数字电子(第五版)第十章 脉冲波形的产生和整形
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数字电子技术第十章 脉冲信号的产生与整形
一、常用脉冲波形及参数 1. 常见的脉冲波形 脉冲波形是指突变的电流和电压的波形。
常见的脉冲波形图
5
2. 矩形波及其参数 数字电路中用得最多的是矩形波，包括周期性与非周期性两种。
T ：脉冲周期；f： 脉冲频率 Vm ：脉冲幅度；Tw：脉冲宽度 tr：上升时间；tf：下降时间 q：占空比, q=Tw/T, q=50%时称为对称方波
0
t
(b) 波形
（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态
暂稳态期间，VDD对C充电，使uA升高。当uA上升到阈值电压UT时， uo2由1变为0。由于这时G1输入触发信号已经过去，uo1变为1 。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uo1＝1，uo2＝0。
路会产生如下正反馈过程：
电路会迅速转换为VO=VOH≈VDD的状态(第二稳态)。 此时的VI值称为施密特触发器的正向阈值电压VT+。 VI继续上升，电路的状态不会改变。
正向阈值电压VT+的求解：
第一稳态， VO= VOL≈0V。CMOS反相器输入电流为0。
VA
VI R1 R2
R2
当VA
VTH ,VI
R1 R2 R2
VTH
此时的VI即VT
(1
R1 R2
)VTH
当VI=1，VO= VOH=1 ，第一稳态。 当VI下降，VA也会下降。当VA下降到VTH时，电路又会产生以下 的正反馈过程：
电路会迅速转换为VO=VOL ≈0 ，第二稳态。 此时的VI值称为施密特触发器的负向阈值电压VT－。 VI再下降，电路将保持状态不变。
10.3.1 用集成门电路构成的施密特触发器
1. 电路组成
常见的脉冲波形图
5
2. 矩形波及其参数 数字电路中用得最多的是矩形波，包括周期性与非周期性两种。
T ：脉冲周期；f： 脉冲频率 Vm ：脉冲幅度；Tw：脉冲宽度 tr：上升时间；tf：下降时间 q：占空比, q=Tw/T, q=50%时称为对称方波
0
t
(b) 波形
（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态
暂稳态期间，VDD对C充电，使uA升高。当uA上升到阈值电压UT时， uo2由1变为0。由于这时G1输入触发信号已经过去，uo1变为1 。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uo1＝1，uo2＝0。
路会产生如下正反馈过程：
电路会迅速转换为VO=VOH≈VDD的状态(第二稳态)。 此时的VI值称为施密特触发器的正向阈值电压VT+。 VI继续上升，电路的状态不会改变。
正向阈值电压VT+的求解：
第一稳态， VO= VOL≈0V。CMOS反相器输入电流为0。
VA
VI R1 R2
R2
当VA
VTH ,VI
R1 R2 R2
VTH
此时的VI即VT
(1
R1 R2
)VTH
当VI=1，VO= VOH=1 ，第一稳态。 当VI下降，VA也会下降。当VA下降到VTH时，电路又会产生以下 的正反馈过程：
电路会迅速转换为VO=VOL ≈0 ，第二稳态。 此时的VI值称为施密特触发器的负向阈值电压VT－。 VI再下降，电路将保持状态不变。
10.3.1 用集成门电路构成的施密特触发器
1. 电路组成
第10章脉冲波形的产生和整形
返回
图10.4.6 非对称式多谐振荡器电路
图10.4.6电路中CMOS反相 器静态工作点的确定
40
图10.4.8 图10.4.6电路中电容的充、放电等效电路 返回 （a）放电的等效电路（b）充电的等效电路
41
返回
图10.4.9 图10.4.6电路的工作波形图
42
10.4.3 环形振荡器
返回
1. 最简单的环形振荡器
较
30
3. TTL集成单稳态触发器电路74121的功能及其应用 表触既 部1入0发还可-端1输设7采744有1用122定11上电是时升路一电输的沿种阻出功触不能R端发可i表n，t重(约又复为可触2采k发Ω用的)元外。下单件接降稳引定沿态时脚触触发发阻内，器引部其，电脚它内
图10.3.9 74121的电路符号 31
这样，周而复始，电路不停地在两个暂稳态之 间振荡，输出端产生了矩形脉冲。
37
返回
图10.4.5 对称式多谐振荡器的工作波形
38
返回
3. 主要参数 矩形脉冲的振荡周期为 T≈1.4RFC 当取RF＝1kΩ、C＝I00 pF～100 μF时，则该电
路的振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内变化。
39
10.4.2 非对称式多谐振荡器
22
返回
（3）电容C充电，电路由暂稳态自动返回稳态。 在暂稳态期间，VDD经R对C充电，使vI2上升。
