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脉冲信号的基本参数脉冲信号的基本参数 单稳态触发器单稳态触发器 施密特触发器施密特触发器 555555定时器定时器 脉冲波形的产生和整形 多谐振荡器多谐振荡器 数字电路常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡 峭边沿的脉冲信号，如触发器就需要时钟脉冲（CP）。 脉冲信号产生要用多谐振荡器。 本章将介绍常用的施密特触发器、单稳态触发器和 多谐振荡器，同时重点介绍一种多用途的定时电路 555定时器。 获取这些脉冲信号的方法通常有两种： 直接产生； 利用已有信号整形或变换得到。 脉冲信号整形则要用单稳态触发器和施密特触发器 本章基本内容本章基本内容 一、脉冲信号的定义 （不对称方波） 三角波： 锯齿波： 微分窄脉冲： 脉冲信号的基本参数脉冲信号的基本参数 按非正弦规律变化的信号均可称脉冲信号。 方波： （对称方波） 二、脉冲信号的参数 q=TW/T 占空比 Tw T Vm v 0 t T 脉冲周期 f=1/T 频率 Tw 脉冲宽度 Vm 幅值 脉冲信号的基本参数脉冲信号的基本参数 施密特触发器施密特触发器 施密特触发器特点： （1）输出有两种状态（输出为数字信号）； （2）输入采用电平触发（输入为模拟信号）； （3）对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值 电平（VT+和VT-）。 什么是施密特触发器？ 施密特触发器是具有滞回特性的数字逻辑门。 （ 模拟电路中，叫滞回比较器） （4）在状态转换时，通过电路内部的正反馈过程，使输出 电压波形的边沿变得很陡。 施密特触发器施密特触发器 逻辑符号 同相传输反相传输 施密特触发器的电压传输特性 施密特触发器施密特触发器 施密特同相器 输入输出波形 利用施密特触发器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变换为边沿很陡 的矩形脉冲信号。 G1、G2为CMOS门电路。电路中R1R2 。 由由门电路构成的施密特触发器门电路构成的施密特触发器 施密特触发器电路构成 工作原理分析 （1） 当vI=0V时，vO1 VDD ， vO 0V， vI 0V； 0100 vO 输出，为施密特同相器； vO1 输出，为施密特反相器； 由由门电路构成的施密特触发器门电路构成的施密特触发器 （2）当vI升高时，vI 也升高。当vI 达到1/2VDD时，G1、G2 输出状态将发生翻转。此时对应的vI值称为VT+。 （3）当vI大于VT+时，电路转到另一稳态：vO1 0V ，vO VDD 。 VT+=1/2VDD 0 10100 （4）当vI由高变低时，vI 也由高变低。当vI 1/2VDD 时，电路又将发生转换。此时对应的vI称为VT。 由由门电路构成的施密特触发器门电路构成的施密特触发器 （5）当vI小于VT时，电路转到另一稳态：vO1 VDD ， vO 0V。 01 10 VT =1/2VDD 施密特触发器工作波形 vI VT+ VT- 0 t 0 t vO1 0 t vO 由由门电路构成的施密特触发器门电路构成的施密特触发器 vO 输出， 施密特同相器； vO1 输出， 施密特反相器； 施密特触发器施密特触发器 应用举例应用举例 1.用于脉冲整形 施密特触发器施密特触发器 应用举例应用举例 2.用于脉冲鉴幅： 将幅度大于VT+的脉冲选出。 施密特触发器施密特触发器 应用举例应用举例 3.用于构成多谐振荡器 （重点） P487 接通电源以后，因为电容上的初始电压为零，所以 输出为高电平，并开始经电阻R向电容C充电。 有两种状态：0态和1态，但只有一种状态作为稳态可以 长久保持，故名单稳态触发器。 单稳态触发器的特点： （1）有稳态和暂稳态两种状态； （2）平时处于稳态，在外部触发脉冲作用下，由稳态进入 暂稳态；暂稳态维持一定时间后自动回到稳态。 （3）暂稳态维持时间的长短取决于电路本身，与触发脉冲 的宽度和幅度无关。 单稳态触发器单稳态触发器 什么是单稳态触发器？ 单稳态触发器主要有以下三类： （1）微分型单稳态触发器 （2）积分型单稳态触发器 （3）集成单稳态触发器 74121 单稳态触发器的分类单稳态触发器的分类 门电路+RC微分电路微分型单稳态触发器 G1、G2为CMOS或非门，vO1、vO分别为G1、G2的输出 ，vI2为G2输入。 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 电路组成 RC微 分电路 触发脉冲 1.单稳态触发器的稳态 触发器的稳态为 vO1 VDD，vO 0V。此时，电容 两端的电压相等，无充放电。 工作原理分析 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 稳态时，无触发脉冲输入，vI 为低电平，C 没有充放电 ，相当于断开。 0 10 0 1 作用：改善vO1、 vO边沿。 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 1 1 0 0 1 暂稳态：vO1= 0V，vO VDD 2.当vI 加一正脉冲时，由稳态进入暂稳态。 这里有一正反馈现象： 工作原理分析（续） 0 10 0 1 vIvO1vI2vO 3. 暂稳态自动回到稳态 作用：改善vO1、 vO边沿。 随着VDD通过电阻向电容C的充电，vI2逐渐上升，当vI2 上升到VT时，vO 0V ，vO1 VDD ，电路回到稳态。 正反馈现象： 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 010 VT 0 0 11 0 工作原理分析（续） vO1vI2vO 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 工作波形分析 VT 充电的时间即 暂稳态维持的 时间tW 1.