数字电子技术基础课件：第6章 脉冲信号的产生与整形

1、第6章 脉冲信号的产生与整形,学习要点： 555定时器的工作原理及逻辑功能 由555定时器构成单稳、多谐、施密特 触发器的方法,6.1 施密特触发器,6.2 单稳态触发器,6.3 多谐振荡器,第6章 脉冲信号的产生与整形,6.0 概述,矩形脉冲的基本特性：,Um,T,tw,tr,tf,0.9Um,0.5Um,0.1Um,6.0 概述,2、用整形电路把已有的周期性变化的波形整形产生,1、用多谐振荡器直接产生,获取矩形脉冲波形（时钟）的途径:,矩形脉冲波形的整形电路 施密特触发器、单稳态触发器。,用门电路可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。,用555定时器也可以构成施密特触发器、单稳态

2、触发器和多谐振荡器。,555定时器:,是一种中规模集成电路，配上外部适当阻容元件，可以构成脉冲产生与整形电路。,内部电路组成: (1)分压器(3个R) (2)电压比较器 (C1、C2） (3)RS触发器 (4)反相器 (5)晶体管T,低电平 触发端,高电平 触发端,电压 控制端,复位端 低电平有效,放电端,4.516V,（1）分压器为比较器提供基准电压，C1 的基准电压为2VCC/3，C2 的基准电压为VCC/3。,（3）C1、C2的输出作为RS触发器的输入。R=0时，Q=0；S=0时，Q=1。,（4）RS触发器的反相输出端经反相驱动后输出uo，即uo=Q,（5）当Q=0时，T导通；Q=1时，

3、T截止。,0,0,1,2VCC/3,VCC/3,0,0,0,1,1,1,2VCC/3,VCC/3,1,0,0,1,1,1,1,0,1,2VCC/3,VCC/3,1,1,1,0,0,1,555定时器的功能表,RD,TH,TR,UO,T,1,0,0,0,1,1,导通,导通,截止,保持, 2VCC/3, VCC/3,2VCC/3, 2VCC/3,保持,1, VCC/3, VCC/3,4.3 施密特触发器,6.1.1 由门电路构成的施密特触发器,6.1.2 由555定时器构成的施密特触发器,6.1.3 施密特触发器的应用,6.1 施密特触发器,1、电平触发：触发信号UI 可以是变化缓慢的模拟信号， U

4、I达某一电平值时，输出电压UO突变。 UO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滞回特性。,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。,特点,用途：整形，构成单稳态触发器和多谐振荡器等。,施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。,0,0,1,1,6.1.1 由门电路构成的施密特触发器,（1）ui0时，

5、，uo为高电平，这是第一种稳态。,（1）ui0时， ，uo为高电平，这是第一种稳态。,（2）uiUD0.7V 时， ，RS触发器不翻转，uo仍 为高电平，电路仍维持在第一种稳态。,0,1,1,1,1,1,0,0,（1）ui0时， ，uo为高电平，这是第一种稳态。,（2）uiUD0.7V 时， ，RS触发器不翻转，uo仍 为高电平，电路仍维持在第一种稳态。,（3）ui 继续上升到UT+1.4V 时， ，RS触发器翻转 ，uo为低电平，这是第二种稳态。电路翻转后ui 再上升，电 路状态不变。,0,1,1,0,（1）ui0时， ，uo为高电平，这是第一种稳态。,（2）uiUD0.7V 时， ，RS触

6、发器不翻转，uo仍 为高电平，电路仍维持在第一种稳态。,（4）ui 继续上升到最大值下降时，若ui 下降到UT+ ， RS触发器不翻转，电路仍维持在第二种稳态。,（3）ui 继续上升到UT+1.4V 时， ，RS触发器翻转 ，uo为低电平，这是第二种稳态。电路翻转后ui 再上升，电 路状态不变。,0,0,1,1,（1）ui0时， ，uo为高电平，这是第一种稳态。,（2）uiUD0.7V 时， ，RS触发器不翻转，uo仍 为高电平，电路仍维持在第一种稳态。,（3）ui 继续上升到UT+1.4V 时， ，RS触发器翻转 ，uo为低电平，这是第二种稳态。电路翻转后ui 再上升，电 路状态不变。,（4

