数字电子技术 课件 第7章 脉冲波形的产生与整形

教学课件

数

字

电

子

技

术第7章脉冲波形的产生与整形目录CATALOG7.1概述7.2施密特触发器7.3单稳态触发器7.4多谐振荡器7.5555定时器及其应用知

识

图

谱7.1概述1．脉冲信号脉冲：电压(u)或电流(i

)的波形像心电图上的脉搏跳动的波形。

在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量称之为脉冲。脉冲信号：指突然变化的电压或电流。7.1

概述常见的脉冲波形有矩形波、锯齿波、钟形波、尖峰波、梯形波、阶梯波等。

数字电路经常用到各种宽度和幅值的边沿陡峭的脉冲信号：时钟信号、定时信号。最常用的脉冲信号是方波或矩形波。7.1概述

(1)脉冲幅度Vm——脉冲电压的最大变化幅度。

(2)上升时间tr——脉冲上升沿从0.1Vm

上升到0.9Vm

的时间。

(3)下降时间tf

——脉冲上升沿从0.9Vm

下降到0.1Vm

的时间。

(4)脉冲宽度tw——脉冲前、后沿0.5Vm处的时间间隔，说明

脉冲持续时间的长短。

(5)脉冲周期T——周期性脉冲中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。2．脉冲波形的主要参数(6)占空比q

——脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q＝tw/T。如果q=50%，则称为对称方波。非周期性和周期性矩形波(a)非周期性(b)周期性数字电路中用得最多的是矩形波。矩形波有周期性与非周期性两种。7.1概述脉冲电路是专门用来产生电脉冲和对电脉冲进行放大、变换和整形的电路。家用电器中的定时器、报警器、电子开关、电子钟表、电子玩具以及电子医疗器具等，都要用到脉冲电路。3．脉冲波形的产生方法脉冲有各种各样的用途，有对电路起开关作用的控制脉冲，有起统帅全局作用的时钟脉冲，有做计数用的计数脉冲，有起触发启动作用的触发脉冲等等。获得脉冲波形的方法：

1)利用脉冲振荡电路产生；

2)通过整形电路对已有的波形进行整形、变换，使之符合系统的要求。7.1概述7.1概述

常用的有施密特触发器和单稳态触发器。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。1.什么是脉冲信号？检验学习结果3.矩形脉冲的主要技术参数有哪些？4.获取矩形脉冲波形的途径有哪两种？

2.常见的脉冲波形有哪些？

7.2施密特触发器7.2.1施密特触发器的基本概念1．施密特触发器的特点

施密特触发器是一种重要的脉冲整形电路，能够将边沿变化缓慢的脉冲信号波形整形为边沿陡峭的矩形波。(1)输出有两种状态（输出为数字信号）；(2)电平触发——即当输入信号达到一定的电压值时，

输出电压会发生突变。施密特触发器是一种受输入

信号电平直接控制的双稳态电路；(3)滞回特性——即对于正向和负向变化的输入信号，有不同的阈值电平（）。ΔUT＝UT+－UT-回差电压：正向阈值电平反向阈值电平7.2施密特触发器7.2.1施密特触发器的基本概念

施密特触发器是一种重要的脉冲整形电路，能够将边沿变化缓慢的脉冲信号波形整形为边沿陡峭的矩形波。UOLUOH

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-正向阈值电压负向阈值电压

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7.2.2施密特触发器的电路组成及工作原理两个CMOS反相器，两个分压电阻。1.电路组成反相输出型同相输出型7.2.2施密特触发器的电路组成及工作原理两个CMOS反相器，两个分压电阻。1.电路组成反相输出型同相输出型

1)当uI=0时，uO1＝VDD，所以uO＝0。正向阈值电压

如何求？↗时,↗, 只要<UTH，则保持=0。uO2)当=UTH，G1和G2输出状态将翻转。由叠加原理得正向阈值电压4)3)当uI=1时，uO1＝0，所以uO＝1。负向阈值电压如何求？由叠加原理得负向阈值电压

