内容简介内容简介1.1. 概述概述2.2. 单稳态触发器单稳态触发器3.3. 施密特触发器施密特触发器4.4. 多谐振荡器多谐振荡器5.5555.555 定时器及其应用定时器及其应用 重点内容重点内容1.1. 多谐振荡器多谐振荡器2.5552.555 定时器工作原理定时器工作原理

第七章脉冲产生与整形电路

教学目标教学目标 :: 理解掌握理解掌握单稳态触发器、施密特触发器、单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器的工作原理，及多谐振荡器的工作原理，及 555555 定时器的定时器的工作原理及使用方法。工作原理及使用方法。

第七章脉冲产生与整形电路

学时安排：学时安排： 6 6 学时学时 课后作业课后作业 : : 7.57.5 、、 7.127.12 、、 7.137.13

第七章脉冲产生与整形电路

7.1 概述1. 脉冲信号 : 脉冲信号是指一种持续时间极短的电压或电流波形，如图所示。 图（ a ）是方波，图（ b ）是矩形波，图（ c ）是尖顶脉冲， 图（ d ）是锯齿波，图（ e ）是钟形脉冲。它们都可以通称为“脉冲信号”。

脉冲波形的不同形状

7.1 概述2. 在数字电路中，要控制和协调整个系统的工作，常常需要时钟脉冲（ CP ）信号，获得这种矩形脉冲的方法：一是利用多谐振荡器直接产生，二是通过整形电路变换得到。多谐振荡器可通过门电路、石英晶体或集成 555 定时器三种方式构成。整形电路可分为施密特触发器或单稳态触发器，它们可以使脉冲的边沿变得陡峭，形成满足要求的矩形脉冲，脉冲波形的特性主要用图中所示的参数来描述。

　 描述矩形脉冲的主要参数

7.2单稳态触发器 单稳态触发器也有两个状态：一个是稳定状态，另一个是暂稳状态。当无触发脉冲输入时，单稳态触发器处于稳定状态；当有触发脉冲时，单稳态触发器将从稳定状态变为暂稳定状态，暂稳状态在保持一定时间后，能够自动返回到稳定状态。

7.2单稳态触发器1 、电路组成 如下图所示。门 G1 的输出经微分电路 RC 接到门 G2 的输入端，门 G2 的输出直接耦合到 G1 的输入端。电路处于稳态时， ui 为高电平， u01 为低电平，为了使 u02 可靠为高电平，对于 TTL 芯片 74LS00 应选择 R ＜ ROFF ，一般取 R ＜ 0.

7KΩ 。但对于 CC4011 的 MOS 门输入阻抗高，外接电阻 R 的大小不会影响其稳态，则不受 ROFF 限制。

7.2单稳态触发器

微分型单稳态触发器(b)

7.2单稳态触发器2 、工作过程 电源接通后，在没有外来触发脉冲时（ uI 为高电平）电路处于稳定状态： uO1= UOL ， uO=UOH 。为此，必须保证

Rd>RON （开门电阻）， R<ROFF( 关门电阻 ) 。根据稳态时的部分电路图所示的等效电路， 非门 G2 的输入 为了讨论方便，假定 uI2 = UOL ， 则此时电容 C 上没有电压。

)(1

12 BECC UURRRU

7.2单稳态触发器

U OLC R

u I2

V 2

V 1

R 1

G 2

U CC

稳态时的部分电路

7.2单稳态触发器二、集成单稳态触发器 集成单稳态触发器分为可重触发型和不可重复触发型两种。不可重触发单稳态触发器，是指在暂稳定时间 tw 之内，若有新的触发脉冲输入，电路不会产生任何反应，如图（ b ）所示。可重触发单稳态触发器，是指在暂稳定时间 tw 之内，若有新的触发脉冲输入，可被新的触发脉冲重新触发，如图（

c ）所示。

图 (a) 触发信号 ui ； (b) 不可重触发输出波形； (c) 可重触发输出波形

ui (a)

(b)

(c)

