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1、第9章 脉冲单元电路,第9章 脉冲单元电路,教学基本要求: 掌握施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的特点、基本原理及应用 了解555定时器的工作原理及逻辑功能 掌握555定时器构成施密特触发器、单稳态触发器、多谐触发器的电路结构和主要参数计算,第9章 脉冲单元电路,9.1 脉冲信号与电路 9.2 集成门构成的脉冲单元电路 9.3 555定时器及其应用,9.1 脉冲信号与电路,9.1.1 脉冲信号 9.1.2 脉冲电路 9.1.3 脉冲电路的基本分析方法,9.1.1 脉冲信号,从广义上讲，凡不具有连续正弦波形状的信号，几乎都可以统称为脉冲信号。,（a）方波 （b）矩形波 （c）尖顶脉冲 （d
2、）锯齿波 （e）钟形脉冲,9.1.1 脉冲信号,脉冲幅度Vm 脉冲电压的最大变化幅度。 脉冲周期T 周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。有时也使用频率f=1/T表示单位时间内脉冲重复的次数。 脉冲宽度tW 从脉冲上升沿0.5Vm起到下降沿0.5Vm止的一段时间。 上升时间tr 脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时间。 下降时间tf 脉冲下降沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需要的时间。 占空比 q 脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q=tW/T,实际的脉冲波形,9.1.2 脉冲电路,用来产生和处理脉冲信号的电路称脉冲电路。,脉冲电路可以用分立晶体管、场效应管作为开关和RC或
3、RL电路构成，也可以由集成门电路或集成运算放大器和RC充、放电电路构成。,常用的有脉冲波形的产生、变换、整形等电路。如双稳态触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器、射极耦合双稳态触发器（施密特触发器）及锯齿波电路。,9.1.2 脉冲电路,双稳态触发器具有两个稳定状态，两个稳定状态的转换都需要在外加触发信号的作用下才能完成。R-S、J-K、D触发器都是双稳态触发器，本章重点介绍具有回差特性的施密特双稳态触发器，简称施密特触发器,单稳态触发器只有一个稳定状态，另一个是暂时稳定状态，简称暂稳态。从稳定状态转换到暂稳态时必须由外加触发信号触发，从暂稳态转换到稳态是由电路自身完成的，暂稳态的持续时间取决于
4、电路本身的参数。,多谐振荡器能够自激产生脉冲波形，它的状态转换不需要外加触发信号触发，而完全由电路自身完成。因此它没有稳定状态，只有两个暂稳态。,555定时器又称三五定时器：中规模集成脉冲单元模块,9.1.3 脉冲电路的基本分析方法,RC开关电路如图 ，常采用三要素法求解电路。,时域法：波形分析法，即绘制电路波形，求解电路参数。,复习RC电路的瞬态开关特性：,9.1.3 脉冲电路的基本分析方法, 开关转换的一瞬间，电容器上电压不能突变，满足开关定理UC(0+)=UC(0-)。, 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() =E。, 电路的时间常数=RC, 决定
5、了暂态时间的长短。,9.1.3 脉冲电路的基本分析方法,如果U(tM)=UT，它是U(0+)和U(）之间的某一转换值，那么从暂态过程的起始值U(0+)变到UT所经历的时间tM可用下式计算：,根据三要素公式，可以得到电压(或电流)随时间变化的方程为,tM为从U(0+)到UT所经历的时间,第9章 脉冲单元电路,9.1 脉冲信号与电路 9.2 集成门构成的脉冲单元电路 9.3 555定时器及其应用,9.2 集成门构成的脉冲单元电路,9.2.1 施密特触发器 9.2.2 单稳态触发器 9.2.3 多谐振荡器,9.2.1 施密特触发器,一、施密特触发器的特点 二、典型施密特电路分析 三、施密特触发器的应
