1、数字电子技术数字电子技术第章第章 脉冲信号的产脉冲信号的产生与整形生与整形学习要点：学习要点： 定时器的工作原理及逻辑功能定时器的工作原理及逻辑功能由定时器构成单稳、多谐、施密特触由定时器构成单稳、多谐、施密特触 发发器的方法器的方法第章第章 脉冲信号的产脉冲信号的产生与整形生与整形 多谐振荡器多谐振荡器 由门电路构成的多谐振荡器由门电路构成的多谐振荡器能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。、环形多谐振荡器、环形多谐振荡器0(a) 电路图&ui1 ui2 uo2 ui3 uo R RSC uo(ui1)uo2ui3tttt(b) 波形图000G1G2&G3 ui2(uo1)UTt1t2t
2、30(a) 电路图&ui1 ui2 uo2 ui3 uo R RSC uo(ui1)uo2ui3tttt(b) 波形图000G1G2&G3 ui2(uo1)UTt1t2t3在时刻，（）由变为，于是（）由变为，由变为。由于电容电压不能跃变，故必定跟随发生负跳变。这个低电平保持为，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，（高电平）通过电阻对电容充电，使逐渐上升。在时刻，上升到门电路的阈值电压，使（）由变为，（）由变为，由变为。同样由于电容电压不能跃变，故跟随发生正跳变。这个高电平保持为。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。第一暂稳态及其自动翻转的工作过程0(a) 电路图&ui1 ui
3、2 uo2 ui3 uo R RSC uo(ui1)uo2ui3tttt(b) 波形图000G1G2&G3 ui2(uo1)UTt1t2t3第二暂稳态及其自动翻转的工作过程在时刻，变为低电平，电容开始通过电阻放电。随着放电的进行，逐渐下降。在时刻，下降到，使（）又由变为，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。造成振荡器自动翻转的原因是电容 C 的充放电。振 荡 周 期 为 ： T 2.2RCui1 uo1 ui2 uo0(a) 电路图& RCuoui1ttt(b) 波形图00G1G2 ui2(uo1)UTt1t2t3、多谐振荡器、多谐振荡器在时刻， 由变为，由于电容电
4、压不能跃变，故必定跟随发生正跳变，于是（）由变为。这个低电平保持为，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，电容通过电阻放电，使逐渐下降。在时刻，上升到门电路的开启电压，使（）由变为，由变为。同样由于电容电压不能跃变，故跟随发生负跳变，于是（）由变为。这个高电平保持为。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。第一暂稳态及其自动翻转的工作过程ui1 uo1 ui2 uo0(a) 电路图& RCuoui1ttt(b) 波形图00G1G2 ui2(uo1)UTt1t2t3第二暂稳态及其自动翻转的工作过程在时刻，变为高电平，这个高电平通过电阻对电容充电。随着放电的进行，逐渐上升。在时刻，上升
5、到，使（）又由变为，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。若 UT0.5VDD，振荡周期为：T1.4RC& R1 C2 R2C1uof(a) 石英晶体多谐振荡器(b) 石英晶体阻抗频率特性0Xf0电容性电感性、石英晶体多谐振荡器、石英晶体多谐振荡器电阻、的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对反相器，常取 ，而对于门，则常取；是耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率时可以忽略不计；石英晶体构成选频环节。振荡频率等于石英晶体的谐振频率。 由定时器构成的多谐振荡器由定时器构成的多谐振荡器、定时器、定时器1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G
6、2G3T+2658437RQQ电压控制端复位端低电平有效放电端1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G2G3T+2658437RQQR=0时，Q=1，uo=0，T导通。1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G2G3T+2658437RQQR=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。R=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G2G3T+2658437RQQR=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。R=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3时，C1=0、
7、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。R=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G2G3T+2658437RQQR=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。R=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。R=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。R=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3时，C1=1、C2=0，Q=0、Q=1，uo=1，T截止。CR1uc8
