第八章 脉冲产生与整形 波形变换电路 脉冲产生电路 施密特触发器 集成定时器 小结

第八章 脉冲产生与整形 本章将介绍常用的脉冲变换、整形和产生电路——单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器和多用途的555定时器。 重点: 第八章 脉冲产生与整形 本章将介绍常用的脉冲变换、整形和产生电路——单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器和多用途的555定时器。 重点: 脉冲电路的分析、 微分型单稳态触发器、 晶体振荡器、 555定时器。

第一节 波形变换电路 一、RC积分与微分电路 输出电压不能突变，电容C两端电压逐步升高。 积分电路应满足条件： 第一节 波形变换电路 一、RC积分与微分电路 输出电压不能突变，电容C两端电压逐步升高。 积分电路应满足条件： τ= RC >>tW 适当选取RC电路的时间常数，利用电容极板间的储能变化，可实现信号的积分与微分。 A Y R C RC微分电路 电路 波形 RC积分电路 电路 波形 A Y C R tW tW 微分电路应满足条件： τ= RC <<tW

第一节 波形变换电路 二、单稳态触发器的工作原理 输入信号A负跳变时，电路状态发生变化，称为触发。 1 1 回顾： 基本RS触发器 第一节 波形变换电路 二、单稳态触发器的工作原理 输入信号A负跳变时，电路状态发生变化，称为触发。 1 1 回顾： 基本RS触发器 & G1 Q RD G2 SD Q RD 1 1 1 当RD=SD=1时，Q可处于1或0的状态，它具有两个稳定状态，因而称为双稳态触发器。 B R C 1 1 A Q B 暂稳态 A=1 1 1 接入电阻R，使B点为低电平。 触发后，A很快回到高电平， 当A=1时，由于B=0，因此Q=1，Q=0。电路工作在稳定状态。 当A负跳变时， 单稳态 触发器 G1门输出为高电平，Q由0变为1。 Q维持1，电阻电压逐步下降。 B跟随Q上升， B点电压下降，达到阈值电压以下时，Q翻转回1，Q翻转为0。 Q由1变为0。

第一节 波形变换电路 单稳态触发器的一般特性: 1. 只有一个稳态，另有一个暂稳态。 2．何时翻转到暂稳态取决于输入信号。 第一节 波形变换电路 单稳态触发器的一般特性: 1. 只有一个稳态，另有一个暂稳态。 2．何时翻转到暂稳态取决于输入信号。 3．何时翻转回稳态取决于电路参数R与C。 tA 单稳态 触发器 A Q tW 稳态 暂态

第一节 波形变换电路 参数计算： 1．tW——暂稳态时间 运用“三要素法” B点初始电压 UB(0+)=UDD B点终了电压 UB(∞)=0 第一节 波形变换电路 参数计算： 1．tW——暂稳态时间 运用“三要素法” B点初始电压 UB(0+)=UDD B点终了电压 UB(∞)=0 时间常数 τ=RC 忽略电路中其他电阻的影响 可得B点电压瞬时值

第一节 波形变换电路 参数计算： 设门电路的阈值电压为UTH，则 UTH= UDD 若 UTH=(1/2)UDD 第一节 波形变换电路 参数计算： 设门电路的阈值电压为UTH，则 UTH= UDD 若 UTH=(1/2)UDD 则 tW ≈0.7τ=0.7RC

第一节 波形变换电路 参数计算： 2．tre ——恢复时间 tre=(3~5)τre 式中τre为电容放电的时间常数。 第一节 波形变换电路 参数计算： 2．tre ——恢复时间 tre=(3~5)τre 式中τre为电容放电的时间常数。 忽略门电路输入电阻的影响，τre=RC 3． fmax——最高工作频率 fmax≤

