数电第六章
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CO 3 3 1 2 1 1 ③U 时，输出翻转 uO ＝ 1 0。 u U CC ， U Uco ， U Uco C Uco 3 2 2 CO CO
u OL 0
t
二、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。
第6章 脉冲波形的 产生与整形
6.1 概述 6.2 555定时器 6.3 施密特触发器 6.4 单稳态触发器 6.5 多谐振荡器
6.1 概述
一、脉冲信号
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
(b)方波
(c)尖脉冲
(d)锯齿波
Q
u6
R
&
u C1 0( R D 0)
& 1
3
u2
( TR )
&
Q G2
uo
u C 2 1( S D 1) ,
G3
G4
基本RS触发器置0 uo 0 。 ， VT通，
5脚不外接控制电压。
二、555定时器的功能
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。
波形图
uI T UCC 1 U 3 CC 0 t
R
8
4
uC uI C
7 6 555 3 2
uo
uo
tW
0 uC 2 U 3 CC 0
TW
t
1
5
0.01μ F
UCC
t
2.输出脉冲宽度tW 输出脉冲宽度tW是暂稳态的停留时间，即电容C的电压 2 从0充电到 U CC 所需的时间。根据电容C的充电过程可知： 3 2 U C (0 ) 0 , U C ( ) U CC , UT uC ( tW ) U CC , RC , 3 因此可得 U C ( ) U C (0 ) tW RC 1n RC 1n3 1.1 RC U C ( ) U T 上式说明：单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定 时元件R、C的取值，且成正比关系，而与输入触发信号和 电源电压无关，因此调节R、C的大小，即可方便地改变tW。 矩形脉冲的周期与输入的触发信号周期相同。
uC (t ) UC () [UC (0 ) UC ()]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：
tW RC 1n
U C ( ) U C (0 ) U C ( ) U T
6.2 555定时器
u2 uo
Q RD
u6
U CO
u6 u2
&
&
Q G2
&
G3
1
3
uo
(TR )
G4
5k 放电端
VT 7 1
U CC
RD 4
电压控制端
U CO (TH ) U R1 5
8
5k
G1 ＋C 1 － R
u6 u2
&
Q
6
5k 2 U R2 5k
(TR )
＋C 2 － VT
S
&
Q G2
&
G3
1
3 G4
uo
放电端
Q
u6
R
&
u C1 0 ( R D 0)
& 1
3
u2
( TR )
&
Q G2
uo
u C 2 0 ( S D 0) ,
G3
G4
基本RS触发器置1 uo 1 。 ，VT截止 ，
5脚不外接控制电压。
5脚不接控制电压，则 U R 1
2 1 U CC ， U R 2 U CC。 3 3
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。 双极型产品型号最后数码为555，CMOS型产品型号最后数 码为7555。其功能和外部引脚排列完全相同。
一、555定时器的电路结构
U CC 8 5k U CO (TH ) U R1 5 6 5k 2 U R2 ＋C 2 － S RD 4 G1 ＋C 1 － R 地 1 2 555 3 4 6 5 8 7 U CC 放电端
uI
U+ U0 uo t
0
t
4.构成多谐振荡器
工作原理： 电容上初始电压为零，即uI＝0，则uO＝1，并经R向 C充电，当充至uI＝U+时，输出翻转uO＝0。电容C又经R 进行放电，当放电至uI＝U-时，输出翻转uO＝1。
6.4 单稳态触发器
单稳态触发器是一种常用的脉冲整形电路，简称单稳。
工作特性：
施密特触发器是又一种常用的脉冲信号整形电路。 工作特性：
① 具有两个稳态； ② 属于电平触发，缓慢变化的信号也可以作为输入信号， 当输入信号达到某一特定值时，输出电平就发生突变； ③ 输入信号从低电平上升时，电路状态转换时对应的输入 电平，与输入信号从高电平下降时对应的输入转换电平不同。
uo
电 压 传 输 特 性