当vI2上升达到G2的VTH时，电路会发生如下正反馈 过程：
23
返回
使电路迅速由暂稳态返回稳态，vO1=VOH、 vO= VOL。
从暂稳态自动返回稳态之后，电容C将通过电阻 R放电，使电容上的电压恢复到稳态时的初始值。
（5）占空比q =t w /T 。通常q用百分比表示，如
数字电子技术基础第五版第十章
G1和G2为TTL门
1. 原理分析
* 稳V 态 I 0 ,V O 下 1 ,( V O 1 V O ： )V H A , V O ； H *V I后V ， O0,进入暂 V O 1 稳 0,C 开 态始 ，放电 *当放 VA 至 VTH 后V ， O1,返回稳态； V I后 C 重 ， 新 充 至 V OH
暂稳态时, Vo1,V ,Co1开始0充电
C 充电V至 I2VTH 时,VI2又引起正反馈
VI2 VO VO1
这期间vd维持低电平
电路迅速返V回 O稳 0,VO 态 1VDD,C放电至没有电压 稳， 态恢 。复
稳态 V I 0 ,V 下 d 0 ,V I ： 2 V D,V D O 0 ,(V O 1 V D)D C ,上无电 暂稳态时, Vo1,V ,Co1开始0充电
2. 性能参数计算 输出脉宽：
放电 回路
tw (R R o)C ln V V ( ( ) ) V V ( (0 t) ) (R R o)C ln V V O T H H
输出脉宽
输出脉 V O 0 时 冲间 宽 V A 从 ） 度 V O放 H 等 （ V 电 T于 的 H至 时间。
二、微分型单稳态触发器
则有： vAVTH R1R2R2VT
V TR 1R 2R2V TH(1R R 1 2)V TH
vA VT R2 R1 R2
VT+称为输入信号vI的正向阈值电压
3.当 v 从I 高电平 V逐D D渐下降时,有
VTH=
vI
vA
v o1
vo
设此时
VI =VT-
当 v 下I 降到使 vA 时V,电th 路的状态将迅速转换为
性能参数： 暂稳态输出的宽度
1. 原理分析
* 稳V 态 I 0 ,V O 下 1 ,( V O 1 V O ： )V H A , V O ； H *V I后V ， O0,进入暂 V O 1 稳 0,C 开 态始 ，放电 *当放 VA 至 VTH 后V ， O1,返回稳态； V I后 C 重 ， 新 充 至 V OH
暂稳态时, Vo1,V ,Co1开始0充电
C 充电V至 I2VTH 时,VI2又引起正反馈
VI2 VO VO1
这期间vd维持低电平
电路迅速返V回 O稳 0,VO 态 1VDD,C放电至没有电压 稳， 态恢 。复
稳态 V I 0 ,V 下 d 0 ,V I ： 2 V D,V D O 0 ,(V O 1 V D)D C ,上无电 暂稳态时, Vo1,V ,Co1开始0充电
2. 性能参数计算 输出脉宽：
放电 回路
tw (R R o)C ln V V ( ( ) ) V V ( (0 t) ) (R R o)C ln V V O T H H
输出脉宽
输出脉 V O 0 时 冲间 宽 V A 从 ） 度 V O放 H 等 （ V 电 T于 的 H至 时间。
二、微分型单稳态触发器
则有： vAVTH R1R2R2VT
V TR 1R 2R2V TH(1R R 1 2)V TH
vA VT R2 R1 R2
VT+称为输入信号vI的正向阈值电压
3.当 v 从I 高电平 V逐D D渐下降时,有
VTH=
vI
vA
v o1
vo
设此时
VI =VT-
当 v 下I 降到使 vA 时V,电th 路的状态将迅速转换为
性能参数： 暂稳态输出的宽度
DigitalLogic：第10章 脉冲波形的产生和整形1
vA
vo1
vo
使电路迅速跳变到vo＝VOH≈ VDD
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
由叠加原理得
vA
R2 R1 R2
vI
R1 R1 R2
v0
设施密特触发器在输入信号vI正向增加时的门槛电压（阈值电压）为VT＋，称为 正向阈值电压，此时vo＝0， G1门的输入电压为
vA
VTH＝
R2 R1 R2
2020/11/29
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
vA
R2 R1 R2
vI
R1 R1 R2
v0
v A＝VTH
R2 R1 R2
vI
R1 R1 R2
v0
＝ R2 R1 R2
VT－
R1 R1 R2
VDD
由于VTH＝ VDD / 2，故
V ＝（1 R )V T－ R 2020/11/29
第十章 脉冲波形 的产生和整形
内容提要
本章主要介绍矩形波的产生和整形电路。在矩形波产生电路中介绍几种常用的 多谐振荡器－对称式和非对称多谐振荡器、环形振荡器以及用施密特触发器和555 定时器构成的多谐振荡器等。在整形电路中，介绍了施密特触发器和单稳态触发器 。本章也讨论了最常用的555定时器及其所构成的施密特触发器、单稳态触发器及 多谐振荡器的电路及工作原理。
