数字电子基础技术应用 9

2026/1/309脉冲的产生和整形电路脉冲整形——施密特触发器和单稳态触发器。脉冲产生——多谐振荡器和石英晶体振荡器。9.1施密特触发器9.2单稳态触发器9.3多谐振荡器和石英晶体振荡器

9.4555定时器及其应用2026/1/309.1施密特触发器施密特触发器概念:输入信号由低到高与由高到低变化过程中，电路状态翻转对应的输入电平不同。

V=VT+-VT-电路状态改变时，是正反馈，使波形边沿很陡。具有较强抗干扰能力和整形作用。符号：输入和输出为反向关系的施密特触发器为反向施密特触发器，输入和输出为同向关系的施密特触发器为同向施密特触发器。2026/1/30下图是用两个CMOS非门和电阻构成的门级施密特触发器。门只有一个阈值，该电路构成了有两个阈值的施密特触发器通过分析该电路理解施密特触发器特性：电路结构也有反馈；反馈回路有电阻。2026/1/30上限阀值电压:UT+=（1+R1/R2）UTUT+UT-

t

tuOuI(b)波形图假设UT≈VDD/2，且R1<R22026/1/30UT+UT-

t

tuOuI(b)波形图假设UT≈VDD/2，且R1<R2下限阀值电压:UT-=（1-R1/R2）UT电路回差电压:ΔU=UT+-UT-=2UTR1/R22026/1/30UT+UT-

t

tuOuI(b)波形图改变R1和R2就可调节回差电压

U的大小。

11uIuouo’R1R2G1G2uI’(a)电路电路构成了同相施密特触发器：上限阀值电压:UT+=（1+R1/R2）UT下限阀值电压:UT-=（1-R1/R2）UT电路回差电压:ΔU=UT+-UT-=2UTR1/R20OvIvOHVOLV+TV-TVUT≈VDD/2，且R1<R22026/1/30实验验证波形：2026/1/30（1）输出为数字信号，有两种稳定状态，且边沿很陡；

（3）输入可以为模拟信号；（2）对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平，上限阈值电压VT+和下限阈值电压VT-。回差电压

V施密特触发器特点

0OvIvOHVOLV?TV?TV（4）电压传输特性为：(注意：符号有圈即反相斯密特触发器）2026/1/309.1.1集成施密特触发器

TTL集成施密特触发器有：74LS14，74132，7413等。延迟、功耗、回差电压如下表：型号Tpd（ns）Pw（mW）△UT（V）74141525.50.874LS132158.80.8741316.58.750.8表9.1.1TTL集成施密特触发器CMOS集成施密特触发器有：CD40106，CD4093和CD4584等。

74HC04数据手册功能框图(六反相施密特触发器)2026/1/30注意波形中低电平的高低？？传承？查资料与门电路器件低电平输出低电平参数比较

脉冲整形t脉冲整形波形图tttuIuOuIuOUT+UT-UT+UT-9.1.2施密特触发器

应用举例2026/1/30

波形变换9.1.2施密特触发器

应用举例2026/1/30

脉冲鉴幅tt00OvtvV6T??VV2T??V

构成多谐振荡器uIuO鉴幅电路UT+UT–施密特触发器

应用举例用斯密特触发器使微处理器可靠复位2026/1/30除基本RS锁存器消抖外，斯密特触发器也可以2026/1/302026/1/309.2单稳态触发器在触发脉冲的作用下，单稳态触发器从稳态翻转到暂稳态，输出端产生一个宽度为tw的矩形脉冲，经过时间tw后又自动翻回稳态。单稳态触发器通常由门电路和RC电路元件组成。暂稳态的时间tw取决于电路RC的参数，与触发脉冲的宽度无关。单稳态触发器常用于数字系统的整形、延时和定时电路中。2026/1/30用TTL门构成的单稳态触发器，理解特性微分型单稳态电路的组成。电路结构有反馈，有RC。

