第7章脈沖產生與整形電路

概述

施密特觸發器單穩態觸發器多諧振蕩器本章小結555定時器的電路結構及其邏輯功能主要要求：

了解脈沖信號產生與整形的方法。

了解脈沖波形的主要參數。

7.1概述UmtrtfTtW

脈沖幅度Um：脈沖上升時間tr：脈沖下降時間tf：脈沖寬度tW

：脈沖周期T

：脈沖頻率f

：占空比q：脈沖電壓變化的最大值

脈沖波形從0.1Um上升到0.9Um所需的時間脈沖上升沿0.5Um到下降沿0.5Um所需的時間脈沖波形從0.9Um下降到0.1Um所需的時間周期脈沖中相鄰兩個波形重復出現所需的時間1秒內脈沖出現的次數f=1/T

脈沖寬度

tw與脈沖周期

T的比值

q=tw/T

一、脈沖波形的主要參數

主要用以將緩慢變化或快速變化的非矩形脈沖變換成陡峭的矩形脈沖。常用的有施密特觸發器和單穩態觸發器。

獲取脈沖信號的方法

脈沖信號產生與整形電路的實現是一種多用途集成電路，只要外接少量阻容元件就可構成施密特觸發器、單穩態觸發器和多諧振蕩器等，使用方便、靈活，應用廣泛。用多諧振蕩器直接產生。

用整形電路對已有波形進行整形、變換。

施密特觸發器單穩態觸發器主要用以將寬度不符合要求的脈沖變換成符合要求的矩形脈沖。用門電路構成。用專用的集成電路。用

555

定時器構成。二、脈沖信號產生與整形的方法

主要要求：

了解555定時器的電路結構，掌握其符號和功能。7.2555定時器的電路結構及其邏輯功能

了解555定時器的電路結構，掌握其符號和功能。555定時器簡介555定時器是一種電路結構簡單、使用方便靈活、用途廣泛的多功能電路。它的電源電壓范圍寬(TTL555定時器為5~16V，CMOS555定時器為3~18V)，可提供與TTL及CMOS數字電路兼容的接口電平，還可輸出一定功率，驅動微電機、指示燈、揚聲器等。TTL單定時器型號的最后3位數字為555，雙定時器的為556；CMOS單定時器的最后4位數為7555，雙定時器的為7556。它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同。7.2.1555定時器的電路結構C1C2G3QQG1G2RSVRRRUR1UR2G4555定時器的電路結構與符號

UR1UR2構成電阻分壓器，為比較器C1、C2提供兩個基準電壓:

UR1=(2/3)VDD，

UR2=(1/3)VDD。

輸出緩沖器構成基本RS觸發器，決定電路輸出。MOS開關管構成電壓比較器，比較TH與UR1和TR與

UR2的大小。555定時器的電路結構與符號

C1C2G3QQG1G2RSVRRRUR1UR2G4GNDVDDRDOUTCO555THTRDIS電路符號627153843OUT輸出端

8VDD電源端

4RD直接置0端

DIS7放電端TH6閾值輸入端TR2觸發輸入端CO5控制電壓輸入端

GND1接地端

定時器CC7555的工作原理

7.2.2555定時器的邏輯功能當TH端電壓大于UR1=VDD，TR端電壓大于UR2=

VDD時，電壓比較器C1和C2分別輸出R=1、S=0，基本RS觸發器置0，Q=0、Q=1，輸出uO=0，這時MOS管V導通。1323當TH端電壓小于UR1=VDD，TR端電壓小于UR2=

VDD時，電壓比較器C1和C2輸出R=0、S=1，基本RS觸發器置1，Q=1、Q=0，輸出uO=1，這時MOS管V截止。1323當TH端電壓小于UR1=VDD，TR端電壓大于UR2=

