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1、13.1 脉冲波形的基本知识 13.2 555集成定时器 13.3 施密特触发器 13.4 单稳态触发器 13.5 多谐振荡器 本章小结 习题,第13章 脉冲波形的产生与整形,在数字系统中，矩形脉冲作为时钟信号控制和协调着整个数字系统的工作，所以时钟脉冲的好坏直接关系着整个系统能否正常工作。实际应用中的矩形脉冲信号形状如图13.1.1所示。,13.1 脉冲波形的基本知识,图13.1.1 描述矩形脉冲特性的主要参数,13.2.1 555集成定时器的电路结构 CB555的电路结构图如图13.2.1所示，它主要由四部分组成：3个5 k电阻组成的分压器，两个高精度电压比较器，一个基本RS触发器和一个作
2、为放电通路的三极管及其驱动电路。 1. 分压器 2. 比较器 3. 基本RS触发器 4. 开关放电管和输出缓冲,13.2 555集成定时器,图13.2.1 CB555的电路结构图,13.2.2 555定时器的逻辑功能 当5脚控制电压输入端UCO悬空时，很容易得到CB555定时器的功能表，如表13.2.1所示。,表13.2.1 CB555定时器的功能表,13.3.1 用555定时器构成的施密特触发器 1. 电路组成 如图13.3.1所示，将555定时器的两个触发输入端ui1(2脚)和ui2(6脚)连接在一起作为信号输入端ui，uo(3脚)作为输出端，即可构成施密特触发器。 2. 工作原理,13.
3、3 施密特触发器,图13.3.1 用555定时器构成的施密特触发器,正向阈值电压 负向阈值电压 将UT+与UT之差定义为回差电压UT，即 UT=UT+UT (13.3.3) 由此得到电路的回差电压为,(13.3.1),(13.3.2),(13.3.4),综上所述，用555定时器构成的施密特触发器的工作波形如图13.3.2所示。由工作波形中ui和uo的对应关系可画出uo=f(ui)的关系曲线，如图13.3.3所示，此关系曲线就是施密 特触发器的电压传输特性。,图13.3.2 施密特触发器的工作波形,图13.3.3 施密特触发器的电压传输特性,【例13.3.1】 如图13.3.4(a)所示是用55
4、5定时器构成的施密特触发器，试对应于图13.3.4(b)所示的输入三角波，画出输出波形。,图13.3.4 单稳态触发器的工作波形 (a) 用555定时器构成的施密特触发器；(b)输入三角波形,解：由式(13.3.1)和式(13.3.2)得 正向阈值电压 负向阈值电压 如图13.3.5所示的输出波形。,图13.3.5 例13.3.1的输出波形,13.3.2 用CMOS门构成的施密特触发器 将两级CMOS反相器串接起来，再通过分压电阻将输出端的电压反馈到输入端，就构成了如图13.3.6所示的施密特触发器电路。,图13.3.6 用CMOS门构成的施密特触发器,当ui=0时，因G1、G2构成了正反馈电
5、路，所以uo=UOL0。此时，G1的输入ui10。 当ui逐渐升高并达到ui1=UTH时，由于G1进入了电压传输特性的转折区(放大区)，因此ui1的增加将引发如下的正反馈过程：,于是电路的状态迅速地转化为uo=UOHUDD。此时便可以求出ui上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平UT+。由于 因此 (13.3.5),当ui从高电平UDD逐渐下降并达到ui1=UTH时，ui的下降会引发又一个正反馈过程： 于是电路的状态迅速转换为uo=UOL0。此时又可以求出ui下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平UT。因为这时 所以,将UDD=2UTH带入上式可得 (13.3.6) 由此得到电路的回差
6、电压为 (13.3.7) 根据式(13.3.5)和式(13.3.6)可以画出施密特触发器的电压传输特性，如图13.3.7(a)所示。图形符号如图13.3.7(b)所示。,图13.3.7 同相输出的施密特触发器的电压传输特性和图形符号 (a) 电压传输特性；(b) 图形符号,电压传输特性如图13.3.8(a)所示。图形符号如图13.3.8(b)所示。,图13.3.8 反相输出的施密特触发器的电压传输特性和图形符号 (a) 电压传输特性；(b) 图形符号,13.3.3 集成施密特触发器 如图13.3.9所示为CMOS集成六反相施密特触发器CD40106和四2输入与非门施密特触发器CD4093的引脚
7、功能图。,图13.3.9 CD40106和CD4093施密特触发器的引脚功能图 (a) CD40106；(b) CD4093,13.3.4 施密特触发器的应用举例 1. 波形的变换 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。 如图13.3.10所示。,图13.3.10 用施密特触发器实现波形变换,2.波形的整形 如图13.3.11(a)、(b)所示, 只要施密特触发器的UT+和 UT设置得合适，均能收到满意的整形效果。,图13.3.11 用施密特触发器对脉冲整形,3.幅度鉴别 如图13.3.12所示，若将一系列幅度各异的脉冲信号加到