7.2单稳态触发器1.CMOS 集成单稳态触发器 CC4528B 的引脚图如图所示。

图 (b) CC4528B 引脚图

CC4528B

7.2单稳态触发器 2.TTL 集成单稳态触发器 常用的 TTL 集成单稳态触发器，有不可重触发单稳态触发器 54LS121/74LS121 ， 54LS221/74LS221 ，可重触发单稳态触发器 54LS123/74LS123 ， 54LS122/74LS122 等。 54LS121/7

4LS121 的逻辑符号如图 所示。

(b) 逻辑符号

7.2单稳态触发器三、单稳态触发器应用举例 应用 1. 脉冲整形。 脉冲信号经过长距离传输后，其边沿会变差或叠加了某些干扰，这时可利用单稳态触发器进行整形。将这些受到干扰的脉冲信号 ui 加到单稳态触发器的输入端，输出端便可得到符合要求的矩形脉冲 u0 。如图所示。

图 (a)(b) 脉冲整形电路

74HC121

7.3施密特触发器 施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，利用它可以将正弦波、三角波以及其它一些周期性的脉冲波形变换成边沿陡峭的矩形波。另外，它还可以用作脉冲鉴幅器、比较器。 施密特触发器是一种受输入信号电平直接控制的双稳态触发器。它有两个稳定状态，在外加信号的作用下，只要输入信号变化到某一电平时，电路就从一个稳定状态转换到另一个稳定状态， 而且稳定状态的保持也与输入信号的电平密切相关。下图是这种电路的工作波形。

7.3施密特触发器

t

t0

u I

u O

0U OL

U OH

U T£

U T£«

7.3施密特触发器 一、用门电路组成的施密特触发器 下图所示电路是由 TTL 门电路构成的施密特触发器。 图中， V 为电压偏移二极管， R1 、 R2 为分压电阻，电路的输出通过电阻 R2 进行正反馈。下面我们来分析电路的工作原理。

&u I1

u O11 u O

R 2

VR 1u I

G 2G 1 u O

7.3施密特触发器 假设在接通电源后，电路输入为低电平 uI=UOL ，则电路处于如下状态： uO1=UOH ， uO=UOL 。如果不考虑 G1 门的输入电流， uI1 的电压为：

21

2

21

1

21

2

21

211

)()(

)(

RRRUu

RRRU

RRRUu

URR

RUUuu

DIOLDI

OLOLDI

7.3施密特触发器 其中， UD 为二极管的导通压降。当 uI 上升到门电路的阈值电压 UTH 时，由于 uI1 的电压还低于 UTH ，电路仍然保持这个状态不变； 随着 uI 的继续升高，当

uI1 也上升到 UTH 时，电路将产生如下正反馈过程： uI↑uI1→↑uO1→↓→uO↑

7.3 施密特触发器 结果使电路的状态迅速翻转为： uO1=UOL ， uO=

UOH ，这是电路的另一个稳定状态。那么这一时刻的输入电压 uI 就是电路的正向阈值电压 UT+ ，将 uI=UT+ ， uI1=UTH带入式 9-21 可得：

当 uI 从 UT+再升高时，电路的状态不会发生改变。THDT URRUU )/1( 21

7.3 施密特触发器 当 uI 从高电平下降时，只要下降到 uI=UTH ，由于电路中的正反馈作用，电路状态立刻发生翻转，回到初始的稳定状态。可见，电路的负向阈值电压 UT-=UT

H 。所以该电路的回差电压为 :

因此，通过改变电阻 R1 和 R2 的比值，可以调整回差电压。

THDTTT URRUUUU

2

1

7.3 施密特触发器 二、集成施密特触发器 由于性能稳定，所以在数字系统中集成施密特触发器被广泛采用。目前，各厂家已经生产出多种单片集成的施密特触发器产品。 74LS132 是一种典型的集成施密特触发器， 其内部逻辑图和引脚排列如图 9-25 （ a ）所示。 74LS132内部包括四个相互独立的两输入施密特触发器，每一个触发器都是以基本的施密特触发电路为基础，在输入端增加了与的功能， 在输出端增加反向器，所以我们将其称为施密特触发的与非门， 其逻辑符号如图（ b ）所示

7.3 施密特触发器

(b )

&Y

A

B

(a )