第一节 波形变换电路 讨论： 1．若采用TTL门电路，为保证稳态时门2输入低电平， 第一节 波形变换电路 讨论： 1．若采用TTL门电路，为保证稳态时门2输入低电平， 电阻R必须小于关门电阻Roff，如标准74系列应小于700Ω。采用 CMOS 电路无此限制。 2．为减小恢复时间tre，可在R上并联一个二极管，给电容C提供放电回路。 3．若输入脉冲过宽（tA＞tW），电路工作可能不正常， 可在输入端另加一RC微分电路，形成窄输入脉冲。 4．采用或非门电路同样可以构成单稳态触发器。 5. 反馈环节也可采用RC积分电路。

第一节 波形变换电路 三、集成单稳态触发器 可重复触发型 集成单稳态触发器 不可重复触发型 不可重复触发 可重复触发

第一节 波形变换电路 1. TTL双单稳态触发器74221 74221内部有一个2kΩ的电阻可供使用。若不用内电阻则需外接。无论何种接法，暂稳态时间均为   tW=0.7RC

第一节 波形变换电路 2. CMOS双单稳态触发器4538 4538是可重复触发的单稳态触发器。 Rx的最小值为5kΩ，Cx的最小值为0。

第一节 波形变换电路 四、单稳态触发器应用举例 （一）定时 单稳态触发器输出端控制一个与门，在tW时间内与门输出CP脉冲。 CP Q A A 第一节 波形变换电路 四、单稳态触发器应用举例 （一）定时 单稳态触发器输出端控制一个与门，在tW时间内与门输出CP脉冲。 CP A Q Y CP A Q Y

第一节 波形变换电路 四、单稳态触发器应用举例 （二）CPU“看门狗”电路 第一节 波形变换电路 四、单稳态触发器应用举例 （二）CPU“看门狗”电路 由可重复触发特性，只要定时间隔小于暂稳态时间，单稳态触发器就可连续输出高电平，系统工作正常；当“死机”发生后，单稳态触发器因得不到连续触发而输出低电平，系统复位，进入初始化程序。

第二节 脉冲产生电路 预备知识： 脉冲产生是将电源提供的能量，转换成按一定规律变化的脉冲信号。 下降时间 Tf 脉冲周期 脉冲宽度 上升时间 第二节 脉冲产生电路 预备知识： 脉冲产生是将电源提供的能量，转换成按一定规律变化的脉冲信号。 下降时间 Tf 脉冲周期 脉冲宽度 典型脉冲参数 典型脉冲波形 tW T tW T 上升时间 Tr tw/T=1/2时，脉冲称为方波。

第二节 脉冲产生电路 一、多谐振荡器 常被称为多谐振荡器 两个稳定状态 没有稳态 一个稳态和一个暂稳态 & 基本RS触发器 & 1 1 1 第二节 脉冲产生电路 常被称为多谐振荡器 一、多谐振荡器 & G1 Q RD G2 SD 基本RS触发器 & G1 Q RD 1 G2 SD & G1 Q RD 1 G2 SD B R C A R C 1 B R C 单稳态电路 无稳态电路 两个稳定状态 没有稳态 一个稳态和一个暂稳态

第二节 脉冲产生电路 对称多谐振荡器 电路有两种工作过程： 正反馈过程 和暂稳态过程 正反馈过程 暂稳态过程:C1C2充放电 暂稳态过程 第二节 脉冲产生电路 电路有两种工作过程： 正反馈过程 和暂稳态过程 对称多谐振荡器 正反馈过程 Q C1 C2 R2 G1 G2 R1 A B & G1 Q RD 1 G2 SD B R C A Q C1 C2 R2 G1 G2 R1 A B 暂稳态过程:C1C2充放电 暂稳态过程 正反馈过程： uA uQ 达到阈值电压 uB uQ 正反馈过程 uA

第二节 脉冲产生电路 其他常用多谐振荡器 对于含有RC元件的脉冲电路，关键是电容的充放电，而关键连接点就是与电容相连的门电路的输入端。 第二节 脉冲产生电路 其他常用多谐振荡器 环形振荡器 R C1 CMOS环形振荡器 改进的环形振荡器 对于含有RC元件的脉冲电路，关键是电容的充放电，而关键连接点就是与电容相连的门电路的输入端。 奇数个非门接成环形，可形成各点电平高低的交替变化。 但非门的平均传输延迟时间过短，且不稳定，故实用中常加入RC电路。

