第七章脉冲波形产生与完整

定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RS触发器和放
电管VT状态的控制。
U CC
RD
U CO
u6
(TH )
u2
(TR)
放电端
8
4
U R1 5
6
5k
＋ －
C1
G1
R &Q
5k 2
&
&
U R2
＋ －
C2
S
Q
G2
G3
5k
VT
7
1
1
3
uo
G4
5脚不外接控制电压。
5脚不接控制电压:
UCC
RD
2 UR1 3 UCC
VCC
比较；
U6
=
UC，和
2 3
VCC
比较。
要求触发信号
为负的窄脉冲
（UC）
C
UC
U6
+VCC
R
48
演示
7
UO
6 555 3
UI
+2
5 1
C-
0.01uF
（UI） （Q）
U2
UO TD
说明
接通VCC 充电 不触发
=
2 3
VCC
>
2 3
VCC
>
1 3
VCC
0
导通 稳态：UO =0
UI=1
放电
=0
<
2 3
VTH
–
R1 R2
UOH
又： UOH = VDD； VTH =
1 2
VDD
故：
U－
=（1
–
R1 R2
）VTH
⑶、求回差电压ΔU
ΔU =U+ - U－ =
2
R1 R2
VTH
=
R1 R2
VDD
当VDD一定时，调R1、R2 ，可调ΔUT ， 即可调U+ U－，可调UO脉宽。
5、电压传输特性
UO
2 RR12VTH
CB555 是国产双极型电路； CH7555是CMOS型电路。
一、555定时器的电路结构
清零端：0有效
U CO
u6
(TH )
u2
(TR )
放电端
U CC
RD
7
U R1 5 6
2 U R2
5k
＋ －
C1
5k
＋ －
C2
5k VT
7
1
4
G1
R &Q
&
S
Q
G2
电压比较器，
若u+>u-，则输出为 高电平，反之输出
说明 同相施密特触发器
G1、G2门将要翻转 UO突变
G1、G2门将要翻转 UO突变
3、举例
设UI为缓慢变化的三角波： UI
U+
U－
UO UOH
UOL
G1门的阈值电平 VTH t
t
4、计算回差电压 Δu
R2
⑴、求U+
UI
在UI从0开始上升时， UO=UOL。
U+
R1
，G1 UI 1
G2
1
UO
VTH
01
0
10
1
1 1 保持
U CO
u6
(TH )
u2
(TR )
放电端
U CC
RD
8
4
U R1 5
6
5k
＋ －
C1
G1
R &Q
2 U R2
5k
＋ －
C2
&
S
Q
G2
&
G3
5k
VT
7
1
1
3
uo
G4
4.放电三极管 VT是一个集电极开路的放电三极管。
当uO＝0时，VT导通； 当uO＝1时，VT截止。
二、555定时器的功能
二、脉冲信号的参数
上升时间
下降时间
tr 0.9 Um 0.5 Um 0.1 Um
tf t W脉冲宽度
脉
Um
冲 幅
度
T
脉冲周期
矩形脉冲信号的主要参数
占空比q－－脉冲宽度与脉冲周期的比值，q＝tW/T 。
三、脉冲产生电路的暂态分析
脉冲波形产生与整形电路多是由RC充放电电路构成的。
C
UC(t )
UC(t)
(b)方波 (d)锯齿波
在数字系统中常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡
峭边沿的矩形脉冲信号，如触发器的时钟脉冲（CP）。
获取这些脉冲信号的方法通常有两种： ①脉冲产生电路直接产生； ②利用已有的周期信号整形、变换得到。
脉冲整形、变换电路——单稳态触发器 施密特触发器；
脉冲产生电路——多谐振荡器； 多用途的定时电路——555定时器。
三、微分型单稳态触发器
UI 1、组成（用CMOS或非门）
UI， 2、工作原理（用正窄脉冲触发）
UI UI， UO1 UI2
接通VDD
VDD
不触发 0 0
1
1
VDD
G1 C
≥1
UO1
R G2 UO ≥1 UI2
UO
说明
UOL 稳态：UO=0
0
C中无电荷
触发
1
0
0
1
暂态：UO=1
C充电 UI2↑ 0 0
正向阈值电压U+
负向阈值电压
U－
UI
1 3
VCC
UO
2 3
VCC
t
t
uo
电
①输入信号上升时对应的转换电平U+ ，
压
称为正向阈值电压；
传
输
②输入信号下降时对应的转换电平U－ ，
特
称为负向阈值电压；
性
③差值ΔU＝U+－U-，称为回差电压。
0
U－
U+
uI
二、 用门电路构成施密特触发器
R2
1、构成 （用CMOS非门UI）R1
为低电平。
基本触发器
&
1
3
G3
G4
地
u 2
uo
RD
uo
1
8
2
7
555
3
6
4
5
U CC 放电端
u6
U CO
电源电 最大负 压范围 载电流