暂稳态维持时间Tw 电容C充电电压方程： 参数计算 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器 将VC（0）0V，VC（）VDD，T=RC 代入上式得 ： 当vC（t）=VT=1/2VDD时，t=Tw，代入上式可求得 ： VT TwTre 单稳态触发器单稳态触发器应用应用 (1) 用于整形 单稳态触发器的主要应用是整形、定时和延时。 （2）脉冲延时 单稳电路的延时作用 如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳电路来实现 。 uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间。 （3）脉冲定时 单稳态触发器能够产生一定宽度tw的矩形脉冲，利用这 个脉冲去控制某一电路，则可使它在tw时间内动作(或者不 动作)。 脉冲定时 控制电路用于产生窄脉冲。当输入满足以下条件时， 控制电路产生窄脉冲： （1）若A1、A2中至少有一个为0时，B由01； 74LS121的原理框图 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 微分型单稳态 触发器 输出缓冲 （2）若B=1，A1、A2中至少有一个由10。 74LS121内部结构和逻辑符号 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 74LS121的功能表 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 两种不同接法 正脉冲触发 负脉冲触发 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 可重复触发的概念 单稳态触发器单稳态触发器 不可重复触发工作波形 可重复触发工作波形 10.4 10.4 多谐振荡器多谐振荡器 1多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。 2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，无需外触发。 只要一上电 就会自动产生矩形脉冲。 3输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的 谐波分量，故称作多谐振荡器。 电路组成及工作原理 1 1 G2G1 R C vO1vO2 vI1 由门电路构成多谐振荡器由门电路构成多谐振荡器 （1） 设电路的初态为vO1=1, vO2=0，这种状态下不可能持 久维持； 10 01 （2）通过vO1RCvO2向C充电，使vI1不断上升； （3）当vI1VT时，G1输出低电平，G2输出高电平，即 vO1=0， vO2=1。 工作原理 1 1 G2G1 R C vO1vO2 vI1 由门电路构成多谐振荡器由门电路构成多谐振荡器 （4） vO1=0， vO2=1这个状态也不能持久； 1001 （5）通过vO2CRvO1对电容C反向充电，vI1逐步减少； （6）当vI1VT时，G1输出高电平， G2输出低电平，即又回 到vO1=1，vO2=0的状态。 （7）周而复始产生方波。 工作波形 1 1 G2G1 R C vO1vO2 vI1 由门电路构成多谐振荡器由门电路构成多谐振荡器 T1T2 t vO1 0 t vO2 0 vI1 t 0 石英晶体振荡器 前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点是振荡 频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC参数 误差的影响。 在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号 来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号的 频率不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面 讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须要采用 频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。 石英晶体的阻抗频率特性图 石英晶体具有很好 的选频特性。当振荡信 号的频率和石英晶体的 固有谐振频率fo相同时， 石英晶体呈现很低的阻 抗，信号很容易通过， 而其它频率的信号则被 衰减掉。 因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中 就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决 于石英晶体的固有谐振频率fo，而与RC无关。 石英晶体振荡器电路 在对称式多谐振荡器的基础上，串接一块石英 晶体，就可以构成一个石英晶体振荡器电路。该电 路将产生稳定度极高的矩形脉冲，其振荡频率由石 英晶体的串联谐振频率fo决定。 目前，家用电子钟几乎都采用具有石英晶体振荡 器的矩形波发生器。由于它的频率稳定度很高，所以 走时很准。 通常选用振荡频率为32768HZ的石英晶体谐振器， 因为32768215，将32768HZ经过15次二分频，即可得 到1HZ的时钟脉冲作为计时标准。 为数字模拟混合集成电路。 可产生精确的时间延迟和振荡，内部有3个 5K的电阻分压器，故称555。 在波形的产生与变换、测量与控制、家用电 器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。 10.5 10.5 555555定时器及其应用定时器及其应用 双极型5G555定时器的逻辑图。由电压比较器C1和C2、 电阻分压器、G1和G2组成的基本RS触发器、集电极开路 的放电管V和输出缓冲级G3 、G4三部分组成。 