第二节 脉冲产生电路 二、晶体振荡器 石英晶体谐振器具有极高的稳定性，用它作为谐振元件做成的晶体振荡器的频率稳定度可优于10－9。 等效电路 第二节 脉冲产生电路 二、晶体振荡器 石英晶体谐振器具有极高的稳定性，用它作为谐振元件做成的晶体振荡器的频率稳定度可优于10－9。 等效电路 CP C L R 频率特性 fP fS f X 电路符号

第二节 脉冲产生电路 二、晶体振荡器 C1只起耦合作用， 其值应取得大一些。 工作在串联谐振频率 多谐振荡器电路 石英晶体多谐振荡器 Q 第二节 脉冲产生电路 C1只起耦合作用， 其值应取得大一些。 二、晶体振荡器 Q C1 C2 R2 G1 G2 R1 A B Q C1 C2 R2 G1 G2 R1 A B 工作在串联谐振频率 多谐振荡器电路 石英晶体多谐振荡器

第三节 施密特触发器 一、特性与原理 施密特触发器是具有电压滞后特性的数字传输门。 其特点如下： 第三节 施密特触发器 一、特性与原理 施密特触发器是具有电压滞后特性的数字传输门。 其特点如下： 1. 输入电平的阈值电压由低到高为 ，由高到低为 ，且 ＞ ，输出的变化滞后于输入，形成回环。 2. 施密特触发器属于“电平触发”型电路，不依赖于边沿陡峭的脉冲。

第三节 施密特触发器 施密特触发器的电压传输特性 输入电压减小 输入电压增加 输入电压增加 施密特触发器的回环特性 输入电压减小 第三节 施密特触发器 施密特触发器的电压传输特性 输入电压减小 输入电压增加 UOH UOL UT+ UT- O uO uI UOH UOL UT+ UT- O uO uI 反向传输特性 同向传输特性 输入电压增加 施密特触发器的回环特性 输入电压减小

第三节 施密特触发器 施密特触发器的输入输出波形图 反向传输 同向传输 UT+ UT- O uI t UOH UOL uO UT+ UT- 第三节 施密特触发器 施密特触发器的输入输出波形图 UT+ UT- O uI t UOH UOL uO UT+ UT- O uI t UOH UOL uO 反向传输 同向传输

第三节 施密特触发器 施密特触发器符号： 具有施密特触发器特性的电路： 1. 带有正反馈的运算放大器 比较的基准电压： 第三节 施密特触发器 施密特触发器符号： 1 具有施密特触发器特性的电路： uO uI Rf R1 UP 1. 带有正反馈的运算放大器 比较的基准电压： UP总是与uO同相、与uI反相，因而形成回差。

第三节 施密特触发器 2. 带有电平偏移的基本RS触发器 & Q R S 1 uI - + U

第三节 施密特触发器 二、施密特触发器应用举例 1. 波形变换 将一周期性信号变换为矩形波，其输出脉冲宽度tW可通过改变进行调节ΔUT。 Δ 第三节 施密特触发器 二、施密特触发器应用举例 t UOH UOL O uO UT+ UT- uI 1. 波形变换 将一周期性信号变换为矩形波，其输出脉冲宽度tW可通过改变进行调节ΔUT。 Δ t Δ = － tw

第三节 施密特触发器 二、施密特触发器应用举例 2. 信号整形 将不规则的信号波形整成矩形脉冲。 uI UT+ UT- t uO UOH 第三节 施密特触发器 二、施密特触发器应用举例 t UOH UOL O uO UT+ UT- uI 2. 信号整形 将不规则的信号波形整成矩形脉冲。

第三节 施密特触发器 二、施密特触发器应用举例 阴影部分电压大于UT+ 3. 幅度鉴别 第三节 施密特触发器 二、施密特触发器应用举例 t UOH UOL O uO UT+ UT- uI 阴影部分电压大于UT+ 3. 幅度鉴别 施密特触发器的输出状态取决于输入信号的电压值，因此可用作幅度鉴别。

