脉冲波形的变换与产生

脉冲波形的变换与产生第一页，共五十八页，编辑于2023年，星期一主要介绍由单稳态触发器、施密特触发器组成的脉冲波变形电路和多谐振荡器及定时器组成的波形产生电路。重点讨论其工作特点及其应用。本章教学目标数字电路shuzidianlu第二页，共五十八页，编辑于2023年，星期一

555定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。用它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。555定时器在工业控制、定时、检测、报警等方面有广泛应用。8.1集成555定时器1、分压器：由三个等值电阻（5k

）构成分压器2、比较器：由电压比较器C1和C2构成一、555定时器的电路结构电压比较器的功能：

v+>v-，vO=1v+<v-，vO=03、基本SR触发器4、放电三极管T及缓冲器G。第三页，共五十八页，编辑于2023年，星期一CC&&&1RSTG5K5K5K12VRvvvCCDICI1I2OOv,(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v阈值输入控制电压触发输入放电端12658437Ov,vI2I1vvICVCCvO555DR分压器比较器S-R触发器T放大管缓冲器一、555定时器的电路结构第四页，共五十八页，编辑于2023年，星期一CC&&&1RSTG5K5K5K12VRvvvCCDICI1I2OOv,(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v阈值输入控制电压触发输入放电端（1）4脚为复位输入端（RD

）当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo为低电平。正常工作时，应将其接高电平。（2）5脚为电压控制端，当其悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3VCC

和1/3VCC

。（3）2脚为触发输入端，6脚为阈值输入端；两端的电位高低控制比较器C1和C2的输出，从而控制SR触发器，决定输出状态。12658437Ov,vI2I1vvICVCCvO555DR第五页，共五十八页，编辑于2023年，星期一阈值输入vI1触发输入vI2复位RD输出vO放电管T××00导通11101截止导通不变不变RS101011××二、555定时器的工作原理第六页，共五十八页，编辑于2023年，星期一8.2单稳态触发器特点：有一个稳态和一个暂稳态；在触发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。一．用555定时器组成单稳态触发器

1.电路组成及工作原理第七页，共五十八页，编辑于2023年，星期一CC&&&1RSTG5K5K5K12VRvvvCCDICI1I2OOv,(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v一．用555定时器组成单稳态触发器

1.电路组成及工作原理接通电源>2/3VCC01110VO=0导通1稳定状态1vCRVCCviC第八页，共五十八页，编辑于2023年，星期一CC&&&1RSTG5K5K5K12VRvvvCCDICI1I2OOv,(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v一．用555定时器组成单稳态触发器

1.电路组成及工作原理vCRVCCviC11VO=1截止暂稳状态0<1/3VCC01001若vi低电平不消失，VO=1第九页，共五十八页，编辑于2023年，星期一一．用555定时器组成单稳态触发器

1.电路组成及工作原理CC&&&1RSTG5K5K5K12VRvvvCCDICI1I2OOv,(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位vvCRVCCviC11VO=1截止暂稳状态001001若vi由0变111保持状态C继续充电第十页，共五十八页，编辑于2023年，星期一一．用555定时器组成单稳态触发器

1.电路组成及工作原理CC&&&1RSTG5K5K5K12VRvvvCCDICI1I2OOv,(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位vvCRVCCviC11VO=1截止001001若vC大于2/3VCC11保持状态C继续充电010VO=0导通C放电第十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期一8.2单稳态触发器特点：有一个稳态和一个暂稳态；在触发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。一．用555定时器组成单稳态触发器

1.电路组成及工作原理（1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态当vI=1时，电路工作在稳定状态，即vO=0，vC=0。26VCCRDO5553vI2I1v84v7RVCCC150.01μC1vCvI（2）vI下降沿触发当vI下降沿到达时，vO由0跳变为1电路由稳态转入暂稳态第十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期一（3）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，三极管T截止，VCC经R向C充电。时间常数τ1=RC，vC由0V开始增大，在vC上升到2/3VCC之前，电路保持暂稳态不变。（4）自动返回（暂稳态结束）时间

