数电 第8章 脉冲信号产生与整形
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脉冲信号产生和整形
施密特触发器
方案二：采用施密特触发器构成的温度控制系统
温度
vt 1
vO
冰箱
传感器
压缩机
1V/oC
实际温控波形 vt
0
vO
6V (6℃）
2V (2℃） t
0
t
脉冲信号产生和整形
施密特触发器 应用举例
思考题
试举出施密特触发器在实际生活中的应用 实例，并尽可能说明其原理。
脉冲信号产生和整形
单稳态触发器
什么是单稳态触发器？
例子——楼道灯控制系统 有两种状态：0态和1态，但只有一种状态能长久保持，
故名单稳态触发器。
单稳态触发器的特点： （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； （3）暂稳态维持一定时间后自动回到稳态。
脉冲信号产生和整形
单稳态触发器的分类
三角波： 锯齿波：
脉冲信号产生和整形
脉冲信号的基本参数
二、脉冲信号的参数
v
0
Tw
Vm t
Vm 幅值 T 脉冲周期
T f=1/T 频率
Tw 脉冲宽度 q=TW/T 占空比
脉冲信号产生和整形
施密特触发器
什么是施密特触发器？ 施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门。 施密特触发器特点：
（1）输出有两种状态（输出为数字信号）； （2）输入采用电平触发; （3）对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值 电平（VT+和VT-）。
脉冲信号产生和整形
施密特触发器
逻辑符号
1
vI
vO
1
vI
vO
同相传输
反相传输
施密特触发器的电压传输特性
脉冲信号产生以及整形
+VCC
R
8
4
CO 5 TH 6
TR 2
5kΩ + C1 －
5kΩ
+ －ห้องสมุดไป่ตู้
C2 5kΩ
G1
G3
Q &
&
3 uo
G2 &Q
7 V
1
脉冲信号产生以及整形
555定时器功能表
uTH
uTR
R
×
×
0
﹤2/3VCC
﹤1/3VCC
1
﹥2/3VCC
﹥1/3VCC
1
﹤2/3VCC
﹥1/3VCC
1
输出uo
0 1 0 不变
振荡周期为T=2N tpd
脉冲信号产生以及整形
2. 带RC延迟电路的环形振荡器 在两个反相器之间插入RC延时电路实现的。利 用电容C的充放电，实现延时并改变输出电平，形成 电路两暂稳态的交替变换，产生矩形脉冲信号。加入 RC电路，既降低了振荡频率，又可通过改变R、C的 数值来实现对振荡频率的调节。图中RS为限流电阻。
脉冲信号产生以及整形
6.1.2 CMOS多谐振荡器 为便于电路分析，假定图中CMOS反相器开门 电平与关门电平相等，统称为阈值电平，记为UT并 设UT=0.5VDD。
脉冲信号产生以及整形
当t1时刻到来时，uo由0跳变为1，由于电容C上的 电压不能跃变，故ui1跟随uo发生正跳变，瞬间达到阈值电压UT， 使得ui2由1变到0。这个低电平也保证了G2的输出uo稳定为1。此 时电路进入第一暂稳态。在此期间，电容C通过电阻R放电，使 ui1逐渐下降，在t2时刻达到阈值电压，产生如下正反馈：
2. 555定时器实现多谐振荡器 R1、R2和C是外接定时元件，2 端（低电平触发端）和6端（高电平触发端）并联起来接uC，7端 （放电端）接到R1和R2之间。5端通过电容接地，旁路高频干扰。
数字电子技术脉冲波形的产生与整形
<1/3Vcc
1
不允许
出
TD 通 通 不变 截止 截止
6.5.2 用555构成施密特触发器
施密特触发器
功能特点：
1.输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应