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。
0 U－ U+ u
I
①输入信号上升时对应的转换电平 U+ ，称为正向阈值电压； ②输入信号下降时对应的转换电平U － ，称为负向阈值电压； ③差值Δ U＝U+－U-，称为回差电压。
一、555定时器构成的施密特触发器
1.电路结构和逻辑符号
UCC
8 uI 6 2 1 555
4 3 5 0.01µ F uo
U CC 8 5k U CO (TH ) U R1 5 6 5k 2 U R2 5k 放电端 VT 7 1 ＋C － S
2
RD 4 G1 ＋C －
1
(2)当u 6 U R1 (2 / 3VCC ) u 2 U R 2 (1 / 3VCC )时,
&
Q
u6
R
u C1 1( R D 1)
& 1
5脚不外接控制电压。
二、555定时器的功能
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 8 5k U CO (TH ) U R1 5 6 5k 2 U R2 5k 放电端 VT 7 1 ＋C － S
2
RD 4 G1 ＋C －
1
(4)当u 6 U R1 (2 / 3VCC ) u 2 U R 2 (1 / 3VCC )时,
555定时器功能表 输入
RD
输出 u2 ×
1 U CC 3 1 U CC 3
u6 ×
2 U CC 3
uO 0 1 0 不变 1
VT 导通 截止 导通 不变 截止
0 1 1 1 1
2 U CC 3
2 U CC 3 2 U CC 3
1 U CC 3 1 U CC 3
6.3 施密特触发器
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。
由外界触发 稳定状态
暂稳态
恢复期
自动返回
稳定状态
一、555定时器构成的单稳态触发器
二、555定时器的功能
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 8 5k U CO (TH ) U R1 5 6 5k 2 U R2 5k 放电端 VT 7 1 ＋C － S
2
RD 4 G1 ＋C －
1
(1)当u 6 U R1 ( 2 / 3VCC ) u 2 U R 2 (1 / 3VCC )时,
1.工作原理
触发时V I VC 1 1 1 只要V I 降至 VCC , 则 Q 1 ,TD 截止 C开始充电 3 VC 2 0
2 1 当VC 充至 VCC时（假定此时VI已经回到高于 VCC） 3 3
VC 1 0 VC 1 1 则 Q 0 ,TD 导通 C开始放电至0 Q 0保持 V 1 V 1 C2 C2
UC(0+) 0 UT
UC(t ) UC(∞ ) tM 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(0+) 0 UC(∞ )
tW
t
③ 电路的时间常数 τ =RC ， τ 决定了暂态时间的长短。根 据三要素公式，可以得到电压随时间变化的方程为
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。
u
I
(a)
U+ U－ ' U－
0 u
o
t
(b) 0 u
o
t
(c) 0 t
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 阈值电压U+的输入脉冲， 即对幅度进行鉴别。
2.工作原理
uI U+ U-0 2 3 UCC 1 3 UCC t
uo uOH
综之： (2) (1)下降过程： 上升过程： 2 1 ①当 5脚不接控制电压时， U U U U CC 。 5脚经过 0.01 µF电容接地，则 ， R1 CC R2 2 1 3 3 10 1 ① uI 1； 2 U CC 时，uO＝ U 3U CC ， U U CC ，U U U U CC 3 3 3 1 2 ② 时， u 保持不变； U U CC O CC uI ②当5 脚接控制电压 U 时，比较电压变为 U 和（1/2）U ，
UCC R 8 4
uC
uI C
7 6 555 3 2
uo
1
5 0.01μ F
5脚经过0.01µF电容接地，则 U R 1
2 1 U CC ， U R 2 U CC 。 3 3
1.工作原理
稳态时，无触发信号：V I 1 (
1 VCC 即可，VC 2 1 ) 3 VC 1 1 若通电后Q 0 TD 导通 VC 0 Q 0保持 VC 2 1 2 若通电后Q 1 TD 截止 C充电至VC VCC 3 VC 1 1 VC 1 0 Q 0 TD 导通 C放电 Q 0保持 V 1 C2
7 1