当vC上升至2/3VCC时，vO由1跳变0，三极管T由截止转为饱和导通，电容C经T迅速放电，电压vC迅速降至0V，电路由暂稳态重新转入稳态。第十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期一（5）恢复过程当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的放电三极管

T放电，时间常数τ2=RCESC，经过(3～5)τ2后，电容C放电完毕，恢复过程结束。第十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期一2.主要参数估算（1）输出脉冲宽度tw（用三要素法计算）上式说明：

单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定时元件R、C的取值；与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节tW。（2）恢复时间tre（3）最高工作频率fmax26VCCRDO5553vI2I1v84v7RVCCC150.01μC1vCvI()23~5rett=第十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期一二．集成单稳态触发器74121说明：A1和A2是两个下降沿有效的触发信号输入端，B是上升沿有效的触发信号输入端。A1A2B

vO

vO输入输出工作特征0

×

101×

0

101×

×

1011

1

×

011

1

1

1

10

××

0保持稳态下降沿触发上降沿触发AABvovoextCRintCextextRVCCGND101114916345127741218.2单稳态触发器第十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期一集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法:

（a）使用外部电阻Rext且电路为下降沿触发的连接方式；（b）使用内部电阻Rint且电路为上升沿触发的连接方式。二．集成单稳态触发器741218.2单稳态触发器AABovovextCintRextextCRCCVGND10111491634512774121CCVextR1vICextAABovovextCintRextextCRCCVGND10111491634512774121vICextCCV第十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期一（1）输出脉冲宽度tW

使用外接电阻：tW≈0.7RextC

使用内部电阻：tW≈0.7RintC（2）输入触发脉冲最小周期Tmin

Tmin=tW＋tretre是恢复时间。（3）周期性输入触发脉冲占空比q

定义：

q=tW/T

最大占空比：

qmax=tW/Tmin74121内部电阻=2KΩ，外接电阻Rext可在1.4～40KΩ之间选择，外接电容C可在10pF～10uF之间选择。所以，当R=2kΩ时，最大占空比qmax为67%；当R=40KΩ时，最大占空比qmax可达90%。74121的主要参数二．集成单稳态触发器741218.2单稳态触发器第十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期一1.延时与定时（1）延时三．单稳态触发器的应用8.2单稳态触发器图中：v/O的下降沿比vI的下降沿滞后了时间tW。（2）定时1&vIOvvO单稳与门vFtWvIvOvFOv当v/O=1时，与门打开，vO=vF。当v/O=0时，与门关闭，vO为低电平。显然与门打开的时间是恒定不变的，就是单稳输出脉冲v/O的宽度tW。第十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期一

2.整形作用：单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲vO。vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于暂稳态时间。三．单稳态触发器的应用8.2单稳态触发器第二十页，共五十八页，编辑于2023年，星期一3.触摸定时控制开关工作原理：

555定时器构成单稳态触发器，只要用手触摸一下金属片P，由于人体感应电压相当于在触发输入端（管脚2）加入一个负脉冲，555输出端输出高电平，灯泡（RL）发光，当暂稳态时间（tW）结束时，555输出端恢复低电平，灯泡熄灭。作用：该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由RC参数调节。84762153555+VCCRLR100kC100μC10.01μ(+6V)P三．单稳态触发器的应用8.2单稳态触发器第二十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期一4.触摸、声控双功能延时灯84762153C447μC0.01μ555NEA~220VR3R1M220kSCRMCR1004.7M4.7MR4R5R6R71M10k5C0.022μTT1290149013HTDC3220μD1N4004C10.56μ/400V1R3300.01μC2VDD（+6V）DW2CW13工作原理：（1）555和T1、R3、R2、C4组成单稳定时电路，定时（即灯亮）时间约为1分钟。（2）当击掌声传至压电陶瓷片时，HTD将声音信号转换成电信号，经T2、T1放大，触发555，使555输出高电平，触发导通晶闸管SCR，电灯亮；

