數(shù)字電子技術（第3版）-課件 第六章

數(shù)字電子技術中北大學

DigitalElectronicsTechnology2第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形6.1概述6.2

施密特觸發(fā)器6.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.4多諧振蕩器主要要求：

理解用于脈沖信號整形的施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理及應用。了解多諧振蕩器的工作原理。6.1概述第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形理解555定時器的工作原理及應用方法。什么叫脈沖信號？脈沖信號是指短時間內(nèi)突變，且在很短的時間內(nèi)復原的信號。凡是不具有連續(xù)正弦波形的信號，都可以稱為脈沖信號。在數(shù)字電路中，最常使用的脈沖信號是矩形脈沖，也稱為矩形波。時序邏輯電路中的時鐘信號即是矩形脈沖。脈沖周期T——兩個相鄰脈沖的時間間隔。脈沖幅度Um——脈沖電壓的最大變化幅度。脈沖寬度tW——從脈沖上升沿0.5起至脈沖下降沿0.5為止的一

段時間。上升時間tr——脈沖上升沿從0.1上升到0.9所需要的時間。下降時間tf——脈沖下降沿從0.9下降到0.1所需要的時間。占空比——q=tW/T，通常q用百分比表示，如果q=50%，則稱

為對稱方波。實際的矩形脈沖常用的有施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

脈沖信號產(chǎn)生與整形的方法獲取脈沖信號的方法

脈沖信號產(chǎn)生與整形電路的實現(xiàn)是一種多用途集成電路，只要外接少量阻容元件就可構成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等，使用方便、靈活，應用廣泛。用多諧振蕩器直接產(chǎn)生。

用整形電路對已有波形進行整形、變換。

施密特觸發(fā)器主要用以將緩慢變化或快速變化的非矩形脈沖變換成陡峭的矩形脈沖。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器主要用以將寬度不符合要求的脈沖變換成符合要求的矩形脈沖。用門電路構成。用專用的集成電路。用

555

定時器構成。第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形施密特觸發(fā)器是把非脈沖信號或非標準幅值的脈沖信號轉換為標準幅值的脈沖信號。即：輸入可以是模擬信號，也可以幅值不規(guī)則的脈沖信號，輸出是數(shù)字電路標準的高、低電平。施密特觸發(fā)器也是一種雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，與滯回比較器相類似。不同的是其輸出標準的高低電平，對于TTL電路高電平就是3V以上，低電平是零點幾伏；對于CMOS電路，高電平就是VDD，低電平就是0V。6.2施密特觸發(fā)器SchmittTriggerUOLUOH(一)施密特觸發(fā)器的特性和符號

UT=UT+-

UT-回差電壓施密特觸發(fā)器工作特點(1)允許輸入信號為緩慢變化的信號。(2)有兩個閾值電壓。(3)有兩個穩(wěn)態(tài)。UT+OuOuIUT-上限閾值電壓下限閾值電壓當uI從小增大時，經(jīng)過UT+處才能使輸出發(fā)生躍變。當uI從大減小時，經(jīng)過UT-處才能使輸出發(fā)生躍變。UOLUOHUT+OuOuIUT-uOuI具有施密特特性的與非門符號第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形SchmittTrigger(1)初始狀態(tài)當時，G1關閉，輸出高電平VDD；G2開通，輸出低電平0V。(2)電路狀態(tài)的一次翻轉上輸入uI增大時，也隨之增大

0

V；G2關閉，輸出。當uI由高電平下降時，發(fā)生另外一次翻轉。注：R1、R2取值可改變上下限閾值電壓值，但一定要R1＜R2，否則電路無法正常工作。（二）門電路構成的施密特觸發(fā)器第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形G1、G2為二個CMOS反相器，閾值電壓UTH=VDD/2當輸入電壓上升到UTH時，G1工作在電壓傳輸特性的轉折區(qū)(即放大區(qū))，這時的微小增大就會使電路產(chǎn)生反饋過程：555定時器簡介

