第七章 脉冲波形产生与完整

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一、555定时器的电路结构
U CC 7 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
清零端：0有效
基本触发器
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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： CB555 是国产双极型电路； CH7555是CMOS型电路。
RD 4 G1 R
随着TH端和TR端的电压不同， 其工作状态将发生变化： 555定时器功能表
uCO RD uCO 2 TR > u CC
u6 u2
& &
Q
&
Q
1
G4
(TR )
S
3
uo
G2
G3
0 1 1 1 1
>
3 3 u cc 输出 VT u 不变 截止 导通 × 1 0 输入 O 2 1 6 2 < 3 u cc > 3 u CC 1 2 < 3 u cc > 3 u CC 2 1 < 3 u cc < 3 ucc
U R1
5 6 5k 2 U R2 5k
u6
u2
&
Q
(TR )
＋C 2 － VT
S
&
Q G2
&
G3
1
3 G4
uo
放电端
7 1
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。
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地
1
2 555 3 4
8
7 6 5
U CC
放电端
u2
Q
u6
u2
&
uo
RD
u6
U CO
(TR )
＋C 2 －
S
&
Q G2
&
G3
1
3 G4
uo
电源电 压范围 双极型 555电路 输出缓冲器，起 整形和提高负载 的作用。
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5脚不接控制电压:
U R1 2 U CC 3
U R2 1 U CC 3
UCO
(TH )
UCC 8 UR1 5 6 5k 2 UR2 5k 放电端 VT 7 1 ＋C 2 － 5k ＋C 1 －
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 5k ＋C 2 － VT 7 1 S
&
Q G2
&
G3
1
3 G4
uo
(TR)
触发输入端
放电端
3.基本RS触发器
1 3 VCC
UI
2 3 VCC
t
UO
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。
2 < 3 VCC 2 < 3 VCC
表2 RD =1时的表1 u TR TH 2 1 0 > 3 VCC > 3 VCC
1 < 3 VCC 1 > 3 VCC
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
1
保持
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2
TH
1
u
低 低 低 高 高
o
TD状态
导通 导通 导通 （不变） 截止 （不变） 截止
当在uCO端外接控 制电压时，阈值电 压将变化：
2 uCC 变为uCO; 3 1 uCC 变为uCO/2。 3
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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
UC(t )
R
UT UC(0+) 0 tM
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-)。
数字逻辑A
主讲：信息与通信学院
谢跃雷
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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
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7.1 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
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(d)锯齿波
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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；
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3、举例
设UI为缓慢变化的三角波： UI
U+
G1门的阈值电平 VTH t
U－ UO UOH UOL
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t
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正向阈值电压U+
UI
1 3 VCC
2 3 VCC
t
负向阈值电压
U－
UO
t
uo
电 压 传 输 特 性
0
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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；
1 < 3 VCC
UO 1 0 1
2 2 ≥ 3 VCC > 3 VCC 2 ≤1 V CC < VCC 3 3
> 3 VCC
1
UI
演示
电压波形
2 3 VCC
1 3 VCC
t UO
t
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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：
最大负 载电流 200mA
5—16V 3—18V
电压比较器， 若u+>u-，则输出为 高电平，反之输出 为低电平。
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CMOS型 555电路
4mA
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U CC
RD 4
电压控制端
U CO (TH ) U R1 5 6
8 5k
G1 ＋C 1 － R
u6 u2
&
Q
5k 2 U R2 5k ＋C 2 － VT 7 S
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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
7 4 8 555 3 1
UO
UI
6 2
5
0.01uF
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2.工作原理 UI 0 TH 2 < 3 VCC TR 1 < 3 VCC
2.电压比较器
U+≥U-时，Ci＝1； U+＜U-时，Ci＝0。
R
0 0 1
S
0 1 0
u0
1(约束） 0 1
1
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1
保持
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U CC 8 5k U CO (TH )
RD 4 G1 ＋C 1 － R
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4、计算回差电压 Δ u
⑴、求U+ UI R1 UI 1 VTH
，G1
R2 G2 1 UOH UO UOL
在UI从0开始上升时， U + UO=UOL。
,
在UI = VTH ，G1、G2 门要翻转前的瞬间， > U+ ， UI = > 电路中电流流向和电位情况见图。 从求UI 入手求U+ ：
,
UI = VTH =UR2 =
∴
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,
R2 U+ R1+R2
R1 R1+R2 U+ = R VTH =（1+ R ）VTH 2 2
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⑵、求U－ 在UI从最大值开始 下降时，UO=UOH。
,
R2 UI U－ R1 UI 1
R2
UO1 G2 1 UO
UI
UI =0 UI上升 过程中 0 <U+ = >U+ =U+ >U+ >U= >U=U<U-
UO1
1 1 1 0 0 0 0 1 1
UO
0 0 0 1 1 1 1 0 0
说
明
同相施密特触发器 G1、G2门将要翻转 UO突变
UI下降 过程中
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G1、G2门将要翻转 UO突变
U－ U+ u
③差值Δ U＝U+－U-，称为回差电压。
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二、 用门电路构成施密特触发器 1、构成 （用CMOS非门）R1
UI 2、工作原理 UI’ UI’ 0 <VTH = >VTH =VTH >VTH >VTH = >VTH =VTH <VTH G1 1
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。
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UC(t )
UT
UC(0+) tW
UC(∞ )
0
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
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
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U C ( ) U C (0 ) U C ( ) U T
，G1
G2 1
UO
VTH
UOL
UOH
在UI = VTH ，G1、G2 门要翻转前的瞬间， > U+ ， UI = > 电路中电流流向和电位情况见图。 从求UI 入手求U－ ：
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 R
CC D
8 5k U CO ( TH ) U R1 5
4 G1 ＋C － 5k
1u6 u2R源自&Q6
2 U R2
( TR )
＋C －
S
2
&
Q G2
&
G3
1
3 G4
uo
5k
放电端 VT
7
1
5脚不外接控制电压。
&
Q G2
&
G3
1
3 G4
uo
(TR )
放电端
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。
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多用途的定时电路——555定时器。
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4
二、脉冲信号的参数
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q－－脉冲宽度与脉冲周期的比值，q＝tW/T 。