脉冲信号的产生与整形课件

脉冲信号的产生与整形

常用的有施密特触发器和单稳态触发器。

一、脉冲信号产生与整形的方法获取脉冲信号的方法

脉冲信号产生与整形电路的实现是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便、灵活，应用广泛。用多谐振荡器直接产生。

用整形电路对已有波形进行整形、变换。

施密特触发器主要用以将缓慢变化或快速变化的非矩形脉冲变换成陡峭的矩形脉冲。单稳态触发器

主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。用门电路构成。用专用的集成电路。用

555

定时器构成。5-1-1特点和用途一、特点1、电平触发：触发信号UI可以是变化缓慢的模拟信号，

UI达某一电平值时，输出电压U0突变。

U0为脉冲信号。

2、电压滞后传输：输入信号UI从低电平上升过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与UI

从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同。施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。

利用上述两个特点，施密特触发器不仅能将边沿缓慢变化的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，还可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。同向输出特性：VT+UoUIUoLUoH二、输出特性VT反向输出特性：VT+UoUIUoLUoHUI=VT+时，Uo=UoLUI=VT-

时，Uo=UoLUI=VT-

时，Uo=UoHVTUI=VT+时，

Uo=UoH00当UI=0时，Uo=UoL当UI=0时，Uo=UoH正向阈值电平VT+：UI

上升时，引起Uo

突变时对应的UI

值。负向阈值电平VT-

：UI

下降时，引起Uo

突变时对应的UI值。三、用途整形，构成单稳态触发器，构成多谐振荡器。UO1UI’UIUO11R2R1G1G25-1-2用门电路构成施密特触发器一、构成UIUO1UO说明UI=00010同相施密特触发器UI上升过程中VT+VTH10VT+VTH10G1、G2门将要翻转=VT+=VTH0UO突变UI下降过程中>VT->VTH010110VT-VTH=VT-=VTHG1、G2门将要翻转UO突变1UI’（用CMOS非门）=>=>=>=>二、工作原理>VT+>VTH0110VT-VTH三、举例设UI为缓慢变化的三角波：UItVTHVT+VT-UOtUOLUOHG1门的阈值电平四、计算回差电压ΔVT1、求VT+在UI从0开始上升时，UO=UOL。UOH1UI，G1R1R2UIG21UOUOLVTHVT+从求UI

,入手求VT+：UI

,=VTH=UR2=R2R1+R2VT+∴VT+=R2R1+R2VTH=（1+R2R1）VTH在UIVT+，UI

,VTH，G1、G2门要翻转前的瞬间，=>=>电路中电流流向和电位情况见图。2、求VT-UOL1UI，G1R1R2UIG21UO在UI从最大值开始下降时，UO=UOH。UOHVTHVT-从求UI

,入手求VT-

：UI

,=UTH=UOH–

UR2=∴VT-

=R2R1+R2VTH

–

R2R1UOHR2R1+R2UOH–[（UOH–VT

–

）]又：故：UOH=VDD；VTH=VDD12VT-=（1

–）VTHR1R2电路中电流流向和电位情况见图。在UIVT+，UI

,VTH，G1、G2门要翻转前的瞬间，=>=>五、电压传输特性∵UI=0时，UO=UOL∴是同相施密特特性UIUOVDDVTH2VTHR1R23、求回差电压ΔVTΔVT

=VT+-

VT-=2VTH

R1R2=R1R2VDD当VDD一定时，调R1、R2，可调ΔUT

，即可调VT+VT-，可调UO脉宽。六、逻辑符号11&≥1VT-VT+OuItuOUT+UT-Ot(二)施密特触发器应用举例波形变换将三角波、正弦波和其它不规则信号变换成矩形脉冲。UOHUOL

uI

>

UT+

后，uO=

UOL,只有当uI下降到经过UT-

时，uO才会发生跃变。

uI

<UT-后，uO=UOH只有当

uI上升到经过

UT+时，uO才会发生跃变。脉冲整形将受到干扰的或不符合边沿要求的信号整形成较好的矩形脉冲。OuItOuOtUT+UT-OuItuOUT+UT-Ot脉冲幅度鉴别鉴别并取出幅度大于UT+的脉冲。UOLUOH即距形脉冲产生电路，由于距形脉冲中含有丰富的谐波分量，故常称多谐振荡器。