（2）工作波形与电压传输特性施密特触发器将三角波uI变换成矩形波uO。同相输出型施密特触发器的工作波形及电压传输特性（a）工作波形（b）电压传输特性正向阈值电压UT+

负向阈值电压UT－

回差电压ΔUT=UT+－UT－7.2.3施密特触发器的应用（以反向输出型为例）

OuItuOUT+UT-Ot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。

在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，或者边沿产生振荡等。通过施密特触发器整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。波形畸变边沿振荡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。OuItuOUT+UT-Ot脉冲鉴幅鉴别并取出幅度大于UT+的脉冲。UOLUOH【例7-1】在图示(a)的施密特触发器电路中，已知G1和G2为

CMOS反相器，(1)试计算电路的正向阈值电压UT＋、负向阈值电压UT-和回差电压UT。(2)若施密特触发器的输入电压波形如图(b)所示，试画出其

输出电压波形。解(1)正向阈值电压为：负向阈值电压为：回差电压为：(2)画出输出电压波形如图所示。思考回答1.施密特触发器有什么特点？施密特触发器的电压传输特性是什么？2.施密特触发器的主要应用有哪些？3.上限触发电平、下限触发电平及回差电压的定义是什么？

4.用施密特触发器能否寄存1位二值数据，说明理由。？7.3.1单稳态触发器的基本概念7.3单稳态触发器稳定状态稳定状态暂稳态由外界触发自动返回工作特点：

(1)有一个稳态和一个暂稳态，无外触发脉冲输入时，电路

处于稳态。(2)在外触发脉冲作用下，电路从稳态翻转到暂稳态，经一段

时间后，电路自动返回稳态。(3)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。应用：脉冲整形、延时、定时举例：楼道的灯7.3.1单稳态触发器的基本概念7.3单稳态触发器

工作特点与电路符号有一个稳态和一个暂稳态。无外触发脉冲输入时，电路处于稳态；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。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。7.3.2用门电路组成的单稳态触发器1.电路组成及工作原理暂稳态靠RC电路的充放电过程维持。由于RC电路接成微分电路形式，故该电路又称为微分型单稳态触发器。uI=0，uI2=VDD，uO=UOL=0，uO1＝UOH=VDD，uC=0。(2)外加触发信号，电路翻转到暂稳态。当uI正跳变时，uO1负跳变，经电容C耦合，使uI2负跳变，uO正跳变；uO的正跳变反馈到G1输入端，导致正反馈：无触发信号时，电路处于稳态。(1)单稳态触发器的稳态即使uI触发器信号撤除，由于uO的作用，uO1仍可为低电平。此时，电路处于uO1=UOL、uO=UOH的状态。然而这一状态是不能长久保持的，故称为暂稳态。

(3)电容C充电，电路由暂稳态自动返回稳态。在暂稳态（uO1=UOL、uO=UOH

）期间，VDD经R对C充电，使uI2上升。当uI2上升达到G2的UTH时，发生正反馈：

电路迅速由暂稳态返回稳态，uO1=UOH、uO=uO2=UOL。从暂稳态自动返回稳态之后，电容C将通过电阻R放电，使电容上的电压恢复到稳态时的初始值。

在RON＜＜R的情况下，等效电路可简化为简单的RC串联电路。该电路的过渡过程可用三要素法求解。（1）脉冲宽度tw脉冲宽度tw等于从电容C开始充电到uI2上升至UTH的这段暂稳态维持时间。2．主要参数及计算初始值:uC

(0+)=uC(0-)=0V时间常数:

=RC稳态值:uC

(∞)=VDD

(2)恢复时间tre

暂稳态结束后，电路需要一段时间恢复到初始状态。一般，恢复时间tre为(3~5)τ（通常放电时间常数τ远小于RC）。设触发信号的时间间隔为T，为使单稳态触发器能正常工作，应满足T＞tw+tre的条件，即Tmin=tw+tre。因此，单稳态触发器的最高工作频率为：

fmax=1/Tmin=1/(tw+tre)