输出缓冲器，起 整形和提高负载 的作用。
双极型 555电路 5—16V
CMOS型 555电路 3—18V
200mA 4mA
电压控制端
U CC
RD
8
4
U CO
u6
(TH )
c不导截输Vu×输入10变通止出>>TO261133
u u
CC CC
u2
< 3 cc
u1
>3 CC
uo
低 低
低 高
TD状态
导通 导通
当在uCO端外接控 制电压时，阈值电
压将变化：
导通（不变） 截止（不变）
2 3
u CC
变为uCO;
1
u < 2
3
cc
1
< 3 u cc
高 截止
1 3
u
CC
变为uCO/2。
u2
(TR )
放电端
U R1 5
6
5k
＋ －
C1
G1
R &Q
2 U R2
5k
＋ －
Leabharlann BaiduC2
&
S
Q
G2
&
G3
5k
VT
7
1
3
uo
G4
1
1.分压器
①5脚悬空时， UR1
2 3 UCC
，UR2
1 3 UCC
；
②5脚外接控制电压UCO时， UR1UCO, UR22 1UCO。
注：当5脚不加控制电压时，通常经过一个0.01µF的电容接地，
数字逻辑A
主讲：信息与通信学院 谢跃雷
第七章 脉冲波形的 产生与整形
7.1 概述 7.2 555定时器 7.3 单稳态触发器 7.4 施密特触发器 7.5 多谐振荡器
一、脉冲信号
7.1 概述
脉冲是脉动和短促的意思，凡是具有不连续波形的信号均 可称为脉冲信号。广义讲，各种非正弦信号都是脉冲信号。
(a)矩形波 (c)尖脉冲
VCC
>
1 3
VCC
保持
触发 无电荷 0
<
2 3
VCC
<
1 3
VCC
1
截止 暂态：UO =1
UI =1
充电 放电
=
2 3
VCC
>
2 3
VCC
>
1 3
VCC
0
=0
<
2 3
VCC
>
1 3
VCC
导通 返回：UO =0 保持
总之：不触发，UO=0； 触发, UO=1
UO=1维持一段时间又返回UO=0 充电回路：VCC+→R→C → VCC-（充电慢） 放电回路：C+ →TD → C -（放电快）
UI
3、电压波形
TW≈RC ln —V—CVC—C-C-—230V—CC
UO
TW
TW≈RC ln3 = 1.1RC
UC
注意：第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。
t
t
2 3
VCC
t
触发脉冲
4、工作特性：
UI
暂稳态 稳态
UO TW
UC
t
t
2 3
VCC
t
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，电路能自动返回稳态； ③ 暂稳态不能长久保持，其维持时间的长短取决于电路 自身参数，与外界触发脉冲无关。
9 6 3 o
UO
1
o
UO
1
U+ U-
t
VDD
t
VDD
o
t
2.波形整形
施密特触发器可以将不规则的波形整形为矩形波。若 适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。回差电压 是由5脚接入的控制电压UCO来控制的。
UI
O
U+ U-
UI
t
U+ U-
UO
O
t
UO
O
t
O
t
1
3.幅度鉴别
从一系列幅度不同的脉冲信号中选出幅度大于正向
C放电 UI2↓ 0 0
↑=VTH
1
1①
0 返回稳态：UO=0 0
↓=VDD 0 恢复为起始稳态
1
1
0
C中无电荷
注释①：此时的逻辑电平“1”， 对应的电位为（VDD+0.7）V。
总之：
UI
不触发：UO=0，C中无电荷 UO1
t
触发：UO=1
C充电：返回 UO=0 C放电：恢复为起始稳态，
UI2
据三要素公式，可以得到电压随时间变化的方程为
u C ( t) U C ( ) [ U C ( 0 ) U C ( )e ] t/
④令uC(tW)=UT，则从暂态过程的起始值UC(0+)变到UT所经历 的时间tW（脉冲宽度）可用下式计算：
tWR1 CnUC U (C () )U C U (T 0)
UOH
UOL
在UI =>U+ ， UI , =>VTH ，G1、G2 门要翻转前的瞬间，
电路中电流流向和电位情况见图。
从求UI ,入手求U+ ：
UI , = VTH =UR2 =
R2 R1+R2
U+
∴
U+ =
R1+R2 R2
VTH
=（1+
R1 R2
）VTH
⑵、求U－
R2
在UI从最大值开始 下降时，UO=UOH。
G1
G2
1 UO1 1
UO
2、工作原理
UI’
UI =0 UI上升 过程中
UI下降 过程中
UI
0
<U+ =>U+ =U+ >U+ >U=>U=U-
<U-
UI’
0