(1)不需输入信号。(2)无稳定状态，只有两个暂稳态。

三、多谐振荡器

(一)多谐振荡器的工作特点和符号通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。GuO工作特点5-1-3用门电路构成多谐振荡器一、对称式多谐振荡器1、组成（用TTL门电路）UI1UO2UO1UI211C1C2G1G2RF1RF22、工作原理则，暂态Ⅰ：

UO1=0、UO2=1

接下来：C1充电、C2放电假设，某一时刻，电路出现UO1=0、UO2=1的状态，0011UI1UO2UO1UI211C1C2G1G2RF1RF2++C2放电回路：UI1UOL1UOH2RF1C2+-C2+

→RF1→

UOL1→

UOH2→

C2-C2放电使UI1↓。C2放电：UI2UOH2UOL1R1VCCG2RF2C1-+C1充电：暂态Ⅰ：

UO1=0、UO2=1C1充电等效回路：UOH2→RE1→

C1→

UOL1（RE1=RF2∥R1）C1充电使UI2↑。由于RE1<RF1（当电路对称时），所以，充电比放电快。C1充电→

UI2=VTH时→

G2导通→

UO2=0UI1=0→UO1=1暂态Ⅱ：UO1=1、

UO2=0C2充电→

UI1=VTH时→

G1导通→

UO1=0UI2=0→UO2=1电路回到暂态Ⅰ。循环往复，直到关机。总之：UO1=0UO2=1UO2=0UO1=1UO1=1UO2=0UO1=0UO2=1→C1充电→

UI2→→C2充电→UI1→→C2放电→UI1→C1放电→UI2tUI1tUO1tUO2tUI2VTHVTHVIKVIKT1T4、计算在RF1=RF2=RF，C1=C2=C时：T1≈RFC

ln————UOH-UOH-如果G1、G2为74LS系列反相器，UOH=3.4V，VIK=-1V，VTH=1.1V在RF<<R1时，T1=0.65RFC振荡周期：T=2T1=1.3RFC振荡频率：f=1/T占空比：q=(T1/T)100%3、电压波形C2放电、充电C1充电、放电VTHVIK5-1-4用施密特触发器构成多谐振荡器1、组成UIUO2、工作原理接通VCC瞬间，C中无电荷，所以：1）UC=0→

3、电压波形2）UO=1→C充电→UI，3）UO=0→C放电→UI，tUItUI00VT+VT-若是CMOS电路，T1T2T1RC+UI=VT+→UO=0UI=VT-→UO=1T1=RCln————VDD-VDD-T=T1+T2；f=1/T；q=T1/TUI=0→UO=1VT-VT+T2=RCln———0-0-VT+VT-则：5、电路改进占空比可调电路如图：1CUIUOR2R1+充电经过R2，放电经过R1，T1=R2Cln————VDD-VT-VDD-VT+T2=R1Cln——VT+VT-q=T1/TT=T1+T2调节R1或R2，即可调节q5-1-5石英晶体多谐振荡器一、石英晶体许多应用场合。要求多谐振荡器的振荡频率f十分稳定，（如数字钟的秒脉冲频率）。上述电路的f都达不到要求。最简便的稳频方法是在多谐振荡器中接入石英晶体，构成石英晶体多谐振荡器。石英晶体的固有振荡频率fo