☻脉冲宽度tW：从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿到达0.5Vm为止的一段时间。
☻上升时间tr ：脉冲上升沿从0.1Vm上升到 0.9Vm所需要 的时间 ☻下降时间tf ：脉冲下降沿从0.9Vm 下降到 0.1Vm所需 要的时间
2020/11/29
10.1 概述
图10.1.1
第十章——脉冲波形的产生与整型
单稳态触发器 第22讲
电路结构
vO
1
vO 1 D vI2 R G2
vI
vO1 G1 1 Cd vd Rd C 1
vO G2
G1 vI Cd
& vd Rd
C vC
D v I2 v C R VDD
(CMOS门，与非，负脉冲触发)
(CMOS门，或非，正脉冲触发)
1、CMOS或非门电路构成的微分型单稳态触发器 （1）电路结构 正脉冲触发 （2）工作原理分析 解决三个问题： ①什么是稳态？ ②如何在外部触 发脉冲作用下，由 稳态进入暂态？
vI
同相ST传输特性
反相ST传输特性
10.2 施密特触发器
4、施密特触发器应用
1. 波形变换
vI
0
vO1 VOH
VT VT
t
vo
0
t
vI
VOL o
VT_ VT+
2. 波形整形
vI
vI VT+ VT– 0 vO VOH VOL 0
1
vO
vI vI VT+ VT–
t
1
vO
0 vO VOH VOL 0
(3)当VI 1 至VTH , 又返回第一个暂稳态。
二、电压波形
脉冲宽度计算： TW T1 T2 T1 : C放电，从VTH VDD 放至VTH T2 : C充电，从VTH VDD 充至VTH
V( ) V( 0) tw RC ln V( ) V( t )
【题10-1】 在图题10-1所示的电路中，已知R1=10kW，R2=30kW， 其中CMOS非门电路的电源电压VCC=6V。 ① 计算该电路的正向阈值电压VT+、负向阈值电压VT－和回差电压ΔVT。 ② 画出该电路的传输特性曲线。
电路结构
vO
1
vO 1 D vI2 R G2
vI
vO1 G1 1 Cd vd Rd C 1
vO G2
G1 vI Cd
& vd Rd
C vC
D v I2 v C R VDD
(CMOS门，与非，负脉冲触发)
(CMOS门，或非，正脉冲触发)
1、CMOS或非门电路构成的微分型单稳态触发器 （1）电路结构 正脉冲触发 （2）工作原理分析 解决三个问题： ①什么是稳态？ ②如何在外部触 发脉冲作用下，由 稳态进入暂态？
vI
同相ST传输特性
反相ST传输特性
10.2 施密特触发器
4、施密特触发器应用
1. 波形变换
vI
0
vO1 VOH
VT VT
t
vo
0
t
vI
VOL o
VT_ VT+
2. 波形整形
vI
vI VT+ VT– 0 vO VOH VOL 0
1
vO
vI vI VT+ VT–
t
1
vO
0 vO VOH VOL 0
(3)当VI 1 至VTH , 又返回第一个暂稳态。
二、电压波形
脉冲宽度计算： TW T1 T2 T1 : C放电，从VTH VDD 放至VTH T2 : C充电，从VTH VDD 充至VTH
V( ) V( 0) tw RC ln V( ) V( t )
【题10-1】 在图题10-1所示的电路中，已知R1=10kW，R2=30kW， 其中CMOS非门电路的电源电压VCC=6V。 ① 计算该电路的正向阈值电压VT+、负向阈值电压VT－和回差电压ΔVT。 ② 画出该电路的传输特性曲线。
脉冲波形的产生和整形—单稳态触发器(电子技术课件)
+VDD
8
R
vI
O
5
CO
t
vO
O
vC
5kΩ
U+
6
2UDD/3 TH
1VDD/3
U-
C
暂稳态
t
4R
>1UDD/3 2
vI TR
∞
+
C1 +
－
5kΩ
U+
∞
U-
+
C2 +
－
1 R Q
0
S
T
1
OtU SS来自7 DQ1
1
1
Q
5kΩ
2VDD/3
0
3
0
OUT
输出脉冲的宽度 等于暂稳态持续时间，而暂稳态持续时间等于电容电压
单稳态触发器的应用
● 脉冲整形
● 脉冲定时
● 脉冲延时
脉冲信号经过长距离传输后，其边沿会变差
或叠加了某些干扰，这时可利用单稳态触发器
进行整形。将这些受到干扰的脉冲信号加到单
稳态触发器的输入端，输出便可得到符合要求
的矩形脉冲。
暂稳态期间输出电平的高低与输入信号状态
无关，即使输入信号不规则，也能使输出成为
<1UDD/3
2
∞
+
C1 +
－
5kΩ
U+
∞
U-
+
C2 +
－
0 R Q
1
S
T
1
7 D
1
1
0
Q
5kΩ
U SS
1
Q
3
1
OUT
（三）自动恢复稳态
8
R
vI
O
5
CO
t
vO
O
vC
5kΩ
U+
6
2UDD/3 TH
1VDD/3
U-
C
暂稳态
t
4R
>1UDD/3 2
vI TR
∞
+
C1 +