的输入电平，及输入信号从高电平下降过程中对应的
输入转换电平不同。
2.在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出
电压波形的边沿变得很陡。 vO
555定时器是由于其型号的最后三位是555而命名的。世界上 各个厂家都有各自的555产品。尽管其型号各不相同，但其最后 几位都是555。
电路结构： ★
由分压器，C1、C2比较器,
基本 RS触发器， VCO
集电极开路的放电 vI1
三极管TD四部分构成。(TH)
vI2
主要原理：
(TR)
定时器的主要功能
Q=0不变， vO=0不变
vI2
vI<1/3VCC时， vC1 =1，vC2 =0， Q=1， vO =1，所以VT-=1/3VCC
VCC RD
84
5K
G1
VR1 5
－+C1vC1 & Q
6
5K
2 VR2
－+C2 5K
&
vC2 Q
G2
& G3
TD
7 1
1
3 vO
G4
电压传输特性：
vO
VT- VT+ vI
➢vI1>VR1，vI2<VR2时，
vC1=0，vC2=0，不定，
不允许
Q=Q=1，vO=1，TD截止
1
3 vO
G4
所以，CB555的功能如下表（VCO悬空时）
电子技术基础第8章 脉冲波形的产生和整形
（2）触发翻转
（3）暂稳态 （4）自动返回
（5）恢复阶段
8.4 单稳态触发器
8.4.1 由555定时器构成的单稳态触发器 3.主要参数 （1）输出脉冲宽度tpO （2）恢复时间tre
（3）最高工作频率fmax
8.4 单稳态触发器
8.4.2 集成单稳态电路 1.不可重复触发单稳态触发器74121 （1）图形符号及逻辑功能表
元件的参数，与暂稳态期间是否再受到其他触发信号的作用无关，即输出脉冲宽度是固定
的。 可重复触发的单稳:即使受到前面信号的触发，电路进入暂稳态，后来的触发信号仍
可对它起作用，再触发后，电路还可以在暂稳态期间继续维持由定时元件所决定的时间，
也就是说，单稳电路输出脉宽可展宽，其展宽的脉冲宽度是第一个触发信号与这个触发信 号间的时间间隔。
74122图形符号
8.4 单稳态触发器
8.4.2 集成单稳态电路 2.可重复触发单稳态触发器74122 （2）触发
集成单稳态触发器74122在被触发，由稳定的“0”态翻转到暂稳态的两种情况。
（3）定时 74122集成单稳的脉冲宽度tpO 的大小可以通过三种方式来控制。
8.4 单稳态触发器
8.4.2 集成单稳态电路 2.可重复触发单稳态触发器74122 不可重复触发的单稳:在稳态情况下一旦进入暂稳态，暂稳态维持时间仅取决于定时
8.2 集成555定时器
• 555定时器是一种中规模集成定时电路（也称555时基电路），555定时电路的 产品有双极型和CMOS型两种。 1.电路形式
555集成电路内部结构框图
8.2 集成555定时器
2.功能
阈值端
≥2V cc/3 < 2V cc/3 < 2V cc/3 ×
第8章脉冲信号的产生与整形
②与双稳态触发器和单稳态触发器不同，施密特 触发器属于“电平触发”型电路，不依赖于边沿陡峭 的脉冲。
③电路具有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压 和负向阈值电压，二者的差值称为回差。
电压传输特性及逻辑符号
uO
uI
uO
O UT- UT+
uI
反相输出施密特触发器
uO
uI
uO
O UT- UT+
uI
同相输出施密特触发器
(1
R1 R2
)U TH
U T-
(1
R1 R2
)U TH
R1 R2
UDD
UT
UT
U T-
R1 R2
U DD
3. 工作波形及电压传输特性
uI
UT+ UT-
O
t
uO1
UOH
UOL
O
t
uO UOH
UOL
O
t
8.2.2 集成施密特触发器及其应用
1. 74123和CC40106