555定時器是一種結構簡單、使用方便靈活、用途廣泛的多功能電路。它電源電壓范圍寬(雙極型555定時器為5~16V，CMOS555定時器為3~18V)，可提供與TTL及CMOS數(shù)字電路兼容的接口電平，還可輸出一定功率，驅動微電機、指示燈、揚聲器等。

TTL單定時器型號的最后3位數(shù)字為555，雙定時器的為556；CMOS單定時器的最后4位數(shù)為7555，雙定時器的為7556。第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形（三）用555

定時器組成施密特觸發(fā)器集成555定時器是一種將模擬電路與數(shù)字電路的功能巧妙結合在一起的多用途單片集成電路，有些書上把它描述為：模擬電路與數(shù)字電路的的完美結合。在其外部配接上少許阻容定時元件，便能構成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器等多種應用電路。電路結構電阻分壓器兩個CMOS比較器一個基本RS觸發(fā)器一個NMOS開關第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形555定時器的電路結構與符號

C1C2G3QQG1G2RSVR5k

5k

5k

UR1UR2GNDVCCRDOUTCO555THTRDIS電路符號627153843OUT輸出端

8VCC電源端

4RD直接置0端

DIS7放電端TH6閾值輸入端TR2觸發(fā)輸入端CO5控制電壓輸入端

GND1接地端

集電極開路輸出端UR1UR2構成電阻分壓器，為比較器

C1、C2提供兩個參考電壓，UR1=2/3VCC，UR2=1/3VCC。

輸出緩沖器OUT=Q構成基本RS觸發(fā)器，決定電路輸出。

放電管，其輸入為Q，輸出為開路集電極。Q構成電壓比較器，比較TH與UR1和TR與

UR2的大小。C1C2G3QQG1G2RSVR5k

5k

5k

UR1UR23OUT輸出端

8VCC電源端

4RD直接置0端

DIS7放電端TH6TR2CO5控制電壓輸入端

GND1接地端

UR1UR2Q第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形555定時器的工作原理與邏輯功能

101導通定時器

5G555的功能表

不變不變1截止11導通01導通00V狀態(tài)OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××

直接置0端RD低電平有效，優(yōu)先級最高。不用時應使其為1。第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形不變不變1截止11導通01導通00V狀態(tài)OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××定時器

5G555的功能表

01導通0110555定時器的工作原理與邏輯功能第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形555定時器的工作原理與邏輯功能

不變不變1截止11導通01導通00V狀態(tài)OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××定時器

5G555的功能表

10截止1001第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形555定時器的工作原理與邏輯功能

不變不變1截止11導通01導通00V狀態(tài)OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××定時器

5G555的功能表

11第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形簡化功能表

不變不變1截止11導通01導通00V狀態(tài)OUTRD輸出輸入TRTH××使用要點(1)

RD低電平有效,優(yōu)先級最高，

不用時應接高電平。通常不用CO端，為了提高電路工作穩(wěn)定性，將其通過0.01

F電容地。(3)

TR低電平有效，TH高電平

有效，因此，TH加低電平、

TR加高電平時為非有效電

平，電路狀態(tài)不變。(4)輸出

0

時，Q

=

1，因此

V

導通；輸出

1

時，

Q

=

0，故

V

截止。(5)注意：①

TH

電平高低是與

2/3VCC相比較，TR

電平高低是與

1/3VCC相比較。②若控制輸入端

CO

加輸入電壓

uCO，則

UR1=

uCO

UR2=

uCO/2，故

TH

和

TR

電平高低的比較值將變成

uCO和

uCO/2。(2)TH和TR均為高電平時輸出

0，均為低電平時輸出

1。第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形0uOuIUOL1/3VCC2/3VCCUOH當TH=TR=uI>2/3VCC時電壓傳輸特性為反相輸出的滯回特性uIuO當TH=TR=uI<1/3VCC時1/3VCC0當1/3VCC<TH=TR=uI<2/3VCC時當uI<1/3VCC時當uI由高電平逐漸下降，且1/3VCC<uI<1/3VCC時不變不變1截止11導通01導通00V狀態(tài)OUTRD輸出輸入TRTH××0uOuIUOL1/3VCC2/3VCCUOHUT+=2/3VCCUT-