1 2 3 4 5 6 7A 1 B 1 Y 1 A 2 B 2 Y 2 GND

& &

14 13 12 11 10 9 8

& &

U CC A 4 B 4 Y 4 A 3 B 3 Y 3

集成施密特触发器 74LS132

(a) 74LS132 的引脚排列和内部逻辑图(b) (b) 施密特触发与非门的逻辑符号

7.3 施密特触发器 74LS132 的输出信号 Y与输入信号中 A 、 B 只要有一个低于施密特触发器的负向阈值电平，输出 Y 就是高电平；只有当 A 、 B同时高于正向阈值电平时，输出 Y才为低电平。在使用 +5 V 电源的条件下，集成施密特触发器 74LS132 的正向阈值电平 UT+=1.5～ 2.0

V ，负向阈值电平 U T-= 0.6～ 1.1 V ，回差电压 ΔUT的典型值为 0.8 V 。

7.3 施密特触发器 三、施密特触发器的应用1． 波形变换 利用施密特触发器在状态转换过程中的正反馈作用， 可以将边沿变化缓慢的周期性信号（如正弦波、 三角波等）变换成边沿陡峭的矩形脉冲。在图中，施密特触发器的输入是一个直流分量和正弦分量相叠加的信号，只要输入信号的幅度大于施密特触发器的正向阈值电压

UT+ ，在触发器的输出端就可得到相同频率的矩形波。

7.3 施密特触发器

t0

u O

t0

u I

1u Ou I

U T£«

U T£

7.3 施密特触发器 2． 脉冲整形 矩形波经过传输后波形往往会发生畸变， 其中比较常见的有图所示的三种情况： （ a ）矩形波的边沿变缓； （ b ）在矩形波的边沿处产生振荡； （ c ）矩形波被叠加上干扰。无论哪一种情况，只要设置好合适的 UT+ 和 UT- ，均能获得满意的整形效果。 1

u Ou I

0

u O

t

t0

u I

U T£«U T£

( a )

1u Ou I

0

u O

t

0

u I

(b )

t

U T£«U T£

7.3 施密特触发器

0

u O

t

0

u I

(c )

t

U T£«U T£

1u Ou I

3． 脉冲幅度鉴别 利用施密特触发器的输出取决于输入幅度的特点，可以将其用作脉冲幅度鉴别电路。如图所示，在施密特触发器的输入端输入一系列幅度不等的矩形脉冲，根据施密特触发器的特点， 对应于那些幅度大于 UT+ 的脉冲，电路有脉冲输出；而对于幅度小于 UT+ 的脉冲，电路则没有脉冲输出，从而达到幅度鉴别的目的。

7.3 施密特触发器

1u Ou I

t

U T£«

0

u I

t0

u O

7.4 多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，能自动地产生矩形脉冲。由于输出的矩形波中含有很多谐波分量，故称它为多谐振荡器，又称方波发生器。 一、对称多谐振荡器 1.由 CMOS六反相器 CC4009UB 构成的多谐振荡器，如图所示。图中两个反相器之间经 C1 和 C2 耦合形成正反馈回路。合理选择 RF1 和 RF2 使 G1 、 G2 工作在传输特性的转折区，这时， G1 和 G2 都工作在放大区。由于 G1 、 G2 的外电路对称，因此，又称其为电容反馈式对称多谐振荡器。

电容反馈式对称多谐振荡器

7.4 多谐振荡器 2. 工作过程电路的工作波形如图所示。

电容反馈式对称多谐振荡器的工作波形

7.4 多谐振荡器 3. 振荡周期的计算： 取 RF1=RF2=RF ， C1=C2=C ， UTH=1.4V ， UOH=3.6V ， UOL=0.3V ，则： T=2tw≈1.4RF·C 二、环形振荡器 由三个非门构成的环形振荡器 (即方波发生器 ) 如图所示。

(a)(b) 环形振荡器及其工作波形(a) (b)

