脉冲电路课件资料

1、数字电路逻辑设计1第9章脉冲电路在前面各章的讨论中，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），等等。事实上，现代电子系统都离不开脉冲信号。 获取这些脉冲信号的方法通常有两种：直接产生； 利用已有信号变换得到。与产生模拟信号要用模拟振荡器一样，产生脉冲信号要 用脉冲振荡器。 脉冲波形变换则包括脉冲宽度、幅度、相位及上升和下降时间等等的改变，通过变换，使这些特性符合 要求。本章主要介绍一种多用途的定时电路555定时器以及由555定时器构成的脉冲单元电路，如：脉冲变换电路单 稳态触发器和施密特触发器；脉冲产生电路多谐振荡器；。2第9章脉冲电路9.1 概述

2、9.1.1 脉冲电路概念9.1.2 脉冲信号9.1.3 555定时器9.2 施密特触发器9.2.1 555定时器构成的施密特触发器9.2.2 集成施密特触发器9.2.3 施密特触发器的应用9.3 单稳态触发器9.3.1 555定时器构成的单稳态触发器9.3.2 集成单稳态触发器9.3.3 单稳态触发器的应用9.4 多谐振荡器9.4.1 555定时器构成的多谐振荡器9.4.2 石英晶体振荡器39.1 概述9.1.1 脉冲电路概念9.1.2 脉冲信号9.1.3 555定时器49.1.1 脉冲电路概念脉冲电路（P311）脉冲电路是用来产生和处理脉冲信号的电路，主要由两 部分组成：开关元件和惰性电路（

3、RC或RL电路）。其中， 开关元件的通断用来控制电路实现不同状态的转换，它可以 用分立晶体管、场效应管构成，也可以用集成门电路或运算 放大器构成等，目前用得较多的是555定时电路；而惰性电 路则是用来控制暂态变化过程的快慢。常用的有脉冲波形的产生、变换、整形等电路，具体如： 施密特触发器常用于对脉冲波形的整形或变换；单稳态触发 器常用于作为定时电路；多谐振荡器常用于作为数字电路的 触发脉冲。从严格意义上讲，脉冲电路属于模拟电路的范畴，但是 由于脉冲电路与数字电路有着密切的联系，所以在数电课程 中有关脉冲电路的内容常常占有一定的篇幅，主要讨论脉冲的产生和波形变化。59.1.2 脉冲信号（311）

4、脉冲信号（P311）狭义地说，脉冲信号是指一种连续时间极短的电压或电 流波形。但在广义上，凡不具有连续正弦波形状的信号，几 乎都可以通称为脉冲信号。方波矩形波尖顶脉冲锯齿波钟形脉冲图9-1 常见的脉冲波形69.1.2 脉冲信号（311）说明：在实际数字系统中，显然tr 和tf 越小越好。参数定义Vm ：幅度脉冲信号的最大值与最小值之差tr ：上升时间 / 前沿脉冲信号从0.1Vm上升到0.9Vm所需的时间tf ：下降时间/ 后沿脉冲信号从0.9Vm下降到0.1Vm所需的时间T：周期周期性脉冲信号中两个相邻脉冲之间的时间间隔tw：脉冲宽度/ 脉宽脉冲信号从上升至0.5Vm处到又下降到0.5Vm之

5、间的时 间间隔q tw / T：占空比脉冲宽度和脉冲周期的比值（方波：q）脉冲参数（P311P312）0.1Vm0.5Vm0.9VmtrtWtfVmT图9-2 实际的矩形脉冲波形表9-1 实际矩形脉冲的参数79.1.3555定时器555定时器（P312）定时器（timer）也称时基（timebase）电路，是一种将 模拟功能和逻辑功能结合起来的中规模集成电路。由于其功 能灵活，适应性强，构筑电路简单，因此自从1972年第一只 定时器问世以来，在波形产生与变换、测量与控制、以及家 用电器等方面应用非常广泛。目前虽然生产厂商及产品型号 繁多，但其逻辑功能及外部引线排列完全相同，其中555定 时器最

6、为典型。555定时器是一种多用途的单片中规模混合集成电路， 电路体积小，是一种将数字、模拟巧妙结合在一起的芯片。 其使用方便、应用灵活、用途极为广泛，只需要添加有限的 外围元器件，就可以构成许多实用的电子电路，如：施密特 触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等。1、555定时器的组成部分（P312）VCCCOvvI1VREF15KR15KI2vVREF22R5KC1C2OvVTD G1G2R1vOG35627843DSRD8QQ1图9-3 555定时器电路结构1、555定时器的组成部分（P312）。组成部分具体作用电压比较器（C1和C2）比较Vi1和VREF1、Vi2和VREF2的大小，从而控制基