7、）ui 继续上升到最大值下降时，若ui 下降到UT+ ， RS触发器不翻转，电路仍维持在第二种稳态。,（5）ui 继续下降到UT-=UD=0.7V 时， ，RS触发器 翻转，uo为高电平，电路返回到第一种稳态。,下限阈值电压,上限阈值电压,回差电压（滞后电压）： UT UTUT,前面介绍的施密特触发器的回差电压为： UTUTUTUT(UTUD)UD 0.7V 缺点是回差太小，且不能调整。,集成施密特触发器,六反相器,四2输入与非门,集成施密特触发器,六反相器,二4输入与非门,6.1.2 由555定时器构成的施密特触发器,低电平 触发端,高电平 触发端,电压 控制端,复位端 低电平有效,放电端,

8、4.516V,滞回特性,回差电压：,6.1.3 施密特触发器的应用,1用作系统接口,将缓慢变化的输入信号转换成符合TTL系统要求的脉冲波形,2用作整形,将不规则的输入信号整形成为矩形脉冲,3用作阈值电压探测器,将幅值达到UT+ 的输入电压信号探测出来并形成相应的输出脉冲,4用于多谐振荡器,5用作脉冲展宽,施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。 施密特触发器可以由分立元件构成，也可以由门电路及555定时器构成。 施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。,本节小结,4.2 单稳态触发器,6.2.1 由门电路构成

9、的单稳态触发器,6.2.2 由555定时器构成的单稳态触发器,6.2.3 单稳态触发器的应用,6.2 单稳态触发器,单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形波）、整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。 单稳态触发器具有下列特点：,（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。 （2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。 （3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间仅决定于电路本身的参数，与触发脉冲无关，与电源电压的高低无关。,6.2.1 由门电路构成的单稳态触发器,（1）没有触

10、发信号时电路工作在稳态 当没有触发信号时，ui为低电平。因为门G2的输入端经电阻R接至VDD，uA为高电平，因此uo2为低电平；门G1的两个输入均为0，其输出uo1为高电平，电容C两端的电压接近为0。这是电路的稳态，在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：uo11，uo20。,0,0,1,1,1、微分型单稳态触发器,1,1,0,（2）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态 当正触发脉冲ui到来时，门G1输出uo1由1变为0。由于电容电压不能跃变，uA也随之跳变到低电平，使门G2的输出uO2变为1。这个高电平反馈到门G1的输入端，此时即使ui的触发信号撤除，仍能维持门G1的低电平输出。但是电路的

11、这种状态是不能长久保持的，所以称为暂稳态。暂稳态时，uo10，uo21。,0,0,1,1,（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态 在暂稳态期间，VDD经R对C充电，随着充电的进行，C上的电荷逐渐增多，使uA升高。当uA上升到阈值电压UT时，G2的输出uo2由1变为0。由于这时G1输入触发信号已经过去，G1的输出状态只由uo2决定，所以G1又返回到稳定的高电平输出。uA随之向正方向跳变，加速了G2的输出向低电平变化。最后使电路退出暂稳态而进入稳态，此时uo11，uo20。,脉冲宽度：TP=0.7RC,电路的改进,当ui的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个RC微分电路，否则，在电路由暂

12、稳态返回到稳态时，由于门G1被ui封住了，会使uo2的下降沿变缓。,稳态时，ui1，G1、G2均导通。uo10，uA0，uo20。 ui 跳变到0时，G1截止，uo1随之跳变到1。由于电容电压不能跃变，uA仍为0，故门G2截止，uo2跳变到1。在G1、G2截止时，C通过R和G1的导通管放电，使uA逐渐上升。当uA上升到管子的开启电压UT时，如果ui仍为低电平，G2导通，uo2变为0。当ui回到高电平后，G1导通，C又通过R和G1的导通管充电，电路恢复到稳定状态。,2、积分型单稳态触发器,74121的输出脉冲宽度： tp0.7RC,3、集成单稳态触发器,当定时电容C1000pF时，74122的输