(3)最高工作频率fmax（或最小工作周期Tmin）

Um=UOH-UOL≈VDD(4)输出脉冲幅度Um7.3.4单稳态触发器的应用1.延时1uIu

O&uOuFuIu

OtW2.定时选通uFuO3.整形uIuO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。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时间长短。

门的定时时间即为单稳态触发器的暂稳态持续时间。

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。1.脉冲整形7.3.4单稳态触发器的应用uIuO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。2.脉冲定时因此，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。3.脉冲延时

7.3.4单稳态触发器的应用单稳态触发器在输入信号ui触发下，输出uo产生一个比ui延时了tW的脉冲波，这个延时作用可被适当地应用于信号传输的时间配合上。如图7-14所示。

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。1.单稳态触发器有什么特点？2.如何计算暂态时间？3.单稳态触发器的工作原理是什么？

4.单稳态触发器的主要应用有哪些？想想练练7.4多谐振荡器

多谐振荡器又称无稳电路，主要用于产生各种方波或时间脉冲信号。它是一种自激振荡器，在接通电源之后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲波。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。

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1.最简单的环形振荡器

利用集成门电路的传输延迟时间，将奇数个反相器首尾相连便可构成最简单的环形振荡器。该电路没有稳定状态。振荡周期T=6tpd=2Ntpd(N=3)

缺点：不实用。因为集成门电路的延迟时间tpd极短，而且振荡周期不便

调节。7.4.1由奇数个非门构成的基本环形多谐振荡器为了克服上述多谐振荡器的缺点，可在电路中引入RC延迟环节，构成如图所示电路。使uA电压延迟下降

设在t0时刻，uI=uo为低电平，则uo1为高电平，uo2为低电平。此时uo1经电容C、电阻R到uo2形成电容的充电回路。uA↓→uo↑→uo1↓

正反馈的结果，使电路在t1时刻，uI=uo变为高电平，则uo1为低电平，uo2为高电平。

电容C上uc的电压逐渐增大，uA相应减小，当接近门电路的阈值电压UTH时，形成下述正反馈过程：此后的过程与上相似，最后使电路在t2时刻返回到uI=uo变为低电平，uo1为高电平，uo2为低电平。

电路在t1时刻，uI=uo变为高电平，uo1为低电平，uo2为高电平。此时uo2经电阻R、电容C到uo1形成电容的放电回路。充电放电放电充电此后，电路重复上述过程，周而复始地从一个暂稳态转换到另一个暂稳态，从而在G3门的输出端得到连续的方波。该电路的工作波形如图所示。

7.4.2采用石英晶体的多谐振荡特点：频率稳定，精度高。1．石英晶体的选频特性符号当f=f0时，电抗X=0。

石英晶体符号和电抗的频率特性如下图所示。由石英晶体的电抗频率特性可知，当外加电压的频率为f0时它的阻抗最小。阻抗特性fXf0电感性电容性电容性uI1C1G1uI2uO1uOuO2C2G2R1R2形成正反馈回路工作波形OuO2tOuO1tUOHUOLUOHUOLuI2UTHOtUTHuI1tO输出波形

合理取值，使G1、G2门工作在电压传输特性的转折区，使两个反相器都工作于放大状态。

通过

RC

电路的充放电作用自动控制

uI1、uI2波形的变化，从而控制

G1、G2门交替开通和关闭，使电路输出周期性的矩形脉冲。2．石英晶体多谐振荡器(1)串联式多谐振荡器uI1C1G1uI2uO1uOuO2C2G2R1R2该电路的过渡过程可用三要素法求解：取R1=R2=R，C1=C2=C，则可输出占空比50%的矩形波。电路的振荡周期为：初始值:uC

(0+)=UIK时间常数:

