第9章 脉冲信号

1、学习要点：学习要点： 多谐振荡器、单稳态触多谐振荡器、单稳态触 发器、施密特触发器、施密特触 发器发器的工作原理及逻辑功能。的工作原理及逻辑功能。 555定时器的工作原理及逻辑功能。定时器的工作原理及逻辑功能。 由由555定时器构成单稳、多谐、施密特触定时器构成单稳、多谐、施密特触 发器发器的方法。的方法。第六章第六章 脉冲波形的产生和整形脉冲波形的产生和整形概述概述 6.2 单稳态触发器单稳态触发器6.1 多谐振荡器多谐振荡器6.3 施密特触发器施密特触发器6.4 555定时器的原理和应用定时器的原理和应用概述概述 数字电路区别于模拟电路的主要特点之数字电路区别于模拟电路的主要特点之 一是：

2、一是：它的工作信号是离散时间的脉冲信号。最常用它的工作信号是离散时间的脉冲信号。最常用的脉冲信号是方波的脉冲信号是方波(矩形波矩形波)。如何产生方波以及。如何产生方波以及对不理想的方波如何整形，是本章讨论的重点。对不理想的方波如何整形，是本章讨论的重点。脉冲波形的获取：脉冲波形的获取：1）利用脉冲信号产生器直接产生；）利用脉冲信号产生器直接产生；2）对已有的信号进行变换，使之满足系统的要求。）对已有的信号进行变换，使之满足系统的要求。脉冲信号的产生与整形电路脉冲信号的产生与整形电路:单稳态触发器单稳态触发器多谐振荡器多谐振荡器 施密特触发器施密特触发器脉冲波形的获取：脉冲波形的获取：1）利用脉

3、冲信号产生器直接产生；）利用脉冲信号产生器直接产生；2）对已有的信号进行变换，使之满足系统的要求。）对已有的信号进行变换，使之满足系统的要求。1. 环形多谐振荡器环形多谐振荡器 利用逻辑门电路的传输延迟时间，将奇利用逻辑门电路的传输延迟时间，将奇数个与非门首尾相接，就可以构成一个简数个与非门首尾相接，就可以构成一个简单的环形振荡器单的环形振荡器:&321vo3vo2vo1 9.1 多谐振荡多谐振荡器器能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。&321vo3vo2vo1 设设 vo3 的初始状态为的初始状态为0:010101 用波形图

4、来表示用波形图来表示,则为则为:0tvo2优点优点: 电路结构简单电路结构简单,所用元件少。所用元件少。缺点缺点: 频率太高频率太高, 且不可调整。且不可调整。f=(1/6)tpd0tvo10tvo3tpdT=6tpd1. 环形多谐振荡器环形多谐振荡器321vo3vo2vo1 在该电路的基础上添加在该电路的基础上添加RC延时电路延时电路,便可以克服上述不足便可以克服上述不足: 下面将结合它的工作波形说明其工作原理下面将结合它的工作波形说明其工作原理:v1vo1vo2RC0tvo10tvo20tvo20tvAVT假设：开始时假设：开始时v1=1电容上的放电电容上的放电电流，电流，vA下降下降vA

5、VT时，时，vo1不翻转不翻转。v1vo1vo2RCA1012. 多谐振荡器多谐振荡器11第二暂稳态。第二暂稳态。0tvo10tvo20tvo20tvAVT当当vA=VT时，时，vo1翻转翻转，vo2也翻转。也翻转。1v1vo1vo2RC010A1第二暂稳态结束，电第二暂稳态结束，电路进入第一暂稳态。路进入第一暂稳态。0tvo10tvo20tvo20tvAVT 由于电容电压不能由于电容电压不能 突变突变,当当vo2 发生下跳发生下跳时时,vA有一突变。有一突变。Vv1vo1vo2RCA0 0111第一暂稳态。第一暂稳态。0tvo10tvo20tvo20tvAVTVvo1vo2，电容充，电容充电