1.分压器
①5脚悬空时， U R 1
1 ②5脚外接控制电压UCO时， U R 1 U CO , U R 2 U CO 。 2 注：当5脚不加控制电压时，通常经过一个0.01µF的电容接地， 以抑制干扰。
2 1 U CC ，U R 2 U CC ； 3 3
U CC
RD 4
异步清零端
阈值输入端
U CO (TH) U R1 5 6
8 5k
G1 ＋C 1 － R
u6 u2
&
Q
5k 2 U R2 ＋C 2 － S
&
Q G2
&
G3
1
3
uo
(TR)
G4
触发输入端
放电端
7 1
5k
VT
3.基本RS触发器 2.电压比较器
U+≥U-时，Ci＝1； U+＜U-时，Ci＝0。
R 0 0 1 1 S 0 1 0 1 Qn+1 不定 0 1 Qn
二、脉冲wenku.baidu.com号的参数
上升时间 下降时间
0.9 Um 0.5 Um 0.1 Um
tr
tf
脉 Um 冲 幅 度
t W脉冲宽度
脉冲周期
T
矩形脉冲信号的主要参数
占空比D－－脉冲宽度与脉冲周期的比值，D＝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) S U R
U CC 8 5k U CO (TH ) U R1 5 6 5k 2 U R2 5k 放电端 VT 7 1
RD 4 G1 ＋C 1 － R
u6
u2
&
Q
(TR )
＋C 2 －
S
&
Q G2
&
G3
1
3 G4
uo
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。
2
RD 4 G1 ＋C －
1
(3)当u 6 U R1 (2 / 3VCC ) u 2 U R 2 (1 / 3VCC )时,
Q
u6
R
&
u C1 1( R D 1)
& 1
3
u2
( TR )
&
Q G2
uo
u C 2 1( S D 1) ,
G3
G4
基本RS触发器维持 VT不变， u o 不变 。
3
u2
( TR )
&
Q G2
uo
u C 2 0( S D 0) ,
G3
G4
基本RS触发器置1 u o 1。 ， VT截至，
5脚不外接控制电压。
二、555定时器的功能
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 8 5k U CO (TH ) U R1 5 6 5k 2 U R2 5k 放电端 VT 7 1 ＋C － S
u OL 0
t
二、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。
第6章 脉冲波形的 产生与整形
6.1 概述 6.2 555定时器 6.3 施密特触发器 6.4 单稳态触发器 6.5 多谐振荡器
6.1 概述
一、脉冲信号
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
(b)方波
(c)尖脉冲
(d)锯齿波
Q
u6
R
&
u C1 0( R D 0)
& 1
3
u2
( TR )
&
Q G2
uo
u C 2 1( S D 1) ,
G3
G4
基本RS触发器置0 uo 0 。 ， VT通，
5脚不外接控制电压。
二、555定时器的功能
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。
波形图
uI T UCC 1 U 3 CC 0 t
R
8
4
uC uI C
7 6 555 3 2
uo
uo
tW
0 uC 2 U 3 CC 0
TW
t
1
5
0.01μ F
UCC
t
2.输出脉冲宽度tW 输出脉冲宽度tW是暂稳态的停留时间，即电容C的电压 2 从0充电到 U CC 所需的时间。根据电容C的充电过程可知： 3 2 U C (0 ) 0 , U C ( ) U CC , UT uC ( tW ) U CC , RC , 3 因此可得 U C ( ) U C (0 ) tW RC 1n RC 1n3 1.1 RC U C ( ) U T 上式说明：单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定 时元件R、C的取值，且成正比关系，而与输入触发信号和 电源电压无关，因此调节R、C的大小，即可方便地改变tW。 矩形脉冲的周期与输入的触发信号周期相同。
uC (t ) UC () [UC (0 ) UC ()]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：
tW RC 1n
U C ( ) U C (0 ) U C ( ) U T
