变1截止11导通01导通00V状态OUT

=

QRDTRTH输出输入××

直接置0端RD低电平有效，优先级最高。不用时应使其为1。第6章脉冲信号的产生与整形不变不变1截止11导通01导通00V状态OUT

=

QRDTRTH输出输入××定时器

5G555的功能表

01导通0110555定时器的工作原理与逻辑功能第6章脉冲信号的产生与整形555定时器的工作原理与逻辑功能

不变不变1截止11导通01导通00V状态OUT

=

QRDTRTH输出输入××定时器

5G555的功能表

10截止1001第6章脉冲信号的产生与整形555定时器的工作原理与逻辑功能

不变不变1截止11导通01导通00V状态OUT

=

QRDTRTH输出输入××定时器

5G555的功能表

11第6章脉冲信号的产生与整形简化功能表

不变不变1截止11导通01导通00V状态OUTRD输出输入TRTH××使用要点(1)

RD低电平有效,优先级最高，

不用时应接高电平。通常不用CO端，为了提高电路工作稳定性，将其通过0.01

F电容地。(3)

TR低电平有效，TH高电平

有效，因此，TH加低电平、

TR加高电平时为非有效电

平，电路状态不变。(4)输出

0

时，Q

=

1，因此

V

导通；输出

1

时，

Q

=

0，故

V

截止。(5)注意：①

TH

电平高低是与

2/3VCC相比较，TR

电平高低是与

1/3VCC相比较。②若控制输入端

CO

加输入电压

uCO，则

UR1=

uCO

UR2=

uCO/2，故

TH

和

TR

电平高低的比较值将变成

uCO和

uCO/2。(2)TH和TR均为高电平时输出

0，均为低电平时输出

1。第6章脉冲信号的产生与整形0uOuIUOL1/3VCC2/3VCCUOH当TH=TR=uI>2/3VCC时电压传输特性为反相输出的滞回特性uIuO当TH=TR=uI<1/3VCC时1/3VCC0当1/3VCC<TH=TR=uI<2/3VCC时当uI<1/3VCC时当uI由高电平逐渐下降，且1/3VCC<uI<1/3VCC时不变不变1截止11导通01导通00V状态OUTRD输出输入TRTH××0uOuIUOL1/3VCC2/3VCCUOHUT+=2/3VCCUT-

=1/3VCC

UT=UT+-

UT-

=1/3VCC第6章脉冲信号的产生与整形构成施密特触发器的用法：OuItuOUT+UT-Ot(四)施密特触发器应用举例波形变换将三角波、正弦波和其它不规则信号变换成矩形脉冲。UOHUOL

uI>

UT+

后，uO=

UOL,只有当uI下降到经过UT-

时，uO才会发生跃变。

uI<UT-后，uO=UOH只有当

uI上升到经过

UT+时，uO才会发生跃变。第6章脉冲信号的产生与整形OuO/Vt[例]试对应输入波形画出下图中输出波形。184355557+12V0.01

FuIuO260uI/Vt246810THTRuIuO+12VUT+UT-abcdefUOH解：UT+=2/3VCC=8VUT-

=1/3VCC=4V因此可画出输出波形为电路构成反相输出的施密特触发器第6章脉冲信号的产生与整形脉冲整形将受到干扰的或不符合边沿要求的信号整形成较好的矩形脉冲。OuItOuOtUT+UT-第6章脉冲信号的产生与整形OuItuOUT+UT-Ot脉冲幅度鉴别鉴别并取出幅度大于UT+的脉冲。UOLUOH第6章脉冲信号的产生与整形例6.2分析简易发动机缺水报警器的工作原理。由施密特触发器构成的简易发动机缺水报警器所用传感器是浸入水中的探测电极。

当水位高于探测电极时，分压点A为低电平，这时555定时器的输出端为高电平，VT1导通，VT2截止，讯响器不发声。当发动机缺水时，探测电极与水脱离成悬空状态，A点变为高电平，555定时器的输出端由高电平翻转为低电平，VT1截止，VT2导通，讯响电源回路接通，讯响器发出报警声。思考题？施密特触发器的特性是什么？施密特触发器的应用有哪些？由555定时器如何构成施密特触发器？其工作原理是什么？第6章脉冲信号的产生与整形6.3单稳态触发器(一)工作特点与电路符号1、有一个稳态和一个暂稳态；2、无外触发脉冲输入时，电路处于稳态；3、在外触发脉冲作用下，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。工作特点