由结晶方向、外形尺寸决定；频率稳定度（Δfo/fo)可达10-10~10-11。fo电容性电感性fXO电抗频率特性曲线符号二、石英晶体振荡器1、组成将石英晶体接到多谐振荡器的正反馈回路中。当外加电压的频率f=fo时，其电抗X=0。UI1UOUO1UI211C1C2G1G2RF1RF22、工作原理当UO的频率f=fo时，反馈最强，电路才起振。fo的稳定度极高，这就解决了多谐振荡器的稳频问题。3、参数选择各种固有振荡频率fo的石英晶体已做成成品，可根据所购晶体的fo选择电路的外接RF和C，fo一般都很高，应利用分频器将fo分频为所需频率。例如，需要频率为1HZ的秒脉冲，可选购fo=32768HZ的晶振，通过15次二分频获得1HZ。结果：f=fo。四、单稳态触发器(一)工作特点与电路符号有一个稳态和一个暂稳态。无外触发脉冲输入时，电路处于稳态；在外触发脉冲作用下，电路将从稳态翻转到暂稳态，经一段时间后，电路又自动返回到原来的稳态。工作特点暂稳态时间长短取决于电路本身的参数，与外加触发脉冲无关。单稳态触发器暂稳态期间如再次被触发，对原暂稳时间无影响，输出脉冲宽度tW仍从第一次触发开始计算。

暂稳态期间如再次被触发，输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽tW。

可重复触发型不可重复触发型uOuI1uOuI限定符号“1

”表示不可重复触发型单稳态触发器。限定符号“”表示可重复触发型单稳态触发器。

下面通过工作波形的分析来说明可重复触发型和不可重复触发型触发器的区别。单稳工作波形举例不可重复触发型单稳输出波形可重复触发型单稳输出波形输入波形OuItOuOtOuOttWtWtWtW暂稳态期间不能再次触发。暂稳态期间能再次触发。其输出脉将在原暂稳态时间宽基础上再展宽tW。触发脉冲到来时，输出翻转为暂稳态，经暂稳态持续时间tW后重新自动回到稳态。外触发脉冲未来时，输出为稳态。5-1-6用门电路组成单稳态触发器一、微分型单稳态触发器1、组成（用CMOS或非门）2、工作原理（用正窄脉冲触发）UIUO1UI2UO说明接通VDD不触发VDDUOL00110稳态：UO=0C中无电荷触发1001暂态：UO=1C充电UI2↑↑=VTH000110返回稳态：UO=0C放电UI2↓①↓=VDD000110恢复为起始稳态C中无电荷注释①：此时的逻辑电平“1”，对应的电位为（VDD+0.7）V。UIUO1UI2UOUI，≥1≥1VDDCRG1G2UI，总之：不触发：UO=0，C中无电荷触发：UO=1C充电：返回UO=0C放电：恢复为起始稳态，UO=0，C中无电荷3、电压波形tUIVTHtUO1tUI2tUO*为了保证触发时间极短，通常在UI端加RC微分电路：≥1G1UO1CdRdUIUdtUItUdtUOVDD+0.7注意；第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。

电压波形4、输出脉宽

TW和幅度

UOmVTHtUI2tUOTW根据一阶RC电路暂态过程中，求任意变量的一般公式：可得：tτA(t)=A(∞)+[A(0+)-A(∞)]eA(∞)-A(∞)-t=τln—————

从波形图中看出，TW是C充电使UI2从0上升到VTH对应的时间，UI2(∞)=VDD,UI2(0+)=0,12UI2(TW)=VTH=VDD

,τ≈RCTW=RCln1VDD-

0VDD-

VDD2Uom=UOH-UOL≈VDD1）求TW2）求Uom=RCln2A(0+)A(t)所以：=0.69RC外接元件和连线少，触发方式灵活，既可用输入脉冲的正跃变触发，又可用负跃变触发，使用十分方便，而且工作稳定性好。因此应用很广泛。