－
5kΩ
U+
∞
U-
+
C2 +
－
1 R Q
0
S
T
1
OtU SS来自7 DQ1
1
1
Q
5kΩ
2VDD/3
0
3
0
OUT
输出脉冲的宽度 等于暂稳态持续时间，而暂稳态持续时间等于电容电压
单稳态触发器的应用
● 脉冲整形
● 脉冲定时
● 脉冲延时
脉冲信号经过长距离传输后，其边沿会变差
或叠加了某些干扰，这时可利用单稳态触发器
进行整形。将这些受到干扰的脉冲信号加到单
稳态触发器的输入端，输出便可得到符合要求
的矩形脉冲。
暂稳态期间输出电平的高低与输入信号状态
无关，即使输入信号不规则，也能使输出成为
<1UDD/3
2
∞
+
C1 +
－
5kΩ
U+
∞
U-
+
C2 +
－
0 R Q
1
S
T
1
7 D
1
1
0
Q
5kΩ
U SS
1
Q
3
1
OUT
（三）自动恢复稳态
第10章 脉冲波形
电路来实现。
uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间。
数字电子技术
单稳态触发器小结
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。
对称式 多谐振荡器
数字电子技术
二、工作原理
假定接通电源后，由于某种原因使uI1有微小正跳变，则 必然会引起如下的正反馈过程 ：
使uO1迅速跳变为低电平、uO2迅速跳变为高电平， 电路进入第一暂稳态。 此后，uO2的高电平对C1电容充电使uI2升高，电容 C2放电使uI1降低。由于充电时间常数小于放电时间常数， 所以充电速度较快，uI2首先上升到G2的阈值电压UTH， 并引起如下的正反馈过程：
为数字—模拟混合集成电路。 可产生精确的时间延迟和振荡，内部有 3 个 5KΩ的电阻分压器，故称555。
在波形的产生与变换、测量与控制、家用电
器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。
数字电子技术
各公司生产的 555 定时器的逻辑功能与外引线 排列都完全相同。
双极型产品 单555型号的最后几位数码 双555型号的最后几位数码 优点 电源电压工作范围 负载电流 555 556 驱动能力较大 5~16V 可达200mA CMOS产品 7555 7556 低功耗、高输入阻抗 3~18V 可达4mA
数字电子技术
10.4 多谐振荡器
1. 多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。 • 通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替， 从而产生自激振荡。 • 输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的谐 波分量，故称作多谐振荡器。
uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间。
数字电子技术
单稳态触发器小结
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。
对称式 多谐振荡器
数字电子技术
二、工作原理
假定接通电源后，由于某种原因使uI1有微小正跳变，则 必然会引起如下的正反馈过程 ：
使uO1迅速跳变为低电平、uO2迅速跳变为高电平， 电路进入第一暂稳态。 此后，uO2的高电平对C1电容充电使uI2升高，电容 C2放电使uI1降低。由于充电时间常数小于放电时间常数， 所以充电速度较快，uI2首先上升到G2的阈值电压UTH， 并引起如下的正反馈过程：
为数字—模拟混合集成电路。 可产生精确的时间延迟和振荡，内部有 3 个 5KΩ的电阻分压器，故称555。
在波形的产生与变换、测量与控制、家用电
器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。
数字电子技术
各公司生产的 555 定时器的逻辑功能与外引线 排列都完全相同。
双极型产品 单555型号的最后几位数码 双555型号的最后几位数码 优点 电源电压工作范围 负载电流 555 556 驱动能力较大 5~16V 可达200mA CMOS产品 7555 7556 低功耗、高输入阻抗 3~18V 可达4mA
数字电子技术
10.4 多谐振荡器
1. 多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。 • 通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替， 从而产生自激振荡。 • 输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的谐 波分量，故称作多谐振荡器。
第十章 脉冲波形的产生和整形
正弦 波振 荡器
1 V O
第十章 脉冲波形的产生和整形
