脉冲整形专题知识讲座

脉冲整形专题知识讲座脉冲整形专题知识讲座第1页

数字电路经常需要用到各种幅度、宽度以及含有陡峭边缘脉冲信号，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。

本章将介绍常见施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，同时重点介绍一个多用途定时电路——555定时器。

获取这些脉冲信号方法通常有两种：①直接产生；②利用已经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础内容

脉冲整形专题知识讲座第2页一、脉冲信号定义（不对称方波）

三角波：

锯齿波：

微分窄脉冲：

脉冲信号基础参数

按非正弦规律改变信号均可称脉冲信号。方波：（对称方波）脉冲整形专题知识讲座第3页二、脉冲信号参数

q=TW/T

占空比TwTVmv0tT

脉冲周期f=1/T

频率Tw脉冲宽度Vm幅值脉冲信号基础参数脉冲整形专题知识讲座第4页施密特触发器

施密特触发器特点：（1）输出有两种状态（输出为数字信号）；

（2）输入采取电平触发（输入为模拟信号）；（3）对于正向和负向增加输入信号，电路有不一样阈值电平（VT+和VT-）。

什么是施密特触发器？

施密特触发器是含有滞回特征数字逻辑门。（模拟电路中，叫滞回比较器）（4）在状态转换时，经过电路内部正反馈过程，使输出电压波形边缘变得很陡。脉冲整形专题知识讲座第5页施密特触发器

逻辑符号同相传输反相传输

施密特触发器电压传输特征脉冲整形专题知识讲座第6页施密特触发器

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正反馈作用，能够将边缘改变迟缓周期性信号变换为边缘很陡矩形脉冲信号。脉冲整形专题知识讲座第7页G1、G2为CMOS门电路。电路中R1＜R2。由门电路组成施密特触发器

施密特触发器电路组成

工作原理分析（1）

当vI=0V时，vO1≈

VDD，

vO≈

0V，

vI＇≈

0V；0100vO输出，为施密特同相器；vO1输出，为施密特反相器；脉冲整形专题知识讲座第8页由门电路组成施密特触发器

（2）当vI升高时，vI’也升高。当vI’到达1/2VDD时，G1、G2输出状态将发生翻转。此时对应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→1↑↑0100脉冲整形专题知识讲座第9页（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vI称为VT－。由门电路组成施密特触发器

（5）当vI小于VT－时，电路转到另一稳态：vO1≈VDD，vO≈

0V。

01↓↓→1→0VT－=1/2VDD脉冲整形专题知识讲座第10页

施密特触发器工作波形vIVT+VT-0t0tvO10tvO由门电路组成施密特触发器

vO输出，施密特同相器；vO1输出，施密特反相器；脉冲整形专题知识讲座第11页施密特触发器

应用举例1.用于脉冲整形脉冲整形专题知识讲座第12页施密特触发器

应用举例2.用于脉冲鉴幅：将幅度大于VT+脉冲选出。脉冲整形专题知识讲座第13页施密特触发器

应用举例3.用于组成多谐振荡器（重点）P487接通电源以后，因为电容上初始电压为零，所以输出为高电平，并开始经电阻R向电容C充电。脉冲整形专题知识讲座第14页

有两种状态：0态和1态，但只有一个状态作为稳态能够长久保持，故名单稳态触发器。

单稳态触发器特点：

（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）暂稳态维持时间长短取决于电路本身，与触发脉冲宽度和幅度无关。单稳态触发器

什么是单稳态触发器？脉冲整形专题知识讲座第15页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单稳态触发器分类脉冲整形专题知识讲座第16页门电路+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输出，vI2为G2输入。

微分型单稳态触发器

电路组成RC微分电路触发脉冲脉冲整形专题知识讲座第17页1.单稳态触发器稳态

∴触发器稳态为vO1≈

VDD，vO≈

0V。此时，电容两端电压相等，无充放电。

工作原理分析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。01001脉冲整形专题知识讲座第18页作用：改进vO1、

vO边缘。

微分型单稳态触发器11001暂稳态：vO1=≈0V，vO≈

VDD2.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）01001vIvO1vI2vO脉冲整形专题知识讲座第19页3.暂稳态自动回到稳态