(二)集成单稳态触发器TTL不可重复触发型单稳态触发器CT74121的逻辑符号有3个触发信号输入端，TR-A和TR-B用负脉冲触发，

TR+用正脉冲触发。

有2个互补输出端TR+TR-BTR-AQQRI

CXRX/CXRintCextRext/CextRI

CXRX/CX不可重复触发型单稳的限定符号

外接定时元件端

“×”号表示非逻辑连接，即没有任何逻辑信息的连接，例如外接R、C和VCC等。

如何使用

Rint、Cext和

Rext/Cext端？RI

CXRX/CXTR+TR-BTR-AQQ悬空不接CextRextVCC一般接法tW

0.7RextCext通常取：Rext=2~40k

，Cext=10pF~10

F。当输出脉宽很小时，可用内部电阻

Rint=2k

取代

Rext，接法如下：RI

CXRX/CXTR+TR-BTR-AQQCext+VCCtW

0.7RintCext那么

CT74121的触发信号应如何加呢？通过对CT74121功能表的分析就可知道触发端的用法。

欲负脉冲触发，则将触发脉冲从TR-A或TR-B加入，而TR+接1。

欲正脉冲触发，则将触发脉冲从TR+加入，而TR-A和TR-B至少有一接0。

可见，CT74121可正脉冲触发，也可负脉冲触发。0××01111110×11100××1010×101×0QQTR+TR-BTR-A输出输入CT74121的功能表

负脉冲触发应用举例RI

CXRX/CXTR+TR-BTR-AQQ+VCC+VCCQTR-B正脉冲触发应用举例RI

CXRX/CXuO+VCCuIuIuO2.CT74121逻辑功能的分析与应用

CT74121的功能表

0××01111110×11100××1010×101×0QQTR+TR-BTR-A输出输入(三)单稳态触发器应用举例经过长距离传输后，脉冲信号的边沿会变差或波形上叠加某些干扰，利用整形可使其变成符合要求的波形。1.

脉冲整形Cext

RextCextUo

RintVccGNDBA2A1Uo345167101191474121UItUItUOTW=0.69RC2.

脉冲定时

uC

为与门G开通与否的控制信号。

uC

=1，门G开通，信号uB通过门G输出；

uC=0，门G关闭，uB不能输出。2、输出脉冲延时UI+VCCUO2VCCUOBA1A2C1R1UO（1）VCCUOBA1A2C2R2UO（2）tUItUO1tUO2tUO1TW1TW2触发后，电路延时TW1时间再输出。TW1=0.69R1C1TW2=0.69R2C23、定时输出UIUO27412174121UBBA1A2UO74121&tUItUAtUOTW只在触发之后的TW时间内有UA输出。UO2tGUC掌握用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方法。主要要求：

了解555定时器的电路结构，掌握其符号和功能。5.2

555定时器及其应用555定时器简介

555定时器是一种结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。它电源电压范围宽(双极型555定时器为5~16V，CMOS555定时器为3~18V)，可提供与TTL及CMOS数字电路兼容的接口电平，还可输出一定功率，驱动微电机、指示灯、扬声器等。

TTL单定时器型号的最后3位数字为555，双定时器的为556；CMOS单定时器的最后4位数为7555，双定时器的为7556。一、555定时器的工作原理和逻辑功能555定时器的电路结构与符号

C1C2G3QQG1G2RSVR5k

5k

5k

UR1UR2GNDVCCRDOUTCO555THTRDIS电路符号627153843OUT输出端

8VCC电源端

4RD直接置0端

DIS7放电端TH6阈值输入端TR2触发输入端CO5控制电压输入端

GND1接地端

集电极开路输出端UR1UR2构成电阻分压器，为比较器

C1、C2提供两个参考电压，UR1=2/3VCC，UR2=1/3VCC。

输出缓冲器OUT=Q构成基本RS触发器，决定电路输出。

放电管，其输入为Q，输出为开路集电极。Q构成电压比较器，比较TH与UR1和TR与

UR2的大小。555定时器的电路结构与符号

C1C2G3QQG1G2RSVR5k

5k

5k

UR1UR23OUT输出端

8VCC电源端

4RD直接置0端

DIS7放电端TH6阈值输入端TR2触发输入端

CO5控制电压输入端

GND1接地端

UR1UR2Q555定时器的工作原理与逻辑功能

101导通定时器

5G555的功能表

不变不变1截止11导通01导通00V状态OUT

=

QRDTRTH输出输入××

直接置0端RD低电平有效，优先级最高。不用时应使其为1。不变不变1截止11导通01导通00V状态OUT

=

QRDTRTH输出输入××定时器

5G555的功能表

01导通0110555定时器的工作原理与逻辑功能555定时器的工作原理与逻辑功能

不变不变1截止11导通01导通00V状态OUT

=

QRDTRTH输出输入××定时器

5G555的功能表

10截止1001555定时器的工作原理与逻辑功能

不变不变1截止11导通01导通00V状态OUT

=

QRDTRTH输出输入××定时器

5G555的功能表

11简化功能表

不变不变1截止11导通01导通00V状态OUTRD输出输入TRTH××使用要点(1)