6、用,9.2.1 施密特触发器,一、施密特触发器的特点,1、有两个稳态，且状态的保持依赖于输入信号,2、可采用连续波触发：触发信号UI可以是变化缓慢的模拟信 号，UI达到某一电平值时，输出电压UO突变。 UO为脉冲波形。,3、具有回差特性又称滞迟电压传输特性：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。,9.2.1 施密特触发器,下限阈值电压,上限阈值电压,回差电压（滞后电压）： UT UTUT,例 ：施密特反相器的回差特性：,9.2.1 施密特触发器,0,0,1,1,二、典型施密特电路分析,（1）ui0 时，,设
7、门电路的阈值为UT=1.4 v，二极管的导通电压为UD=0.7v。,9.2.1 施密特触发器,0,1,1,1,9.2.1 施密特触发器,1,1,0,0,9.2.1 施密特触发器,0,1,1,0,9.2.1 施密特触发器,0,0,1,1,9.2.1 施密特触发器,施密特触发器的回差电压为： UTUTUTUT(UTUD)UD 0.7V 可见，该电路的缺点是回差太小，且不能调整。优点是与非门G2的输出，可构成施密特传输门。,施密特传输门,9.2.1 施密特触发器,1.波形变换:,三、施密特触发器的应用,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。,9.2.1 施密特触发器,2.脉冲整形：
8、,将不规则的电压波形整形为矩形波。,在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。,9.2.1 施密特触发器,3.脉冲鉴幅： 可在输入的一系列幅度各异的脉冲信号中选出幅度大于某一定值的脉冲输出。,9.2.2 单稳态触发器,一、单稳态触发器特点 二、典型单稳态触发器电路分析（采用CMOS器件） 1、微分型单稳态触发器 2、积分型单稳态触发器 3、集成单稳态触发器 三、单稳态触发器的应用,9.2.2 单稳态触发器,一、单稳态触发器特点,（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。 （2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。 （3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳
9、态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。,9.2.2 单稳态触发器,二、典型单稳态触发器电路分析（采用CMOS器件）,1、微分型单稳态触发器 2、积分型单稳态触发器 3、施密特触发器构成的单稳态触发器 4、集成单稳态触发器,1、微分型单稳态触发器,（1）没有触发信号时电路工作在稳态(无充放电过程),0,0,1,1,当没有触发信号时，ui为低电平。,因为门G2的输入端经电阻R接至VDD，uA为高电平，因此uo2为低电平；,门G1的两个输入均为0，其输出uo1为高电平，电容C两端的电压接近为0。,这是电路的稳态，在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态： uo11，uo20。,
10、9.2.2 单稳态触发器,1,1,0,（2）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态,当正触发脉冲ui到来时，门G1输出uo1由1变为0。,由于电容电压不能跃变，uA也随之跳变到低电平，使门G2的输出uO2变为1。,这个高电平反馈到门G1的输入端，此时即使ui的触发信号撤除，仍能维持门G1的低电平输出。但是电路的这种状态是不能长久保持的，所以称为暂稳态。暂稳态时，uo10，uo21。,0,0,1,1,（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态,UT,在暂稳态期间，VDD经R和G1的导通工作管对C充电，随着充电的进行，C上的电荷逐渐增多，使uA升高。,当uA上升到阈值电压UT时，G2的输出uo2由1
11、变为0。,由于这时G1输入触发信号已经过去， G1的输出状态只由uo2决定。,所以产生如图正反馈过程：,结果： uo11，uo20，电路回到稳态。,1、微分型单稳态触发器,脉冲宽度：tp=0.7RC,UT,脉冲宽度的计算： 取UT=VDD/2,1、微分型单稳态触发器,当ui的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个RC微分电路。,电路的改进,否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门G1被ui封住了，不能形成正反馈，会使uo2的下降沿变缓。,2、积分型单稳态触发器,t1时刻：ui负跳变到0，G1截止，uo1随之跳变到1。由于电容电压不能跃变，uA仍为0，故门G2截止，uo2跳变到1。,稳态时，
