数字电路 第 6章 脉冲信号的产生与整形

图6.3.10集成单稳态触发器74121的外部连接方法 （a）使用外接电阻Rext （下降沿触发） （b）使用内部电阻R （上升沿触发）
Rext /C ext VCC NC Cext NC 14 13 12 11 74122 1 2 3 4 5 10
Rin Q 9 8
6
7
TR-Ａ TR-B TR+A TR+B RD Q GND (b) 74122 的引脚排列图
3．集成单稳态触发器
图6.3.8
集成单稳态触发器74121的逻辑图
VCC 14
Re xt /Ce xt NC NC Cext Rin NC 13 12 11 10 74121 9 8
1
2
3
4
5
6
7
Q NC TR-Ａ TR-B TR+ Q GND (a) 74121 的引脚排列图
74121的输出脉冲宽度：
1、微分型单稳态触发器
ui 0 VDD ui VDD t uo1 t uA t uo2 (a) 电路 0 tP (b) 波形 t
0 G1 1 C
≥1 uo1
R uA
1
G2 ≥1
0
0 uo2
VDD 0
（1）没有触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，VA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：uo1＝1，uo2 ＝0。
一、利用各种形式的多谐振荡器直接产 生。 二、通过整形电路把周期性变化的波形 变换为符合要求的矩形脉冲。
在同步时序电路中，作为时钟信号的矩形脉冲控制和协调着整 个系统的工作，而时钟脉冲的特性直接关系到系统能否正常工作。 其特性可由以下几个主要参数定量描述：
图6.1.1 描述矩形脉冲特性的主要参数 1、脉冲周期T 4、上升时间tr
2 U 3 DD 1 U 3 DD uI
I
2 U 3 DD 1 U 3 DD
O uO
t
O uO
t
O (a)
t
O (b)
t
6.2.1 用门电路组成的施密特触发器
图6.2.1 用CMOS反相器构成的施密特触发器 （a）电路 （b）图形符号 条件：反相器G1和G2是CMOS电路，其阈值电压为VTH≈1/2VDD， 且R1＜R2。
为了产生自激振荡，电路不能有稳定状态的。即 静态时电路的状态必须是不稳定的。
如何使电路处于 不稳定状态？
图6.4.2
TTL反相器（7404）的电压传输特性
由反相器的电压传输特性可知，如果使G1、G2工作在电压 传输特性的转折区则电压放大倍数
Av
vo vI
＞1
如何设置 反相器的工作区？
这时只要G1或G2的输入电压有极微小的扰动，就会由正反 馈回路放大而引起振荡。
ui
0
G1 ≥1
VDD
1 C
uo1
R uA
1
G2 ≥1
ui
0 uo2
0 VDD 0 VDD 0
t uo1 t uA t uo2 tP (b) 波形 t
(a) 电路
脉冲宽度：tp=0.7RC
0
（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和G1 的导通工作管对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uo1＝1，uo2＝0。
6.2.3
施密特触发器的应用
施密特触发器应用很广， 主要有以下几方面： ① 波形变换。可以将边沿变化缓慢的周期性信 号变换成矩形脉冲。
② 脉冲整形。将不规
则的电压波形整形为矩
形波。若适当增大回差 电压，可提高电路的抗 干扰能力。图 8-9(a)为 顶部有干扰的输入信号，
(a)
Ui U＋ U－ ' U－ 0 Uo t
对于74系列的门电路，RF1的值应取在0.5kΩ ~ 1.9kΩ之间。
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
第6章 脉冲信号的 产生与整形
6.1 概述 6.2 施密特触发器
6.3 单稳态触发器
6. 4 多谐振荡器
6. 5 555定时器及其应用
6.1 概述
矩形脉冲波形获取的途径：
2、脉冲幅度Vm 3、脉冲宽度tW
5、下降时间tf 6、占空比q
6.2 施密特触发器
施密特触发器是数字系统中常用的一种波形变换电路。它 可以将各种非矩形波转换成整齐的矩形波。其特点： 1、输入信号从低电平上升到某一电平（VT+）时，电路从 一种稳定状态翻转到另一种稳定状态。当输入信号从高电平下 降到某一电平（VT-）时，电路又翻转到原来的稳定状态。 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峭。 u
ui 0 VDD ui VDD G2 ≥1 uA 0 t uo1 t uA t uo2 (a) 电路 0 tP (b) 波形 t
1 G1 0 C
≥1 uo1
R
1 uo2
VDD 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（或者说这个0通过电容C耦合到G2输入端），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（正反馈），此时即使ui的触发信号撤除，仍能维 持门G1 的低电平输出。但是电路的这种状态是不能长久保持的， 所以称为暂稳态。暂稳态时，uo1＝0，uo2＝1。
tp≈0.32RC
6.3.2 单稳态触发器的应用
延迟与定时
ui 单稳态触发器 ui uA u'o & uo (a) 电路示意图 (b) 波形图 u'o uo uA tp
ui
整 形
uo
tp
本节小结：
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。 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。
tp≈0.7RC
TR-A 、 TR-B 是 两 个 下 降 沿 有 效的触发信号输入端，TR+是 上升沿有效的触发信号输入 端。Q和Q是两个状态互补的 输出端。Rext/Cext、Cext是外接 定时电阻和电容的连接端， 外接定时电阻R（R=1.4kΩ～ 40kΩ）接在VCC 和Rext/Cext 之 间 ， 外 接 定 时 电 容 C （ C=10pF ～ 10μF ） 接 在 Cext （正）和Rext/Cext之间。74121 内 部 已 设置 了 一 个 2kΩ的 定 时电阻，Rin 是其引出端，使 用 时 只 需 将 Rin 与 VCC 连 接 起 来即可，不用时则应将Rin 开 路。
使电路的状态迅速转换为VO=VOL≈0。由此可求出v I 下降过程中 电路状态发生转换时对应的输入电平VT-。
∵
∴ 将VDD=2VTH代入上式得到 VT-称为负向 阈值电压
将VT+与 VT-之差定义为回差电压△VT，即 △VT = VT+ － VT-
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图6.2.2
图6.2.1电路的电压传输特性 （a）同相输出 （b）反相输出
vI′
v O1
vO
于是电路的状态迅速转换为vO = VOH ≈ VDD
因此，可以求出输入信号V I电压上升过程中电路状态发生转 换时对应的输入电平VT+
∵
∴
VT+为正向阈值电压
当输入信号V I从高电平逐渐下降并达到V I′=VTH 时， V I′的 下降会引发又一个正反馈过程 vI′ v O1 vO
Ui
U＋ U－ 0 Uo t
0
t
6.3 由门电路构成的单稳态触发器
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。暂稳态的持续时间与触发脉 冲无关，仅决定于电路本身的参数。
TR-A、TR-B是两个下降沿有 效的触发信号输入端， TR+A 、 TR+B 是 两 个 上 升 沿 有效的触发信号输入端。Q 和Q是两个状态互补的输出 端。Rext/Cext 、Cext 、Rin3个 引出端是供外接定时元件使 用的，外接定时电阻R （ R=5kΩ～50kΩ） 、电容 C（无限制）的接法与 74121相同。RD 为直接复位 输入端，低电平有效。 当定时电容C＞1000pF时， 74122的输出脉冲宽度：
6.4 多谐振荡器
多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通 电源以后，不需要外加触发信号，便能自动 产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高 次谐波分量，所以习惯上称之为多谐振荡器。
6.4.1 对称式多谐振荡器