6.2 555定时器
u2 uo
Q RD
u6
U CO
u6 u2
&
&
Q G2
&
G3
1
3
uo
(TR )
G4
5k 放电端
VT 7 1
U CC
RD 4
电压控制端
U CO (TH ) U R1 5
8
5k
G1 ＋C 1 － R
u6 u2
&
Q
6
5k 2 U R2 5k
(TR )
＋C 2 － VT
S
&
Q G2
&
G3
1
3 G4
uo
放电端
Q
u6
R
&
u C1 0 ( R D 0)
& 1
3
u2
( TR )
&
Q G2
uo
u C 2 0 ( S D 0) ,
G3
G4
基本RS触发器置1 uo 1 。 ，VT截止 ，
5脚不外接控制电压。
5脚不接控制电压，则 U R 1
2 1 U CC ， U R 2 U CC。 3 3
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。 双极型产品型号最后数码为555，CMOS型产品型号最后数 码为7555。其功能和外部引脚排列完全相同。
一、555定时器的电路结构
U CC 8 5k U CO (TH ) U R1 5 6 5k 2 U R2 ＋C 2 － S RD 4 G1 ＋C 1 － R 地 1 2 555 3 4 6 5 8 7 U CC 放电端
uI
U+ U0 uo t
0
t
4.构成多谐振荡器
工作原理： 电容上初始电压为零，即uI＝0，则uO＝1，并经R向 C充电，当充至uI＝U+时，输出翻转uO＝0。电容C又经R 进行放电，当放电至uI＝U-时，输出翻转uO＝1。
6.4 单稳态触发器
单稳态触发器是一种常用的脉冲整形电路，简称单稳。
工作特性：
施密特触发器是又一种常用的脉冲信号整形电路。 工作特性：
① 具有两个稳态； ② 属于电平触发，缓慢变化的信号也可以作为输入信号， 当输入信号达到某一特定值时，输出电平就发生突变； ③ 输入信号从低电平上升时，电路状态转换时对应的输入 电平，与输入信号从高电平下降时对应的输入转换电平不同。
uo
电 压 传 输 特 性
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。
0 U－ U+ u
I
①输入信号上升时对应的转换电平 U+ ，称为正向阈值电压； ②输入信号下降时对应的转换电平U － ，称为负向阈值电压； ③差值Δ U＝U+－U-，称为回差电压。
一、555定时器构成的施密特触发器
1.电路结构和逻辑符号
UCC
8 uI 6 2 1 555
4 3 5 0.01µ F uo
U CC 8 5k U CO (TH ) U R1 5 6 5k 2 U R2 5k 放电端 VT 7 1 ＋C － S
2
RD 4 G1 ＋C －
1
(2)当u 6 U R1 (2 / 3VCC ) u 2 U R 2 (1 / 3VCC )时,
&
Q
u6
R
u C1 1( R D 1)
& 1
5脚不外接控制电压。
二、555定时器的功能
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 8 5k U CO (TH ) U R1 5 6 5k 2 U R2 5k 放电端 VT 7 1 ＋C － S
2
RD 4 G1 ＋C －
1
(4)当u 6 U R1 (2 / 3VCC ) u 2 U R 2 (1 / 3VCC )时,
555定时器功能表 输入
RD
输出 u2 ×
1 U CC 3 1 U CC 3
u6 ×
2 U CC 3
uO 0 1 0 不变 1
VT 导通 截止 导通 不变 截止
0 1 1 1 1
2 U CC 3
2 U CC 3 2 U CC 3
1 U CC 3 1 U CC 3
6.3 施密特触发器
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。
由外界触发 稳定状态
暂稳态
恢复期
自动返回
稳定状态
一、555定时器构成的单稳态触发器
二、555定时器的功能
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 8 5k U CO (TH ) U R1 5 6 5k 2 U R2 5k 放电端 VT 7 1 ＋C － S
2
RD 4 G1 ＋C －
1
(1)当u 6 U R1 ( 2 / 3VCC ) u 2 U R 2 (1 / 3VCC )时,
1.工作原理
触发时V I VC 1 1 1 只要V I 降至 VCC , 则 Q 1 ,TD 截止 C开始充电 3 VC 2 0