8、47 3 6 5552 5 10.01FuoVCCR2ucuotttP1tP20VCC/32VCC/30(a) 电路(b) 工作波形、由定时器构成的多谐振荡器、由定时器构成的多谐振荡器接通后，经和对充电。当上升到时，导通，通过和放电，下降。当下降到时，又由变为，截止，又经和对充电。如此重复上述过程，在输出端产生了连续的矩形脉冲。CR1uc8 47 3 6 5552 5 10.01FuoVCCR2ucuotttP1tP20VCC/32VCC/30(a) 电路(b) 工作波形第一个暂稳态的脉冲宽度 tp1，即 uc从 VCC/3充电上升到 2VCC/3所需的时间：tp10.7(R1+R2)C第二个
9、暂稳态的脉冲宽度tp2，即uc从2VCC/3放电下降到VCC/3所需的时间：tp20.7R2C振荡周期：Ttp1tp20.7(R12R2)C& R1 C2 R2C1& f0 f1 f2 f14 f32768Hz 16384Hz 8192Hz 2Hz 1HzC1C1C1C1 FF1 FF2 FF14 FF15 Q1 Q2 Q14 Q15 多谐振荡器的应用多谐振荡器的应用多谐振荡器分频电路C1R1uo18 47 3 6 5552 5 10.01Fuo1VCCR2(a) 电路(b) 工作波形C2R3uo28 47 3 6 5552 5 10.01Fuo2R4C将振荡器的输出电压，接到振荡器中定时器的
10、复位端（脚），当为高电平时振荡器振荡，为低电平时定时器复位，振荡器停止震荡。本节小结：多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由定时器多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由定时器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本触发器在结构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本触发器在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。触发构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以又称为器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以又称
11、为无稳电路。无稳电路。在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态，其稳态，其“触发触发”信号是由电路内部电容充（放）电信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。周期与电路的阻容元件有关。定时器是一种应用广泛、使用灵活的集成器件，定时器是一种应用广泛、使用灵活的集成器件，多用于脉冲产生、整形及定时等。多用于脉冲产生、整形及定时等。 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形波）、整形（把不规则的波形转换成宽度
12、、幅度都相等的波形）以及延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。单稳态触发器具有下列特点：（）电路有一个稳态和一个暂稳态。（）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。（）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。 由门电路构成的单稳态触发器由门电路构成的单稳态触发器uiCuA1(a) 电路(b) 波形uo2RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVDD0000tP11、微分型单稳态触发器（）没有触发信号时电路工作在稳态当没有触发信号时，为低电平。因为门的输入端经电阻接至，为高电平，因此为低
13、电平；门的两个输入均为，其输出为高电平，电容两端的电压接近为。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：，。uiCuA1(a) 电路(b) 波形uo2RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVDD0000tP1（）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态当正触发脉冲到来时，门输出由变为。由于电容电压不能跃变，也随之跳变到低电平，使门的输出变为。这个高电平反馈到门的输入端，此时即使的触发信号撤除，仍能维持门的低电平输出。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，。uiCuA1(a) 电路(b) 波形uo2RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2t
14、tttVDDVDD0000tP1（）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态在暂稳态期间，经和的导通工作管对充电，随着充电的进行，上的电荷逐渐增多，使升高。当上升到阈值电压时，的输出由变为。由于这时输入触发信号已经过去，的输出状态只由决定，所以又返回到稳定的高电平输出。随之向正方向跳变，加速了的输出向低电平变化。最后使电路退出暂稳态而进入稳态，此时，。脉冲宽度：uiCuA11uo2RG1G2uo1VDDC1R1电路的改进电路的改进当的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门被封住了，会使的下降沿变缓。 uAuo2uiC11(a) 电路(b) 波形