<VTH =>VTH =VTH >VTH >VTH =>VTH =VTH <VTH
UO1 UO
10 10 10 01 01 01 01 10 10
以抑制干扰。
U CC
RD
异步清零端
阈值输入端
U CO
u6
(TH)
u2
(TR)
触发输入端
放电端
8
U R1 5 6
2 U R2
5k ＋－C1
5k ＋－C2
5k VT
7
1
2.电压比较器
U+≥U-时，Ci＝1； U+＜U-时，Ci＝0。
4
G1
R &Q
&
&
S
Q
G2
G3
1
3
uo
G4
3.基本RS触发器
RS
u0
0 0 1(约束）
UI
R1
UI，G1 1
G2
1
UO
U－
VTH
UOL
UOH
在UI =>U+ ， UI , =>VTH ，G1、G2 门要翻转前的瞬间，
电路中电流流向和电位情况见图。
从求UI ,入手求U－ ：
UI , = UTH = UOH – UR2 = UOH –[（UOH – VT –R）R1+2R2 ]
∴
U－
=
R1+R2 R2
S
UT
R
U
UC(0+) tM
0
UC(∞ ) t
① 开关闭合的一瞬间，电容器上电压不能突变，满足开关定理
UC(0+)=UC(0-)。 ② 充电暂态过程结束后，流过电容器的电流iC(∞)为0，即电
容器相当于开路。
UC(t ) UT
UC(∞ )
UC(0+) tW
0
t
③ 电路的时间常数τ=RC，τ决定了暂态时间的长短。根
7
UO
UI
6 555 3
2
5
1
0.01uF
2.工作原理
演示
UI
TH TR
UO
0
<
2 3
VCC
<
1 3
VCC
1
≥
2 3
VCC
>
2 3
VCC
>
1 3
VCC
0
≤
1 3
VCC
<
2 3
VCC
<
1 3
VCC
1
电压波形
UI
1 3
VCC
2 3
VCC
t
UO
t
3.工作特性
施密特触发器是一种 常用的脉冲信号整形 电路。 工作特性：
阈值电压U+的输入脉冲， 即对幅度进行鉴别。
UI
O
1
UO
O
U+ U-
t
t
7.4 单稳态触发器
一、555定时器构成的单稳态触发器
UCC R
84
uC uI
7
6 555
2
3
uo
C15 0.01μF
5脚经过0.01µF电容接地，则
UR1
2 3 UCC
，UR2
1 3 UCC
。
2、工作原理
U2
=
UI
，和
1 3
∵ UI =0时，UO=UOL
∴ 是同相施密特特性
6、逻辑符号
1
1
U－ VTH U+ VDD UI
&
≥1
三、施密特触发器的应用
1.波形变换
施密特触发器可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换
成边沿陡峭的矩形脉冲信号。 UI （V）
例：
已知UI为半波，UI m= 9V， 电路的U+ =6V， U-=3V UOH =VDD，试画UO波形。
7.2 555定时器
555电路又称为集成定时器。555定时器是一种多用途 的数字—模拟混合集成电路，可以方便地构成单稳态触发 器，施密特触发器和多谐振荡器。
1972年由Signetics公司推出。既有双极型产品，也有MOS 型产品。双极型产品型号的最后3位数码是555，单极型最 后数字是7555如：
表2 RD =1时的表1
TH
>
2 3
VCC
<
2 3
VCC
<
2 3
VCC
TR
>
1 3
VCC
<
1 3
VCC
>
1 3
VCC
u
0 1 保持
由表2可得如下口诀： 大于、大于、出0； 小于、小于、出1； 小于、大于、保持
7.3 施密特触发器
一、555定时器构成的施密特触发器
1.电路结构和逻辑符号
+VCC
48
UI
1 3
VCC
UO
2 3
VCC
t
t
1、电平触发：触发信号UI可以是变化缓慢的模拟信号， UI达 某一电平值时，输出电压U0突变。 U0为脉冲信号。 2、电压滞后传输：输入信号UI从低电平上升过程中，电路状 态转换时对应的输入电平，与UI 从高电平下降过程中电路状 态转换时对应的输入电平不同。
利用上述两个特点，施密特触发器不仅能将边沿缓慢变化 的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，还可以将叠加在矩形脉 冲高、低电平上的噪声有效地清除。
UR2
1 3 UCC
UCO
随着TH端和TR端的电压不同，
u6
(TH)
其工作状态将发生变化：
u2
(TR)
555定时器功能表
放电端
8
4
UR1 5
6
5k ＋－C1
G1
R &Q
2 UR2
5k ＋－C2
&
S
Q
G2
&
G3
5k
VT
7
1 3 uo
G4
uCO
uCO 2
1
RD
0 1
1 1
TH
TR
>
2 3
u
<
2 3
u
c
c c