第九章脉冲电路12.9z

第9章脉冲电路9.3单稳态触发器9.2施密特触发器9.1概述9.4多谐振荡器11.掌握脉冲信号和脉冲电路的特点；2.熟练掌握555定时器的电路结构和工作原理；3.掌握施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器等脉冲电路的应用；4.熟练掌握555定时器构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的工作原理、波形分析、主要参数的估算；5.了解石英晶体振荡器的基本特性和工作原理。教学基本要求29.1概述在数字电路或系统中，经常需要各种宽度、幅度且边沿陡峭的脉冲信号。如时钟信号，定时信号等。其中时钟信号(CP)就是一种典型的矩形波信号，它在时序电路中协调各种功能部件的工作，因此必须考虑时钟脉冲信号的产生与变换问题。获得脉冲信号的方法通常有两种：一种方法是利用多谐振荡器直接产生所需要的脉冲信号；另一种方法是利用已有的其他非脉冲信号，通过脉冲整形电路变换成所需的脉冲信号。39.1.1脉冲电路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(RC或RL)。其中，开关元件的通断用来控制电路实现不同状态的转换，它可以采用不同的电子器件来完成，如可以用分离晶体管、场效应管，也可以用集成门电路或运算放大器等目前应用最多的是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。需要说明的有两点：4脉冲电路按其工作时的电路状态通常分双稳态电路、单稳态电路和无稳态电路三类。从严格的意义上讲，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，所以在数字电路课程中有关脉冲电路的内容常常占有一定篇幅,主要讨论脉冲波形的产生、变换和整形等。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。59.1.2脉冲信号按狭义定义的脉冲信号是指那些持续时间极短，在瞬间完成突变的电压或电流波形。按广义定义的脉冲信号则指凡是不具有连续正弦波形状的信号，几乎都可通称脉冲信号。矩形波、方波、锯齿波、钟形脉冲、尖脉冲等都是脉冲信号，在数字电路中最常见的脉冲信号是矩形脉冲和方波，其实方波只是矩形脉冲的一种特殊情况。

常见的脉冲波形如下:6(a)(b)(c)(d)(e)方波矩形波尖顶脉冲锯齿波钟形脉冲用于计数（脉冲个数）用于示波器扫描用于雷达技术(f)阶梯波用于测试技术7矩形脉冲的波形参数VmVm脉冲幅度0.5VmtWtW

脉冲宽度0.9Vm0.1Vmtrtr

上升时间tftf

下降时间TT

脉冲周期q

占空比89.1.3555定时器555定时器（集成定时器）：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。它使用方便，应用灵活,用途及其广泛，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。本章中仅讨论555定时器构成脉冲单元电路的应用。555定时器的组成部分

由电压比较器、分压器、基本RS触发器、泄放三极管和反相器五部分组成。9图9-3555定时器的组成部分8个引脚10①电压比较器

当比较器的同相输入v+端大于反相端v-时，其输出为高电平；

反之，当v+<v-时，其输出为低电平。11②分压器

由3个阻值为5kΩ的电阻串联构成。为两个电压比较器(C1和C2)提供参考电压。

通过改变引脚5的接法可以改变两个电压比较器C1和C2的参考电压VREF1和VREF2。当引脚5不加外部控制电压时,一般不能悬空，可通过一个小电容接地，以防止高频干扰。此时12③基本RS触发器它的状态由两个电压比较器的输出来控制。其中，R

是专门设置的可以从外部异步置0的复位端,低电平有效。13④泄放三极管VTD

是集电极开路输出三极管，为外接电容提供充、放电回路，所以称为泄放三极管。当基本RS触发器输出Q=1时，三极管VTD导通；反之，Q=0时VTD截止。14⑤反相器G3

为输出缓冲反相器，它的设计考虑了有较大的驱动能力，一般可驱动两个TTL门电路；同时，还可隔离负载对定时器的影响，起整形作用。152.555定时器的基本功能高触发低触发VREF1＝—VCC23不变保持保持HH＞VREF2＜VREF1HVOH截止LLH＜VREF2＜VREF1HVOL饱和HHL＞VREF2＞VREF1HVOL饱和H××××LvOVTD(Q)(RD)(SD)vI2vI1R555定时器功能表VREF2＝—VCC13见下页16LH饱和VLLHHVL饱和HLLVH截止保持HH保持不变17

施密特触发器是一种双稳态电路，工作时它有两个稳定的电路状态，在输入信号的触发作用下在两个状态之间转换。稳态Ⅰ稳态ⅡVT－VT＋9.2施密特触发器

1.工作原理注意，电路中0.01μF电容起滤波作用，为的是提高比较器参考电压的稳定性。18图9-4用555定时器构成的施密特触发器记住且能识别电路19tvOvIt0VOHVOLVREF1VREF2VREF1＝—VCC23VREF2＝—VCC13202.主要参数23—VCC当vI