15、RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVT0000tP2、积分型单稳态触发器稳态时，、均导通。，。负跳变到时，截止，随之跳变到。由于电容电压不能跃变，仍为，故门截止，跳变到。在、截止时，通过和的导通管放电，使逐渐上升。当上升到管子的开启电压时，如果仍为低电平，导通，变为。当回到高电平后，导通，又通过和的导通管充电，电路恢复到稳定状态。3集成单稳态触发器(a) 74121 的引脚排列图 14 13 12 11 10 9 874121 1 2 3 4 5 6 7 Rext/CextVCC NC NC Cext Rin NC Q NC TR- TR-B TR+ Q GND、是两个下
16、降沿有效的触发信号输入端，是上升沿有效的触发信号输入端。和是两个状态互补的输出端。、是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻（）接在和之间，外接定时电容（）接在（正）和之间。内部已设置了一个的定时电阻，是其引出端，使用时只需将与连接起来即可，不用时则应将开路。的输出脉冲宽度： 14 13 12 11 10 9 874122 1 2 3 4 5 6 7(b) 74122 的引脚排列图 TR- TR-B TR+A TR+B RD Q GND Rext/CextVCC NC Cext NC Rin QTR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端，TR+A、TR+B是两个上升沿有效的触发信号输
17、入端。Q和是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext、Rin3个引出端是供外接定时元件使用的，外接定时电阻R（R=5k50k）、电容C（无限制）的接法与74121相同。RD为直接复位输入端，低电平有效。当定时电容C1000pF时，74122的输出脉冲宽度：tp0.32RC 由定时器构成的单稳态触发器由定时器构成的单稳态触发器CRui8 47 3 6 5552 5 10.01FuoVCCuiuotttP00(a) 电路(b) 工作波形uct02VCC/3输出脉冲宽度 tp。 tp1.1RCCRui8 47 3 6 5552 5 10.01FuoVCCuiuotttP00uct02VCC
18、/3接通VCC后瞬间，VCC通过R对C充电，当uc上升到2VCC/3时，比较器C1输出为0，将触发器置0，uo0。这时Q=1，放电管T导通，C通过T放电，电路进入稳态。ui到来时，因为uiVCC/3，使C20，触发器置1，uo又由0变为1，电路进入暂稳态。由于此时Q=0，放电管T截止，VCC经R对C充电。虽然此时触发脉冲已消失，比较器C2的输出变为1，但充电继续进行，直到uc上升到2VCC/3时，比较器C1输出为0，将触发器置0，电路输出uo0，T导通，C放电，电路恢复到稳定状态。uo&uiuAuo(a) 电路示意图(b) 波形图单稳态触发器uououiuAtp. 单稳态触发器的应用单稳态触发
19、器的应用uiuotp本节小结：单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成的单稳态触发器和基本触发器在结构上也极为相的单稳态触发器和基本触发器在结构上也极为相似，只有用于反馈的耦合网络不同。似，只有用于反馈的耦合网络不同。单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由定时器构成。在单稳态触发器中，由一个暂稳态定时器构成。在单稳态触发器中，由一个暂稳态过渡到稳态，其过渡到稳态，其“触发触发”信号也是由电路内部电信号也是由电路内部电容充（放）电提供的，暂稳态的持续时间即脉冲容充（放）电提供的，暂稳态的持续时间即脉冲宽度也由电路的阻容元件
20、决定。宽度也由电路的阻容元件决定。单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途很广。很广。 施密特触发器施密特触发器 由门电路构成的施密特触发器由门电路构成的施密特触发器施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。1&DuiuoRS(a) 电路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G3（1）ui0时，R1，S0，uo为高电平，这是第一种稳态。1&DuiuoRS(a) 电路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt00
21、1.40.7G1G2G3（2）uiUD=0.7V 时，R1，S1，RS 触发器不翻转，uo仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。（1）ui0时，R1，S0，uo为高电平，这是第一种稳态。1&DuiuoRS(a) 电路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G3（2）ui上升到 UD=0.7V 时，R1，S1，RS 触发器不翻转，uo仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。（3）ui继续上升到 UT+=UT=1.4V 时，R0，S1，RS 触发器翻转，uo为低电平，这是第二种稳态。电路翻转后 ui再上升，电路状态不变。（1）ui0时，R1，S0，uo为高电平，这是第一种稳态