2. 用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。
输入
VT+ VT-
输出
第十章 脉冲波形的产生和整形
第十章 脉冲波形的产生和整形
3. 用于脉冲鉴幅——从一系列幅度不同的脉冲信号中，
选出那些幅度大于VT+的输入脉冲。
VI 1 V O
VI VT+ VTV O
(4) (8)
电路符号
控制电压
V CC 8 5 6 2 7 1 RD 4
5kΩ
v IC vI1 v I2
, vO
v IC vI1
(5) (6)
VR1
C1 5k Ω
R
&
Q
阈值输入
555 3
G & C2 S
vO
VR 2
&
1
(3)
vO
v I2
(2)
触发输入 5k Ω
, (7)
vO
T
(1)
放电端
第十章 脉冲波形的产生和整形
(8) (4)
第十章 脉冲波形的产生和整形
5kΩ
2/3V CC
(6)
（5）
C1 5k Ω
R
&
Q
G & 1
(3)
VI
V O
vI1 vI
V 2 CC R1
1/3VCC
(2)
& C2 5k Ω S
v I2
(7)
Q
vO1
电路 符号
vO2
放电 端
T
(1)
vI
2/3VCC 1/3VCC
脉冲波形的产生与整形(全)
2020/8/16
湘潭大学信息工程学院
17
8.1.2 集成555定时器的应用
➢ 多谐振荡器 ➢ 单稳态触发器 ➢ 施密特触发器
2020/8/16
湘潭大学信息工程学院
18
(一) 多谐振荡器
➢ 多谐振荡器是一种产生矩形脉冲波的自激 振荡器。由于矩形波含有丰富的高次谐波， 所以矩形波振荡器又称为多谐振荡器。多 谐振荡器没有稳态，不需外加触发信号， 当接通电源后，便可以自动地周而复始地 产生矩形波输出。
8
5 R1 5k Ω
V-C TH 6
VR1
+ - C1
R2 5k Ω
2
TL
+
VR2 - C2
R3 5k Ω
4R
R
1
VC1(VR)
Q 3
3 v0
S VC1(VS)
7
2Q
D
T R
1
图8-1集成5G555定时器原理图 7
1、555定时器基本结构
基本RS触发器 电源端
电阻分压器
8
电压控制端 5 R1 5k Ω
VCC时，
比较器C1输出低电平， 比较器C2输出低电平，
输出端v0为高电平， 放电三极管TD截止。
2020/8/16
湘潭大学信息工程学院
11
5G555定时器的功能表。如表8-1所示。
表8-1 5G555定时器的功能表
TH
× ＞2VCC/3 ＜2VCC/3 ＜2VCC/3
TL
× × ＞VCC/3 ＜VCC/3
2）通过整形电路把已有的周期性变化 的波形变换为矩形脉冲。实现这一变换功能 的过程，称作“整形”。
常用的整形电路 有单稳态触发器和施密 特触发器 。
数字电子技术脉冲波形的产生和整形
数字电子技术脉冲波形的产生和整形数字电子技术在现代电子领域中扮演着重要的角色。
脉冲波形的产生和整形是数字电子技术中的一项基础技术，它在数字信号处理、通信系统、计算机科学等领域中得到广泛应用。
本文将探讨数字电子技术脉冲波形的产生和整形的原理、方法以及应用。
一、数字电子技术脉冲波形的产生原理数字电子技术脉冲波形的产生基于逻辑门电路的输出状态变化。
逻辑门电路由多个逻辑门组成，逻辑门的输入和输出可以是0或1。
通过逻辑门的组合和控制，可以产生各种复杂的波形。
例如，当使用非门电路时，其输出与输入相反。
如果输入为0，则输出为1；如果输入为1，则输出为0。
通过在非门电路后面串联非门电路，可以得到一个稳定的高电平或低电平信号。
通过适当的时钟控制和信号切换，可以产生各种脉冲波形。
二、数字电子技术脉冲波形的整形方法1. 单稳态整形电路单稳态整形电路可将输入的窄脉冲波形整形为较宽的方波信号，以确保输入脉冲的稳定性和准确性。
单稳态整形电路的核心是单稳态多谐振器，其通过一个触发器和适当的电容电阻网络实现。
输入脉冲触发触发器，逐渐充放电电容，最终输出一个较宽的方波脉冲。
2. 升降沿整形电路升降沿整形电路能够将输入脉冲波形的上升沿和下降沿进行整形，使其变得更为陡峭和准确。
升降沿整形电路由施密特触发器、比较器和延时电路等组成。
在输入脉冲波形的上升或下降沿触发触发器，输出经过比较器和延时电路后得到整形后的脉冲波形。
三、数字电子技术脉冲波形的应用1. 数字信号处理数字信号处理是数字电子技术的重要应用领域之一。
脉冲波形的产生和整形技术在数字信号处理中起到至关重要的作用。
通过产生和整形不同的脉冲波形，可以实现信号滤波、频率分析、解调等功能。
2. 通信系统在通信系统中，数字电子技术脉冲波形的产生和整形对信号的传输和接收起着重要作用。
通过产生和整形不同的脉冲波形，可以实现数据的编码、解码、调制和解调等功能，提高信号传输的可靠性和效率。
3. 计算机科学在计算机科学领域，数字电子技术脉冲波形的产生和整形广泛应用于时序控制、时钟信号生成、数据同步等方面。
数字电子技术 第10章 脉冲波形的产生电路