7、本RS触发 器的输出状态。注：当比较器 V+V-时，输出为高电平；否则输出为低电平分压器为比较器C1和C2提供参考电压，通过改变引脚5的接法可以 改变C1和C2的参考电压。基本RS触发器记忆C1和C2的比较结果。泄放三极管（VTD）VTD是集电极开路输出三极管（Q0 时截止， Q1 时导 通），为外接电容提供充、放电回路。反相器（G3）输出缓冲反相器，起整形和提高带负载能力的作用。9表9-2 555定时器的电路组成2、555定时器的基本功能（P313）VCCvCOvI1VREF15K5K1RvI2REF2V2R5K1CC2 OvVTD G1G21OG3562718R43DSDRQQREF2CC

8、CO21132VREF1 3VCC vCOVVvI1CCDI1CCD33v 2V S 0vv 2V S 1I210CCD113vI2 3VCC RD 1vV R 02、555定时器的基本功能（P313）REF1CCREF2CC33V 2V, V 1VRvI1vI2( SD )( RD )(Q)VTDvOLH导通VOLHVREF1VREF201H导通VOLHVREF1VREF210L截止VOHHVREF211保持保持不变11表9-3 555定时器功能表129.2 施密特触发器9.2.1 555定时器构成的施密特触发器9.2.2 集成施密特触发器9.2.3 施密特触发器的应用139.2.1 555

9、定时器构成的施密特触发器施密特触发器（P314）施密特触发器（Schmitt FF）是数字系统中常用的一种 脉冲波形变换电路。它是一种双稳态电路，工作时具有稳态和稳态两个 稳定的工作状态。触发器处于哪一种工作状态，取决于输入 信号电平的高低。当输入信号由低电平逐步上升到某一电平（VT+）时， 电路状态发生一次转换；当输入信号由高电平逐步下降到某 一电平（VT）时，电路状态又会发生转换。注意：两次状态转换时对应的输入电平值是不同的。9.2.1 555定时器构成的施密特触发器图9-4 用555定时器构成的施密特触发器电路1、用555定时器构成的施密特触发器电路（P314）VCCVCC (8)R(4

10、)vCO (5)vI1 (6)vI2 (2)vO (7) (1)vI0.01F(3)vO149.2.1 555定时器构成的施密特触发器2、工作原理（P314315）vCO (5)vI1 (6)vIVREF15KR15KVREF25K1CC2G12G1OvG3VCC (8) R(4)3I20.01Fv(2)R13VCCvI SD 1DR 0Q 0Q 12VTDvO (7)115vO 1稳态9.2.1 555定时器构成的施密特触发器2、工作原理（ P314315 ）vCO (5)vI1 (6)IvVREF15K1R5KVREF25K1C2CG12G1OvG3VCC (8) R(4)3I20.01F

11、v(2)R2133VCCVCC vI SD 1D2VTDvO (7)116R 1保持保持保持9.2.1 555定时器构成的施密特触发器2、工作原理（ P314315 ）vCO (5)vI1 (6)IvVREF15K1R5KVREF25K1C2CG12G1OvG3VCC (8) R(4)3I20.01Fv(2)R23VCCvI SD 0DR 1Q 1Q 02VTDvO (7)117Ov 0稳态189.2.1 555定时器构成的施密特触发器3、工作波形（P314）ICCOCCICCOICCO33331V v 0v 1V v 1 ； v 2V v 保持 ；v 2VvIO2VCC / 31VCC /

12、3OvOtt图9-5 用555定时器构成的施密特触发器工作波形199.2.1 555定时器构成的施密特触发器4、主要参数（P315）T+CC3上限触发电平：V 2VCC3下限触发电平：VT 1VTCC3回差电压：V 1V图9-6 电压传输特性曲线vIvOVOHVTVTVOL0VT209.2.2 集成施密特触发器图9-7CMOS集成施密特触发器电路(a)VTP2VTN1vIVTP1VTN2vOVTN3VDDVTN5VTP5VTN6OvvOCMOS CC40106（P316）VDDVTP6施密特触发器整形缓冲输出vIvO(b)1VTP4VTP3VTN4219.2.2 集成施密特触发器CMOS CC