6、电,vA上升。上升。只要只要vAtw时，时，V02的输出边沿的输出边沿变缓，可在其输入端加入微分电路。变缓，可在其输入端加入微分电路。rewttT11minuiCuA11uo2RG1G2uo1VDDC1R1电路的改进电路的改进当当ui的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个个RC微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门时，由于门G1被被ui封住了，会使封住了，会使uo2的下降沿变缓。的下降沿变缓。 14 13 12 11 10 9 874122 1 2 3 4 5 6 7(b) 74122 的引脚排

7、列图 TR- TR-B TR+A TR+B RD Q GND Rext/CextVCC NC Cext NC Rin QTR-A、TR-B是两个下降沿有是两个下降沿有效的触发信号输入端，效的触发信号输入端，TR+A、TR+B是两个上升沿有效的触是两个上升沿有效的触发信号输入端。发信号输入端。Q和是两个和是两个状态互补的输出端。状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext、Rin3个引出端是供外接个引出端是供外接定时元件使用的，外接定时定时元件使用的，外接定时电阻电阻R（R=5k50k）、）、电容电容C（无限制）的接法与（无限制）的接法与74121相同。相同。RD为直接复位为直接复位输入端，低

8、电平有效。输入端，低电平有效。当定时电容当定时电容C1000pF时，时，74122的输出脉冲宽度：的输出脉冲宽度：tp0.32RCRext/Cext、Cext是是外接定时电阻和外接定时电阻和电容的连接端，电容的连接端，（R=1.4k40k）接在）接在VCC和和Rext/Cext之间，之间，（C=10pF10F）接在）接在Cext（正）和（正）和Rext/Cext之间。之间。74121内内部已设置了一个部已设置了一个2k的定时电阻，的定时电阻，Rin是其引出端，是其引出端，使用时只需将使用时只需将Rin与与VCC连接起来连接起来即可，不用时则即可，不用时则应将应将Rin开路。开路。 2 集集 成

9、成 单单 稳稳 态态 触触 发发 器器 (a) 74121 的引脚排列图 14 13 12 11 10 9 8 74121 1 2 3 4 5 6 7 Rext/Cext VCC NC NC Cext Rin NC Q NC A1 A2 B Q GND A1、A2是两个下降沿是两个下降沿有效的触发信号输入有效的触发信号输入端，端，B是上升沿有效是上升沿有效的触发信号输入端。的触发信号输入端。Q和是两个状态互补和是两个状态互补的输出端。的输出端。74121的输出脉冲宽度：的输出脉冲宽度：tp0.7RC74121的输出脉冲宽度：的输出脉冲宽度：tp0.7RCA1、A2是两个下降沿有效是两个下降沿有

10、效的触发信号输入端，的触发信号输入端，B是是上升沿有效的触发信号输上升沿有效的触发信号输入端。入端。Q和是两个状态互和是两个状态互补的输出端。补的输出端。该电路属于不可重复触发该电路属于不可重复触发的触发器。的触发器。可重复触发式可重复触发式单稳态触发器的输出波形：单稳态触发器的输出波形：tWtWBQ 这种单稳可以通过加重复触发脉冲增大这种单稳可以通过加重复触发脉冲增大输出脉冲的宽度输出脉冲的宽度,所以所以,可用于检测失落脉冲。可用于检测失落脉冲。3 . 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用 单稳的应用多种多样单稳的应用多种多样,如如:整形、延整形、延时控制、定时顺序控制等等。时控制、定时顺序

11、控制等等。 1).定时定时uo&uiuAuo(a) 电路示意图(b) 波形图单稳态触发器uououiuAtp3 . 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用 2).延时延时利用单稳可以取得延时作用利用单稳可以取得延时作用,延长的时间可以延长的时间可以通过通过 R、C调节。调节。3).方波发生器（多谐振荡）方波发生器（多谐振荡）P3624).消噪声消噪声 P3635).整形整形uiuotpQAQCQBQDCPCLRRS0S1QAQCQBQDCPCLRRS0S1ABCDEFGH7 4 L S 1 9 4 ( 1 )7 4 L S 1 9 4 ( 2 )R2C2AQ2R1C1AQ1B+ 5V移位