RD低电平有效,优先级最高，

不用时应接高电平。通常不用CO端，为了提高电路工作稳定性，将其通过0.01

F电容接地。(3)

TR低电平有效，TH高电平

有效，因此，TH加低电平、

TR加高电平时为非有效电

平，电路状态不变。(4)输出

0

时，Q

=

1，因此

V

导通；输出

1

时，

Q

=

0，故

V

截止。(5)注意：①

TH

电平高低是与

2/3VCC相比较，TR

电平高低是与

1/3VCC相比较。②若控制输入端

CO

加输入电压

uCO，则

UR1=

uCO

UR2=

uCO/2，故

TH

和

TR

电平高低的比较值将变成

uCO和

uCO/2。(2)TH和TR均为高电平时输出

0，均为低电平时输出

1。二、用

555定时器组成施密特触发器

0uOuIUOL1/3VCC2/3VCCUOH当TH=TR=uI>2/3VCC时电压传输特性为反相输出的滞回特性uIuO当TH=TR=uI<1/3VCC时1/3VCC0当1/3VCC<TH=TR=uI<2/3VCC时当uI<1/3VCC时当uI由高电平逐渐下降，且1/3VCC<uI<1/3VCC时UT+=2/3VCCUT-

=1/3VCC

UT=UT+-

UT-

=1/3VCC0uOuIUOL1/3VCC2/3VCCUOH不变不变1截止11导通01导通00V状态OUTRD输出输入TRTH××OuO/Vt[例]试对应输入波形画出下图中输出波形。184355557+12V0.01

FuIuO260uI/Vt246810THTRuIuO+12VUT+UT-abcdefUOH解：UT+=2/3VCC=8VUT-

=1/3VCC=4V因此可画出输出波形为

电路构成反相输出的施密特触发器GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01

FRCuIuOuC-+三、用555定时器组成单稳态触发器(一)电路结构DISTHVCCRR、C为定时元件TRuIOUTuOGNDVCCRDCO0.01

FCuC-+(二)工作原理、工作波形与参数估算1.稳定状态

接通电源后VCC经R向C充电，使uC

上升。uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC该电路触发信号为负脉冲，不加触发信号时，uI=

UIH(应

>

1/3

VCC)。

当uC

≥2/3VCC时，满足TR=uI>1/3VCC，TH=uI≥2/3VCC,因此uO为低电平，V导通，电容C经放电管V迅速放电完毕，uC

0V。这时TR=UIH>1/3VCC，TH=uC

0<2/3VCC，uO保持低电平不变。因此，稳态时

uC

0V，uO为低电平。充电工作原理

导通放电VuCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC0VUOLUIH3.自动返回稳定状态

(二)工作原理、工作波形与参数估算uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC2.触发进入暂稳态

UIHUOL

TH≥2/3VCC放电V

当输入uI由高电平跃变为低电平

(应<1/3VCC)时，使

TR=UIL<1/3VCC而TH=uC

0V<2/3VCC，因此uO跃变

为高电平，进入暂稳态，这时放电管V截止，VCC又经R向C充电，uC

上升。这时uI必须已恢复为高电平

当uC

上升到uC

≥2/3VCC时，

TH

=

uC

≥2/3

VCC，而TR=uI=

UIH(>1/3VCC)，因此uO重新跃变为低电平。同时，放电管导通，C

经V迅速放电uC

0V，放电完毕后，电路返回稳态。[例]用上述单稳态电路输出定时时间为1s的正脉冲，R