数字电路答案第八章

第八章脉冲产生与整形

在时序电路中，常常需要用到不同幅度、宽度以及具有陡峭边沿的脉冲信号。事实上，数字系统几乎离不开脉冲信号。获取这些脉冲信号的方法通常有两种：直接产生或者利用已有信号变换得到。

本章主要讨论常用的脉冲产生和整形电路的结构、工作原理、性能分析等，常见的脉冲电路有：单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器。

第一节基本知识、重点与难点

一、基本知识

（一）常用脉冲产生和整形电路

1. 施密特触发器

（1）电路特点

施密特触发器是常用的脉冲变换和脉冲整形电路。电路主要有两个特点：一是施密特触发器是电平型触发电路；二是施密特触发器电压传输特性具有回差特性，或称滞回特性。

输入信号在低电平上升过程中，电路输出状态发生转换时对应的输入电平称为正向阈值电压U T+，输入信号在高电平下降过程中，电路状态转换对应的输入电平称为负向阈值电压U T－，U T+与U T－的差值称为回差电压ΔU T。

（2）电路构成及参数

施密特触发器有多种构成方式，如：门电路构成、集成施密特触发器、555定时器构成。主要电路参数：正向阈值电压U T+、负向阈值电压U T－和回差电压ΔU T。

（3）电路应用

施密特触发器主要应用范围：波形变换、波形整形和幅度鉴别等。

2. 单稳态触发器

（1）电路特点

单稳态触发器特点如下：

①单稳态触发器有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；

②在外加触发信号的作用下，触发器可以从稳态翻转到暂稳态，暂稳态维持一段时间，自动返回原稳态；

③暂稳态维持时间的长短取决于电路参数R和C。

（2）电路构成及参数

单稳态触发器有多种构成方式，如：门电路构成的积分型单稳态触发器、门电路构成的微分型单稳态触发器、集成单稳态触发器、555定时器构成的单稳态触发器等。主要电路参数：暂稳态的维持时间t w、恢复时间t re 、分辨时间t d、输出脉冲幅度U m。

（3）电路应用

单稳态触发器主要应用范围：定时、延时、脉冲波形整形等。

3. 多谐振荡器

多谐振荡器是一种自激振荡器，接通电源后，就可以自动产生矩形脉冲，是数字系统中产

生脉冲信号的主要电路。

（1）电路特点

多谐振荡器特点如下：电路没有稳态，只有两个暂稳态；多谐振荡器不需要外加触发信号，电路会自动产生矩形脉冲。

（2）电路构成及参数

多谐振荡器有多种构成方式，如：门电路构成的对称式多谐振荡器、门电路构成的带RC 延迟电路的环形振荡器、晶体振荡器、555定时器构成的多谐振荡器等。多谐振荡器的主要参数有：振荡频率、占空比、输出幅度。

（二）555集成定时器

555集成定时器是一种多用途的数模混合电路。利用555集成定时器可以非常方便地构成各种脉冲产生和整形电路，使用灵活、方便，应用范围广。

（1）电路结构及其工作原理 555集成定时器由电阻分压器、比较器、基本RS 触发器、驱动器和放电管等部分组成。555集成定时器根据输入信号电压幅值的不同，将产生不同的电压输出、放电管不同的工作状态。

555集成定时器的引脚名称和功能如表8.1所示。

555集成定时器的功能如表8.2所示。

（2）应用电路

555集成定时器可以方便地构成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等脉冲产生和整形电路。典型电路如图8.1所示。

表8.2 555集成定时器功能表

图8.1

（a ）施密特触发器 （b ）单稳态触发器 （c ）多谐振荡器

T

U u O

0.01μF T

U u O 0.01μu I T

U u O

0.01μu I

二、重点与难点

重点：

1. 脉冲产生与整形电路的工作原理

施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器典型电路的工作原理、波形分析、电路参数与性能的定性分析。

2. 555定时器

555定时器的基本结构、引脚功能、典型应用。 3. 脉冲电路的分析方法

无论脉冲电路的具体结构如何，凡是含有RC 元件的脉冲电路，分析的关键都是电容的充放电过程，分析的关键点在于电容充放电过程中电压变化对门电路的输入端的影响。

难点：

脉冲电路的分析方法是本章的难点。脉冲电路的分析采用的是非线性电路中过渡过程的分析方法，另外，在分析过程中还要考虑门电路在不同输入信号情况下，对输出信号状态的影响。

