电子教案《数字电子技术》 第七章(教案)第7章 脉冲波形的产生与整形电路

《数字电子技术》教案 第7章 脉冲波形的产生与整形电路 课程章节 第7章 脉冲波形的产生与整形电路 课时分配 5

教学目标 1.掌握矩形波的产生和整形电路。 2.掌握施密特触发器。 3.掌握单稳态触发器电路。 4.掌握数字集成芯片的基本原理和相关应用。 5.了解555定时器。 6.掌握555定时器组成施密特触发器的方法。 7.掌握555定时器组成单稳态触发器。

教学重点、难点

1.脉冲信号的特性参数。 2.门电路组成的施密特触发器。 3.集成施密特触发器。 4.门电路单稳态触发器。 5.集成单稳态触发器。 6.简单环形多谐振荡器。 7. RC环形多谐振荡器。 8.秒脉冲发生器。 9. 555定时器的电路结构与工作原理。 10.用555定时器构成施密特触发器、多谐振荡器、单稳态触发器。

授课方式 课堂讲授，板书

教学内容 1.脉冲信号 2.施密特触发器 3.单稳态触发器 4.多谐振荡器 5. 555定时器 教学过程 7.1脉冲信号 1．脉冲信号概述 从广义上讲，不具有连续正弦波形状的信号，几乎都可以称为脉冲信号，最常见的脉冲波形是方波和矩形波，如图7-1所示。

（a）方波 （b）矩形波 图7-1 方波和矩形波

2．矩形脉冲的特性参数： 如图7-2所示为矩形脉冲的实际波形图。在描述矩形脉冲的特性时，通常会使用图7-2中所标注的参数。

图7-2 矩形脉冲实际波形图 （1）脉冲幅度mV：脉冲电压的最大变化幅度。

（2）脉冲宽度wt：从脉冲前沿到达0.5mV起，到脉冲后沿到达0.5

mV为止的时间。 （3）上升时间rt：脉冲上升沿从0.1mV上升到0.9mV需要的时间。 （4）下降时间ft：脉冲下降沿从0.9mV下降到0.1mV需要的时间。 （5）脉冲周期T：周期重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔，有时也用频率f来表示。 （6）占空比q：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即wtqT。 7.2施密特触发器 施密特触发器具有以下特点： （1）电路状态转换时，输入信号在低电平上升过程或高电平下降过程中，其所对应的输入转换电平各不相同。 （2）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。 7.2.1门电路组成的施密特触发器 1. CMOS反相器组成的施密特触发器 如图7-3所示为CMOS反相器组成的施密特触发器的电路结构和逻辑符号图。将两级反向器串联起来，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就组成了施密特触发器。

（a）电路结构 （b）逻辑符号 图7-3 CMOS反相器组成的施密特触发器

2.施密特触发器的电压传输特性

（a）同相输出的施密特触发特性 （b）反相输出的施密特触发特性 图7-6 施密特触发器的电压传输特性 （1）图7-6（a）中，Ov与Iv的高低电平是同相的，所以也将这种形式的电压传输特性称为同相输出的施密特触发特性。 （2）图7-6（b）中，Ov与Iv的高低电平是反相的，所以也将这种形式的电压传输特性称为反相输出的施密特触发特性。 7.2.2集成施密特触发器 施密特触发器的应用非常广泛，因此无论是TTL电路还是CMOS电路中，都有单片集成的施密特触发器芯片。 如图7-7所示为CMOS集成施密特触发器CD40106的内部结构。

图7-7 CD40106的内部结构 如图7-8所示为CD40106的电压传输特性以及阈值电压与供电电压的关系曲线。

（a）电压传输特性 （b）阈值电压与供电电压的关系曲线 图7-8 CD40106的性能特性 如图7-9所示为CD40106的工作电压波形。 图7-9 CD40106工作电压波形 如图7-10所示为某CD40106电路的电路结构及工作电压波形图。

（a）电路结构 （b）工作电压波形 图7-10 CD40106的典型应用 计算CD40106电路输出波形的相关参数，可得：

T+1

TDDT2DDT+T+DDTTDDT+lnln1()ln()VtRCVVVtRCVVfVVVRCVVV













≈≈≈

7.2.3施密特触发器的应用 1．波形变换 如图7-11所示为施密特触发器将正弦波信号转换成矩形方波。其中，输出脉冲宽度POt可通过回差电压加以调节。 图7-11 施密特触发器波形变换 2．波形整形 如图7-12所示为利用施密特触发器的回差特性将不规则波整形成规则的矩形波。

图7-12 施密特触发器波形整形 若反向阀值电压取为1V，则回差电压11VVV，整形后的输出波形如图7-12（b）所示。受干扰信号的影响，输入信号在输出中表现为三个矩形脉冲，这是错误的。若反向阀值电压取为2V，则回差电压