12、输入移位输入DW1DW2时钟时钟7 4 L S 1 9 4-四位双向移位寄存器四位双向移位寄存器CPABCDEFGHQ 1Q 2t0t1t2t3用波形图表示如下用波形图表示如下:CPABCDEFGHQ 1Q 2t0t1t2t3用波形图表示如下用波形图表示如下:移位寄存移位寄存器清零器清零H灯上升灯上升沿触发沿触发Q1Q1的下降的下降沿触发沿触发Q2移位寄存移位寄存器串行输器串行输入为入为1循环重循环重新开始新开始 9.3 施密特触发器施密特触发器ViVi2R1R2Vo2Vo11。起始。起始Vi=0，Vo2=1 Vi2=0， Vo1=0 ， 2. Vi =VT时时,由于由于 Vo1=0 ,所以状

13、态不变所以状态不变. Vi 使得使得Vi 2=VT时时, Vo1=1 , Vo2=0(翻转翻转).此时此时 Vi 2=R2/(R1+R2) Vi = VT所以所以 Vi =(1+R1/R2) VT 10010110ViVi2R1R2Vo2Vo1 3. Vi =VT时时,翻转翻转 Vo2=1 , Vo1=0.正向增长的阈值：正向增长的阈值： VT- = VT VT+ =(1+R1/R2) VT负向增长的阈值负向增长的阈值回差电压：回差电压： VT = VT+ - VT- =(R1/R2) VTVT+VT-VIVO01010uoui(b) 逻辑符号(a) 传输特性uiuoUTUT+0下限阈值电压下

14、限阈值电压上限阈值电压上限阈值电压回差电压（滞回电压）：回差电压（滞回电压）：VT VTVT三、施密特触发器的应用：三、施密特触发器的应用：1、波形的整形及变换，利用回差、波形的整形及变换，利用回差电压的选择来控制波形。电压的选择来控制波形。2、幅度鉴别：、幅度鉴别：3、多谐振荡器：、多谐振荡器：(a) 40106 的引脚排列图 14 13 12 11 10 9 840106 1 2 3 4 5 6 7VDD 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y VSS 14 13 12 11 10 9 84093 1 2 3 4 5 6 7(b) 4093 的引脚排列图VD

15、D 3A 3B 3Y 4Y 4B 4A 1A 1B 1Y 2Y 2B 2A VSS(a) 7414 的引脚排列图 14 13 12 11 10 9 87414 1 2 3 4 5 6 7VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND 14 13 12 11 10 9 874132 1 2 3 4 5 6 7(b) 74132 的引脚排列图VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND9.4 555定时器的原理和应用定时器的原理和应用 555定时器是集模拟电路和数字电路于定时器是集模拟电路和数字电路于 一体一体的电子

16、器件。它使用方便的电子器件。它使用方便, ,带负载能力较强带负载能力较强, , 目目前得到了非常广泛的应用。前得到了非常广泛的应用。1。 555定时器的工作原理定时器的工作原理 555定时器的内部电路包括以下几部分定时器的内部电路包括以下几部分 : 一个由三个相等电阻组成的分压器一个由三个相等电阻组成的分压器 两个电压比较器两个电压比较器: A1、A2 一个一个 RS 触发器触发器 一个反相器和一个晶体管一个反相器和一个晶体管T 具体的具体的 结构见后图。结构见后图。1 1、555定时器工作原理定时器工作原理触发输入触发输入控制电压控制电压复位端复位端电平有效电平有效放电端放电端4.516V输