第10章脉冲波形的产生与整形电路内容提要：本章主要介绍多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器的电路结构、工作原理及其应用。
它们的电路结构形式主要有三种：门电路外接RC电路、集成电路外接RC电路和555定时器外接RC电路。
10.1概述导读:在这一节中，你将学习：⏹多谐振荡器的概念⏹单稳态触发器的概念⏹施密特触发器的概念在数字系统中，经常需要各种宽度和幅值的矩形脉冲。
如时钟脉冲、各种时序逻辑电路的输入或控制信号等。
有些脉冲信号在传送过程中会受到干扰而使波形变坏，因此还需要整形。
获得矩形脉冲的方法通常有两种：一种是用脉冲产生电路直接产生，产生脉冲信号的电路称为振荡器；另一种是对已有的信号进行整形，然后将它变换成所需要的脉冲信号。
典型的矩形脉冲产生电路有双稳态触发电路、单稳态触发电路和多谐振荡电路三种类型。
（1）双稳态触发电路又称为触发器，它具有两个稳定状态，两个稳定状态之间的转换都需要在外加触发脉冲的作用下才能完成。
（2）单稳态触发电路又称为单稳态触发器。
它只有一个稳定状态，另一个是暂时稳定状态（简称“暂稳态”），在外加触发信号作用下，可从稳定状态转换到暂稳态，暂稳态维持一段时间后，电路自动返回到稳态，暂稳态的持续时间取决于电路的参数。
（3）多谐振荡器能够自激产生连续矩形脉冲，它没有稳定状态，只有两个暂稳态。
其状态转换不需要外加触发信号触发，而完全由电路自身完成。
若对该输出波形进行数学分析，可得到许多各种不同频率的谐波，故称“多谐”。
脉冲整形电路能够将其它形状的信号，如正弦波、三角波和一些不规则的波形变换成矩形脉冲。
施密特触发器就是常用的整形电路，它利用其著名的回差电压特性来实现。
自测练习1．获得矩形脉冲的方法通常有两种：一种是（）；另一种是（）。
2．触发器有（）个稳定状态，分别是（）和（）。
3．单稳态触发器有（）个稳定状态。
4．多谐振荡器有（）个稳定状态。
10.2 多谐振荡器导读:在这一节中，你将学习：⏹ 门电路构成多谐振荡器的工作原理 ⏹ 石英晶体多谐振荡器电路及其优点 ⏹ 秒脉冲信号产生电路的构成方法多谐振荡器是一种无稳态电路，它不需外加触发信号，在电源接通后，就可自动产生一定频率和幅度的矩形波或方波。
脉冲波形的产生和整形
可重复触发的单稳态触发器在暂稳态期间，如有触发 脉冲作用，则会被重复触发，使得暂稳态时间延长，直 到最近的一个触发脉冲消失后再过tW时间，电路恢复稳 态。因此，采用可重复触发的单稳态触发器可方便的得 到持续时间更长的输出脉冲宽度。
1、不可重复触发的单稳态触发器74121 tw ≈ 0.7RC
电路结构与工作原理
石英晶体电抗频率特性和符号
从石英晶体谐振器的等效电路可知,它有两个谐振频率,
即当L、C、R支路发生谐振时, 它的等效阻抗最小(等于R)。
串联谐振频率为
fs
2
1 LC
当频率高于fs时, L、C、R支路呈感性, 可与电容Co发生并 联谐振, 并联谐振频率为
fp
2
1 L CCo
fs
1 C Co
CCo
t r e ( 3 ~ 5 )R / ( r D / 1 R O ) C N ( 3 ~ 5 ) R O C N 分辨时 td t间 wtre
2、积分型 G1和G2为TTL门电路
稳v 态 I 0 ,v O 下 1 ,( v O 1 V ： O )v H A , V O ； H vI后vO ， 0,进入暂 vO 1稳 0,C 开 态始 ，放电； 当放vA至 VTH 后， vO1,返回稳态； vI 后， C重新充VO 电 H ,恢 至复初始态；
四、 用施密特触发器构成的多谐振荡器
T T 1 T 2 RlC n V V D D D D V V T T RlC n 0 0 V V T T
T T 1 T 2 R 2 C ln V V D D D D V V T T R 1 C ln 0 0 V V T T
五、石英晶体多谐振荡器
(2)vI1 至VTH，则有： vI1 vI2 vO2
1、不可重复触发的单稳态触发器74121 tw ≈ 0.7RC
电路结构与工作原理
石英晶体电抗频率特性和符号
从石英晶体谐振器的等效电路可知,它有两个谐振频率,
即当L、C、R支路发生谐振时, 它的等效阻抗最小(等于R)。
串联谐振频率为
fs
2
1 LC
当频率高于fs时, L、C、R支路呈感性, 可与电容Co发生并 联谐振, 并联谐振频率为
fp
2
1 L CCo
fs
1 C Co
CCo
t r e ( 3 ~ 5 )R / ( r D / 1 R O ) C N ( 3 ~ 5 ) R O C N 分辨时 td t间 wtre
2、积分型 G1和G2为TTL门电路
稳v 态 I 0 ,v O 下 1 ,( v O 1 V ： O )v H A , V O ； H vI后vO ， 0,进入暂 vO 1稳 0,C 开 态始 ，放电； 当放vA至 VTH 后， vO1,返回稳态； vI 后， C重新充VO 电 H ,恢 至复初始态；
