数字逻辑电路与系统设计（第4版）课件 第8章 脉冲信号的产生与整形

第8章脉冲信号的产生与整形介绍施密特触发电路、单稳态触发电路和多谐振荡器。多谐振荡器能直接产生脉冲信号。施密特触发电路能对已有信号进行变换;单稳态触发电路可用于脉冲信号的定时、延时；

在数字技术的各种应用中,经常要用到矩形波、方波、锯齿波等脉冲波形，其中矩形波和方波是较重要的波形。8.1555集成定时器555集成定时器是一种将模拟和数字电路集成于一体的电子器件，通过外加少量的阻容元件，能构成多种用途的电路。

555集成定时器的型号较多，但所有双极型产品型号后的3位数字都是555，CMOS产品型号最后的4位数字都是7555。而且，它们的功能和外部引脚的排列完全相同。

为了提高集成度,随后又生产了双定时器产品556（双极型）和7556（CMOS型）。

8.1.1555定时器的电路结构1.分压器2.比较器3.RS锁存器4.三极管放电开关5.输出缓冲器组成：VCC+-∞VC1C1+-∞VC2C2&&QQOUT5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCOVCOVi1Vi2V′oRDVoTD8.1.2定时器的逻辑功能1）Vi1>2/3VCC

Vi2>1/3VCCVo=02）Vi1<2/3VCC

Vi2<1/3VCCVo=13）Vi1<2/3VCC

Vi2>1/3VCCVo不变当RD=1时：VCC+-∞VC1C1+-∞VC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCOVCOVi1Vi2V′oRDVoTDQ的高低确定TD

管是否导通。特点：555定时器能在很宽的电源电压范围内工作，并可承受较大的负载电流。双极型555定时器的电源电压范围为5~16V，最大的负载电流达200mA。CMOS型7555定时器的电源电压范围为3~18V，但最大负载电流在4mA以下。称TH为高电平触发端；TR低电平触发端。8.2施密特触发器施密特触发器(SchmittTrigger)逻辑符号及电压传输特性VoVoHVoLVT-VT+Vi0ViVo同相输出施密特触发电路当输入信号高于VT+时,电路处于一个稳定状态;当输入信号低于VT-时,电路处于另一个稳定状态;当输入信号处于两触发电平之间时,其输出保持原状态不变。VT+称作为上触发电平或正向阈值电压;VT-称作为下触发电平或负向阈值电压;ViVo反相输出施密特触发电路VoVoHVoLVT-VT+Vi0特点：1）有两个稳定状态VOH和VOL,但稳态要靠输入电平来维持；2）具有滞回电压传输特性.当输入信号高于VT+时,电路处于一个稳定状态;当输入信号低于VT-时,电路处于另一个稳定状态;当输入信号处于两触发电平之间时,其输出保持原状态不变。8.2.1用555定时器构成施密特触发电路1.电路组成Vo8462153555VCCViVoVCC+-∞VC1C1+-∞VC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTD··Vi2.工作原理当Vi<1/3VCC时,VO=VOH2)当1/3VCC<Vi<2/3VCC时,VO

保持，VO=VOH3)当Vi>2/3VCC时,VO=VOL首先分析输入电压Vi由0逐渐升高的过程。VoVCC+-∞VC1C1+-∞VC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTD··Vi4)当1/3VCC<Vi<2/3VCC时,VO

保持，VO=VOL5)当Vi<1/3VCC时,VO=VOH其次分析输入电压Vi从2/3VCC逐渐开始下降的过程。VoVCC+-∞VC1C1+-∞VC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTD··ViVit2/3VCC1/3VCC0VOt0VOHVOLVT+=2/3VCCVT-=1/3VCCΔVT=VT+

－VT-=1/3VCC例：下列电路图为由555定时器构成的施密特触发电路。（1）当R为无穷大时，试根据Vi输入波形画出输出波形；（2）欲使△VT=6V，则R应取多大？10V5VVOt0Vit015VR=5KΩ解：（1）（2）VoVCC(15V)+-∞VC1C1+-∞VC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDViRVR2VR18.2.2集成施密特触发电路由于施密特触发电路的应用非常广泛，集成施密特触发电路的种类较多，有施密特非门74HC/HCT14、CC40106，施密特与非门74HC/HCT132、CC4093等。CC40106阈值电压数值表