17、出输出接地接地RSQQ+-A1A2VCCTHCOTRDTuoRD87645321RRRuo电源电源放电放电阈值阈值控制电压控制电压复位复位输出输出触发触发地地555定时器的原理电路图定时器的原理电路图分压器分压器比较器比较器: C1、C2RS 触发器触发器 反相器和晶体管反相器和晶体管RSQQ+-A1A2VCCTHCOTRDTuoRD87645321RRR 三个电阻三个电阻构成的分压器构成的分压器给给 两个比较器两个比较器提供提供基准电压基准电压: A1 的为的为 2VCC / 3 , A2 的为的为 VCC / 3 。 首先讨论上图中首先讨论上图中加彩色部分加彩色部分的的电路的工作原理。电路

18、的工作原理。101000阈值端阈值端触发端触发端THTRRS比较的结果比较的结果2VCC / 3小于小于2VCC / 3小于小于VCC / 3大于大于VCC / 3小于小于VCC / 3大于大于大于大于2VCC / 3SR+-A1A2VCCTHCOTR876521RRR阈值端阈值端触发端触发端RSQQ+-A1A2VCCTHCOTRDTuoRD87645321RRR晶体管晶体管TRSQuo100100保持保持0110保持保持保持保持导通导通截止截止RSQ1001000101保持保持 保持保持Q11禁止禁止禁止禁止RS 触发器功能表触发器功能表 综合以上的分析结果综合以上的分析结果,便可得到便可得

19、到555的功能表的功能表:阈值端阈值端触发端触发端THTR2VCC / 3VCC / 3大于大于大于大于2VCC / 32VCC / 3VCC / 3VCC / 3小于小于小于小于小于小于大于大于保持保持保持保持RD晶体管晶体管Tuo0111001导通导通导通导通截止截止RSQQ+-A1A2VCCTHCOTRDuoRD87645321RRRT同高出低同高出低同低出高同低出高不同保持不同保持复位复位VCC / 32VCC / 3vIvO同高出低同高出低同低出高同低出高不同保持不同保持v I1v I2ttCR1uc8 47 3 6 5552 5 10.01FuoVCCR2ucuotttP1tP20

20、VCC/32VCC/30(a) 电路(b) 工作波形2 2、由、由555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器接通接通VCC后，后，VCC经经R1和和R2对对C充电。当充电。当uc上升到上升到2VCC/3时，时，uo=0，T导通，导通，C通过通过R2和和T放电，放电，uc下降。当下降。当uc下降到下降到VCC/3时，时，uo又由又由0变为变为1，T截止，截止，VCC又经又经R1和和R2对对C充电。如此重复上述过程，充电。如此重复上述过程，在输出端在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。产生了连续的矩形脉冲。CR1uc8 47 3 6 5552 5 10.01FuoVCCR2ucuotttP1t

21、P20VCC/32VCC/30(a) 电路(b) 工作波形第一个暂稳态的脉冲宽度 tp1，即 uc从 VCC/3充电上升到 2VCC/3所需的时间：tp10.7(R1+R2)C第二个暂稳态的脉冲宽度tp2，即uc从2VCC/3放电下降到VCC/3所需的时间：tp20.7R2C振荡周期：Ttp1tp20.7(R12R2)CC1R1uo18 47 3 6 5552 5 10.01Fuo1VCCR2(a) 电路(b) 工作波形C2R3uo28 47 3 6 5552 5 10.01Fuo2R4C将振荡器将振荡器的输出电压的输出电压uo1，接到振荡器，接到振荡器中中555定时器的复定时器的复位端（位端

22、（4脚），当脚），当uo1为高电平时振荡器为高电平时振荡器振荡，为低电平时振荡，为低电平时555定时器复位，振荡器定时器复位，振荡器停止震荡。停止震荡。3 由由555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器CRui8 47 3 6 5552 5 10.01FuoVCCuiuotttP00(a) 电路(b) 工作波形uct02VCC/3输出脉冲宽度 tp。 tp1.1RCCRui8 47 3 6 5552 5 10.01FuoVCCuiuotttP00uct02VCC/3接通接通VCC后瞬间，后瞬间，VCC通过通过R对对C充电，当充电，当uc上升到上升到2VCC/3时，时，比较器比较器C