同样，若触摸金属片A时，人体感应电信号经R4、R5加至T1基极，也能使T1导通，触发555，达到上述效果。第二十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期一【8.1.2】图所示电路时用CMOS或非门构成的单稳态触发器的另一种形式。是回答下列问题：（1）分析电路的工作原理；（2）画出加入触发脉冲后vO1、vO2及vR的工作波形；（3）写出输出脉宽tw的表达式。【分析】本电路为由R、C和与非门构成的单稳态电路，通过对C的充放电实现单稳态和暂稳态之间的转换。解：（1）电路的工作过程稳态：当vI=0，vR=0时，vO1=1，vO2=0；暂稳态：当vI有上跳沿时（即0→1），vO1由1→0，vO2由0→1，经C电容耦合，vR也由0→1。此后vO2对C充电，vR呈指数下降。由暂稳态返回稳态：当vR下降至Vth，且vI撤除后，G1输入全为0，因此，vO1由0→1，vO2由1→0，又返回稳态。同样由于电容的耦合，vR也和vO2一样作等副下降。然后，电容C放电，使vR回到稳态。（2）工作波形≥1≥1vO1vO2vRvIG1G2CR第二十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期一解：（1）电路的工作过程稳态：当vI=0，vR=0时，vO1=1，vO2=0；暂稳态：当vI有上跳沿时（即0→1），vO1由1→0，vO2由0→1，经C电容耦合，vR也由0→1。此后vO2对C充电，vR呈指数下降。由暂稳态返回稳态：当vR下降至Vth，且vI撤除后，G1输入全为0，因此，vO1由0→1，vO2由1→0，又返回稳态。同样由于电容的耦合，vR也和vO2一样作等副下降。然后，电容C放电，使vR回到稳态。（2）工作波形vItvO1t00tvRVDDVthtvO2tw（3）若则≥1≥1vO1vO2vRvIG1G2CR第二十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期一【8.1.3】由集成单稳态触发器74121组成的延时电路及输入波形如图。（1）计算输出脉宽的变化范围；（2）解释为什么使用电位器时要串接一个电阻。CextRext/CextVCC1uF20KΩ5.1KΩ74121A1A2BvIQvO【解】（1）因此脉宽（2）串接的5.1K电阻是一个保护电阻，以防止电位器调到零时触发器不能正常工作。第二十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期一【8.1.4】某控制系统要求生产的信号va与vb系统时钟CP的时序关系如图所示。试用4位二进制计数器74LVC161、集成单稳74121设计该信号发生电路，画出电路图。vbvaCPtw【解】va与CP呈四分频关系，而vb则是在va波形的下降沿触发下，产生的脉宽为tw的正脉冲。电路设计应做如下考虑：首先，设计出产生va电路，然后用va作为触发信号，用单稳态触发器得到题意要求的输出波形。根据74161的逻辑功能表，将其连接为4位二进制加法计数器的工作状态。分析在CP作用下Q3、Q2、Q1、Q0的工作波形可知，va＝

Q1Q0则，可用一片74LVC161和与门就能组成va产生电路。第二十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期一vbvaCPtw然后，再用va作为集成单稳态触发器74121的触发信号，这样，在74121的Q端即可得到vb波形。合理选择R、C的值，使tw的值满足题意要求。由以上分析，可画出时序信号产生电路，如图。CPD0D1

D2

D3RDETEP74LVC161Q0Q1

Q2

Q3&A1A2B174121CextRextVCCRCQvbva1G1CP第二十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期一8.3施密特触发器施密特触发器——具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。一.用555定时器构成的施密特触发器

1.电路组成及工作原理vIttvO12/3VCC1/3VCC1265VCCRDO5553Ov7vvI2I1vIC8412IvCCVVCC2Rv第二十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期一CC&&&1RSTG5kΩ5kΩ5kΩ12VRvvvCCDICI1I2OOv,(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v阈值输入控制电压触发输入放电端第二十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期一2.电压滞回特性和主要参数

（1）电压滞回特性vOvI8.3施密特触发器一.用555定时器构成的施密特触发器

逻辑符号（反相输出）反相输出的传输特性（2）主要静态参数上限阈值电压VT+——vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。VT+=2/3VCC。下限阈值电压VT-——vI下降过程中，vO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。VT-=1/3VCC。（3）回差电压ΔVT