VDD時，電壓比較器C1和C2分別R=0、S=0，基本RS觸發器置保持原狀態不變。輸出uO保持不變。1323定時器CC7555的功能表

不變不變1截止11導通01導通00V狀態OUT(uO)RDTRTH輸出輸入××7.2.2555定時器的邏輯功能7.3施密特觸發器主要要求：

理解施密特觸發器的邏輯功能、工作特點。理解施密特觸發器的典型應用。了解用555定時器構成施密特觸發器的方法。7.3.1施密特觸發器的邏輯符號和電壓傳輸特性

SchmittTrigger一、施密特觸發器的邏輯符號uO1uI施密特觸發器的邏輯符號(a)反相輸出邏輯符號；(b)同向輸出邏輯符號uO2uI(a)(b)UOLUOH二、施密特觸發器的傳輸特性UT=UT+-

UT-回差電壓施密特觸發器工作特點(1)允許輸入信號為緩慢變化的信號。(2)有兩個閾值電壓。(3)有兩個穩態。UT+OuOuI正向閾值電壓負向閾值電壓當uI從小增大時，經過UT+處才能使輸出發生躍變。UT-當uI從大減小時，經過UT-處才能使輸出發生躍變。VDDRDOUTCOTHTRDIS7.3.2用555定時器組成施密特觸發器

一、電路組成uIuOOuOtOuItUOH(2/3)VDD(1/3)VDDUOL二、工作原理當輸入電壓uI＜VDD時，比較器C1和C2分別輸出R=0、S=1，

觸發器置1，Q=1，輸出uO為高電平UOH。13當輸入電壓VDD＜uI＜

VDD時，比較器C1和C2輸出R=0、S=0，

觸發器保持1狀態不變，輸出uO=UOH不變。2313當輸入電壓uI≥

VDD

時，比較器C1和C2輸出R=1、S=0，

觸發器0，Q=0，輸出uO為由高電平UOH躍到低電平UOL。所以，施密特觸發器的正向閾值電壓UT+=VDD。2323OuOtOuItUOH(2/3)VDD(1/3)VDDUOL二、工作原理當輸入電壓由大于VDD下降到

VDD＜uI＜VDD時，比較器C1和C2輸出R=0、S=0，

觸發器保持0狀態不變，輸出uO保持低電平UOL不變。232313當輸入電壓下降到uI≤VDD時，比較器C1和C2輸出R=0、S=1，

觸發器置1，Q=1，輸出uO由低電平UOL躍到高電平UOH。所以，施密特觸發器的負向閾值電壓UT-=VDD。1313OuOtOuItUOH(2/3)VDD(1/3)VDDUOL二、工作原理555定時器的功能表

不變不變1截止11導通01導通00V狀態OUT(uO)RDTRTH輸出輸入××電壓傳輸特性為反相輸出的滯回特性0uOuIUOL(1/3)VDD(2/3)VDDUOHUT+=(2/3)VDDUT-

=(1/3)VDD回差電壓：UT=UT+-

UT-

=(1/3)VDD三、傳輸特性雙4輸入施密特與非門邏輯符號1ACT74LS132A2C2B2D1Y2Y1D1B1C六施密特反相器邏輯符號1A2A3A4A5A6A1Y2Y3Y4Y5Y6YCT7414輸出邏輯表達式為Y=A輸出邏輯表達式為Y=A·B·C·D7.3.3集成施密特觸發器一、TTL集成施密特觸發器TTL集成施密特觸發門電路一些重要參數的典型值

tPHL8.7542.5典型延遲時間/ns8.825.58.625.5典型UT+/V典型每門功耗/mW雙4輸入與非門四2輸入與非門六反相器電路名稱CT74LS13CT7413CT74LS132CT74132CT74LS14CT7414型號tPLH典型UT-/V典型ΔUT/V1.61.71.61.71.61.70.80.90.80.90.80.90.80.80.80.80.80.8181515151515151815151515TTL施密特觸發器的特點(1)可將變化緩慢的信號變換成上升沿和下降沿都很陡直的脈沖信號。(2)具有閾值電壓和回差電壓溫度補償。(3)具有很強的抗干擾能力。六施密特反相器邏輯符號1A2A3A4A5A6A1Y2Y3Y4Y5Y6YCC40106輸出邏輯表達式為Y=A7.3.3集成施密特觸發器二、CMOS集成施密特觸發器四2輸入施密特與非門邏輯符號1ACC40933A4A3B4B1Y2Y3Y4Y2B1B2A輸出邏輯表達式為Y=A·BCMOS施密特觸發門電路一些重要參數