23、1输出为输出为0，将触发器置，将触发器置0，uo0。这时。这时Q=1，放电管，放电管T导导通，通，C通过通过T放电，电路进入稳态。放电，电路进入稳态。ui到来时，因为到来时，因为uiVCC/3，使，使C20，触发器置，触发器置1，uo又由又由0变变为为1，电路进入暂稳态。由于此时，电路进入暂稳态。由于此时Q=0，放电管，放电管T截止，截止，VCC经经R对对C充电。虽然此时触发脉冲已消失，比较器充电。虽然此时触发脉冲已消失，比较器C2的输出变为的输出变为1，但充，但充电继续进行，直到电继续进行，直到uc上升到上升到2VCC/3时，比较器时，比较器C1输出为输出为0，将触发，将触发器置器置0，电路

24、输出，电路输出uo0，T导通，导通，C放电，电路恢复到稳定状态。放电，电路恢复到稳定状态。4 由由555定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+VCCuiuott00(a) 电路(b) 工作波形+VCC1uouCOUT+UT2VCC/3VCC/3控制电压调节回差（1）当 ui0 时，由于比较器 C1=1、C2=0，触发器置 1，即 Q1、0Q，uo1uo1。ui升高时，在未到达 2VCC/3 以前，uo1uo1 的状态不会改变。Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+VCCuiuott00(a) 电路(b) 工作波形+VCC1uo

25、uCOUT+UT2VCC/3VCC/3控制电压调节回差（1）当 ui0 时，由于比较器 C1=1、C2=0，触发器置 1，即 Q1、0Q，uo1uo1。ui升高时，在未到达 2VCC/3 以前，uo1uo1 的状态不会改变。（2）ui升高到 2VCC/3 时，比较器 C1输出为 0、C2输出为 1，触发器置 0，即Q0、1Q，uo1=uo=0。此后，ui上升到 VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3 以前，uo1uo0 的状态不会改变。Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+VCCuiuott00(a) 电路(b) 工作波形+VCC1uouCOUT+UT2VCC/3VCC/3控制电压

26、调节回差（1）当 ui0 时，由于比较器 C1=1、C2=0，触发器置 1，即 Q1、0Q，uo1uo1。ui升高时，在未到达 2VCC/3 以前，uo1uo1 的状态不会改变。（2）ui升高到 2VCC/3 时，比较器 C1输出为 0、C2输出为 1，触发器置 0，即Q0、1Q，uo1=uo=0。此后，ui上升到 VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3 以前，uo1uo0 的状态不会改变。（3）ui下降到 2VCC/3 时，比较器 C1输出为 1、C2输出为 0，触发器置 1，即 Q1、0Q，uo1=uo=1。此后，ui继续下降到 0，但 uo1uo1 的状态不会改变。4.3.3 施密特触

27、发器的应用施密特触发器的应用CMOSMOC 等正弦波振荡器11(a) 慢输入波形的 TTL 系统接口(b) 整形电路的输入、输出波形输入输出UT+UT1输入输出UT+UT(c) 幅度鉴别的输入、输出波形(d) 多谐振荡器CRucuouo 6.4.2 555定时器的应用定时器的应用(1). 双稳态触发器双稳态触发器: 微电机起动停车控制电路。微电机起动停车控制电路。4816235S2S1RRCVCCTHTRuoM微电机微电机555S1 : 起动按钮起动按钮S2 : 停车按钮停车按钮4816235S2S1RRCVCCTHTRM微电机微电机555uo阈值端阈值端触发端触发端THTR大于大于大于大于小

28、于小于小于小于小于小于大于大于保持保持保持保持RD晶体管晶体管Tuo0111001导通导通导通导通截止截止VCC /32VCC /3VCC /32VCC /32VCC /3VCC /3 仅仅按下按下起动按钮起动按钮 S1 , 则则 TR VCC / 3 ; 未按未按 S2 , 当然当然 TH VCC / 3 , TH 2VCC / 3 , 未按未按 S1 , 当然当然TR VCC / 3 , 这时这时 uo = 0 , 电机停止运行电机停止运行。 如果松开如果松开 S2 , 电机仍电机仍不转动不转动 。(2). 单稳态触发器单稳态触发器:48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS0t