13、出脉冲宽度： tp0.32RC,6.2.2 由555定时器构成的单稳态触发器,复习：555定时器,555定时器的功能表,RD,TH,TR,UO,T,1,0,0,0,1,1,导通,导通,截止,保持, 2VCC/3, VCC/3,2VCC/3, 2VCC/3,保持,1, VCC/3, VCC/3,复习：555定时器,6.2.2 由555定时器构成的单稳态触发器,输出脉冲宽度tP,工作原理：,（a）电路,（a）电路,输出脉冲宽度tP,延迟与定时,整形,6.2.3 单稳态触发器的应用,单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成的单稳态触发器和基本RS触发器在结构上也极为相似，只有用于反馈的耦合网络不同。,

14、单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由555定时器构成。在单稳态触发器中，由一个暂稳态过渡到稳态，其“触发”信号也是由电路内部电容充（放）电提供的，暂稳态的持续时间即脉冲宽度也由电路的阻容元件决定。,单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途很广。,本节小结,6.3 多谐振荡器,6.3.1 由门电路构成的多谐振荡器,6.3.2 由555定时器构成的多谐振荡器,6.3.3 多谐振荡器的应用,能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。,6.3.1 由门电路构成的多谐振荡器,多谐振荡器是一种自激振荡电路，当电路连接好后，只要接通电源，在其输出端便可获得矩形脉冲

15、，矩形脉冲中除基波外还含有丰富的高次谐波。,1、RC环形多谐振荡器,6.3.1 由门电路构成的多谐振荡器,在t1时刻，ui1（uo）由0变为1，于是uo1（ui2）由1变为0，uo2由0变为1。由于电容器上电压不能跃变，故ui3必定跟随ui2发生负跳变。这个低电平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。 在这个暂稳态期间，uo2（高电平）通过电阻R对电容C充电，使ui3逐渐上升。在t2时刻，ui3上升到门电路的阈值电压UT，使uo（ui1）由1变为0，uo1（ui2）由0变为1，uo2由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故ui3跟随ui2发生正跳变。这个高电平保持uo为0。至此，第一个暂稳态

16、结束，电路进入第二个暂稳态。,第一暂稳态及其自动翻转的工作过程,第二暂稳态及其自动翻转的工作过程,在t2时刻，uo2变为低电平，电容C开始通过电阻R放电。随着放电的进行，ui3逐渐下降。在t3时刻，ui3下降到UT，使uo（ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。,造成振荡器自动翻转的原因是电容C的充放电。,振荡周期为：,2、CMOS多谐振荡器,在t1时刻， uo由0变为1，由于电容电压不能跃变，故ui1必定跟随uo发生正跳变，于是ui2（uo1）由1变为0。这个低电平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，电容C通过电阻R放电，

17、使ui1逐渐下降。在t2时刻，ui1上升到门电路的开启电压UT，使uo1（ui2）由0变为1，uo由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故ui1跟随uo发生负跳变，于是ui2（uo1）由0变为1。这个高电平保持uo为0。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。,第一暂稳态及其自动翻转的工作过程,第二暂稳态及其自动翻转的工作过程,在t2时刻，uo1变为高电平，这个高电平通过电阻R对电容C充电。随着充电的进行，ui1逐渐上升。在t3时刻，ui1上升到UT，使uo（ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。,若UT = 0.5VDD，振荡周期为：,3

18、、石英晶体多谐振荡器,电阻R1、R2的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对TTL反相器，常取R1R2R0.7 k2k，而对于CMOS门，则常取R1R2R10k100k；C1C2C是耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率f0时可以忽略不计；石英晶体构成选频环节。,振荡频率等于石英晶体的谐振频率f0 。,6.3.2 由555定时器构成的多谐振荡器,接通VCC瞬间，uc=0，uo=1，T截止；此后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。,（a）电路,工作原理：,第二个暂稳态的脉冲宽度tp2，即uc从2VCC/3放电下降到VCC/3所需的时间：,第一个暂稳态的脉冲宽度tp1，即uc从VCC/3充电上升到2VCC/3所需的时间：,振荡周期：,秒信号发生器,多谐振荡器,分频电路,6.3.3 多谐振荡器的应用,模拟声响电路,将振荡器的输出电压uo1接到振荡器中555定时器的复位端（4脚），当uo1为高电平时振荡器振荡， uo1为低电平时555定时器复位，振荡器停止震荡。,多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。,多谐振荡器可以由门电路构成，也可