=1/3VCC

UT=UT+-

UT-

=1/3VCC第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形構成施密特觸發(fā)器的用法：OuItuOUT+UT-Ot(四)施密特觸發(fā)器應用舉例波形變換將三角波、正弦波和其它不規(guī)則信號變換成矩形脈沖。UOHUOL

uI>

UT+

后，uO=

UOL,只有當uI下降到經(jīng)過UT-

時，uO才會發(fā)生躍變。

uI<UT-后，uO=UOH只有當

uI上升到經(jīng)過

UT+時，uO才會發(fā)生躍變。第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形OuO/Vt[例]試對應輸入波形畫出下圖中輸出波形。184355557+12V0.01

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

=1/3VCC=4V因此可畫出輸出波形為電路構成反相輸出的施密特觸發(fā)器第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形脈沖整形將受到干擾的或不符合邊沿要求的信號整形成較好的矩形脈沖。OuItOuOtUT+UT-第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形OuItuOUT+UT-Ot脈沖幅度鑒別鑒別并取出幅度大于UT+的脈沖。UOLUOH第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形例6.2分析簡易發(fā)動機缺水報警器的工作原理。由施密特觸發(fā)器構成的簡易發(fā)動機缺水報警器所用傳感器是浸入水中的探測電極。

當水位高于探測電極時，分壓點A為低電平，這時555定時器的輸出端為高電平，VT1導通，VT2截止，訊響器不發(fā)聲。當發(fā)動機缺水時，探測電極與水脫離成懸空狀態(tài)，A點變?yōu)楦唠娖剑?55定時器的輸出端由高電平翻轉為低電平，VT1截止，VT2導通，訊響電源回路接通，訊響器發(fā)出報警聲。思考題？施密特觸發(fā)器的特性是什么？施密特觸發(fā)器的應用有哪些？由555定時器如何構成施密特觸發(fā)器？其工作原理是什么？第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形6.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(一)工作特點與電路符號1、有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)；2、無外觸發(fā)脈沖輸入時，電路處于穩(wěn)態(tài)；3、在外觸發(fā)脈沖作用下，電路將從穩(wěn)態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)一段時間后，電路又自動返回到原來的穩(wěn)態(tài)。工作特點

暫穩(wěn)態(tài)時間長短取決于電路本身的參數(shù)，與外加觸發(fā)脈沖無關。monostableflip-flop第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形tw輸出脈沖寬度tre恢復時間td=tw+tre分辨時間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)期間如再次被觸發(fā)，對原暫穩(wěn)時間無影響，輸出脈沖寬度tW仍從第一次觸發(fā)開始計算。暫穩(wěn)態(tài)期間如再次被觸發(fā)，輸出脈沖寬度可在此前暫穩(wěn)態(tài)時間的基礎上再展寬tW。

可重復觸發(fā)型不可重復觸發(fā)型uOuI1uOuI限定符號“1

”表示不可重復觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。限定符號“”表示可重復觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形下面通過工作波形的分析來說明可重復觸發(fā)型和不可重復觸發(fā)型觸發(fā)器的區(qū)別。單穩(wěn)工作波形舉例不可重復觸發(fā)型單穩(wěn)輸出波形可重復觸發(fā)型單穩(wěn)輸出波形輸入波形OuItOuOtOuOttWtWtWtW暫穩(wěn)態(tài)期間不能再次觸發(fā)。暫穩(wěn)態(tài)期間能再次觸發(fā)。其輸出脈寬將在原暫穩(wěn)態(tài)時間基礎上再展寬tW。觸發(fā)脈沖到來時，輸出翻轉為暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間tW后重新自動回到穩(wěn)態(tài)。外觸發(fā)脈沖未來時，輸出為穩(wěn)態(tài)。第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形（二）