三、考核题型与考核重点

1. 概念与简答

题型1为填空、判断和选择； 题型2为叙述基本概念与特点。 建议分配的分数为2～4分。 2. 综合与设计

题型1根据已知脉冲电路，分析其工作原理，画出电路中各关键点的信号波形以及输出波形的参数计算等；

题型2根据需要选择合理的脉冲电路； 题型3分析在应用系统中脉冲电路的作用。 建议分配的分数为5～10分。

第二节 典型题解

例题8.1 分析例题8.1图（a ）所示脉冲电路的工作原理，设门电路均为TTL 电路，其阈值电压为U TH ；设二极管的导通电压为U D 。说明电路的功能，画出电路的电压传输特性。

（a ）

（b ）

u O u I 例题8.1图 u I

u O

U TH U TH -U D U OL U OH O 3

解：当输入电压u I =0时，二极管D 导通，门G 3输出高电平，门G 2输出低电平，u O =0。 假设u I 开始上升，如果u I ＜U TH ，门电路的输出状态不会改变，u O 维持不变，u O =0。 u I 逐渐升高，当u I ≥U TH ，门G 1输出低电平，使门G 2输出高电平，因此门G 3输出变为低电平，输出由低电平变为高电平，u O =U OH 。

如果u I 继续升高，门电路的输出状态不会改变，u O 维持不变，u O =U OH 。

当u I 逐渐降低，当u I 等于略小于U TH ，门G 1输出高电平，u O 仍然维持不变，u O =U OH 。 u I 继续降低，当u I ≤U TH －U D ，门G 3输出变为高电平，门G 1已经输出高电平，所以门G 2

输出变为低电平，输出由低电平变为高电平，u O =U OH 。

该电路是电平触发的施密特触发器，其中：U T+ =U TH 、U T － =U TH －U D 、回差电压ΔU T =U D 。 根据上述分析，画出该电路的电压传输特性如例题8.1图（b ）所示。

例题8.2 分析例题8.2图所示电路的工作原理，这是由555定时器构成的开机延时电路，开关S 为常闭开关。若已知电路参数C =33uF ，R =59k Ω，U DD =12V ，试计算该电路的延时时间。

解：开关S 闭合时，②和⑥引脚输入高电

平U DD ，因此u O 低电平，电容C 上没有电压。

当开关S 断开时，U DD 开始对电容C 充电， 随着充电过程的进行，②和⑥引脚的输入电压 逐渐降低，当低到DD 3

1

U 时，u O 由低电平变为

高电平。

结论：当开关S 断开时，电路延迟了一段 时间，u O 才发生状态的改变，由低电平变为高 电平，实现了开机延时的功能。

②和⑥引脚，即电阻R 上的起始电压 U R (0+)= U DD 电阻R 上的稳态电压 U R (∞)= 0 时间常数 τ=RC 求电阻R 上的电压瞬时值

u R (t )= U R (∞)+[ U R (0+)－U R (∞)]τ

t

e -

≈U DD τ

t

e

-

计算u R (t )达到DD 3

1U 时的延时时间t w ：

DD 3

1

U = U DD τw

t e -

t W =τln DD DD 3

1U U = RC ln3=59×33×10－

3×ln3=2.1s

例题8.3 分析例题8.3图（a ）所示555定时器构成的压控振荡器，画出u C 和u O 波形，试求输入控制电压u I 和振荡周期之间的关系，当输入电压u I 升高时，振荡频率升高还是降低？

解：接通电源瞬间，电容C 上没有电压，此时u C =0V ，因此输出u O 高电平，⑦引脚截止。

电容充电，由U DD 经R 1、R 2对C 充电，充电时间常数τ充= (R 1＋R 2)C 。随着充电过程的进行，u C 逐渐升高，当u C ≥u I 时，u O 由高电平变为低电平，⑦引脚导通。

电容放电，电容C 经过⑦引脚放电，放电时间常数τ放=R 2C ，随着放电过程的进行，u C

逐渐下降，当下降到u C ≤u I /2时，u O 由低电平变为高电平，⑦引脚截止。

电容再次充电，电路重复上述过程，进入下一个周期，电路输出周期性的矩形脉冲。u C 和u O 波形如例题8.3图（b ）所示。

例题8.2图

T

U u O