CMOS集成施密特觸發器的特點(1)可將變化緩慢的信號變換成上升沿和下降沿都很陡直的脈沖信號。(2)在電源電壓VDD一定時，觸發閾值電壓穩定，但其值會隨VDD變化。(3)電源電壓VDD變化范圍寬，輸入阻抗高，功耗極小。(4)抗干擾能力很強。平均傳輸延遲時間tpd/ns1510515105UT+/VVDD/V最小值最大值四2輸入與非門六反相器電路名稱CC4093CC40106型號UT-/VΔUT/V6.810.84.67.12.23.60.92.8130180380120140280最小值最大值最小值最大值6.810.84.67.12.23.62.55.24.07.40.92.82.55.24.07.40.31.61.23.41.65.00.31.61.23.41.65.0OuItuOUT+UT-Ot一、脈沖波形變換

將三角波、正弦波和其他不規則信號變換成矩形脈沖。UOHUOL當uI>

UT+

后，uO=

UOL；當uI下降到小于UT-

時，uO才躍變到UOH。

當uI<UT-后，uO=UOH；當

uI上升到大于

UT+時，uO才躍變到UOL。uOuI7.3.4施密特觸發器的應用二、脈沖整形將受到干擾的或不符合邊沿要求的信號整形成較好的矩形脈沖。uOuIOuItOuOtUT+UT-UOHUOLOuItuOUT+UT-Ot三、脈沖幅度鑒別鑒別并取出幅度大于UT+的脈沖。UOLUOHuOuI7.4單穩態觸發器主要要求：

理解單穩態觸發器的邏輯功能、工作特點。

理解單穩態觸發器的典型應用。

了解用555定時器構成單穩態觸發器的方法。有一個穩態和一個暫穩態。無外觸發脈沖輸入時，電路處于穩態；在外觸發脈沖作用下，電路將從穩態翻轉到暫穩態，經一段時間后，電路又自動返回到原來的穩態。工作特點暫穩態時間長短取決于電路本身的參數，與外加觸發脈沖無關。Monostableflip-flop單穩態觸發器

GNDVDDRDOUTCO555THTRDISVDD0.01FRCuIuOuC-+7.4.1用555定時器組成單穩態觸發器

一、電路組成DISTHVDDRR、C為定時元件OUTuOCuC-+TRuIGNDVDDRDCO0.01F二、工作原理1.穩定狀態

接通電源前，uC

0V。接通電源后VDD經R向C充電，使uC

上升。uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC充電放電VuCOtOuOtUOLUOHtWOtUIHuIVDD0VUOLUIH該電路觸發信號為負脈沖，不加觸發信號時，uI=

UIH(應

大于VDD)。

13這時TR=UIH>VDD，TH=uC

0<VDD，uO保持低電平不變。因此，穩態時uC

0V，uO為低電平。1323當uC

≥VDD時，滿足TR=uI>

VDD，TH=uI≥

VDD，因此uO為低電平，V導通，電容C經放電管V迅速放電完畢，uC

0V。1323232.觸發進入暫穩態

二、工作原理uCOtOuOtUOLUOHtWOtUIHuIVDDUILUOH充電

當輸入uI由高電平躍變為低電平

(應小于

VDD)時，使

TR=UIL<VDD，而TH=uC

0V<VDD，因此uO躍變為高電平，進入暫穩態，這時放電管V截止，VDD又經R向C充電，uC

上升。1323133.自動返回穩定狀態

二、工作原理uCOtOuOtUOLUOHtWOtUIHuIVDDUOLUIH放電V這時uI必須已恢復為高電平TH≥VDD23

當uC

上升到uC

≥VDD時，

TH

=

uC

≥VDD，而TR=uI=

UIH(大于

VDD)，因此uO重新躍變為低電平。同時，放電管導通，C

經V迅速放電uC

0V，放電完畢后，電路返回穩態。132323[例]用上述單穩態電路輸出定時時間為1s的正脈沖，R=27k，試確定定時元件

C的取值。

三、輸出脈沖寬度的計算uCOtOuOtUOLUOHtWOtUIHuIVDD輸出脈沖寬度tW即為暫穩態維持時間，主要取決于充放電元件R、C。該電路為不可重復觸發單穩，且要求輸入負脈寬小于輸出脈寬tW。解：因為