2 1 当VC 充至 VCC时（假定此时VI已经回到高于 VCC） 3 3
VC 1 0 VC 1 1 则 Q 0 ,TD 导通 C开始放电至0 Q 0保持 V 1 V 1 C2 C2
UC(0+) 0 UT
UC(t ) UC(∞ ) tM 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(0+) 0 UC(∞ )
tW
t
③ 电路的时间常数 τ =RC ， τ 决定了暂态时间的长短。根 据三要素公式，可以得到电压随时间变化的方程为
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。
u
I
(a)
U+ U－ ' U－
0 u
o
t
(b) 0 u
o
t
(c) 0 t
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 阈值电压U+的输入脉冲， 即对幅度进行鉴别。
2.工作原理
uI U+ U-0 2 3 UCC 1 3 UCC t
uo uOH
综之： (2) (1)下降过程： 上升过程： 2 1 ①当 5脚不接控制电压时， U U U U CC 。 5脚经过 0.01 µF电容接地，则 ， R1 CC R2 2 1 3 3 10 1 ① uI 1； 2 U CC 时，uO＝ U 3U CC ， U U CC ，U U U U CC 3 3 3 1 2 ② 时， u 保持不变； U U CC O CC uI ②当5 脚接控制电压 U 时，比较电压变为 U 和（1/2）U ，
UCC R 8 4
uC
uI C
7 6 555 3 2
uo
1
5 0.01μ F
5脚经过0.01µF电容接地，则 U R 1
2 1 U CC ， U R 2 U CC 。 3 3
1.工作原理
稳态时，无触发信号：V I 1 (
1 VCC 即可，VC 2 1 ) 3 VC 1 1 若通电后Q 0 TD 导通 VC 0 Q 0保持 VC 2 1 2 若通电后Q 1 TD 截止 C充电至VC VCC 3 VC 1 1 VC 1 0 Q 0 TD 导通 C放电 Q 0保持 V 1 C2
7 1
1.分压器
①5脚悬空时， U R 1
1 ②5脚外接控制电压UCO时， U R 1 U CO , U R 2 U CO 。 2 注：当5脚不加控制电压时，通常经过一个0.01µF的电容接地， 以抑制干扰。
2 1 U CC ，U R 2 U CC ； 3 3
U CC
RD 4
异步清零端
阈值输入端
U CO (TH) U R1 5 6
8 5k
G1 ＋C 1 － R
u6 u2
&
Q
5k 2 U R2 ＋C 2 － S
&
Q G2
&
G3
1
3
uo
(TR)
G4
触发输入端
放电端
7 1
5k
VT
3.基本RS触发器 2.电压比较器
U+≥U-时，Ci＝1； U+＜U-时，Ci＝0。
R 0 0 1 1 S 0 1 0 1 Qn+1 不定 0 1 Qn
二、脉冲wenku.baidu.com号的参数
上升时间 下降时间
0.9 Um 0.5 Um 0.1 Um
tr
tf
脉 Um 冲 幅 度
t W脉冲宽度
脉冲周期
T
矩形脉冲信号的主要参数
占空比D－－脉冲宽度与脉冲周期的比值，D＝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) S U R
U CC 8 5k U CO (TH ) U R1 5 6 5k 2 U R2 5k 放电端 VT 7 1
RD 4 G1 ＋C 1 － R
u6
u2
&
Q
(TR )
＋C 2 －
S
&
Q G2
&
G3
1
3 G4
uo
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。
2
RD 4 G1 ＋C －
1
(3)当u 6 U R1 (2 / 3VCC ) u 2 U R 2 (1 / 3VCC )时,
Q
u6
R
&
u C1 1( R D 1)
& 1
3
u2
( TR )
&
Q G2
uo
u C 2 1( S D 1) ,
G3
G4
基本RS触发器维持 VT不变， u o 不变 。
3
u2
( TR )
&
Q G2
uo
u C 2 0( S D 0) ,
G3
G4
基本RS触发器置1 u o 1。 ， VT截至，
5脚不外接控制电压。
二、555定时器的功能
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 8 5k U CO (TH ) U R1 5 6 5k 2 U R2 5k 放电端 VT 7 1 ＋C － S