四、 用施密特触发器构成的多谐振荡器
T T 1 T 2 RlC n V V D D D D V V T T RlC n 0 0 V V T T
T T 1 T 2 R 2 C ln V V D D D D V V T T R 1 C ln 0 0 V V T T
五、石英晶体多谐振荡器
(2)vI1 至VTH，则有： vI1 vI2 vO2
数字电路设计题
版权：陶为戈 员，评判时，按照少数服从多数原则，但若 版权：陶为戈
主评判员认为合格也可以通过。试用
74LS138和与非门实现此功能的逻辑电路。
第6页 江苏技术师范学院电信学院
数字电路
7.有一键盘输入电路，一共有4个按键I0，
第十章 脉冲波形的产生和整形
I1，I2，I3，不按键时，对应的输入信号为
低电平，键按下时，对应的输入信号为高电
进制数，当控制信号为“0”时输出为其本
版权：陶为戈 身，当控制信号为“1”时输出为其各位取 版权：陶为戈
反。要求：列出真值表，写出输出逻辑表达
式，用ROM阵列实现该电路。
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数字电路
第十章 脉冲波形的产生和整形
6. 某汽车驾驶员培训班结业考试，有三名
评判员，其中A为主评判员，B、C为副评判
电路。（可以附加必要门电路）
第3页
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第十章 脉冲波形的产生和整形
4. 设计一个2位二进制数相乘的乘法电 路 ，列出真值表，画出ROM 阵列图。 版权：陶为戈
版权：陶为戈
第4页
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数字电路
第十章 脉冲波形的产生和整形
5. 设计实现下列功能的电路：一个两位二
数字电路
第十章 脉冲波形的产生和整形
15.试用JK触发器设计2位二进制同步可逆计
版权：陶为戈 数器。当控制信号C=0时实现加计数，当控 版权：陶为戈
制信号C=1时实现减计数。
第14页
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第十章 脉冲波形的产生和整形
16. 用D触发器设计一个同步五进制加法计 数器。
主评判员认为合格也可以通过。试用
74LS138和与非门实现此功能的逻辑电路。
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7.有一键盘输入电路，一共有4个按键I0，
第十章 脉冲波形的产生和整形
I1，I2，I3，不按键时，对应的输入信号为
低电平，键按下时，对应的输入信号为高电
进制数，当控制信号为“0”时输出为其本
版权：陶为戈 身，当控制信号为“1”时输出为其各位取 版权：陶为戈
反。要求：列出真值表，写出输出逻辑表达
式，用ROM阵列实现该电路。
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第十章 脉冲波形的产生和整形
6. 某汽车驾驶员培训班结业考试，有三名
评判员，其中A为主评判员，B、C为副评判
电路。（可以附加必要门电路）
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第十章 脉冲波形的产生和整形
4. 设计一个2位二进制数相乘的乘法电 路 ，列出真值表，画出ROM 阵列图。 版权：陶为戈
版权：陶为戈
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数字电路
第十章 脉冲波形的产生和整形
5. 设计实现下列功能的电路：一个两位二
数字电路
第十章 脉冲波形的产生和整形
15.试用JK触发器设计2位二进制同步可逆计
版权：陶为戈 数器。当控制信号C=0时实现加计数，当控 版权：陶为戈
制信号C=1时实现减计数。
第14页
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第十章 脉冲波形的产生和整形
16. 用D触发器设计一个同步五进制加法计 数器。
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一阶惰性电路的暂态过程，可用三要素法来描述，获得电压或 电流随时间变化的方程： t
X ( t ) X ( ) [ X (0 ) X ( )]e
或
X ( ) X (0 ) t 1n X ( ) X ( t )
τ = RC 或 L/R τ 越大，C充电越慢； 越小，C充电越快。
地 GND
电源 Vcc
低电平触发
输出 复位 RD’
放电 DIS
高电平触发 电压控制
10.5.2 用 555 定时器接成的施密特触发器
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。
1、电路组成