12、ui1，G1、G2均导通，uo10，uo20。电容已充满，uc=VDD， uA0。,在G1、G2截止期间，C通过R和G1的导通管放电，使uA逐渐上升。,2、积分型单稳态触发器,t3时刻：ui回到高电平，G1导通，C又通过R和G1的导通管充电，电路恢复到稳定状态。,t2时刻：uA上升到管子的开启电压VT , ui仍为低电平，G2导通，uo2变为0。但波形变化缓慢。,2、积分型单稳态触发器,一般C可变，作为粗调，R可变，作为细调。,暂态长度的计算：取VT=VDD/2,则有 tp=0.7RC 。,3、施密特触发器构成的单稳态触发器P387,vA为微分限幅后的波形。,输出暂态长度：,4、集成单稳态触发
13、器,有两种工作模式，分别用(a)、(b)两种通用符号表示。,(a),(b),(a) 称为非可重触发单稳态触发器。 (b) 称为可重触发单稳态触发器。,非可重触发单稳态触发器。典型工作波形如图：,4、集成单稳态触发器,可重触发单稳态触发器。典型工作波形如图：,4、集成单稳态触发器,三、单稳态触发器的应用,延迟与定时 整形,延迟与定时,三、单稳态触发器的应用,整形,三、单稳态触发器的应用,9.2.3 多谐振荡器,一、多谐振荡器的特点 二、典型多谐振荡器电路分析（采用CMOS器件） 三、多谐振荡器的应用,由于矩形脉冲含多次谐波分量，把能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。,9.2.3 多谐振荡
14、器,一、多谐振荡器的特点,电路只有两个暂稳态，且相互转换不需要外加触发信号触发，又称无稳电路，是一种自激振荡器。,9.2.3 多谐振荡器,1、电容正反馈多谐振荡器 2、RC环形多谐振荡器 3、晶体稳频的多谐振荡器 4、用施密特触发器构成多谐振荡器,二、典型多谐振荡器电路分析（采用CMOS器件）,1、电容正反馈多谐振荡器,假设t=0时,u0为低电平，u01=ui2为高电平，C通过R和G2输出电路充电，形成ui1如图上升过程。,在t1时刻，ui1上升到UT，使uo1（ui2）由1变为0 uo由0变为1，由于电容电压不能跃变，故ui1必定跟随uo发生正跳变。 t1t2期间，ui2 （uo1）低电平保
15、持uo为1，以维持已进入的这个第一暂稳态。在这个暂稳态期间，电容C通过电阻R放电，使ui1逐渐下降。,第一暂稳态及其自动翻转的工作过程,在t2时刻，ui1下降到门电路的开启电压UT，使uo1（ui2）由0变为1，uo由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故ui1跟随uo发生负跳变。 t2t3期间，ui2（uo1）的高电平保持uo为0。至此，第一暂稳态结束，电路进入第二暂稳态。,第一暂稳态及其自动翻转的工作过程,第二暂稳态及其自动翻转的工作过程,t2时刻开始，uo1变为高电平，这个高电平通过电阻R对电容C充电。随着充电的进行，ui1逐渐上升。 在t3时刻，ui1又上升到UT，使uo1（ui2）又
16、由1变为0 uo由0变为1， ui1跟随uo发生正跳变，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。,1、电容正反馈多谐振荡器,取UT=VDD/2 ,振荡频率f0的计算,则有 T = 2RCln32.2RC，fO=1/T,2、RC环形多谐振荡器,设初态u0 =0 ,u01 =1，u02 =0，电容C放电，ui3呈下降波形。 RS为门G3输入端的保护电阻，只在ui3大于VDD和小于0时起作用。,在t1时刻， ui3 下降到UT， uo （ui1）由0变为1，于是uo1（ui2）由1变为0，uo2由0变为1。,第一暂稳态及其自动翻转的工作过程,由于电容电压不能跃变，故ui3必定跟随ui2发生负跳变。这个低电平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。,在这个暂稳态期间，uo2（高电平）通过电阻R对电容C充电，使ui3逐渐上升。,第一暂稳态及其自动翻转的工作过程,在t2时刻，ui3上升到门