13、40106（P316）导通截止截止O 1Ov 0vOVOHVDD稳态3VDD VGS(th)NvI0VTP2VTN1vI导通 VTP1VTN2vO vVTN3 导通VDDVTN5VTP5VTN6OvvOVDDVTP6VTP4VTP3 截止VTN4VTP2VTN1vIVTP1VTN2vOVDDVTN5VTP5VTN6OvvOVDDVTP6VTP4VTP3VTN4CMOS CC40106（P316）9.2.2 集成施密特触发器GS(th)N2IDDGS(th)N12V v 1VV截止导通VTN3 导通122V2DDVTP2VTN1vIVTP1vOVDDVTN5VTP5VTN6OvvOVDDVTP6

14、CMOS CC40106（P316）9.2.2 集成施密特触发器DDGS(th)N1IDD2 vV1VV导通23VTN2导通VTN3 导通OvVTP4VTP3 导通VTN4截止Ov 24VTP2VTN1vIVTP1VTN2VTN3VDDVTN5VTP5VTN6OvvOVDDVTP6VTP4VTP3VTN4CMOS CC40106（P316）OvO v9.2.2 集成施密特触发器 0Ov 1vOVOL0V稳态DDGS(th)N1IDD2 vV1VV9.2.2 集成施密特触发器VTP2VTN1vIVTP1VTN2OvVTN3VDDVTN5VTP5VTN6vOvOCMOS CC40106（P316）

15、VDDVTP6VTP4VTP3VTN4T+DDGS(th)N1DDGS(th)P222TV 1VV;V 1V- V259.2.3 施密特触发器的应用1、波形变换（P317）将输入的正弦波、三角波、锯齿波等变换成矩形波输出。图9-8 用施密特触发器实现波形变换269.2.3 施密特触发器的应用1、波形变换（P317）将输入的正弦波、三角波、锯齿波等变换成矩形波输出。图9-8 用施密特触发器实现波形变换27289.2.3 施密特触发器的应用2、脉冲整形（P317）当矩形脉冲经过传输后因以下原因发生畸变而变得不规 则时，可通过施密特触发器的回差特性对其整形，进而获得 比较满意的矩形脉冲波形。传输线上

16、电容较大，波形的上升和下降沿变坏；阻抗不匹配，波形的上升沿和下降沿产生振荡；受到干扰，脉冲波形上叠加有噪声。9.2.3 施密特触发器的应用2、脉冲整形（P317）2930309.2.3 施密特触发器的应用2、脉冲整形（P317）vIt0vO0VTVTt图9-9 用施密特触发器实现脉冲整形319.2.3 施密特触发器的应用2、脉冲整形（P317）32329.2.3 施密特触发器的应用2、脉冲整形（P317）vIt0vOt图9-10 用施密特触发器实现脉冲整形0VTVT9.2.3 施密特触发器的应用2、脉冲整形（P317）339.2.3 施密特触发器的应用2、脉冲整形（P317）vIt0vOt图9

17、-9 用施密特触发器实现脉冲整形0VTVT349.2.3 施密特触发器的应用3、脉冲鉴幅（P317）电路输入信号是一系列幅度各异的脉冲信号，只有当输入脉 冲信号的幅度大于VT+时，在输出端才能产生输出信号。 因此， 可将幅度大于VT+的脉冲选出，而将小于VT的脉冲消除。35369.2.3 施密特触发器的应用图9-10 用施密特触发器实现脉冲鉴幅t0vOt03、脉冲鉴幅（P317）电路输入信号是一系列幅度各异的脉冲信号，只有当输入脉 冲信号的幅度大于VT+时，在输出端才能产生输出信号。 因此， 可将幅度大于VT+的脉冲选出，而将小于VT的脉冲消除。vIVT VT379.3 单稳态触发器9.3.1

18、 555定时器构成的单稳态触发器9.3.2 集成单稳态触发器9.3.3 单稳态触发器的应用389.3.1 555定时器构成的单稳态触发器单稳态触发器（P318）单稳态触发器是广泛应用于脉冲整形、延时和定时的常 用电路。它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态，是单稳态电路。 当无输入信号触发时，电路处于稳态；在外界触发脉冲的作用下，电路能从稳定状态翻转到暂稳态，在暂稳态维持 一段时间后，又会自动翻转到稳态。注意：暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数， 与外界触发脉冲无关。9.3.1 555定时器构成的单稳态触发器0.01FvIC图9-11 用555定时器构成的单稳态触发器电路VCC (8)R(4