2、工作原理
结论：
2 UTH U DD 当uI上升时，引起电路状态由高变为低的输入电压为： 3 1 当uI下降时，引起电路状态由低变为高的输入电压为：U TL U DD 3 二者之差称为回差电压： UT UTH U TL
2. 恢复时间 tre
很小
2 = RCESC
tre = 32 － 5 2
10. 5. 4 用555定时器接成的多谐振荡器 能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。
自激振荡——不需要外加输入信号，就可以自动地产生 出矩形脉冲。
多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。
一、电路组成和工作原理
t W1 0.7 R1 R2 C （ ） R1 R2 占空比： q 50 0 0 T 0.7 R1 2 R2 C R1 2 R2 （ ）
2. 占空比可调电路
+VCC
R1 7 R2
8
4
tw1= 0.7R1C
C
3 D1 D 2 6 555 5 2 1 +
uO
C2
tw2 = 0.7R2C
1 1 0 1
0
1
1
二、功能表
R’D
VI 1
╳
VI 2
╳
VO TD 0 导通
0 0 导通 1 >2/3 VCC >1/3 VCC 1 <2/3 VCC >1/3 VCC 保持 保持
1 <2/3 VCC <1/3 VCC 1 1 截止
0 0
1 101 Nhomakorabea1 >2/3 VCC
<1/3 VCC
截止
三、 555 定时器的外引脚
╳
VI 2
╳
VO TD 0 导通 0 导通
0 1 >2/3 VCC >1/3 VCC 1
1
0 1
1 0
1
0
1
二、功能表
R’D
VI 1
╳
VI 2
╳
VO TD 0 导通
0 0 导通 1 >2/3 VCC >1/3 VCC 1 <2/3 VCC >1/3 VCC 保持 保持
1 <2/3 VCC <1/3 VCC 1 截止
8
R1 R2 5 6 2
+VCC 4
&
Q
1
3
uO &
TD
2V 3 CC
1V 3 CC
uC t
uC
C
7 1
uO
UOH UOL
t
1. 振荡频率的估算
(1) C 充电时间 tw1 uC（0+） = VCC / 3, uC（） = VCC
t W1
uC ( ) uC (0 ) 1 ln uC () uC ( t W1 )
2 = R2C
放电时间常数
t W2 0.7 R2C
(3) 振荡频率 f tw1= 0.7 (R1+R2) C tw2 = 0.7R2C
振荡周期： T = 0.7（R1+2R2）C
1 1 1.43 振荡频率： f T 0.7 R1 2 R2 C （R1 2 R2 C （ ） ）
3、施密特触发器的应用 一、用于波形变换 二、用于鉴幅
三、脉冲整形，消除干扰、杂波
10. 5. 3 用555定时器接成的单稳态触发器
特点: 1. 只有两种状态: 稳态和暂稳态； 2. 外来触发 （窄） 脉冲使: 稳态暂稳态稳态； 3. 暂稳态持续时间仅取决于电路参数, 与触发脉冲无关。
一、电路组成及工作原理
二、工作波形
三、主要参数
1. 输出脉冲宽度（暂态持续时间）tw
则uO为高，且放电管截止，UDD通过定时电 阻 R 对定时电容充电。 三要素法分析：
uC ( 0 ) 0 uC ( ) VCC RC
1 uI变为负脉冲且低电平应小于 VCC ， 3
tW
uC ( ) uC (0 ) RC 1n uC ( ) uC ( tW ) VCC 0 RC 1n 2 VCC VCC 3 RC 1n3 1.1 RC
t W1 0.7 R1C q T (0.7 R1 0.7 R2）C
R1 R1 R2
第十章 脉冲波形的产生和整形
一、矩形脉冲的基本特性 1. 矩形脉冲的二值性 矩形脉冲 高、低电平 2. 矩形脉冲的特性参数 tf tr 0.9Um Um 0.5Um 0.1Um tW T
二进制数字信号
1、0 T — 脉冲周期 Um— 脉冲幅度 tW — 脉冲宽度 tr — 上升时间 tf — 下降时间
VCC 1 VCC 3 1 ln 1 ln 2 2 VCC 3 VCC
充电时间常数
1= （R1+R2）C
t W1 0.7 R1 R2 C （ ）
1. 振荡频率的估算
(2) C 放电时间 tw2
uC（0+） = 2VCC / 3, uC（）= 0
t W2
uC ( ) uC (0 ) 2 ln uC () uC ( t W 2 ) 0 2 VCC 3 2 ln 2 ln 2 0 1 VCC 3
1. 单稳态电路
2. 多谐振荡器
3. 施密特电路
10.5 10.5.1
555定时器及其应用
555定时器
一、电路结构 由电压比较器(C1,C2)、 触发器、 输出缓冲器(G3,G4)、
OC输出的放电管(TD)
组成
二、功能表
R’D
VI 1
╳
VI 2
╳
VO TD 0 导通
0
0
1
0
二、功能表
R’D
VI 1