74132
CC40106
6
Q
3 A1 74121
4
A2
5
B
GND
7
Q-
1
（a）使用内接电阻
C
Rext
10 11 9 14 Cext Rext/Cext Rint UCC
UCC
6
Q
3
A1
4
A2
74121
Q-
1
5
B
GND
7
（b）使用外部电阻
(3) 74121逻辑功能
输入
输出
说明
A1 A2 B
QQ
L×H
③电路具有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压 和负向阈值电压，二者的差值称为回差。
电压传输特性及逻辑符号
uO
uI
uO
O UT- UT+
uI
反相输出施密特触发器
uO
uI
uO
O UT- UT+
uI
同相输出施密特触发器
(1
R1 R2
)U TH
U T-
(1
R1 R2
)U TH
R1 R2
UDD
UT
UT
U T-
R1 R2
U DD
3. 工作波形及电压传输特性
uI
UT+ UT-
O
t
uO1
UOH
UOL
O
t
uO UOH
UOL
O
t
8.2.2 集成施密特触发器及其应用
1. 74123和CC40106
74132
CC40106
6
Q
3 A1 74121
4
A2
5
B
GND
7
Q-
1
（a）使用内接电阻
C
Rext
10 11 9 14 Cext Rext/Cext Rint UCC
UCC
6
Q
3
A1
4
A2
74121
Q-
1
5
B
GND
7
（b）使用外部电阻
(3) 74121逻辑功能
输入
输出
说明
A1 A2 B
L×H
脉冲信号的产生与整形
多谐振荡器
应用-模拟声响电路
R1 10k
IC1
R3
C1
3 3 + R4 150k R2 100k 2 NE555 uO1 2 NE555 C4 6 5 1 6 5 1 C3 +
10F C2 0.01 F 0.01 F
7
8
4
R5 10k 10k
+5V
IC2
7 8
4
100 F
uO2
B
GND 1 TR 2 OUT 3
555
RD
4
8 7 6 5
VCC 输 DIS TH TH × CO
双极型 （TTL） 出 入 输 电源: 4.5 OUT = Q V 状态 TR RD 16V
0 导通 × 单极型0 （CMOS） 2 1 电源: 3 18V 0 导通 VCC VCC 1 3 3 带负载能力强。
t
1
t
多谐振荡器
1. C 充电时间 tw1 充电时间常数 = （R +R ）C 1 1 2
R1 7 R2 C 8 4
+VCC
t W1 0.（R1 R2）C 7
2. C 放电时间 tw2 放电时间常数
+
6 2
555
1
3
5 C2
t W2
2 = R2C 0.7 R2C
多谐振荡器
3. 振荡频率 fUT来自 uICO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
（3） 放电管T T是集电极开路的三极管。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。
第8章脉冲信号的产生与整形
8.1.2 定时器的逻辑功能
VCC
RD
8
4
5kΩ
VCO CO 5
C1
∞
+
UC1
Vi1
TH
6
-
5kΩ C2
Vi2
TR
2
∞
+
UC2
-
G1
&Q
&
Q
G2
G3
1 3
5kΩ
V’o D 7
TD
1
当RD=1时：
1）Vi1>2/3VCC Vi2>1/3VCC
2）ViV1<o2=/03VCC
Vi2<1/3VCC
Vo
Vo=1
8.3 单稳态触发电路
单稳态触发电路特点:电路有一个稳定状态,一个暂稳 定状态.在没有外界触发信号作用时,电路处于稳定状态;在 外界信号作用下,电路由稳态转换为暂稳态,经过一段时间, 电路自动返回到稳定状态.