tW

1.1RC故可取標稱值

33F。估算公式tW1.1RCGNDVDDRDOUTCO555THTRDISVDD0.01FRCuIuOCdRd四、具有RC輸入微分電路的單穩態觸發器當輸入uI負脈沖寬度大于輸出脈沖寬度tW時，需在TR端和輸入觸發信號uI之間接入RdCd微分電路后，電路才能正常工作。VDDRdCd集成單穩態觸發器暫穩態期間如再次被觸發，對原暫穩態時間無影響，輸出脈沖寬度tW仍從第一次觸發開始計算。暫穩態期間如再次被觸發，輸出脈沖寬度可在此前暫穩態時間的基礎上再展寬tW。

可重復觸發型非重復觸發型uOuI1uOuI限定符號“1

”表示不可重復觸發型單穩態觸發器。限定符號“”表示可重復觸發型單穩態觸發器。7.4.2集成單穩態觸發器單穩工作波形舉例單穩輸出波形非重復觸發型單穩輸出波形可重復觸發型輸入波形OuItOuOtOuOttWtWtWtW暫穩態期間不能再次觸發。暫穩態期間能再次觸發。其輸出脈寬將在原暫穩態時間基礎上再展寬tW。觸發脈沖到來時，輸出翻轉為暫穩態，經暫穩態持續時間tW后自動回到穩態。外觸發脈沖未來時，輸出為穩態。單穩態觸發器CT74121的邏輯圖一、非重復觸發單穩態觸發器1.電路組成與邏輯符號輸入觸發脈沖控制電路輸出緩沖級微分型單穩態觸發器一、非重復觸發單穩態觸發器1.電路組成與邏輯符號有3個觸發信號輸入端，TR-A和TR-B用負脈沖觸發，

TR+用正脈沖觸發。有2個互補輸出端TR+TR-BTR-AQQRI

CXRX/CXRintCextRext/CextRI

CXRX/CX不可重復觸發型單穩的限定符號外接定時元件端“×”號表示非邏輯連接，即沒有任何邏輯信息的連接，例如外接R、C和VCC等。負脈沖觸發應用舉例RI

CXRX/CXTR+TR-BTR-AQQ+VCC+VCC欲負脈沖觸發，則將觸發脈沖從TR-A或TR-B加入，而TR+接1。CT74121可正脈沖觸發，也可負脈沖觸發。QTR-B2.工作原理

CT74121的功能表

0××01111110×11100××1010×101×0QQTR+TR-BTR-A輸出輸入正脈沖觸發應用舉例RI

CXRX/CXuO+VCCuITR+欲正脈沖觸發，則將觸發脈沖從TR+加入，而TR-A和TR-B至少有一接0。uIuO2.工作原理

CT74121的功能表

0××01111110×11100××1010×101×0QQTR+TR-BTR-A輸出輸入2.邏輯功能單穩態觸發器CT74121的工作波形

在暫穩態期間再次進行觸發時，對暫穩態時間沒有影響。3.輸出脈沖寬度的計算RI

CXRX/CXTR+TR-BTR-AQQ懸空不接CextRextVCC一般接法tW

0.7RextCext通常取：Rext=2~40k，Cext=10pF~10F。當輸出脈寬不大時，可用內部電阻

Rint=2k取代

Rext，接法如下：RI

CXRX/CXTR+TR-BTR-AQQCext+VCCtW

0.7RintCext1RD1TR-1TR+1Q1Q1Cext1Rext/Cext2TR-2TR+2RD2Cext2Rext/Cext2Q2Q二、可重復觸發單穩態觸發器1.