ΔVT=VT+－VT-=1/3VCCvOvIVOLVOH0VCCVT+VT-2/3VCC1/3VCC第三十页，共五十八页，编辑于2023年，星期一

2.TTL集成施密特触发器74LS14二．集成施密特触发器

1.CMOS集成施密特触发器CC401068.3施密特触发器12345678910111213141A1Y2A2Y3A3Y4A4Y5A5Y6A6YVVDDSS(a)CC4010612345671A1Y2A2Y3A3YGND8910111213144A4Y5A5Y6A6YVCC(b)74LS14第三十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期一2.用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。三．施密特触发器的应用举例1.用作接口电路——将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形。8.3施密特触发器MOSCMOS正弦波振荡器输出输入VT+VT-第三十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期一

3.用于脉冲鉴幅——从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于VT+的输入脉冲。三．施密特触发器的应用举例8.3施密特触发器vOvI逻辑符号（反相输出）VT+VT-00ttvOvI第三十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期一【8.2.1】回差电压可调的施密特电路如图所示，它是利用射极跟随器的射极电阻来调节回差的。（1）分析电路的工作原理；（2）当及Re1在50~100Ω的范围内变动时，试计算回差的变化范围。Re1Re2100Ω100Ω3.3kΩ2.2kΩvIS1&&vO1vO2VCCRvAvBT解：（1）当vI=0时，T截止，vA=vB=0，因此，vO1=1，vO2=0。设与非门阈值电压Vth=1.4V。当vI上升使T导通且vA=1.4V时，S=1，当vB未达到1.4V时，R=1，因此，vO1=1，vO2=0，不发生翻转。直至vB达到1.4V，S=1，R=0，电路翻转，vO1=0，vO2=1。设此时vI为正向阈值电压VT+当vI下降时，vB下降到1.4V以下时，S=R=1，vO1、vO2不变。当vI继续下降，当vA低于1.4V时，S=0，R=1，状态翻转，即vO1=1，vO2=0。设此时vI为负向阈值电压VT－

第三十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期一Re1Re2100Ω100Ω3.3kΩ2.2kΩvIS1&&vO1vO2VCCRvAvBT解：（2）根据上面的分析，vB上升达到1.4V时的vI就是VT+，因此当vA下降达到1.4V时的vI就是VT－因此当Re1在50~100Ω范围内时，第三十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期一【8.2.2】集成施密特电路和集成单稳态触发器74121构成的电路如图所示。已知集成施密特电路的VDD＝10V，R＝100KΩ，C＝0.01uF，VT+＝6.3V，VT－＝2.7V，Cext＝0.01uF，Rext＝30KΩ。（1）分别计算的周期及的脉宽。（2）根据计算结果画出的波形。&A1A274121CextRext/CextVCCRextCQvO1BRvO2VCCR1SC【分析】施密特触发器构成方波产生电路，调节R和C可以调节频率。通过调节单稳态触发器的外接Cext和Rext可以调节脉宽。【解】集成施密特触发器构成多谐振荡器，当开关S接通高电平时，电路开始振荡，vO1的周期由电容C充电时间t1和电容C放电时间t2组成。第三十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期一&A1A274121CextRext/CextVCCRextCQvO1BRvO2VCCR1SC【解】集成施密特触发器构成多谐振荡器，当开关S接通高电平时，电路开始振荡，vO1的周期由电容C充电时间t1和电容C放电时间t2组成。单稳态脉宽为：vCtwtttvO1vO2T第三十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期一8.4多谐振荡器多谐振荡器——能产生矩形脉冲波的自激振荡器。一．用555定时器构成的多谐振荡器1.电路组成及工作原理26VCCRDO5553vI2I1v84v7RRVCC12C150.01uC1vCPT2T1TvOvC2/3VCC1/3VCC00tt0t1t2t第三十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期一VCC++C1++C2QQRDSD...5K5K5KVAVB