单稳态触发电路常用于脉冲的整形、定时和延时。
8.3.1 由555定时器构成的单稳态触发电路
5kΩ C1
∞
G1
+ UC1 & Q
Vi为高电平１并稳 定 一段时间后，Q端一
-
TH 6
5kΩ C2
Vi
TR
∞
+
2
G3
定为1(Q为0),Vo为低
1 3
Vo 电平的稳定状态;
&
Q
-
UC2 G2
5kΩ
VC D 7
TD
1
VCC
2)暂稳态
RD
8
4
5kΩ
当Vi 来一个较短的负 脉冲后, Q端改变状态,
数字电路与逻辑设计基础第8章脉冲波形的产生和整形课件
你知道吗？
现代电子系统常常需要不同幅度、宽度以及具有陡 峭边沿的脉冲信号，如时序逻辑电路中的时钟信号等等。 获取脉冲信号的方法通常有两种：一种是直接产生，一 种是利用已有的信号变换得到。
8.1 概述
脉冲信号：凡是不具有连续正弦波形状的信号，通称为脉冲
信号。
vo
vo
t
t
0
0
(a) 尖脉冲
(b) 矩形脉冲
0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时 0.5Vm
间。
0.1Vm
⑥下降时间tf ：脉冲下降沿从0.9Vm 下降到0.1Vm所需要时间 。
⑦占空比q ：脉冲宽度与脉冲周期 的比值，即 q= tw / T。
tr
tf
Vm
tw T
获得脉冲信号的方法通常有2种： 1）利用多谐振荡器直接产生所需的脉冲信号； 2）通过脉冲整形电路变换成所需的脉冲信号。
维持的，根据RC的电路不同接法，把单稳态触发器分成微分 型和积分型。 （1）微分型单稳态触发器
由CMOS门电路G1、 G2 和Rd、Cd微分电路构成的 单稳态触发器。
设VOH≈ VDD， VOL≈ 0，且CMOS门的转折电压为VTH≈ VDD/2
工作原理
a.无触发信号时，电路处于稳态，vo=0
①稳态→暂稳态：
④ 在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压 波形的边沿变得很陡。
施密特触发器分同相施密特触发器和反相施密特 触发器两种 ：
vo VOH
vI 1 vI v1o
vo
vo VOH VT
VT
vo
VOH
vI 1 vI vo1
vo
vo
VOH
VT
VT
VOL 0
现代电子系统常常需要不同幅度、宽度以及具有陡 峭边沿的脉冲信号，如时序逻辑电路中的时钟信号等等。 获取脉冲信号的方法通常有两种：一种是直接产生，一 种是利用已有的信号变换得到。
8.1 概述
脉冲信号：凡是不具有连续正弦波形状的信号，通称为脉冲
信号。
vo
vo
t
t
0
0
(a) 尖脉冲
(b) 矩形脉冲
0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时 0.5Vm
间。
0.1Vm
⑥下降时间tf ：脉冲下降沿从0.9Vm 下降到0.1Vm所需要时间 。
⑦占空比q ：脉冲宽度与脉冲周期 的比值，即 q= tw / T。
tr
tf
Vm
tw T
获得脉冲信号的方法通常有2种： 1）利用多谐振荡器直接产生所需的脉冲信号； 2）通过脉冲整形电路变换成所需的脉冲信号。
维持的，根据RC的电路不同接法，把单稳态触发器分成微分 型和积分型。 （1）微分型单稳态触发器
由CMOS门电路G1、 G2 和Rd、Cd微分电路构成的 单稳态触发器。
设VOH≈ VDD， VOL≈ 0，且CMOS门的转折电压为VTH≈ VDD/2
工作原理
a.无触发信号时，电路处于稳态，vo=0
①稳态→暂稳态：
④ 在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压 波形的边沿变得很陡。
施密特触发器分同相施密特触发器和反相施密特 触发器两种 ：
vo VOH
vI 1 vI v1o
vo
vo VOH VT
VT
vo
VOH
vI 1 vI vo1
vo
vo
VOH
VT
VT
VOL 0
第8章脉冲波形的产生和整形
R w1
4
R
3
7
555
6
2 1
R1
+
uO
P
R2
Rw 2 uC
C
04:33
图8-6 例8-2的电路
3、占空比可调电路：
? 在图8-3所示电路中，由于电容 C的充电时间常数 τ1=(R1+R2)C，
? 放电时间常数 τ2=R2C，所以总是 tW1>tW2，v0的波形不仅不可能对称，
而且占空比
q
?