221VVVV，整形后的输出波形如图7-12（c）所示，消除了干扰信号的影响。 3．幅度鉴别 施密特触发器的翻转取决于输入信号是否高于V或低于V，利用此特性可以构成幅度鉴别器，以便从一串脉冲中检出符合幅度要求的脉冲。如图7-13所示，当输入脉冲大于V时，施密特触发器翻转，输出端有脉冲输出；当输入脉冲幅度小于V时，施密特触发器不翻转，输出端没有脉冲输出。因此，利用施密特触发器可以鉴别出脉冲幅度高于V的输入信号。 7.3单稳态触发器 1.单稳态触发器概述 单稳态触发器也是一种重要的时序逻辑电路，和双稳态触发器不同，它只有一个稳定状态，另一个是暂稳态，经过一段延迟时间后，将自动返回稳定状态。 2.单稳态触发器主要特性 （1）它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。 （2）在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，电路自动返回稳态。 （3）暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。 7.3.1门电路单稳态触发器 单稳态触发器的暂稳态通常都是靠RC电路的充、放电过程来维持的。根据RC电路的不同接法，即接成微分电路形式或积分电路形式，单稳态触发器可分为微分型和积分型两种。 1．微分型单稳态触发器 如图7-14所示为CMOS门电路和RC微分电路组成的微分型单

图7-13 施密特触发器的幅度鉴别 稳态触发器。 图7-14 微分型单稳态触发器的电路结构 （1）稳态时，I0v，I2DDvV，故O0v，OLDDvV，C上无电压。

（2）当触发脉冲Iv加到输入端时，经过微分电路输出很窄的正、负脉冲dv，当dv上升到THV以后，引发正反馈过程。 2．积分型单稳态触发器 如图7-18所示为CMOS门电路和RC积分电路组成的积分型单稳态触发器。

图7-18 积分型单稳态触发器的电路结构 （1）稳态时，I0v，所以OOHvV，AOLOHvvV。

（2）当触发脉冲Iv加到输入端时，OLv跳变为低电平。但由于电容C上的电压不能突变，所以在一段时间里Av仍在THV以上。因此，在这

段时间里2G的两个输入端电压同时高于THV，使OOLvv，电路进入暂稳态。 7.3.2集成单稳态触发器 例如，CMOS集成器件74HC123的内部有两个独立的集成单稳态触发器，可触发高/低电平，输出一组相反的脉冲信号，且带有复位控制端，其输出脉冲的宽度主要取决于外部电阻EXTR与电容EXTC。 如图7-23所示为74HC123典型应用的电路结构。 （a）上电噪声脉冲消除电路 （b）掉电保护电路 图7-23 74HC123典型应用的电路结构 （1）系统上电时，输出会产生一噪声脉冲，其宽度由xR和xC决定，为消除该噪声脉冲，需要引入上电噪声脉冲消除电路，如图7-23（a）所示。 （2）系统掉电时，电容需通过输入级的保护二极管放电，有可能会损坏芯片。为避免该类情况的发生，通常会使用一只锗二极管或肖斯特二极管以抵抗大电容放电时产生的大浪涌电流，其接法如图7-23（b）所示。 7.3.3单稳态触发器的应用 1．定时 由于单稳态触发器能产生一定宽度wt的矩形输出脉冲，所以利用这个矩形脉冲作为定时信号去控制某电路，可使其在wt时间内动作（或不动作）。 如图7-24所示，利用单稳态输出的矩形脉冲作为与门输入的控制信号，则只有在这个矩形波的wt时间内，信号Av才有可能通过与门。

（a）电路结构 （b）输出波形图 图7-24 单稳态触发器的定时电路 2．“看门狗” “看门狗”又称WatchDog Timer，本质上是一个定时器电路，主要包括一个输入和一个输出。其中，输入端又叫喂狗端，输出端一般连接到MCU（微控制单元）的复位端。当MCU正常工作时，每隔一段时间就会输出一个信号到喂狗端，给“看门狗”电路WDT（WatchDog Timer）清零，如果超过规定的时间不喂狗，WDT就会输出一个复位信号到达MCU，使MCU复位，防止MCU死机。由于单稳态触发器可以实现定时功能，因此可以用单稳态触发器构成“看门狗”电路。 7.4多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又将矩形波振荡器称为多谐振荡器。多谐振荡器振荡起来后，其电路没有稳态，只有两个暂稳态做交替变化，从而输出矩形波脉冲信号，因此又被称为无稳态电路。 TTL门电路组成的多谐振荡器主要有以下两种形式： （1）由奇数个非门组成的简单环形多谐振荡器。 （2）由非门和RC延迟电路组成的改进环形多谐振荡器。 7.4.1简单环形多谐振荡器 把奇数个非门首尾相接成环状，就组成了简单环形多谐振荡器。 如图7-25所示为3非门多谐振荡器的电路结构。

图7-25 3非门多谐振荡器的电路结构 如图7-26所示为3非门多谐振荡器各点的输出波形图。若Ov的某

个随机状态为高电平，经过三级倒相后，Ov跳转为低电平，考虑到传输门电路的平均延迟时间pdt，Ov输出信号的周期为6pdt。