第三节 施密特触发器 二、施密特触发器应用举例 4. 构成多谐振荡器 由施密特触发器构成的多谐振荡器如上图所示，其原理请同学自行分析。 1 第三节 施密特触发器 二、施密特触发器应用举例 4. 构成多谐振荡器 1 uO R C 由施密特触发器构成的多谐振荡器如上图所示，其原理请同学自行分析。

第四节 集成定时器 双极型: 驱动能力较强 555定时器 CMOS: 功耗低，最低工作电压小， 输入电阻高 第四节 集成定时器 双极型: 驱动能力较强 555定时器 CMOS: 功耗低，最低工作电压小， 输入电阻高 555电路是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5kΩ电阻而得名。 555定时器外接适当的电阻、电容能方便地构成多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等。 流行的产品主要有4个，BJT两个：555和556（含有两个555），CMOS两个：7555和7556（含有两个7555），现以CMOS集成定时器7555为例介绍其结构与功能。

第四节 集成定时器 一、CMOS集成定时器7555的结构 基本RS触发器 电源 复位端 分压器:由三个等值电阻R串联而成 高电平触发 输出端 第四节 集成定时器 基本RS触发器 电源 一、CMOS集成定时器7555的结构 复位端 分压器:由三个等值电阻R串联而成 高电平触发 输出端 UDD R 8 4 7555 G1 1 R 8 7 6 5 1 G2 T Q ≥ 1 6 C1 C2 3 TH OUT CO 5 7 D TR 2 1 2 3 4 C1、C2是两个电压比较器 驱动器和放电开关 1 控制电压端 低电平触发 地 放电端

第四节 集成定时器 二、CMOS集成定时器7555的工作原理 当 ＝L时， 反相器G1输出高电平， 所以Q为低电平， OUT=L。 第四节 集成定时器 二、CMOS集成定时器7555的工作原理 当 ＝L时， 反相器G1输出高电平， TR 1 8 UDD 4 R 2 5 CO 6 TH 3 OUT 7 D Q ≥ 1 G1 G2 T C1 C2 所以Q为低电平， OUT=L。 1 1 使G2输入为高电平， T管导通。 此时称为复位。 假设D端通过 电阻接到正电源， 则D端为低电平。

第四节 集成定时器 二、CMOS集成定时器7555的工作原理 当 ＝H 时， 清零失效 1. TH>2UDD/3， 第四节 集成定时器 二、CMOS集成定时器7555的工作原理 当 ＝H 时， TR 1 8 UDD 4 R 2 5 CO 6 TH 3 OUT 7 D Q ≥ 1 G1 G2 T C1 C2 清零失效 1. TH>2UDD/3， 2. TH <2UDD/3， >UDD/3； 1 则C1输出为1， Q=0， OUT=0。 1 C1输出为0； C2输出为0； T导通。 1 电路的输出 状态与 无关， 所以 为任意 输入×。 触发器保持 原状态不变。

第四节 集成定时器 二、CMOS集成定时器7555的工作原理 当 ＝H 时， 清零失效 3. TH<2UDD/3， 第四节 集成定时器 二、CMOS集成定时器7555的工作原理 TR 1 8 UDD 4 R 2 5 CO 6 TH 3 OUT 7 D Q ≥ 1 G1 G2 T C1 C2 当 ＝H 时， 清零失效 3. TH<2UDD/3， <UDD/3， C1=0； 1 C2=1， 1 Q=1，T管截止， OUT=1。 1 OUT=1 称为电路置位或置“1”

第四节 集成定时器 7555功能表 ☓ ☓ ☓ TH(6) (2) (4) OUT(3) T管 D(7) L L 导通 L 第四节 集成定时器 7555功能表 TH(6) (2) (4) OUT(3) T管 D(7) ☓ ☓ L L 导通 L ☓ >2UDD/3 L H L 导通 <2UDD/3 >UDD/3 H 不变 不变 不变 <2UDD/3 <UDD/3 H H 截止 H 集成定时器7555的主要参数： 电源电压： UDD= 3～18V 触发电流： < 50pA 复位电流： ≤100pA 输出电压 UOL ≤ 0.1V(UDD=15V, IOL=3.2mA) UOH ≥ 14.8V(UDD=15V, IOH=1mA) 最大功耗 300mW