T13245678(复位端)(地)vO1.由555定时器组成的多谐振荡器接通电源通电前uC=0011100>2/3UCCRD=1SD=0..vCR1R2.+–C充电C放电1<1/3VCC第三十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期一48562713+VCCvO.vC..CR1R2tp1tp22/3VCC1/3VCCRD=1SD=0Q=1Q=0

T截止Q=0Q=1

T导通RD=0SD=1tp1=(R1+R2)Cln2=0.7(R1+R2)Ctp2=R2Cln2=0.7R2CT=tp1+tp2=0.7(R1+2R2)C接通电源C充电C放电vCtOvOtO第四十页，共五十八页，编辑于2023年，星期一2.振荡频率的估算26VCCRDO5553vI2I1v84v7RRVCC12C150.01μFC1vCP一．用555定时器构成的多谐振荡器（1）电容充电时间T1：（用三要素法计算）（2）电容放电时间T2（3）电路振荡周期T（4）电路振荡频率f（5）输出波形占空比q第四十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期一二．占空比可调的多谐振荡器电路机理：利用半导体二极管的单向导电特性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。26VCCRDO5553vI2I1v84v7VCCC150.01¦ÌFC1vCDD121R2R可计算得：

T1＝0.7R1CT2＝0.7R2C占空比：8.4多谐振荡器第四十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期一三．石英晶体多谐振荡器

1.石英晶体的选频特性8.4多谐振荡器有两个谐振频率（1）当f＝fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗X＝0；（2）当f＝fp时，为并联谐振，石英晶体的电抗X＝∞。由晶体本身的特性决定：fs≈fp≈f0（晶体的标称频率）石英晶体的选频特性极好，f0十分稳定，其稳定度可达10-10～10-11。0ffsX电感性电容性石英晶体的符号fp第四十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期一2.石英晶体多谐振荡器（1）串联式振荡器R1、R2的作用——使两个反相器在静态时都工作在转折区，成为具有很强放大能力的放大电路。对于TTL门，常取R1＝R2＝0.7～2kΩ，若是CMOS门则常取R1＝R2＝10～100MΩ；C1＝C2是耦合电容。石英晶体工作在串联谐振频率fs下，只有频率为fs的信号才能通过，满足振荡条件。因此，电路的振荡频率＝fs，与外接元件R、C无关，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。R1R2C2C111vO第四十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期一（2）并联式振荡器RF是偏置电阻，保证在静态时使G1工作转折区，构成一个反相放大器。晶体工作在略大于fS与fP之间，等效一电感，与C1、C2共同构成电容三点式振荡电路。电路的振荡频率＝fp。反相器G2起整形缓冲作用，同时G2还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。0ffsX电感性电容性fpRF10MΩC2G11vO1G2C15~50pF20pF第四十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期一26VCCRD5553vI2I1v847RRVCC12C150.01C110μ/10VC220k100k0.013R2k（+6V）T3AX31μμ四．多谐振荡器应用实例

1.简易温控报警器利用PNP型晶体管受温度影响大的特性，当温度升高时，集电极电位升高，RD取高电平，此时，多谢振荡器正常工作，输出交变信号，报警器响。第四十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期一.uC.+VCC4876213CR1R25.例：多谐振荡器构成水位监控报警电路水位正常情况下，电容C被短接，扬声器不发音；水位下降到探测器以下时，多谐振荡器开始工作，扬声器发出报警。+四．多谐振荡器应用实例第四十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期一2.双音门铃。四．多谐振荡器应用实例1vI1812R5550.01μ15CRRD427VI26vCC3K3K0.1μR44.7K3C47μCDD122CP3R3.9KCCV（+6V）C247μ38ΩPAN第四十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期一3.秒脉冲发生器四．多谐振荡器应用实例CMOS石英晶体多谐振荡器产生f＝32768Hz的基准信号，经T’触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒信号。这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源。RC1G111G2C132768HZ16384HZ8192HZ2HZ1HZf15f14f2f1f0C2T’触发器FF1FF2FF14FF15Q15秒脉冲第四十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期一【8.4.3】

图为一心律失常报警电路，图中vI是经过放大后的心电信号，其幅值vIm=4V。

（1）对应vI