門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路中的暫穩(wěn)態(tài)都是靠RC電路的充放電過程來維持的，根據(jù)RC的不同接法，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以分為微分型和積分型兩種。由CMOS或非門電路構成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩個微分環(huán)節(jié)：R2和C2組成一個微分電路，其參數(shù)決定了輸出端脈沖的寬度；R1和C1組成另一個微分電路，作用是將輸入的寬脈沖變?yōu)檎}沖。主要參數(shù)：輸出脈沖寬度tW（UO=1期間）等于UI2從0充電到UTH的時間

微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以用窄脈沖觸發(fā)。在UI1的脈沖寬度大于輸出脈沖寬度的情況下，電路仍能工作，但是輸出脈沖的下降沿較差。因為在UO返回低電平的過程中，UI1輸入的高電平還存在，所以電路內(nèi)部不能形成正反饋。這也是為什么要在輸入信號端加入一個微分電路的原因。

用門電路構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雖然電路簡單，但輸出脈沖寬度的穩(wěn)定性較差，調(diào)節(jié)范圍小，而且觸發(fā)方式單一。而集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器外接元件和連線少，觸發(fā)方式靈活，既可用輸入脈沖的正邊沿觸發(fā)，也可用負邊沿觸發(fā)，使用十分方便。而且由于在電路上采取了溫漂補償措施，工作穩(wěn)定性較好，因此實際應用中常采用集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為不可重復觸發(fā)型、可重復觸發(fā)型兩大類（三）集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01

FRCuIuOuC-+（四）用555定時器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

電路結構DISTHVCCR

R、C為定時元件TRuIOUTuOGNDVCCRDCO0.01

FCuC-+第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形工作原理、工作波形與參數(shù)估算

1.穩(wěn)定狀態(tài)

接通電源后VCC經(jīng)R向C充電，使uC

上升。uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC該電路觸發(fā)信號為負脈沖，不加觸發(fā)信號時，uI=

UIH(應

>

1/3

VCC)。

當uC

≥2/3VCC時，滿足TR=uI>1/3VCC，TH=uc≥2/3VCC,因此uO為低電平，V導通，電容C經(jīng)放電管V迅速放電完畢，uC

0V。這時TR=UIH>1/3VCC，TH=uC

0<2/3VCC，uO保持低電平不變。因此，穩(wěn)態(tài)時

uC

0V，uO為低電平。充電工作原理

導通放電VuCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC0VUOLUIH第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形

2.觸發(fā)進入暫穩(wěn)態(tài)

uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC

當輸入uI由高電平躍變?yōu)榈碗娖?/p>

(應<1/3VCC)時，使

TR=UIL<1/3VCC而TH=uC

0V<2/3VCC，因此uO躍變?yōu)楦唠娖?，進入暫穩(wěn)態(tài)，這時放電管V截止，VCC又經(jīng)R向C充電，uC

上升。UILUOH充電第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形

3.自動返回穩(wěn)定狀態(tài)

uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC

2.觸發(fā)進入暫穩(wěn)態(tài)

UIHUOL

TH≥2/3VCC放電V

當輸入uI由高電平躍變?yōu)榈碗娖?/p>

(應<1/3VCC)時，使

TR=UIL<1/3VCC而TH=uC

0V<2/3VCC，因此uO躍變

為高電平，進入暫穩(wěn)態(tài)，這時放電管V截止，VCC又經(jīng)R向C充電，uC

上升。這時uI必須已恢復為高電平

當uC

上升到uC

≥2/3VCC時，

TH

=

uC

≥2/3

VCC，而TR=uI=

UIH(>1/3VCC)，因此uO重新躍變?yōu)榈碗娖?。同時，放電管導通，C

經(jīng)V迅速放電uC

0V，放電完畢后，電路返回穩(wěn)態(tài)。第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形[例]用上述單穩(wěn)態(tài)電路輸出定時時間為1s的正脈沖，R=27k

，試確定定時元件

C的取值。

uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC輸出脈沖寬度tW即為暫穩(wěn)態(tài)維持時間，主要取決于充放電元件R、C。該單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為不可重復觸發(fā)器，且要求輸入脈寬tWI小于輸出脈寬tWO。解：因為

tWO

1.1RC故可取標稱值

33

F。估算公式tWO

1.1RC第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形經(jīng)過長距離傳輸后，脈沖信號的邊沿會變差或波形上疊加某些干擾，利用整形可使其變成符合要求的波形。(五)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應用舉例

2.