≥时，vO=VOL，此时对应的输入电压为VT＋，称为接通电压VT＋=

当vI

≤时，vO=VOH，此时对应的输入电压为VT－，称为关断电压VT－

=

令DVT=VT＋－VT－=称为回差电压

VT＋、VT－与电路参数有关，而与输入无关13—VCC13—VCC23—VCC13—VCCVT＋

和

VT－的不一致性，即回差特性，是施密特触发器最重要的电气特性。它能提高电路的抗噪声性能。回差特性又叫滞后特性。21vOvIVOHVOLVT＋VT－0DVT由以上分析可见，施密特触发器有两种稳定状态，具体处于哪一种工作状态，取决于输入信号电平的高低。因此，它是电平触发的双稳态电路。其具体情况可见下图所示的电路电压传输特性曲线。图9-5施密特触发器的电压传输特性曲线22当555定时器的引脚5外接参考电压时8V8V4V233.施密特触发器的应用波形变换：将任意输入波形变换成矩形波。注意：施密特触发器的应用是考试的重点课件后面有一考题24脉冲整形：将传输畸变波形整形成矩形波。整形时，若适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。

注意：该波形是在施密特触发器加了一个非门得到的。见下页25VCC1VCC(8)R(4)vCO(5)vI1(6)vI2(2)(1)(3)vO(7)0.01μFvIvO26脉冲鉴幅

电路的输入信号是一系列幅度各异的脉冲信号。但只有那些幅度大于VT＋的脉冲才在输出端产生输出信号。因此可将幅度大于VT＋的脉冲选出，而将幅度小于VT＋的脉冲消除。279.3单稳态触发器单稳态触发器是只有一个稳态的电路，工作时有一个稳态和一个暂稳态。当无输入信号触发时，电路处于稳态；在输入信号的触发下电路状态转换进入暂稳态，在暂稳态持续一定时间后，它又会自动地返回到稳态。稳态暂稳态自动单稳态触发器又称单稳态振荡器，是广泛应用于脉冲整形、延时和定时的常用电路。289.3.1用555定时器构成单稳态触发器图9-10用555定时器构成的单稳态触发器记住且能识别电路VCC29电路组成1－＋－＋&&1C1C2G2G1G3TDRRRVREF1VREF22765843vOvI1vIvI2vCOVCCRvO′RDSDQ0.01mFCR1－＋－＋&&1C1C2G2G1G3TDRRRVREF1VREF22765843vOvI1vI2vI2vCOVCCRvO′RDSDQ1.工作原理

VREF1＝—VCC23VREF2＝—VCC1330其工作过程如下①设电源接通后，没有触发信号，输入信号vI

=VCC，电路很快达到稳态，输出为低电平。要注意的是：电源刚接通时，电路会有一个暂态过程。③在暂稳态期间，由于Q=0使VTD截止，则VCC通过R对C进行充电，使vi1(6)电位逐步上升。当vi1(6)≥VREF1时,比较器C1输出低电平。这样，基本RS触发器被置1，电路输出vO低电平。又自动发生一次翻转，暂稳态结束。②当输入信号vI下降沿到达时，由于vI

=

0V<VREF2，比较器C2输出低电平(负脉冲期间)，基本RS触发器被置0,电路输出高电平vO=VOH=VCC。电路受到触发发生一次翻转，进入到暂稳态。31④暂稳态结束的同时，Q=1使VTD导通，电容C很快通过VTD放电至0，电路恢复到初始的稳定状态。这时，由于vi1(6)<VREF1时，比较器C1输出高电平。同时，比较器C2也输出高电平。基本RS触发器状态保持不变，电路为下一次触发翻转做好了准备。当下一个触发信号到来时，有重复上述过程。32工作原理的总结稳态

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

。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t充＝RC，电路暂稳态期内，输出vO

=VOH

。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

电容C经VTD放电，放电时间常数t放=

rCESC，放电至0V后电路又处于稳态。

332.主要技术参数的估算输出脉宽

tW（暂稳态持续时间，定时时间）该式体现单稳态触发器的定时作用。不难看出，暂稳态持续时间的长短取决于电路本身的参数(R和C)，而与外界触发脉冲无关。另外，触发脉冲的宽度必须小于tW