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。monostableflip-flop第6章脉冲信号的产生与整形tw输出脉冲宽度tre恢复时间td=tw+tre分辨时间单稳态触发器暂稳态期间如再次被触发，对原暂稳时间无影响，输出脉冲宽度tW仍从第一次触发开始计算。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。

可重复触发型不可重复触发型uOuI1uOuI限定符号“1

”表示不可重复触发型单稳态触发器。限定符号“”表示可重复触发型单稳态触发器。第6章脉冲信号的产生与整形下面通过工作波形的分析来说明可重复触发型和不可重复触发型触发器的区别。单稳工作波形举例不可重复触发型单稳输出波形可重复触发型单稳输出波形输入波形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。外触发脉冲未来时，输出为稳态。第6章脉冲信号的产生与整形（二）

门电路构成的单稳态触发器

由于单稳态触发电路中的暂稳态都是靠RC电路的充放电过程来维持的，根据RC的不同接法，单稳态触发器可以分为微分型和积分型两种。由CMOS或非门电路构成的微分型单稳态触发器两个微分环节：R2和C2组成一个微分电路，其参数决定了输出端脉冲的宽度；R1和C1组成另一个微分电路，作用是将输入的宽脉冲变为窄脉冲。主要参数：输出脉冲宽度tW（UO=1期间）等于UI2从0充电到UTH的时间

微分型单稳态触发器可以用窄脉冲触发。在UI1的脉冲宽度大于输出脉冲宽度的情况下，电路仍能工作，但是输出脉冲的下降沿较差。因为在UO返回低电平的过程中，UI1输入的高电平还存在，所以电路内部不能形成正反馈。这也是为什么要在输入信号端加入一个微分电路的原因。

用门电路构成的单稳态触发器虽然电路简单，但输出脉冲宽度的稳定性较差，调节范围小，而且触发方式单一。而集成单稳态触发器外接元件和连线少，触发方式灵活，既可用输入脉冲的正边沿触发，也可用负边沿触发，使用十分方便。而且由于在电路上采取了温漂补偿措施，工作稳定性较好，因此实际应用中常采用集成单稳态触发器。集成单稳态触发器分为不可重复触发型、可重复触发型两大类（三）集成单稳态触发器GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01

FRCuIuOuC-+（四）用555定时器组成单稳态触发器

电路结构DISTHVCCR

R、C为定时元件TRuIOUTuOGNDVCCRDCO0.01

FCuC-+第6章脉冲信号的产生与整形工作原理、工作波形与参数估算

1.稳定状态

接通电源后VCC经R向C充电，使uC

上升。uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC该电路触发信号为负脉冲，不加触发信号时，uI=

UIH(应

>

1/3

VCC)。

当uC

≥2/3VCC时，满足TR=uI>1/3VCC，TH=uc≥2/3VCC,因此uO为低电平，V导通，电容C经放电管V迅速放电完毕，uC

0V。这时TR=UIH>1/3VCC，TH=uC

0<2/3VCC，uO保持低电平不变。因此，稳态时

uC

0V，uO为低电平。充电工作原理

导通放电VuCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC0VUOLUIH第6章脉冲信号的产生与整形