第四节 集成定时器 三、555电路构成单稳态触发器 清零失效 1 放电 1 触发前 8 4 6 5 2 1 R1 C TR UDD R CO 第四节 集成定时器 三、555电路构成单稳态触发器 TR 1 8 UDD 4 R 2 5 CO 6 TH OUT D Q ≥ 1 G1 G2 T C1 C2 清零失效 R1 1 0.01uF 放电 C 1 触发前

第四节 集成定时器 三、555电路构成单稳态触发器 第四节 集成定时器 当D端uC电压充电到2UDD/3时，比较器C1输出为高电平，Q端为低电平，T管输入为高电平，输出OUT翻转，T管导通。 三、555电路构成单稳态触发器 TR 1 8 UDD 4 R 2 5 CO 6 TH OUT D Q ≥ 1 G1 G2 T C1 C2 R1 C 0.01uF uI(TR) uC(D) uO(OUT) 2UDD/3 暂稳态结束 1 1 1 tre恢复时间 t0 t1 1 tw=1.1RC 2UDD/3 uC t0 触发 暂稳态结束

第四节 集成定时器 三、555电路构成单稳态触发器 单稳态触发器的主要参数 1. 输出脉冲宽度tW 2. 恢复时间tre 第四节 集成定时器 三、555电路构成单稳态触发器 单稳态触发器的主要参数 1. 输出脉冲宽度tW 2. 恢复时间tre C通过T管导通电阻R′放电，经过(3～5)τ放基本结束，所以tre=(3～5) R′C。 3. 分辨时间td td指为保证单稳正常工作允许触发脉冲最小的时间间隔。显然 td= tW＋tre 4. 输出脉冲幅度Um Um决定于输出信号高低电平之差

第四节 集成定时器 四、555电路构成多谐振荡器 脉冲幅度 Um ≈ UDD 第四节 集成定时器 四、555电路构成多谐振荡器 脉冲幅度 Um ≈ UDD uO 555 8 4 5 1 3 7 2 6 0.01uF CO R1 C OUT R UDD R2 D TR TH uC uC uO 0V UDD UDD/3 2UDD/3 第一状态：电容C上开始没有电荷，TR=uC=0V，由功能表知：TH=TR < UDD /3，uO=高电平，T截止，UDD经R1、R2对C充电，是TH逐渐升高。 振荡频率 向C充电 C放电 tW1≈ 0.7(R1 + R2)C 电容C经过R2和T管放电，使得 TH和TR的电压逐步下降，当降到UDD /3时， uO又变高电平， T截止，重新对C充电。回到一态。 第二状态： TH和TR的电压逐步升高，当到达2UDD /3时， uO突变低电平， T导通，电容C经过R2和T管放电。 tW2≈ 0.7R2C

第四节 集成定时器 五、555电路构成锯齿波发生器 六、555电路构成施密特触发器 由同学们自学

小 结 1.从电路结构和工作原理上看，基本RS触发器、单稳态触发器和多谐振荡器具有相似的形式。但由于其反馈电路的不同，致使三者的工作特性具有本质的区别：基本RS触发器具有两个稳态、单稳态触发器具有一个稳态，而多谐振荡器没有稳态。 2. 单稳态触发器和多谐振荡器中暂稳态过程的长短取决于电路的时间常数，暂稳态时间通常是由其自身电路参数决定的，不需要外部施加影响。 3.凡是含有RC元件的脉冲电路，分析的关键就是电容的充放电。 4.施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门，属于“电平触发”型电路，它的翻转不依赖于边沿陡峭的脉冲。

作 业 自我检测：8.2，8.4，8.5，8.8，8.9 思考题： 8.1，8.3，8.5，8.7，8.9 习题： 8.1，8.6，8. 10