5 5 55 5 5定时器定时器 vI1 vI2 （1） 电阻分压器 由3个5k的电阻R组成，为电压比较器C1和C2 提供基准电压。 （2） 电压比较器 C1和C2。当UU时， UC输出高电平，反之 则输出低电平。 CO为控制电压输入端。 当CO悬空时，UR12/3VCC，UR21/3VCC。 当COUCO时，UR1UCO，UR21/2UCO TH称为高触发端，TR 称为低触发端。 （3） 基本RS触发器 其置0和置1端为低电平有效触发。 R是低电平有效的复位输入端。 正常工作时，必须使R处于高电平。 （4） 放电管T T是集电极开路的三极管。相当于一个受控电子开关。 输出为0时，T导通，输出为1时，T截止。 接上拉电阻和电源后成为三极管反相器，可代替非门G4。 （5）缓冲器 缓冲器由G3和G4构成，用于提高电路的负载能力。 555定时器的功能表 555555定时器的工作原理定时器的工作原理 + C1 2/3VCC vI1 + C2 1/3VCC vI2 截 止100Vcc /32 Vcc /3 1 不 变不 变11Vcc /32 Vcc /3 1 导 通010Vcc /32 Vcc /3 1 截 止101Vcc /32 Vcc /3 1 导 通0 0 N1状态vOvI2 正端vI1 负端 RD 输 出 输 入 正端大，输出为高；负端大，输出为低。 用用555555构成的施密特触发器构成的施密特触发器 电路结构 施密特反相器 2/3Vcc 1/3Vcc vI 0 t vO 0 t （1）当vI1/3Vcc时， Q=1，vO=1； （2）当1/3Vcc vI2/3Vcc时， Q=1，vO=1； （3）当 vI2/3Vcc时， Q=0，vO=0； （4）当1/3Vcc vI2/3Vcc时， Q=0，vO=0； （5）当vI1/3Vcc时，Q=1，vO=1； 原理分析 用用555555构成的施密特触发器构成的施密特触发器 主要参数 用用555555构成的施密特触发器构成的施密特触发器 1. 阀值电平 VT+=2/3Vcc VT-=1/3Vcc 2. 回差电压= VT+ VT-=1/3Vcc 用用555555构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器 电路 结构 多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。 两个暂稳态之间的转换，是由电路内部电容的 充、放电作用自动进行的，所以它不需要外加触发 信号，只要接通电源就能自动产生矩形脉冲信号。 用用555555构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器 工作原理 1.上电时，vC=0，得Q=1， N1管截止,vO=1。 3.当vC 2/3VDD时，基本RS触发器被置0，Q=0，N1管导通， vO=0。 2.当VDD通过R1、R2向C充电， vC 逐渐上升; 用用555555构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器 工作原理（续） 5.当vC下降到vC 1/3VDD时，RS 触发器置成1态，Q=1， T1管截止， vO=1。对电容C充电又重新开始。 4.电容C将通过R2和N1管放电， vC逐渐下降； T1T2 工作波形 用用555555构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器 主要参数计算 从占空比q 的表达式可知，占空比始终大于50 。 通过vC的暂态方程，求得： T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C T1=0.7(R1+R2)C T2=0.7R2C 占空比任意可调的 多谐振荡器 用用555555构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器 T1=0.7R1C T2=0.7R2C 用用555555构成的单稳态触发器构成的单稳态触发器 电路结构 vI 0t vC 0t vO 0t TW 2/3Vcc 工作波形 用用555555构成的单稳态触发器构成的单稳态触发器 主要参数 充电的时间即 暂稳态维持的 时间TW 单稳态触发器的应用 （1） 脉冲延时 单稳态触发器的主要应用是整形、定时和延时。 单稳电路的延时作用 如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳 电路来实现。 uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间。 （2）脉冲定时 单稳态触发器能够产生一定宽度tw的矩形脉冲， 利用这个脉冲去控制某一电路，则可使它在tw时间 内动作(或者不动作)。 脉冲定时 假设初态为1；经充电，置0，放电，保持等过程，最后又 回到vO=0V 。 假设初态为0； vO=0V，此状态能长久保持； 结论：接通电源后，不管起始状态如何，最终触发器处 于稳态 vO=0。 用用555555构成的单稳态触发器构成的单稳态触发器 1.稳态如何确定？ 555定时器构成的单稳态触发器 （a）电路 （b）工作波形 工作原理： 稳态为0 低触发有效 ，输出置1 T截止， C充电 高触发， 自动返0 提高基准电压稳 定性的滤波电容 输出脉冲的宽度tw1.1RC。 当触发脉冲uI为高电平时，VCC通过R对C充电， 当TH = uC2/3VCC时，高触发端TH有效， V0置0； 此时，放电管导通，C放电，TH = uC =0。TH 1/3VCC，维持稳态为0状态不变。 此时放电管T截止，VCC通过R对C充电。 当TH = uC2/3VCC时，使高触发端TH有效，置 0状态，电路自动返回稳态，此时放电管T导通。 电路返回稳态后，C通过导通的放电管T放电 ，使电路迅速恢复到初始状态。 工作原理： 当触发脉冲uI下降