8.2.3施密特触发电路的应用1.波形变换ViVo

带反相器VitVOtVT+VT-00可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为同频率的矩形脉冲。2.脉冲整形ViVo

带反相器VitVOtVT+VT-00可以适当调节施密特触发器的回差电压，得到整齐的矩形脉冲。3.幅度鉴别ViVo

带反相器VitVOtVT+VT-00可以通过调整电路的VT+和VT-，将输入信号中幅度超过VT+的脉冲选出，幅度较小的脉冲消除，所以具有幅度鉴别能力。8.3单稳态触发电路

单稳态触发电路特点：电路有一个稳定状态，一个暂稳定状态。在没有外界触发信号作用时，电路处于稳定状态；在外界信号作用下，电路由稳态转换为暂稳态，经过一段时间，电路自动返回到稳定状态。单稳态触发电路常用于脉冲的整形、定时和延时。8.3.1由555定时器构成的单稳态触发电路1.电路组成8462153555VCCVoVi7RCC∙

∙

∙

VoVCC+-∞VC1C1+-∞VC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDVCViR0.1μVoVCC+-∞VC1C1+-∞VC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDVCViR0.1μ

未加入负触发脉冲,当Vi为高电平１并稳定一段时间后，Q端一定为1(Q为0)，Vo为低电平的稳定状态;(为什么)2.工作原理1)稳态VoVCC+-∞VC1C1+-∞VC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDVCViR0.1μ

当Vi来一个较短的负脉冲后,Q端改变状态，Vo由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态。而后经过一段时间后(这时Vi已返回1)，Q自动返回到0的状态，即电路恢复到原来的稳态Vo为低电平。(为什么)2)暂稳态3.工作波形图VoVCC+-∞VC1C1+-∞VC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDVCViR0.1μVitVCt00VOt02/3VCCtwtw4.输出脉冲宽度估算输出脉冲宽度tw：就是暂稳期的持续时间，它等于电容电压Vc从0上升到2/3Vcc所需时间。tw=RC×lnVcc-0Vcc-2/3Vcc=RC×ln3≈1.1RC■Vi的负脉冲宽度要小于tw

■输出脉冲宽度仅取决于外接定时元件R和C的数值，而与电源电压无关VitVCt00VOt02/3VCCtwtw

例：下图为由5G555构成的单稳态触发电路，电路在t=0时刻处于稳态：（1）根据Vi的波形图画出Vc和Vo波形（假设Vi的负脉冲宽度小于RC）；

（2）如在下图555定时器的5脚和1脚间并接一只10K的电阻，试说明输出波形会发生怎样的变化?Vit015V10VVCt0VOt0twtw解:(1)(2)tw等于电容电压Vc从0上升到1/2Vcc（即7.5V）所需时间。VOVCC(15V)+-∞VC1C1+-∞VC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDVCViR0.1μVR2VR1C8.3.2用施密特触发电路构成单稳态触发电路ViVoCRVR1.电路结构2.工作原理(1)稳态：输入Vi=0，VR=0时，输出VO=VOH;(2)暂稳态：当幅度为VDD（>VT+）的正触发脉冲加到电路输入端时,电路状态翻转,VO=VOL，进入暂稳态。随着对电容C的充电，VR按指数规律下降，当下降到略低于VT-时，电路状态再次翻转，返回到原来的稳态，输出VO=VOH。VitVRt00VOt0VT+twVT-ViVoCRVRVitVRt00VOt0VT+twVT-■Vi的正脉冲宽度应大于tw

3.工作波形图输出脉冲宽度tw：VR从初始值VDD下降到VT-所需要的时间。tw=RCln(VDD/VT-)8.3.3集成单稳态触发电路

根据电路工作特性不同，集成单稳态触发电路分为不可重复触发和可重复触发两种。(a)不可重复触发单稳态触发电路工作波形

(b)可重复触发单稳态触发电路工作波形1&≥1RICXRXCXA1A2BRextCextRxcx3459101161QQ功能表A1A2BQQ0×101×0101××00111×01111110××074121是不可重复触发单稳态触发电路1.不可重复触发单稳态触发电路

1&≥1RICXRXCX3459101161QQVCCCext1&≥1RICXRXCX3459101161QQCextRextVCC两种连接方法：tw≈0.7RCext