邏輯符號有兩個觸發信號輸入端，1TR-用負脈沖觸發，1TR+用正脈沖觸發。可重復觸發型單穩的限定符號互補輸出直接復位端為1RD，低電平有效。CT74HC123由兩個獨立的可重復觸發單穩組成。2.邏輯功能CT74HC123的功能表

110101100×110×1110××0QQTR+TR-RD輸出輸入下降沿觸發上升沿觸發穩定狀態復位說明2.邏輯功能單穩態觸發器CT74HC123的工作波形

3.輸出脈沖寬度的估算

可重復觸發單穩態觸發器CC74HC123的輸出脈沖寬度tW可用下式估算

tW

RC

對于單穩態觸發器CT74LS123，在電容C＞1000pF時，其輸出脈沖寬度tW可用下式估算

tW

0.45RC二、脈沖定時一、脈沖整形由于單穩態觸發器可產生寬度和幅度都符合要求的矩形脈沖，因此，可利用它來作定時電路。7.4.3單穩態觸發器的應用脈沖信號經過長距離傳輸后，其邊沿會變差或疊加了某些干擾，這時可利用單穩態觸發器進行整形。將這些受到干擾的脈沖信號加到單穩態觸發器的輸入端，輸出便可得到符合要求的矩形脈沖。二、脈沖定時由CT74121組成的定時電路某生產線上有3道加工工序，要求第1道工序加工10s，第2道工序加工20s，第3道加工工序加工30s。當要求對這3道工序的加工進行自動控制時，則可用3片集成單穩態觸發器CT74121串接起來實現。二、脈沖定時工作波形某生產線上有3道加工工序，要求第1道工序加工10s，第2道工序加工20s，第3道加工工序加工30s。當要求對這3道工序的加工進行自動控制時，則可用3片集成單穩態觸發器CT74121串接起來實現。由CT74121組成的定時電路若已知Rext=10k，Cext=1F則可得tW

0.7RextCext=7msRI

CXRX/CXQ+VCCuIRextCextQOuItOuOt脈沖展寬電路和工作波形三、脈沖展寬

tW接成正脈沖觸發方式將窄脈沖展寬成寬度為tW的脈沖7.5多諧振蕩器主要要求：

了解用555定時器構成多諧振蕩器的方法。理解石英晶體多諧振蕩器的工作原理。即矩形脈沖產生電路，由于矩形脈沖含有豐富的諧波分量，故常稱多諧振蕩器。(1)不需輸入信號。(2)無穩定狀態，只有兩個暫穩態。

通過電容的充電和放電，使兩個暫穩態相互交替，從而產生自激振蕩，輸出周期性的矩形脈沖信號。工作特點AstableMultivibratorGuO邏輯符號多諧振蕩器

GNDVDDRDOUTCO555THTRDISVDD0.01FR1CuOuC-+R27.5.1用555定時器組成多諧振蕩器一、電路組成DISVDDR1CuC-+R2THTRGNDVDDRDCO0.01FOUTuOuCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ二、工作原理充電UOHⅠTH=TR=uC

很小

接通VDD后，開始時TH=TR=uC

0，uO為高電平，電路處于暫穩態Ⅰ。這時放電管截止，VDD經R1、R2向C充電，uC

上升。uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ二、工作原理UOLTH

=

TR

≥

2/3

VCC

當uC上升到

TH=TR=uC

≥

2/3VDD時，uO躍變為低電平，電路進入暫穩態Ⅱ。這時放電管V導通，C經R2和V放電，uC

下降。Ⅱ

接通VDD后，開始時TH=TR=uC

0，uO為高電平，電路處于暫穩態Ⅰ。這時放電管截止，VDD經R1、R2向C充電，uC

上升。放電uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ

當uC下降到

TH=TR=uC

≤1/3VDD時，uO重新躍變為高電平，同時放電管V截止，電路返回到暫穩態Ⅰ。二、工作原理ⅠTH=TR≤1/3VCC

接通VDD后，開始時TH=TR=uC

0，uO為高電平，電路處于暫穩態Ⅰ。這時放電管截止，VDD經R1、R2向C充電，uC

上升。

當uC上升到

TH=TR=uC

≥

2/3VDD時，uO躍變為低電平，電路進入暫穩態Ⅱ。這時放電管V導通，C經R2和V放電，uC

下降。二、工作原理電容C如此循環充電和放電，使電路產生振蕩，輸出矩形脈沖。周期估算tW10.7(R1+R2)CtW20.7R2CT=tW1+tW20.7(R1+2R2)CuCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ三、占空比可調的多諧振蕩器