t w1
1
? 3 VCC ? 3 VCC
1
2 ? 3 VCC
1 ? 3 VCC
1
截止
04:233 1 ? 3 VCC ? 3 VCC
1 截止
?vC(0? ) ? 1 3VCC
求
T1
：??vC(? ) ? VCC ??? ? (R1 ? R2 )C
VC(T1) ? 23 VCC T1 ? (R1 ? R2 )C ln 2
+5V
47KΩ 2 KΩ 47KΩ 10μF
04:33
8
7
6
5
CB555
1
2
3
4
0.01μF
uo
图8-5 例8-1设计的多谐振荡器
例8-2：指出图 8-6中控制扬声器鸣响与否和调节音调高低的分别是哪个电 位器？若原来无声，如何调节才能鸣响？欲提高音调，又该如何调节？
解：调节 RW1可控制 R 为 0 或
? 学时分配：共6学时 ? 教学目标：通过本章的学习掌握555电路
的工作原理；掌握脉冲波形变换电路和 脉冲波产生电路。
04:33
8.1 概述
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8.1.1 555定时器的电路结构
VCC
8
5kΩ
VCO CO 5
Vi1
TH
6
Vi2
TR
2
C1 ∞
+
-
5kΩ C2 ∞
+
-
RD
4
G1
UC1
&Q
UC2
&
Q
G2
V’o D 7 5kΩ TD
1
组成：
1. 分压器
G3
1
OUT 2. 比较器
3 Vo 3. RS锁存器
4. 三极管放电开关 5. 输出缓冲器
8.1.2 定时器的逻辑功能
TD
1
0
t
VC
2/3VCC
G3
0
t
1
VO
3 Vo
tw
tw
0
t
*Vi的负脉冲宽度要小于tw
tw≈1.1RC
如果在5脚与1脚之间接一个10k电阻， 输出波形 发生什么变化？
8.3.2 用施密特触发器构成单稳态触发器
Vi VDD
0
t
Vi
C VR
Vo
VR
VT+
VT-
R
0
t
VO
Ω
VCO CO 5
Vi1
TH
6
Vi2
TR
2
C1 ∞
+
-
5kΩ C2 ∞
+
-
RD
4
G1
UC1
&Q
UC2
&
Q
G2
5kΩ
V’o D 7
TD
1
G3
1 3
当RD=1时：
1）Vi1>2/3VCC Vi2>1/3VCC Vo=0
2）Vi1<2/3VCC
Vi2<1/3VCC
Vo
Vo=1
3）Vi1<2/3VCC
2
D7
VCC
RD
8
4
5kΩ C1
∞
G1
+ UC1 & Q
-
5kΩ C2
∞
+
&
Q
-
UC2 G2
5kΩ
TD
G3
1
3 Vo
1
2. 工作原理
1) 当 Vi < 1/3VCC 时, VO=VOH ; 2) 当 1/3VCC < Vi < 2/3VCC 时, VO 保持, VO=VOH ; 3) 当 Vi > 2/3VCC 时, VO=VOL .
tw
0
t
tw=RCln(VDD/VT-)
8.3.3 集成单稳态触发器
集成单稳态触发器有多个品种, 包括TTL电路和 CMOS电路.
74LS121、74LS123 CD4098、CD4528、CD4538
例: 74121单稳态触发器
A1 3 ≥1 & 1 A2 4
B5
Rext Cext Rxcx
9 RI 10 CX 11 RXCX
7413、7414、74132 CD40106
8.2.3 施密特触发器的应用
1. 波形变换
Vi
VT+
VT-
0
t
Vi
Vo
VO
带反相器
0
t
可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为同频率的 矩形脉冲.
2. 脉冲整形
Vi
VT+
VT-
0
t
Vi
Vo
VO
带反相器
0
t
可以适当调节施密特触发器的回差电压,得到整齐的 矩形脉冲.