8、施密特触发器的输入端，只有那些幅值大于UT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。,图13.3.12 用施密特触发器鉴别脉冲幅度,13.4.1 用555定时器构成的单稳态触发器 1.电路组成 图13.4.1所示是由555定时器和少量外围器件构成的单稳态触发器。,13.4 单稳态触发器,图13.4.1 用555定时器构成的单稳态触发器,2. 工作原理 图13.4.2所示为在触发信号作用下uC和uo相应的波形。,图13.4.2 单稳态触发器的工作波形,图13.4.2所示为在触发信号作用下uC和uo相应的波形。输出脉冲宽度tw就是暂稳态维持时间，也就是定时电容的充电时间。由图13.4.2可知，tw等于电容
9、电压在充电过程中从0上升到 所需要的时间，因此得到 (13.4.1),13.4.2 用集成门电路构成的单稳态触发器 1. 微分型单稳态触发器 由CMOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器如图13.4.3所示。,图13.4.3 微分型单稳态触发器,当ud上升到UTH以后，将引发如下的正反馈过程：,随着充电过程的进行, ui2逐渐升高，当升至ui2=UTH时， 又引发另一个正反馈过程：,电路中各点的电压波形如图13.4.4所示。,图13.4.4 微分型单稳态触发器的电压波形图,在电容充、放电过程中，电容上的电压uC从充、放电开始到变化至某一数值UTH所经过的时间可以用下式计算： (13.
10、4.2) 将uC(0)=0，uC()=UDD代入式(13.4.2)可得 (13.4.3),输出脉冲的幅度为 Um=UOHUOLUDD (13.4.4) 在uo返回低电平以后，还要等到电容C放电完毕, 电路才恢复为起始状态。一般认为经过35倍于电路时间常数的时间以后，RC电路基本达到稳态。恢复时间为 tre(35)RONC (13.4.5) 分辨时间td是指在保证电路能正常工作的前提下，允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔，故有 td=tw+tre,2. 积分型单稳态触发器 由门电路和RC积分电路构成的积分型单稳态触发器如图13.4.5所示。,图13.4.5 积分型单稳态触发器,在ui输入脉冲
11、宽度为TTR的触发信号作用下，电路中各点的电压波形如图13.4.6所示。由理论分析可知，输出脉冲uo的宽度tw为 (13.4.6),图13.4.6 积分型单稳态触发器的电压波形图,13.4.3 集成单稳态触发器 图13.4.7是TTL集成单稳态触发器74121的逻辑符号，该器件是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加以输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。 表13.4.1是集成单稳态触发器74121的功能表，图13.4.8是集成单稳态触发器74121的工作波形。,图13.4.7 单稳态触发器74121的逻辑符号,表13.4.1 集成单稳态触发器74121,图13.4.8 单稳态触发器74121的工
12、作波形,图13.4.9所示为集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法 。,图13.4.9 集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法 (a) 用外部电阻Rext(下降沿触发)；(b) 用内部电阻Rint(上升沿触发),不可重复触发的单稳态一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态 结束以后，它才能接受下一个触发脉冲而转入下一个暂稳态，如图13.4.10(a)所示。而可重复触发的单稳态在电路被触发而进入暂稳态以后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个tw宽度，如图13.4.10(b)所示。,图13.4.10 不可重复触发型和可重
13、复触发型单稳态触发器的工作波形 (a)不可重复触发型；(b)可重复触发型,13.4.4 单稳态触发器的应用 1. 延时 2. 用于噪声消除 由单稳态触发器组成的噪声消除电路及波形如图 13.4.11所示。,图13.4.11 利用74121构成的噪声消除电路 (a) 逻辑图；(b)工作波形,13.5.1 用555定时器构成的多谐振荡器 如图13.5.1所示。,13.5 多 谐 振 荡 器,图13.5.1 用555定时器构成的多谐振荡器,由图13.5.2中uC的波形可求得电容C的充电时间T1和放电时间T2分别为 (13.5.1) (13.5.2),故电路的振荡周期为 T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2 (13.5.3) 振荡频率为 (13.5.4) (13.5.5) ,图13.5.2 多谐振荡器的工作波形,如图13.5.3所示的改进电路。,图13.5.3 用555定时器构成的占空比可调的多谐振荡器,电容的充电时间变为 而放电时间为 故得输出脉冲的占空比为,