充電回路為VDD經R1、VD1對C充電，時間常數為R1C。放電回路為C經VD2、R2和放電管V放電，時間常數為R2C。GNDVDDRDOUTCO555THTRDISVDD0.01FR1CuOVD2R2RPVD1R1R2VDDCVD2RPVD1占空比估算tW10.7R1CtW20.7R2C三、占空比可調的諧振蕩器

555定時器組成的防盜報警電路當導線ab連通時，直接置0端RD為低電平，電路不振蕩，揚聲器不發出聲響，電容C4上電壓為0，三極管V工作在導通狀態。三、占空比可調的諧振蕩器

當ab導線被人拉斷時，電源VCC經R3、V將C4迅速充電到高電平，使RD端為高電平，多諧振蕩電路開始振蕩，其振蕩頻率f＝1/0.7(R1+2R2)C

≈1kHz，于是，揚聲器發出1kHz的報警聲響。555定時器組成的防盜報警電路振蕩頻率穩定

由石英晶體的阻抗頻率特性可知，只有外加信號的頻率f和石英晶體的固有諧振頻率f0

相同時，石英晶體才呈現極低的阻抗，而在其他頻率時，則呈現很高的阻抗。因此，石英晶體具有很好的選頻特性。石英晶體的阻抗頻率特性7.5.2石英晶體多諧振蕩器一、石英晶體的選頻特性符號

電阻RF1、RF2用于確定反相器G1和G2的工作點，使其工作在放大區，有利于電路起振。對于TTL反相器，RF1和RF2通常取0.7~2k；對于CMOS反相器，RF1和RF2通常取10~100M，電容C1和C2為G1和G2間的耦合電容，在頻率為f0時，它們呈現的容抗極小，可忽略不計，使G1和G2之間形成正反饋環路。對稱石英晶體多諧振蕩器7.5.2石英晶體多諧振蕩器二、石英晶體多諧振蕩器1.對稱石英晶體多諧振蕩器

由于石英晶體接在G1和G2兩級反相器之間，且具有很好的選頻特性，因此，在接通電源后，對頻率為f0的信號非常容易通過石英晶體而產生頻率為f0的自激振蕩。反相器G3用于整形，使輸出uO的波形更接近于矩形脈沖，G3還具有緩沖隔離作用，也提高了負載能力。對稱石英晶體多諧振蕩器7.5.2石英晶體多諧振蕩器二、石英晶體多諧振蕩器1.對稱石英晶體多諧振蕩器

電阻R1、R2用以使反相器工作在放大區。對于TTL反相器R1和R2通常取0.7~2k；對于CMOS反相器，R1和R2通常取10~100M。C1為反相器G1和G2之間的耦合電容，使G1和G2之間形成正反饋環路，對于頻率為f0的信號，其呈現的容抗極小，可忽略不計。串聯石英晶體多諧振蕩器7.5.2石英晶體多諧振蕩器二、石英晶體多諧振蕩器2.串聯石英晶體振蕩器

在電路接通電源后，G2輸出頻率為f0的信號很容易通過石英晶體形成很強的正反饋而產生自激振蕩。G3用以整形，使輸出uO的波形更接近于矩形脈沖，并具有緩沖隔離和提高負載能力的作用。串聯石英晶體多諧振蕩器7.5.2石英晶體多諧振蕩器二、石英晶體多諧振蕩器2.串聯石英晶體振蕩器RF為反饋電阻，使反相器G1工作在電壓傳輸特性的過渡區，RF常取10~100M。G1、RF和石英晶體、C1、C2構成電容三點式振蕩電路。C1、C2和石英晶體組成π形選頻網絡，對于頻率為f0的信號