G1的输出经微分电路RC接到G2的输入端，G2输出接到G1的输入端。

应选R<Roff(1kΩ)。

&&CuO1uO2uIR(a)电路图微分型单稳态触发器功能分析：稳态：

Q

=0，=11.微分型单稳态触发器*电路：由CMOS门电路和RC微分电路构成。2.积分型单稳态触发器暂稳态：uI低触发有效，Q=12026/1/30用门构成的单稳态触发器暂稳态：G1门的输出UOH经C和R到地的方向给电容充电，uI2按指数曲线下降，当uI2下降到阈值电压UT，暂稳态结束。暂稳态结束后，Q

=0电容两端电压不能突变之后，电容经由G1门内饱和晶体管以较大的电流放电，R支路构成放电回路的一部分&&CuO1uO2uIR(a)电路图图6.3.1微分型单稳态触发器1.微分型单稳态触发器*电路：由CMOS门电路和RC微分电路构成。2.积分型单稳态触发器2026/1/30用门构成的单稳态触发器实验波形暂稳态：G1门的输出高电平UOH经电容C和电阻R到地的方向给电容充电，uI2按指数曲线下降，当uI2下降到阈值电压UT暂稳态结束后，Q

=0电容两端不能突变=0V，uI2=-UC（电容上电压左正右负）。之后，电容经由G1门内饱和晶体管以较大的电流放电，R支路构成放电回路的一部分&&CuO1uO2uIR(a)电路图图6.3.1微分型单稳态触发器2026/1/30用门构成的单稳态触发器实验波形暂稳态：G1门的输出高电平UOH经电容C和电阻R到地的方向给电容充电，uI2按指数曲线下降，当uI2下降到阈值电压UT暂稳态结束后，Q

=0电容两端不能突变=0V之后，电容经由G1门内饱和晶体管以较大的电流放电，R支路构成放电回路的一部分&&CuO1uO2uIR(a)电路图图6.3.1微分型单稳态触发器2026/1/309.2.1集成单稳态触发器

TTL系列的有74121、74122、74123等；CMOS系列的有4098、4528、4538等。应用外接很少的电阻和电容。2026/1/30通常值取在2kΩ~30kΩ。值取在10~10µF之间，得到的

范围可达14µs~210ms。DM74121:30ns~28s另外，74121内部2kΩ电阻

可代替

。74121功能表1.TTL集成单稳态触发器（74121）74121连接图和另一种符号图来自器件手册中的，内部集成了2kΩ电阻2026/1/302026/1/30

74121两种不同接法（注意这是实验连线图，原理图不能这么画）正脉冲触发负脉冲触发集成单稳态触发器外接电路使用内部电阻使用外部电阻2026/1/3074121波形图4538是CMOS精密单稳态触发器。可得到高精度的输出脉冲宽度。

ABCR2026/1/309.2.2单稳态触发器的应用举例1脉冲的整形图9.3.9脉冲整形uIuOVCCBQ

A1

A2uOcxCx/RXu12026/1/30单稳态触发器应用

2.用于定时(或延时、脉冲拓宽)——构成测频门控信号L集成单稳态触发器补充内容一、非重复触发单稳态触发器74121非重复触发—只能在稳态接受输入信号。1.图形符号

1>1

&TR–ATR–BTR+RintCextRICXRX/CXRext

/

Cext

下降沿触发输入上升沿触发输入非重复触发外接定时电阻、电容VCC内接定时电阻引出端二、可重复触发单稳态触发器74122和74123可重复触发—在暂稳态期间,能够接受新的触发信号。1.图形符号1TR–ATR–BTR+ARintCextRINtCextRext/CextRext