22、。1&DuiuoRS(a) 电路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G3（2）ui上升到 UD=0.7V 时，R1，S1，RS 触发器不翻转，uo仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。（3）ui继续上升到 UT+=UT=1.4V 时，R0，S1，RS 触发器翻转，uo为低电平，这是第二种稳态。电路翻转后 ui再上升，电路状态不变。（4）ui上升到最大值后下降时，若 ui下降到 UT，R1。S=1，RS 触发器不翻转，电路仍维持在第二种稳态。（1）ui0时，R1，S0，uo为高电平，这是第一种稳态。1&DuiuoRS(a) 电路(b) 工作波形uoui(V)UT+U
23、Ttt001.40.7G1G2G3（1）ui0时，R1，S0，uo为高电平，这是第一种稳态。（2）ui上升到 UD=0.7V 时，R1，S1，RS 触发器不翻转，uo仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。（3）ui继续上升到 UT+=UT=1.4V 时，R0，S1，RS 触发器翻转，uo为低电平，这是第二种稳态。电路翻转后 ui再上升，电路状态不变。（4）ui上升到最大值后下降时，若 ui下降到 UT，R1。S=1，RS 触发器不翻转，电路仍维持在第二种稳态。（5）ui继续下降到 UT-=UT-UD=0.7V时，R1，S0，RS 触发器翻转，uo为高电平，电路返回到第一种稳态。uoui(b) 逻
24、辑符号(a) 传输特性uiuoUTUT+0下限阈值电压上限阈值电压回差电压（滞后电压）： 前面介绍的施密特触发器的回差电压为：() 缺点是回差太小，且不能调整。(a) 40106 的引脚排列图 14 13 12 11 10 9 840106 1 2 3 4 5 6 7VDD 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y VSS 14 13 12 11 10 9 84093 1 2 3 4 5 6 7(b) 4093 的引脚排列图VDD 3A 3B 3Y 4Y 4B 4A 1A 1B 1Y 2Y 2B 2A VSS(a) 7414 的引脚排列图 14 13 12 11
25、10 9 87414 1 2 3 4 5 6 7VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND 14 13 12 11 10 9 874132 1 2 3 4 5 6 7(b) 74132 的引脚排列图VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 由定时器构成的施密特触发器由定时器构成的施密特触发器Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+VCCuiuott00(a) 电路(b) 工作波形+VCC1uouCOUT+UT2VCC/3VCC/3控制电压调节回差（1）当 ui0 时，由于比较器 C1=1、C2=0
26、，触发器置 1，即 Q1、0Q，uo1uo1。ui升高时，在未到达 2VCC/3 以前，uo1uo1 的状态不会改变。Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+VCCuiuott00(a) 电路(b) 工作波形+VCC1uouCOUT+UT2VCC/3VCC/3控制电压调节回差（1）当 ui0 时，由于比较器 C1=1、C2=0，触发器置 1，即 Q1、0Q，uo1uo1。ui升高时，在未到达 2VCC/3 以前，uo1uo1 的状态不会改变。（2）ui升高到 2VCC/3 时，比较器 C1输出为 0、C2输出为 1，触发器置 0，即Q0、1Q，uo1=uo=0。此后，ui上升到 VCC
27、，然后再降低，但在未到达VCC/3 以前，uo1uo0 的状态不会改变。Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+VCCuiuott00(a) 电路(b) 工作波形+VCC1uouCOUT+UT2VCC/3VCC/3控制电压调节回差（1）当 ui0 时，由于比较器 C1=1、C2=0，触发器置 1，即 Q1、0Q，uo1uo1。ui升高时，在未到达 2VCC/3 以前，uo1uo1 的状态不会改变。（2）ui升高到 2VCC/3 时，比较器 C1输出为 0、C2输出为 1，触发器置 0，即Q0、1Q，uo1=uo=0。此后，ui上升到 VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3 以前，uo
28、1uo0 的状态不会改变。（3）ui下降到 2VCC/3 时，比较器 C1输出为 1、C2输出为 0，触发器置 1，即 Q1、0Q，uo1=uo=1。此后，ui继续下降到 0，但 uo1uo1 的状态不会改变。 施密特触发器的应用施密特触发器的应用CMOSMOC 等正弦波振荡器11(a) 慢输入波形的 TTL 系统接口(b) 整形电路的输入、输出波形输入输出UT+UT1输入输出UT+UT(c) 幅度鉴别的输入、输出波形(d) 多谐振荡器CRucuouo本节小结：施密特触发器是一种能够把输入波施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。而且由于具有滞回特性，脉冲的电路。而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。所以抗干扰能力也很强。施密特触发器可以由分立元件构成，施密特触发器可以由分立元件构成，也可以由门电路及也可以由门电路及555定时器构成。定时器构成。施密特触发器在脉冲的产生和整形施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。电路中应用很广。