19、)vCO (5)1、用555定时器构成的单稳态触发器电路（P318）VCCvI1 (6)vI2 (2)vO (7) (1)(3)vO39R9.3.1 555定时器构成的单稳态触发器2、工作原理（P318319）1RCIvI20.01Fv(2)vCO (5)I1v(6)5KR15KREF2V5K2R1C12CVTDvO (7)G12GOvG3VCC (8) R(4)3vIVCCDR 1I1(6)CC3v 2V VREF1SD 0Q 1Q 0Ov 0导通409.3.1 555定时器构成的单稳态触发器2、工作原理（P318319）1RIvI20.01Fv(2)vCO (5)I1v(6)VREF15K

20、R15KREF2V5KRC12CG12GOvG3VCC (8) R(4)3vIVCCDR 1SD 1保持Q 12VTDvO (7)C141Q 0保持vO VOL 0V稳态保持9.3.1 555定时器构成的单稳态触发器2、工作原理（P318319）1RIvI20.01Fv(2)vCO (5)I1v(6)VREF15KR15KREF2V5KRC12CG12GOvG3VCC (8) R(4)3vI DR 0DS 1Q 0Q 1vO VOH VCC暂稳态I1(6)CC3v 2V2VTD截止vO (7)C1429.3.1 555定时器构成的单稳态触发器2、工作原理（P318319）1RIvI20.01F

21、v(2)vCO (5)I1v(6)VREF15KR15KREF2V5KRC12CG1G2OvG3VCC (8) R(4)3vI DS 0I1(6)CC3v 2VQ 1Q 0vO VOL 0V稳态保持2VTD导通vO (7)C143449.3.1 555定时器构成的单稳态触发器2、工作原理（P318319）稳态：无输入信号触发时，定时电容C已放电完毕，电路 处于稳态，输出 vO= VOL =0 V触发翻转：输入信号vI负跳沿触发后，VTD截止，电路翻 转进入暂稳态，定时开始暂稳态：定时电容C充电，两端电压上升，充电路径为 VCC R C 地，充电时间常数充RC，电路暂稳态 期内，输出vO= VO

22、H = VCC自动返回：当电容C上电压上升到VT时, VTD饱和，充 电停止，定时结束，暂稳态结束恢复阶段：C经VTD放电，放电时间常数放rCESC，放电至0V后电路又处于稳态459.3.1 555定时器构成的单稳态触发器图9-12 用555定时器构成的单稳态触发器工作波形3、工作波形（P318）vI2VCC / 31VCC / 3ttt0vC0vO09.3.1 555定时器构成的单稳态触发器4、主要参数的估算（P318）输出脉冲的宽度tw是暂稳态的持续时间，为vC从0V开始 充电至上升到2VCC/3所需要的时间。t ln vC () vC (0)vC () vC (t )wCCCC3VCC

23、0 t ln RC ln 3 1.1RCV 2V暂稳态持续时间的长短取决于电路本身的参数，即外接 定时元件R和C，而与外界触发脉冲无关。46479.3.2 集成单稳态触发器1、类型及特点所谓非可重触发单稳态触发器（P319），是指在暂稳态 定时时间tw之内，若有新的触发脉冲输入，电路不会产生任 何响应；只有在电路返回到稳态后，电路才受输入脉冲信 号的作用。这样， tw由电路本身参数R和C来决定。图9-13 非可重触发单稳态触发器（b）逻辑符号1（a）波形vItOvOtOtWtWABCD489.3.2 集成单稳态触发器1、类型及特点所谓可重触发单稳态触发器（P320），是指在暂稳态定 时时间tw

24、之内，若有新的触发脉冲输入，可被新的触发脉冲 重新触发。因此， 输出信号的脉冲宽度将为ttw 。可重触发单稳态触发器（b）逻辑符号（a）波形 图9-14vItOvOtOtWABCtWttW499.3.2 集成单稳态触发器2、CMOS集成单稳态触发器（P320）1G12Q&1G1Q&G2&1G5G6G711G11G9TPTNG3G41 G81G1011G13G1411G15G16VDDVDDvATR+TRRCR图9-15CC14528可重触发单稳态触发器逻辑图三态门输 入 控 制 电 路输出缓冲电路509.3.2 集成单稳态触发器2、CMOS集成单稳态触发器（P320）输入输出RTR+TR-QQ