/

Cext

&RTR+BRD直接复位可重复触发twtwtw思考下图74121功能表表头正确与否？来自器件手册的变量标注问题？（此表头是用器件引脚端表示的，表头的A1A2B是指该引脚输入信息，表中内容与教材中用变量表示输入信息是一致的，不能将A1和A2求非作为输入）2026/1/30课堂练习：2006年试题八、（10分）74LS123是双可重触发单稳态触发器。它的功能表、符号和按键电路如本题表和图所示(t=0.45RC)。试用74LS123设计(1)脉冲发生电路，要求每按下一次按键(不考虑按键抖动)，电路发出一个脉冲宽度为2ms的脉冲；(按键有效性?)(2)要求每按下一次按键，电路立刻发出一个脉冲宽度为2ms的单脉冲，但按键抖动或2s以内重复按下按键不能发出多个脉冲。（即按键抖动不能影响2ms和2s时间）2026/1/30课堂练习：2006年试题八、（10分）74LS123是双可重触发单稳态触发器。它的功能表、符号和按键电路如本题表和图所示(t=0.45RC)。试用74LS123设计(1)脉冲发生电路，要求每按下一次按键(不考虑按键抖动)，电路发出一个脉冲宽度为2ms的脉冲；(按键有效性?)(2)要求每按下一次按键，电路立刻发出一个脉冲宽度为2ms的单脉冲，但按键抖动或2s以内重复按下按键不能发出多个脉冲。（即按键抖动不能影响2ms和2s时间）2026/1/30分析该方案是否有问题？

下面的Q端输出2s信号，该信号是否受按键抖动而延长了？2026/1/30课堂练习：2006年试题八、（10分）74LS123是双可重触发单稳态触发器。它的功能表、符号和按键电路如本题表和图所示(t=0.45RC)。试用74LS123设计(1)脉冲发生电路，要求每按下一次按键(不考虑按键抖动)，电路发出一个脉冲宽度为2ms的脉冲；(按键有效性?)(2)要求每按下一次按键，电路立刻发出一个脉冲宽度为2ms的单脉冲，但按键抖动或2s以内重复按下按键不能发出多个脉冲。（即按键抖动不能影响2ms和2s时间）2026/1/30图4为单稳态触发器74121构成的电路，表1为其功能表，ui为触发信号。已知74121的暂稳态脉宽等于0.7RC。（1）根据功能表和电路图，ui应是上沿还是下沿触发有效？（1分）（2）设R1=R2=30kΩ，C1=C2=0.1µF，计算暂稳态脉宽，并画出在ui触发下uo1和uo2的波形（包含ui触发前uo1和uo2的状态）。（3分）（3）简述电路的工作原理，并说明其功能。（2分）2026/1/302026/1/30作业19.29.49.19.59.72026/1/309.3

多谐振荡器

多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源以后，不需外加触发信号，就能自动地不断来回翻转，产生矩形脉冲。由于输出的矩形波中含有很多谐波分量，故通常将它称为多谐振荡器，又称方波发生器。9.3.1门电路构成的多谐振荡器9.3.2石英晶体多谐振荡器2026/1/309.3.1集成门电路构成的多谐振荡器图9.3.1表示用三个集成非门构成的方波发生器。这些门组成一个环形，所以称为环形振荡器。它是利用门电路的时延tpd来产生方波振荡的。1图9.3.1环型振荡器11uOuI图9.3.2环行单稳态的波形uIuOuFtpd2tpd2026/1/309.3.2石英晶体多谐振荡器1.石英晶体的基本特性石英晶体的符号如图9.4.4所示。频率稳定性能达到10-5~10-8，高质量石英晶体振荡器，频率稳定性可达10-11。QR图9.3.4石英晶体的电路符号2.CMOS石英晶体多谐振荡电路

图9.3.5所示为微处理器的方波发生器简化电路，其中虚线以上部分制作在集成电路内，而石英谐振器QR及C1、C2为外接分立元件。在有些集成电路中，C2也做在芯片内。G1RQRC1C21uO图9.3.5石英晶体多谐振荡器

有源晶振和无源晶振所谓无源晶振（crystal，即仅有晶体）是指其内部无振荡电路。有源晶振（oscillator，振荡器，简称为晶振）内部除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件，是一个完整的振荡器，因此体积较大。2026/1/30图中所示的电路将以所选晶体所规定的频率振荡。2026/1/30MCS-51单片机的时钟电路

2026/1/30EGO1电路图

EGO1有100MHz时钟芯片，输出的时钟信号直接与FPGA全局时钟输入引脚（P17）相连。若设计中还需要其他频率的时钟，可以采用FPGA内部的MMCM生成。2026/1/302026/1/30构成秒脉冲发生器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。2026/1/309.5555定时器及其应用