作用：改进vO1、

vO边缘。

伴随VDD经过电阻向电容C充电，vI2逐步上升，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010VT00110

工作原理分析（续）vO1vI2vO脉冲整形专题知识讲座第20页微分型单稳态触发器

工作波形分析VT充电时间即暂稳态维持时间tW脉冲整形专题知识讲座第21页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：VTTwTre脉冲整形专题知识讲座第22页单稳态触发器应用(1)用于整形单稳态触发器主要应用是整形、定时和延时。脉冲整形专题知识讲座第23页（2）脉冲延时单稳电路延时作用

假如需要延迟脉冲触发时间，可利用单稳电路来实现。

uO下降沿比uI下降沿延迟了tw时间。脉冲整形专题知识讲座第24页（3）脉冲定时

单稳态触发器能够产生一定宽度tw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)。

脉冲定时脉冲整形专题知识讲座第25页

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中最少有一个为0时，B由0↗1；

74LS121原理框图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中最少有一个由1↗0。

脉冲整形专题知识讲座第26页

74LS121内部结构和逻辑符号

集成单稳态触发器脉冲整形专题知识讲座第27页

74LS121功效表集成单稳态触发器脉冲整形专题知识讲座第28页

两种不一样接法正脉冲触发负脉冲触发集成单稳态触发器脉冲整形专题知识讲座第29页可重复触发概念单稳态触发器

不可重复触发工作波形可重复触发工作波形脉冲整形专题知识讲座第30页10.4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．经过电容充电和放电，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．输出周期性矩形脉冲信号，因为含有丰富谐波分量，故称作多谐振荡器。脉冲整形专题知识讲座第31页

电路组成及工作原理11G2G1RCvO1vO2vI1由门电路组成多谐振荡器

（1）设电路初态为vO1=1,vO2=0，这种状态下不可能持久维持；1001（2）经过vO1→R→C→vO2向C充电，使vI1不停上升；（3）当vI1＞VT时，G1输出低电平，G2输出高电平，即vO1=0，

vO2=1。脉冲整形专题知识讲座第32页

工作原理11G2G1RCvO1vO2vI1由门电路组成多谐振荡器

（4）vO1=0，

vO2=1这个状态也不能持久；1001（5）经过vO2→C→R→vO1对电容C反向充电，vI1逐步降低；（6）当vI1＜VT时，G1输出高电平，G2输出低电平，即又回到vO1=1，vO2=0状态。（7）周而复始产生方波。脉冲整形专题知识讲座第33页

工作波形11G2G1RCvO1vO2vI1由门电路组成多谐振荡器

T1T2tvO10tvO20vI1t0脉冲整形专题知识讲座第34页

石英晶体振荡器

返回

前面介绍多谐振荡器一个共同特点是振荡频率不稳定，轻易受温度、电源电压波动和RC参数误差影响。在数字系统中，矩形脉冲信号常见作时钟信号来控制和协调整个系统工作。所以，控制信号频率不稳定会直接影响到系统工作，显然，前面讨论多谐振荡器是不能满足要求，必须要采取频率稳定度很高石英晶体多谐振荡器。

脉冲整形专题知识讲座第35页石英晶体阻抗频率特征图

石英晶体含有很好选频特征。当振荡信号频率和石英晶体固有谐振频率fo相同时，石英晶体展现很低阻抗，信号很轻易经过，而其它频率信号则被衰减掉。脉冲整形专题知识讲座第36页

所以，将石英晶体串接在多谐振荡器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基础上，串接一块石英晶体，就能够组成一个石英晶体振荡器电路。该电路将产生稳定度极高矩形脉冲，其振荡频率由石英晶体串联谐振频率fo决定。

脉冲整形专题知识讲座第37页

当前，家用电子钟几乎都采取含有石英晶体振荡器矩形波发生器。因为它频率稳定度很高，所以走时很准。

通常选取振荡频率为32768HZ石英晶体谐振器，因为32768＝215，将32768HZ经过15次二分频，即可得到1HZ时钟脉冲作为计时标准。脉冲整形专题知识讲座第38页

为数字—模拟混合集成电路。可产生准确时间延迟和振荡，内部有3个5KΩ电阻分压器，故称555。在波形产生与变换、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。10.5555定时器及其应用脉冲整形专题知识讲座第39页双极型5G555定时器逻辑图。由电压比较器C1和C2、电阻分压器、G1和G2组成基础RS触发器、集电极开路放电管V和输出缓冲级G3、G4三个别组成。