（R为Rint或者Rext）2.可重复触发单稳态触发电路74122是一种可重复触发单稳态触发电路74122功能表

74122的定时电阻、电容连接方式与74121相同，但输出脉冲宽度tw为：tw≈0.32RCext

需要注意的是，74122是可重复的触发单稳态触发电路，只要在输出脉冲结束之前，重新输入触发信号，就可以方便地延长输出脉冲的持续时间。

8.3.4单稳态触发电路的应用1.脉冲整形ViV0tt001&≥1RICXRXCX3459101161QQCextRextVCCViVo2.脉冲的延时1&≥1RICXRXCX3459101161Q1QC1R1VCCVi1&≥1RICXRXCX3459101161Q2QC2R2(1)(2)VoVCCt0Vit0t0tw1tw1tw2tdQ1Vo1&≥1RICXRXCX3459101161Q1QC1R1VCCVi1&≥1RICXRXCX3459101161Q2QC2R2(1)(2)VoVCC3.脉冲的定时1&≥1RICXRXCX3459101161QQCRVCCViVoVB&10tVi0tQ0tVB0tVO一个测频的例子8.3.5单稳态触发电路的Verilog描述例：不可重复触发单稳态触发电路的Verilog代码moduleVrnonretrigger(CLK,TRIGGER,CLR,DELAY,Q);parameterWIDTH=4;inputCLK,TRIGGER,CLR;input[WIDTH-1:0]DELAY;outputregQ;reg[WIDTH-1:0]COUNT;always@(posedgeCLKornegedgeCLR)beginif(!CLR)COUNT<=4'b0;elseif((TRIGGER==1'b1)&&(COUNT==4'b0))COUNT<=DELAY;elseif(COUNT==4'b0)COUNT<=4'b0;elseCOUNT<=COUNT-1'b1;endalways@(*)beginif(COUNT!=4'b0)Q<=1'b1;elseQ<=1'b0;endendmodule

首先测试复位信号CLR，如果它有效，则计数器立刻清零；如果复位信号无效，则寻找一个时钟脉冲的上升沿。接下来检测触发信号TRIGGER状态，如果触发信号在计数值为0（即前一个输出脉冲已结束）期间的任意时刻触发，那么将脉冲宽度的值置数到计数器中。通过检查计数值是否递减到0来测试输出脉冲是否结束：如果为0，那么计数器不用翻转而保持0状态不变，如果不为0，那么它必须计数，在下一个时钟脉冲时减1。最后产生输出脉冲信号。例：可重复触发单稳态触发电路的Verilog代码moduleVrretrigger(CLK,TRIGGER,CLR,DELAY,Q);parameterWIDTH=4;inputCLK,TRIGGER,CLR;input[WIDTH-1:0]DELAY;outputregQ;reg[WIDTH-1:0]COUNT;regTRIG_WAS;always@(posedgeCLKornegedgeCLR)beginif(!CLR)COUNT<=4'b0;elseif((TRIGGER==1'b1)&&(TRIG_WAS==1'b0))beginCOUNT<=DELAY;endelseif(COUNT==4'b0)COUNT<=4'b0;elseCOUNT<=COUNT-1'b1;endalways@(posedgeCLK)beginif((TRIGGER==1'b1)&&(TRIG_WAS==1'b0))TRIG_WAS<=1'b1;if(TRIGGER==1'b0)TRIG_WAS<=1'b0;endalways@(*)beginif(COUNT!=4'b0)Q<=1'b1;elseQ<=1'b0;endendmodule8.4多谐振荡器

能自行产生具有一定频率和一定脉宽的矩形脉冲的电路。

多谐振荡器没有稳态，有两个暂稳态。且两暂稳态之间的相互转换都不需要外加触发信号，而是靠电路本身完成的。8.4.1用555定时器构成多谐振荡器VoVCC+-∞VC1C1+-∞VC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDR1.01μR2C8472153555VCCVo6R1C0.01uf∙

∙

∙

∙

R21.电路组成VoVCC+-∞VC1C1+-∞VC2C2&&QQ5kΩ5kΩ5kΩG1G2G3117265843DTRTHCORDTDR1.01μR2CVCt0VOt02/3VCC1/3VCCT1T2TT1=(R1+R2)Cln2T2=R2Cln22.工作原理占空比：正脉宽T1与周期T之比T1R1+R2q=T=R1+2R2Q=0,TD截止,VCC→R1→R2→C充电,VC按指数规律上升;2)当VC略大于2/3VCC，输出Vo

由1转换为0；4)当VC降至略低于1/3VCC，输出Vo由0