脈沖定時1.

脈沖整形因此，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以控制門開通與否以及開通多長時間。uAuBuCuOG單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的定時電路和工作波形uAuCuBuOuC門的定時時間即為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間。tW

uC

為與門G開通與否的控制信號。

uC=1，門G開通，信號uB通過門G輸出；

uC=0，門G關閉，uB不能輸出。第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形RI

CXRX/CXQ+VCCuIRextCextQOuItOuOt脈沖展寬電路和工作波形3.脈沖展寬tW將窄脈沖展寬成寬度為tW的脈沖第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形即距形脈沖產(chǎn)生電路，由于距形脈沖中含有豐富的諧波分量，故常稱多諧振蕩器。(1)不需輸入信號。(2)無穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。

6.4多諧振蕩器

(一)多諧振蕩器的工作特點和符號

通過電容的充電和放電，使兩個暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，輸出周期性的矩形脈沖信號。GuO工作特點AstableMultivibrator第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形（二）

用門電路組成的多諧振蕩器

用門電路組成的多諧振蕩器的種類較多，有對稱式的、非對稱式的，還有環(huán)形振蕩器。它們共同的結構特點是由門電路、正反饋網(wǎng)絡和RC延時環(huán)節(jié)三部分組成。門電路的作用是產(chǎn)生高、低電平；正反饋網(wǎng)絡可將輸出狀態(tài)恰當反饋給門電路的輸入端，以改變輸出狀態(tài)；RC延時環(huán)節(jié)決定振蕩頻率。下面以CMOS非門組成的非對稱式多諧振蕩器為例來說明。

由兩個CMOS非門和電阻、電容組成的多諧振蕩器。R的選擇應使G1工作在電壓傳輸特性的轉折區(qū)。此時，由于uO1即為uI2，G2也工作在電壓傳輸特性的轉折區(qū)。

（三）石英晶體多諧振蕩器

①并聯(lián)型石英晶體多諧振蕩器②串聯(lián)型石英晶體多諧振蕩器GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01

FR1CuOuC-+R2（四）用555定時器組成多諧振蕩器

電路結構

DISVCCR1THTRGNDVCCRDCO0.01

FOUTuOCuC-+R2第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形工作原理、工作波形與周期估算

uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ充電UOHTH=TR=uC很小Ⅰ

接通VCC后，開始時TH=TR=uC

0，uO為高電平，放電管截止，VCC經(jīng)R1、R2向C充電，uC

上升，這時電路處于暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ。

工作原理

第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡUOLTH

=

TR

≥

2/3

VCC

當uC上升到

TH=TR=uC

≥

2/3

VCC時，uO躍變?yōu)榈碗娖?，同時放電管

V導通，C經(jīng)R2和V放電，uC

下降，電路進入暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ。工作原理

Ⅱ

接通VCC后，開始時TH=TR=uC

0，uO為高電平，放電管截止，VCC

經(jīng)R1、R2向C充電，uC

上升，這時電路處于暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ。

放電第6章脈沖信號的產(chǎn)生與整形

當uC下降到

TH=TR=uC

≤1/3

VCC時，uO重新躍變?yōu)楦唠娖?，同時放電管V截止，C又被充電，uC

上升，電路又返回到暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ。uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡTH=TR≤1/3VCCⅠ工作原理

當uC上升到

TH=TR=uC≥

2/3

VCC時，uO躍變?yōu)榈碗娖?，同時放電管

V導通，C經(jīng)R2和V放電，uC下降，電路進入暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ。

接通VCC后，開始時TH=TR=uC

0，uO為高電平，放電管截止，