500kHz
500kHz
8.2 施密特触发器
施密特触发器逻辑符号及电压传输特性
Vo
VoH
Vi
○ Vo
VoL
0 VT-
VT+
Vi
特 点： 1）具有滞回电压传输特性 2）具有陡峭的转折区
8.2.1 用555定时器构成施密特触发器
1. 电路组成
VCC
84
Vi
6
555 3 Vo
2 15
CO 5 TH
6
TR
5kΩ C2
1
并经过一段时间后(这
Vi
TR
∞
+
2
&
Q
-
UC2 G2
3 Vo 时Vi已返回1),Q自动 返回到1)的状态.
5kΩ
VC D 7
TD
1
2. 工作原理
Vi
VCC
RD
8
4
R
CO 5
0.1μ
5kΩ C1
∞
G1
+ UC1 & Q
-
TH 6
5kΩ C2
Vi
TR
∞
+
2
&
Q
-
UC2 G2
5kΩ
VC D 7
555/7555 的特点（以Philips公司的为例）
SE555
ICM7555
电源电压范围 +4.5V ~ +18V +3V ~ +16V
灌电流 / 拉电流 200mA / 200mA 3.2mA / 1mA
定时范围 工作频率
microseconds microseconds
~ hours
~ hours
3. 幅度鉴别
Vi
VT+
VT-
Vi
Vo
0
t
VO
带反相器
0
t
可以通过调整电路的VT+和VT-,将输入信号中幅度超 过VT+的脉冲选出,幅度较小的脉冲消除,所以具有幅 度鉴别能力.
8.3 单稳态触发器
单稳态触发器特点: 电路有一个稳定状态, 一个暂稳定 状态. 在没有外界触发信号作用时,电路处于稳定状态; 在 外界信号作用下, 电路由稳态转换为暂稳态, 经过一段时间, 电路自动返回到稳定状态.
第 8 章 脉冲信号的产生与整形
➢ 555 定时器 ➢施密特触发器 能对已有信号进行变换与整形 ➢单稳态触发器 可用于脉冲信号的定时、延时 ➢多谐振荡器 能直接产生脉冲信号
8.1 555集成定时器
555集成定时器是一种将模拟和数字电路集成于一体 的电子器件, 通过外加少量的阻容元件, 能构成多种用途的 电路。
6Q Q
1
功能表
A1 A2 B Q Q 0×1 0 1
×0 1 0 1
×× 0 0 1
1 1 ×0 1
1
1
11
1 0× ×0
两种连接方法：
VCC Cext
≥1 & 1
3
4
5
9 RI 10 CX 11 RXCX
内部有2K电阻
6Q
≥1 & 1
3
4
Q
1
Cext VCC
Rext
5
9 RI 10 CX 11 RXCX
Vi
2/3VCC 1/3VCC
0
VT+=2/3VCC
t
VT-=1/3VCC
VO VOH
VOL
0
ΔVT = VT+－VT- = 1/3VCC
t
如果在5脚与8脚之间接一个5k电阻， ΔVT = ？
8.2.2 集成施密特触发器
集成施密特触发器有多个品种，一般TTL集成施密特 触发器的上触发电平约在1.7V左右，下触发电平约在0.9V 左右；CMOS集成施密特触发器的上、下触发电平和电源 电压有关。
单稳态触发器常用于脉冲的整形、定时和延时。
8.3.1 由555定时器构成的单稳态触发器
1. 电路组成
1)当Vi为高电平１并稳
VCC
定一段时间后，Q端一
RD
8
4
定为1(Q为0);(为什么)
5kΩ
R
C1
CO 5
0.1μ
∞
G1
+ UC1 & Q
-
G3
2)当Vi来一个较短的负 脉冲后, Q端改变状态,
TH 6
tw≈0.7RextCext
6Q Q
1
74121为不可重触发单稳态触发器：
Vi2>1/3VCC
Vo不变
*Q的高低确定TD 管是否导通。
TH
TR
Uc1 Uc2 Vo
TD
>2/3VCC >1/3VCC
0
<2/3VCC <1/3VCC
1
<2/3VCC >1/3VCC
1
>2/3VCC <1/3VCC
0
1
0 导通
0
1 截止
1 保持 保持
0 0 导通
➢ 555 为 Bipolar 定时器 ➢ 7555 为 CMOS 定时器 ➢ 556 为 双555 定时器 ➢ 7556 为 双7555 定时器