。343.单稳态触发器的应用①脉冲整形不难看出，输入是一串波形不规则，宽度和幅度不相同的脉冲，输出为整齐、边沿陡峭、具有一定幅度和宽度的脉冲，而且输出脉冲的幅度和宽度完全由单稳态电路本身的参数决定，从而起到了脉冲整形的作用。35②脉冲定时36③脉冲延迟波形有错tW1379.4多谐振荡器多谐振荡器它是一种自激振荡器，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。由于波形中含有高次谐波，被称为多谐振荡器。多谐振荡器是无稳态电路，工作时没有一个稳定状态，只有两个暂稳态。接通电路的电源后，不需要任何输入信号，电路会自动地进入暂稳态，在两个暂稳态之间转换，并周而复始地持续进行这种转换。暂稳态Ⅰ暂稳态Ⅱ自动自动389.4.1555定时器构成的多谐振荡器电路组成记住且能识别电路39VCCVCC(8)R(4)VCO(5)VI1(6)VI2(2)(1)(3)VO(7)0.01μFVOCR2R1

多谐振荡器可以看成由施密特触发器加充放电电路构成。充放电电路的充电或放电由泄放三极管的状态(饱和或截止)来控制，其实受输出电位的高低来控制。40工作波形41暂稳态Ⅰ

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t充＝(R1+R2)C

,电路在暂稳态Ⅰ期内，输出vO=VOH

；暂稳态Ⅱ

电容C放电，两端电压下降，放电路径为C→R2→TD→地，放电时间常数t放＝R2C，电路暂稳态期Ⅱ内，输出vO=VOL

。自动翻转Ⅰ

当电容端电压充电到VT＋时,电路翻转，TD饱和，电容C中止充电,开始放电。自动翻转Ⅱ

当电容端电压放电到VT－时,电路翻转，TD截止，电容C中止放电,开始充电。1.工作原理421－＋－＋&&1C1C2G2G1G3TDRRRVREF1VREF22765843vOvI1vI2vCOVCCRvO′RDSDQ0.01mFCR1R2432.主要技术参数的估算输出脉冲周期T

T=tW1+tW2

=0.7(R1+2R2)C

输出脉冲占空比q

q＝＝

R1+R2R1+2R2tW1T443.多谐振荡器的应用各类脉冲源模拟声响发生器VCC12765843vOvI1vI2vCORvO′0.01mF555VCCvOR1ACAR2A12765843vOvI1vI2vCOVCCRvO′0.01mF555VCCvOR1BCBR2BC459.4.2石英晶体振荡器

前面介绍的555定时器构成的自激多谐振荡器，其电路简单，工作可靠，频率调节方便。但是，其输出波形占空比调节不够灵活，且只能大于50%，不能获得方波。而且由于受电源电压、温度变化以及所用元件参数随环境条件而变化的影响，该电路的频率稳定性不是很高。

为了获得稳定性高的振荡信号，必须采用稳频措施。目前普遍采用的一个方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体振荡器。石英晶体振荡器常用作数字系统的基准信号。461.石英晶体的基本特性主要利用其串联谐振特性472.石英晶体振荡器的工作原理1

为了改善输出波形和增强带负载的能力，再加一级反相器，以便得到比较理想的矩形脉冲。483.石英晶体振荡器的特点

①石英晶体振荡器的输出频率取决于石英晶体的固有谐振频率，与外接元件R和C等无关。因此，其频率稳定度极高，可达10-7以上，足以满足大多数数字系统对频率稳定度的要求。

②石英晶体振荡器可直接产生占空比为50％的矩形脉冲，即方波。③电路简单可靠。49第9章小结1.掌握555定时器工作原理2.555构成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工作原理、波形、参数及应用。作业：P326：9-4(1)(2)，9-5，9-7(1)，9-9(1)，9-1050某考题中的填空题：(每空2分)4.

只要接通电源，不需要外加触发信号，就能自动产生矩形脉冲输出的脉冲单元电路称为

。7.常用的三种脉冲单元电路分别是

、

和

等三大类。施密特触发器单稳态触发器多谐振荡器多谐振荡器51某考题中的选择题：(每小题2分)A.施密特触发器B.单稳态触发器C.D触发器D.异步计数器10.

能将缓慢变化周期信号变换成矩形脉冲的电路是()。A.施密特触发器B.单稳态触发器C.T’

触发器D.多谐振荡器13.

能将输入正弦波变换成矩形脉冲输出的是()。AA52A.正弦波B.矩形脉冲C.三角波D.锯齿波13.

多谐振荡器可产生()。B53某考题中的简答题：(每小题2分或3分)4.

简述石英晶体振荡器的特点。54七、分析计算题(a)该555定时器组成什么电路(2分)；(b)画出相应的输出波形(8分)；(c)说出本电路的一个用途(2分)。VCC

RDVSS

COOUTDTRTH555VCCuiu00.01μFtui013VCC23VCCu00t555定时器功能表下页注意：与书314页图9-4或312页图9-3对比2163458