555定时器

vI1vI2脉冲整形专题知识讲座第40页

（1）电阻分压器由3个5kΩ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U＋＞U－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，UR1＝2/3VCC，UR2＝1/3VCC。当CO＝UCO时，UR1＝UCO，UR2＝1/2UCO

TH称为高触发端，TR称为低触发端。

脉冲整形专题知识讲座第41页（3）基础RS触发器其置0和置1端为低电平有效触发。

R是低电平有效复位输入端。正常工作时，必须使R处于高电平。

（4）

放电管TT是集电极开路三极管。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组成，用于提升电路负载能力。

脉冲整形专题知识讲座第42页

555定时器功效表555定时器工作原理

－+C12/3VCCvI1⑥－+C21/3VCCvI2②

截止100＜Vcc/3＞2Vcc/31不变不变11＞Vcc/3＜2Vcc/31导通010＞Vcc/3＞2Vcc/31截止101＜Vcc/3＜2Vcc/31导通0××××0N1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。脉冲整形专题知识讲座第43页用555组成施密特触发器

电路结构施密特反相器脉冲整形专题知识讲座第44页2/3Vcc1/3VccvI0tvO0t（1）当vI＜1/3Vcc时，Q=1，vO=1；（2）当1/3Vcc＜vI＜2/3Vcc时，Q=1，vO=1；（3）当vI＞2/3Vcc时，Q=0，vO=0；（4）当1/3Vcc＜vI＜2/3Vcc时，Q=0，vO=0；（5）当vI＜1/3Vcc时，Q=1，vO=1；

原理分析用555组成施密特触发器

脉冲整形专题知识讲座第45页

主要参数用555组成施密特触发器

1.阀值电平VT+=2/3VccVT-=1/3Vcc2.回差电压=VT+－VT-=1/3Vcc脉冲整形专题知识讲座第46页用555组成多谐振荡器电路结构脉冲整形专题知识讲座第47页

多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。两个暂稳态之间转换，是由电路内部电容充、放电作用自动进行，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。脉冲整形专题知识讲座第48页用555组成多谐振荡器

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，基础RS触发器被置0，Q=0，N1管导通，vO=0。2.当VDD经过R1、R2向C充电，vC

逐步上升;脉冲整形专题知识讲座第49页用555组成多谐振荡器

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将经过R2和N1管放电，vC逐步下降；脉冲整形专题知识讲座第50页T1T2

工作波形

用555组成多谐振荡器

主要参数计算从占空比q表示式可知，占空比一直大于50﹪

。经过vC暂态方程，求得：T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C

T1=0.7(R1+R2)C

T2=0.7R2C

脉冲整形专题知识讲座第51页

占空比任意可调多谐振荡器用555组成多谐振荡器

T1=0.7R1C

T2=0.7R2C

脉冲整形专题知识讲座第52页用555组成单稳态触发器

电路结构脉冲整形专题知识讲座第53页vI0tvC0tvO0tTW2/3Vcc

工作波形用555组成单稳态触发器

主要参数充电时间即暂稳态维持时间TW脉冲整形专题知识讲座第54页单稳态触发器应用

（1）脉冲延时

单稳态触发器主要应用是整形、定时和延时。

单稳电路延时作用

假如需要延迟脉冲触发时间，可利用单稳电路来实现。uO下降沿比uI下降沿延迟了tw时间。脉冲整形专题知识讲座第55页（2）脉冲定时

单稳态触发器能够产生一定宽度tw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)。

脉冲定时脉冲整形专题知识讲座第56页假设初态为1；经充电，置0，放电，保持等过程，最终又回到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，不论起始状态怎样，最终触发器处于稳态

vO=0。

用555组成单稳态触发器

1.稳态怎样确定？脉冲整形专题知识讲座第57页555定时器组成单稳态触发器（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

提升基准电压稳定性滤波电容输出脉冲宽度tw≈1.1RC。当触发脉冲uI为高电平时，VCC经过R对C充电，当TH=uC≥2/3VCC时，高触发端TH有效，V0置0；此时，放电管导通，C放电，TH=uC=0。