2.触发进入暂稳态

uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC

当输入uI由高电平跃变为低电平

(应<1/3VCC)时，使

TR=UIL<1/3VCC而TH=uC

0V<2/3VCC，因此uO跃变为高电平，进入暂稳态，这时放电管V截止，VCC又经R向C充电，uC

上升。UILUOH充电第6章脉冲信号的产生与整形

3.自动返回稳定状态

uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC

2.触发进入暂稳态

UIHUOL

TH≥2/3VCC放电V

当输入uI由高电平跃变为低电平

(应<1/3VCC)时，使

TR=UIL<1/3VCC而TH=uC

0V<2/3VCC，因此uO跃变

为高电平，进入暂稳态，这时放电管V截止，VCC又经R向C充电，uC

上升。这时uI必须已恢复为高电平

当uC

上升到uC

≥2/3VCC时，

TH

=

uC

≥2/3

VCC，而TR=uI=

UIH(>1/3VCC)，因此uO重新跃变为低电平。同时，放电管导通，C

经V迅速放电uC

0V，放电完毕后，电路返回稳态。第6章脉冲信号的产生与整形[例]用上述单稳态电路输出定时时间为1s的正脉冲，R=27k

，试确定定时元件

C的取值。

uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC输出脉冲宽度tW即为暂稳态维持时间，主要取决于充放电元件R、C。该单稳态触发器为不可重复触发器，且要求输入脉宽tWI小于输出脉宽tWO。解：因为

tWO

1.1RC故可取标称值

33

F。估算公式tWO

1.1RC第6章脉冲信号的产生与整形经过长距离传输后，脉冲信号的边沿会变差或波形上叠加某些干扰，利用整形可使其变成符合要求的波形。(五)单稳态触发器应用举例

2.

脉冲定时1.

脉冲整形因此，利用单稳态触发器可以控制门开通与否以及开通多长时间。uAuBuCuOG单稳态触发器组成的定时电路和工作波形uAuCuBuOuC门的定时时间即为单稳态触发器的暂稳态持续时间。tW

uC

为与门G开通与否的控制信号。

uC=1，门G开通，信号uB通过门G输出；

uC=0，门G关闭，uB不能输出。第6章脉冲信号的产生与整形RI

CXRX/CXQ+VCCuIRextCextQOuItOuOt脉冲展宽电路和工作波形3.脉冲展宽tW将窄脉冲展宽成宽度为tW的脉冲第6章脉冲信号的产生与整形即距形脉冲产生电路，由于距形脉冲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。

6.4多谐振荡器

(一)多谐振荡器的工作特点和符号

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。GuO工作特点AstableMultivibrator第6章脉冲信号的产生与整形（二）

用门电路组成的多谐振荡器

用门电路组成的多谐振荡器的种类较多，有对称式的、非对称式的，还有环形振荡器。它们共同的结构特点是由门电路、正反馈网络和RC延时环节三部分组成。门电路的作用是产生高、低电平；正反馈网络可将输出状态恰当反馈给门电路的输入端，以改变输出状态；RC延时环节决定振荡频率。下面以CMOS非门组成的非对称式多谐振荡器为例来说明。

由两个CMOS非门和电阻、电容组成的多谐振荡器。R的选择应使G1工作在电压传输特性的转折区。此时，由于uO1即为uI2，G2也工作在电压传输特性的转折区。

（三）石英晶体多谐振荡器

①并联型石英晶体多谐振荡器②串联型石英晶体多谐振荡器GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01

FR1CuOuC-+R2（四）用555定时器组成多谐振荡器

电路结构

DISVCCR1THTRGNDVCCRDCO0.01

FOUTuOCuC-+R2第6章脉冲信号的产生与整形工作原理、工作波形与周期估算

uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ充电UOHTH=TR=uC很小Ⅰ

接通VCC后，开始时TH=TR=uC

0，uO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Ⅰ。

工作原理

第6章脉冲信号的产生与整形uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡUOLTH

=

TR

≥

2/3

VCC

当uC上升到

TH=TR=uC

≥

2/3

VCC时，uO跃变为低电平，同时放电管

V导通，C经R2和V放电，uC

下降，电路进入暂稳态Ⅱ。工作原理

Ⅱ

接通VCC后，开始时TH=TR=uC

0，uO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Ⅰ。

放电第6章脉冲信号的产生与整形

当uC下降到

TH=TR=uC

≤1/3

VCC时，uO重新跃变为高电平，同时放电管V截止，C又被充电，uC

上升，电路又返回到暂稳态Ⅰ。uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡTH=TR≤1/3VCCⅠ工作原理

当uC上升到

TH=TR=uC≥

2/3

VCC时，uO跃变为低电平，同时放电管

V导通，C经R2和V放电，uC下降，电路进入暂稳态Ⅱ。

接通VCC后，开始时TH=TR=uC

0，uO为高电平，放电管截止，