25、0011010011110表9-4 CC14528功能表519.3.2 集成单稳态触发器t2、CMOS集成单稳态触发器（P320）TR+twO TR-OvAOO Qttttwt1ttwt7t2t3t4t5t6图9-16CC14528工作波形9.3.3 单稳态触发器的应用1、脉冲整形（P321）使不整齐或边沿差的输入脉冲，输出为整齐、边沿陡峭、 具有一定幅度和宽度的脉冲。图9-17用单稳态触发器实现脉冲整形ttvOvI0052539.3.3 单稳态触发器的应用2、脉冲定时（P321）由于单稳态触发器能产生一定宽度tw的矩形脉冲，若利 用此脉冲作为定时信号去控制某一电路，使其在脉冲持续期tw内产生

26、动作（或不动作），便可实现定时。并且，通过调 节外接定时元件R或C，就可以改变控制时间的长短。541&CPvO1vOvI(a) 电路vO1tt0CPtW0vO0tvIt(b) 工作波形图9-18用单稳态触发器实现脉冲定时9.3.3 单稳态触发器的应用3、脉冲延迟（P322）(a) 电路vI1（）vO11（）vOvO1t0tW1vO0tvIttW255图9-19(b) 工作波形用单稳态触发器实现脉冲延迟569.4 多谐振荡器9.4.1 555定时器构成的多谐振荡器9.4.2 石英晶体振荡器579.4.1 555定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器（P322）多谐振荡器是常用的矩形脉冲产生电路。多谐振

27、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，就能自动地产生矩形脉冲或方波。由于矩形 波形中除基波外还包含了丰富的高次谐波，因此习惯称之为 多谐振荡器。多谐振荡器工作时没有一个稳定状态，属于无稳态电路。 电路的输出高电平和低电平之间的切换是自动进行的，常把 这两个状态分别称为暂稳态和暂稳态。9.4.1 555定时器构成的多谐振荡器1、用555定时器构成的多谐振荡器电路（P323）VCC(8)R(4)vco(5)vI1(6)vI2(2)vO(7)vO(3)VCC0.01FR2(1)C图9-20 用555定时器构成的多谐振荡器电路R158599.3.1 555定时器构成的单稳态触发器2

28、、工作原理（P318319）1R20.01F1RvCO (5)CI1v(6)vO (7)2RVREF15KR15KREF2V5KVCC (8)1C12CDVTG12GOvG3 R(4)3vI1 (2)00RD 0 SD 1Q 0Q 1OOHCCvVV截止1 (R1 R2 )C暂稳态609.3.1 555定时器构成的单稳态触发器2、工作原理（P318319）1R20.01F1RvCO (5)CvI1 (6)vO (7)2RVREF15KR15KREF2V5KVCC (8)1C12CDVTG12GOvG3 R(4)3vI1 (2)RD 1 SD 0Q 1Q 0OOLvV 0V导通2vC 3VCC6

29、19.3.1 555定时器构成的单稳态触发器2、工作原理（P318319）1R20.01FR1vCO (5)CI1v(6)vO (7)2RVREF15KR15KREF2V5KVCC (8)1C12CDVTG12GOvG3 R(4)3vI1 (2)RD 1 SD 12 R2CCCCCC331Vv 2VOOLvV 0V暂稳态保持Q 1Q 0保持保持9.3.1 555定时器构成的单稳态触发器2、工作原理（P318319）1R20.01FR1vCO (5)CI1v(6)vO (7)2RVREF15KR15KREF2V5KVCC (8)1C12CDVTG12GOvG3 R(4)3vI1 (2)RD 0

30、SD 1CCC3v 1VQ 0Q 162OOHCCvVV暂稳态639.3.1 555定时器构成的单稳态触发器2、工作原理（P318319）暂稳态：电容C 充电，两端电压上升，充电路径为 VCC R1 R2 C 地，充电时间常数充(R1+ R2 )C，电路在暂稳态期内，输出vO= VOH自动翻转：当电容端电压充电到VT时,电路翻转，VTD饱和，电容C 中止充电,开始放电暂稳态：电容C 放电，两端电压下降，放电路径为C R2 VTD 地，放电时间常数放R2C，电路暂稳态 期内，输出vO= VOL自动翻转：当电容端电压放电到VT时,电路翻转，VTD截止，电容C 中止放电,开始充电9.3.1 555定时器构成的单稳态触发器3、工作波形（P323）OtvOOt3vC2 V CC31 V CCtw1tw2图9-21 自激多谐振荡器工作波形649.3.1 555定时器构成的单稳态触发器4、主要参数的估算（P324）矩形脉冲的周期： T tw1 tw