555定时器是一种中规模集成电路，目前在仪器、仪表和自动化控制装置中应用很广。它可组成定时、延时和脉冲调制等各种电路。本节先简单介绍该定时器内部电路原理和参数，然后着重介绍由它组成的施密特电路、单稳态电路和多谐振荡电路。9.5.1555定时器

9.5.2555构成的施密特触发器9.5.3555构成的单稳态触发器9.5.4555构成的多谐振荡器2026/1/309.5.1555定时器图9.5.1NE555集成定时器1+–OUT5627VCCTHC-UDIS3＆＆＆1+–GNDOUT

C-UTHDIS

VCC2026/1/30表9.5.1555功能表不变×THOUT×DISLL导通

HL导通

H不变×HH截止1+–OUT5627VCCTHC-UDIS3＆＆＆1+–当2个触发信号高于其域值电压，基本RS触发器清0，输出为0；当触发端处于功能表第三行，RS触发端均无效，输出不变；当同相端触发信号低于其域值电压，基本RS触发器置1，输出为1。2026/1/309.5.2用555构成的施密特触发器

VDDRDTHOUTTRC-UuOVDDuI图9.5.2555构成的施密特电路ttuIuOVDD图9.5.3三角波变换矩形波电路uOuIUTLUTH图9.5.4回差特性

UT+=UT=2VDD/3

UT–=UTL=VDD/3

UT=VDD/32026/1/309.5.3用555构成的单稳态触发器图9.5.5555构成的单稳态触发器及工作波形(a)电路图VDDRDTHTRDISC-UOUTVDDGNDuOuICR(b)工作波形VDD/32VDD/3tw充电放电uIuCuOt图9.5.5555构成的单稳态触发器及工作波形tttw=1.1RC2026/1/309.5.4用555构成的多谐振荡器图9.5.6555定时器构成的多谐振荡器及工作波形（a）电路图

VDDRDDISOUTTR555THC-UGND

R1R2CuCuOVDD（b）波形图ttt1t2t3t4T1T2uCuO图9.5.7555定时器构成的多谐振荡器及工作波形2026/1/30充电时间T1为：

T1=(R1+R2)Cln2=0.693(R1+R2)C(6.5.3)放电时间T2为:

T2=R2Cln2=0.693R2C(6.5.4)频率f为:

f=1/(T1+T2)=1.44/(R1+2R2)C(6.5.5)占空比为:

q=T1/T=T1/(T1+T2)=(R1+R2)/(R1+2R2)>50%(6.5.6)如果R1>>R2，则占空比接近于1，此时，uC近似地为锯齿波。2026/1/30占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器如图9.5.7所示。图中，T1=0.693RAC，T2=0.693RBC，因此输出脉冲占空比q=T1/(T1+T2)=RA/(RA+RB)

0.01μFVCCRDDISTHTRuOOUTC-UGNDRARBCD2D1555VCC图9.5.7占空比可调的多谐振荡器2026/1/30

思考题555应用如图所示是一个由555定时器构成的防盗报警电路，a、b两端被一细铜丝接通，此铜丝置于盗窃者必经之路，当盗窃者闯入室内将铜丝碰断后，扬声器即发出报警声。说明本报警电路的工作原理。2026/1/30

CircuitforMissing-PulseDetector

（来源NE555手册）ui为连续脉冲输入端，信号周期比该单稳电路的脉宽窄A5T3644外部放电管，只要input不丢失脉冲，电容上电压就达不到2VCC/3，不会输出低电平

CircuitforPulse-WidthModulation（来源NE555手册）2026/1/302026/1/30[例7.7.3]试用精密单稳电路4538、定时器555、计数器74290、BCD-七段译码器7447和七段数码管等元器件设计一个简易数字电容测量仪，要求测量范围0~99nF。[解]

⑴分析设计要求①

利用精密单稳电路4538，把待测电容C值转换为tW，若取电阻R为100k

，则有tW=RC=0.1Cs(μF)在采样间隔tW时间内，计数器对已知频率脉冲信号进行计数，若选fcp=10kHz，计数器计数结果将是N=fcptW=C/nF根据以上分析，可以画出电路原理框图如图7.7.5所示综合练习⑵

本题各框内均是已学过的逻辑电路，这里不再详细讨论。⑶

略2026/1/30图7.7.5