29、0t0tuiuCTuo2VCC /3TWRSQQ+-A1A2VCCTHCOTRDuoRD87645321RRRT48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS若若S打开打开 , 则则 ui = 1 ;若若S合上合上 , 则则 ui = 0。0tuiTH 2VCC /3 , TR VCC /3 按钮按钮 S 处于打开状态时：处于打开状态时：uo = 0 , 555内的管内的管T导通导通 , 电容电容 CT 被短路被短路, TH =0.3V 。0tuCT2VCC /30tuo48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS0tui0tuCT2VCC /30tuo按一下按一下 S , TR

30、 VCC ,已有已有 TH 2VCC /3 , 且且已已 有有 TR VCC /3 , uo = 0 ; 555内的晶体管内的晶体管T也由截也由截止变成导通止变成导通 , 电容电容CT 迅速迅速放电而变成放电而变成 0V。0tui0tuCT2VCC /30tuo48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS0tui0tuCT2VCC /30tuo 由以上过程可以看出由以上过程可以看出 : 按钮每按动一次按钮每按动一次 , uo 便输便输出一个正脉冲出一个正脉冲,其宽度其宽度 TW 由由 RT CT 决定决定 。48162357uouiVCCRRTCTDTHTRSJJ红红白白D1D2按一下

31、按一下按钮按钮 S未按未按uo0J的线圈的线圈不通电不通电J 的结点的结点不动作不动作红灯红灯 白灯白灯亮亮灭灭1通电通电闭合闭合亮亮灭灭白灯亮的时间即为曝光时间白灯亮的时间即为曝光时间 TWTW = 1.1 RT CT洗相曝光定时器：洗相曝光定时器：（延时灯控制电路）（延时灯控制电路）(3). 多谐振荡器多谐振荡器:48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC0tuouC0tVCC /32VCC /3首先说明如何用首先说明如何用555 定时器构成多谐振荡器定时器构成多谐振荡器:输出波形输出波形RSQQ+-A1A2VCCTHCOTRDuoRD87645321RRRT48162357

32、R1R2CuC555DTHTRuoVCC 设电容设电容C 原先未充电原先未充电, 故故 TH = TR 2VCC /3 , 立即立即 uo = 0 , 同时同时555内的管内的管 T 导通导通,电容电容 C 经经 R2 7# T1# 放电放电, 一直至一直至VCC /3 , 使得使得uo 回到回到 1 , 进入循环进入循环 .t1t2t348162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC0tuouC0tVCC /32VCC /3T1T2输出方波的输出方波的周期周期 T的计算的计算:T = T1 + T2 = 0.7 ( R1 + 2R2 ) C 48162357R1R2CuC555DTH

33、TRuoVCC0tuouC0tVCC /32VCC /3T1T248162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC如何改变方波的占空比？如何改变方波的占空比？改变充放电回路的时间常数！改变充放电回路的时间常数！48162357R1C555uoVCCR21R28S8S1简易电子琴电路图简易电子琴电路图简易电子琴就是通过改变简易电子琴就是通过改变R2 的阻值来改变输出的阻值来改变输出方波的周期方波的周期 , 使外接的喇叭发出不同的音调使外接的喇叭发出不同的音调 。简易电子琴电路：简易电子琴电路：(4). 施密特触发器施密特触发器（温度控制电路）（温度控制电路）全高出低全高出低全低出高全低出高不同保持不同保持回差电压：回差电压： UT = UT+ - UT- = 2VCC /3 -VCC /3 = VCC /3 48162357R1R2CuC555DTHTRuoVCC48162357uouiVCCRRTCTDTHTRS单稳态触发器单稳态触发器多谐振荡器多谐振荡器 施密特触发器施密特触发器555定时器的应用定时器的应用本节小结：施密特触发器是一种能够把输入波施密特触