7.4 多谐振荡器三、石英晶体多谐振荡器 石英晶体的等效电路、电路符号、阻抗频率特性分别如图 (a)(b)(c) 所示。

(a) 石英晶体等效电路 (b) 石英晶体电路符号 (c) 石英晶体的频率特性

7.5 555定时器及其应用一、 555 定时器的电路结构与功能 : 尽管 555 定时器产品的型号繁多， 但它们的电路结构、功能及外部引脚排列都是基本相同的。在 Philips公司生产的 555 定时器的结构图中， 它主要由三个阻值为 5 kΩ 的电阻组成的分压器、 两个高精度的电压比较器 C1 和 C2 、基本 RS 触发器以及一个作为放电通路的晶体三极管 V 组成。为了提高电路的驱动能力， 在输出级又增加了一个非门 G 。 在结构图中，引脚旁的数字为 8 引脚封装的 555 定时器产品的引脚编号。

7.5 555定时器及其应用

1G

(3)u O

£«

£ C 1

5 k U R1(5)

(6)¿ØÖƵçѹuIC

ãÐÖµÊäÈëuI1

5 k

(8)

U CC µçÔ´

R

£«

£ C 2

U R2

(2)´¥·¢ÊäÈëu I2 S

5 k

(1)

(7)Ou放电端

&

R D ¸´Î»

(4)

&

Q

Q

&

V

7.5 555定时器及其应用二、 555 时基集成电路的分类555 时基集成电路按内部元件分类，可分为 TTL 型 555（电源电压为 4.5V~5V ）和 CMOS 型 555 （电源电压为 2V~18V ）两大类，按芯片内包含的定时器的个数可分为单时基定时器 555 和双时基定时器 556 两种类型。按封装分类又可分为 8 脚 T0~99 型， 8 脚双列直插型和 14 脚双列直插型三种 .

8 脚 TO~99型 8 脚双列直插型 556 双进基电路的封装

7.5 555定时器及其应用三 . 555 时基集成电路的功能无论是日立公司产的 HA17555 （日本），莫托罗拉（美国）公司产的 MCI555 ，还是上海无线电十四厂产的 C

H7555/GH7556 ，其功能表均如表所示。UURR （（ 44 脚） 脚） UUTHTH （（ 66 脚） 脚） UUTRTR （（ 22脚）脚） OUT(uOUT(u00) ) （（ 33 脚）脚） 放电端放电端 DD （（ 77 脚）脚）

0 X X0 X X1 1 ＞ ＞ 2/3 U2/3 UDDDD ＞ ＞ 1/3 U1/3 UDDDD

1 1 ＜ ＜ 2/3 U2/3 UDDDD ＞ ＞ 1/3 U1/3 UDDDD

1 1 ＜ ＜ 2/3 U2/3 UDDDD ＜ ＜ 1/3 U1/3 UDDDD

0000保持原状态不变保持原状态不变11

对地导通对地导通对地导通对地导通保持原状态不变保持原状态不变与地断开与地断开

555 时基集成芯片功能表

7.5 555定时器及其应用 定时器 555 芯片是一种用途广泛的多功能集成电路，只需要外接少量的 R 、 C元件就可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等。由于 555 定时器有较好的带负载能力，使用方便灵活，因此，获得广泛的应用如下表所示。

7.5 555定时器及其应用

小 结 数字系统中所需要的脉冲信号，一是由脉冲发生器直接产生，二是通过整形电路将已有的周期性波形变换成矩形波。单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器是脉冲产生与变换中的常用三种电路。 单稳态触发器的显著特点是：在无外加信号时，它工作于稳态，只是在触发脉冲信号作用下才由稳态翻转为暂稳态。经过一段时间后，它又自动返回稳态。单稳态触发器输出脉冲宽度 (即暂稳态时间 )由电路定时参数 R 、 C决定，而与输入触发信号无关。单稳态触发器可用脉冲整形 ( 对脉冲信号的宽度、幅度进行变换 ) 、定时与延时。 多谐振荡器不需要外加输入信号，只要接通电源就能自行产生矩形脉冲信号，其输出脉冲频率由电路参数 R 、 C决定，在要求脉冲频率稳定性要求高的场合应采用石英晶体多谐振荡器。 施密特触发器输出有两个稳态。输入信号上升到上限阈值UT+ 时，输出从一个稳态转换到另一稳态，下降到下限阈值UT- 时，输出又转换到第一状态。上、下阈值不同，具有回差电压 UT 。