=RC稳态值:uC

(∞)=UOH具有各种谐振频率的石英晶体（简称“晶振”）已被制成标准化和系列化的产品出售。

反相器G1用于振荡，电阻R=10MΩ是偏置电阻，为反相器G1提供静态工作点。保证在静态时使G1工作在转折区，构成一个反相放大器。为了改善输出波形，增强带负载能力，通常在该振荡器的输出端再接一个反相器G2。反相器G2在电路中起整形缓冲作用，同时G2还可以隔离负载对振荡电路的影响。石英晶体和两个电容C1、C2构成了一个π型网络，用于完成选频功能。(2)并联式多谐振荡器【例7-2】下图是用反相器接成的环形振荡器电路。某同学在用示波器观察输出电压uo的波形时发现，取n=3和n=5所测得的脉冲频率几乎相等，试分析其原因。解：当示波器的输入电容和接线电容所造成的延迟时间远大于每个门电路本身的传输延迟时间时，就会导致这种结果。思考与练习1.为什么叫多谐振荡器？其作用是什么？2.多谐振荡器的特点有哪些？3.如何计算多谐振荡器的工作频率？4.多谐振荡器的应用有哪些？7.5555定时器及其应用555定时器是一种多用途的数字－模拟混合的中规模集成电路。通过外接少量元件，它可以很方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，可用于信号的产生、变换、控制与检测。由于其内部有3个5kΩ的电阻分压器，故称555定时器。单定时器双极型——555单极型——7555双定时器双极型——556单极型——7556型号1.555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。2.555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。2.555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10012.555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电容接地。(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。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-=1/3VCCuIuO62715384在5脚加控制电压，可以改变电路的UT+和UT－。1.用555定时器构成施密特触发器7.5.3用555定时器构成的脉冲波形产生与整形电路OuO/Vt184355557+12V0.01

FuIuO260uI/Vt246810THTRuIuO+12VUT+UT-abcdefUOH【例7-3】试对应输入波形画出下图中输出波形。试求：(1)当VCC=12V而且没有外接控制电压时，VT+、VT－及△VT值。(2)当VCC=9V，外接控制电压VCO=5V时，VT+、VT－、△VT各为多少?解(1)(2)VT+=2VCC/3=8V,VT－=VCC/3=4V△VT=VT+-VT－=4VVT+=VCO=5V,VT－=VCO/2=2.5V△VT=VT+-VT－=2.5V【例7-4】分析下图由555定时器构成电路的工作原理。解：当

时，u0=1；当u0=1保持不变；当uI>时，；uI从高逐渐下降，故回差电压为u0=0，故在此时，变化方向上阈值电压为的过程中，阈值电压为2.用555定时器构成单稳态触发器（1）得到负脉冲外触发：使高触发置0端TH有效→暂稳态0自动返回：通过电容C的充放电使低触发置1端TR有效→稳态1思路：外触发→自动返回（2）得到正脉冲外触发：使低触发置1端TR有效→暂稳态1自动返回：通过电容C的充放电使高触发置0端TH有效→稳态0(1)电路结构2.用555定时器构成单稳态触发器GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01

FRCuIuOuC-+DISTHVCCRR、C为定时元件TRuIOUTuOGNDVCCRDCO0.01

FCuC-+(2)工作原理、工作波形工作原理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=uI≥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。充电导通放电VuCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC0VUOLUIH3.自动返回稳定状态

uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC2.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。[例7-5]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

33.7

F。估算公式tWO

1.1RC(2)工作原理、工作波形GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01

FR1CuOuC-+R2

3.用555定时器构成多谐振荡器

(1)电路组成DISVCCR1THTRGNDVCCRDCO0.01

FOUTuOCuC-+R2

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(2)工作原理、工作波形(2)工作原理、工作波形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。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

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。(2)工作原理、工作波形uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡTH=TR≤1/3VCCⅠ

当uC上升到

TH=TR=uC≥

2/3