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1、2023/3/29GUET School of Information&Communications17.1 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)(a)矩形波(b)(b)方波(c)(c)尖脉冲(d)(d)锯齿波第1页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications2 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（CPCP）。获取这些脉冲信号的方法通常有两种：脉冲产生电路直接产生；利用已有的周期
2、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；多用途的定时电路555定时器。第2页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications3二、脉冲信号的参数trtftWT0.9 Um0.5 Um0.1 UmUm矩形脉冲信号的主要参数 脉冲幅度 脉冲周期脉冲宽度上升时间下降时间占空比q q脉冲宽度与脉冲周期的比值，q qt tW W/T/T 。第3页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications4三、脉冲产生电路的暂态分析脉冲波形产生
3、与整形电路多是由RCRC充放电电路构成的。开关闭合的一瞬间，电容器上电压不能突变，满足开关定理U UC C(0(0+)=)=U UC C(0(0-)。充电暂态过程结束后，流过电容器的电流i iC C()()为0 0，即电容器相当于开路。tMU(t)UTtU()0U(0+)CCCUC(t)SUCR第4页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications5令u uC C(t(tW W)=U)=UT T，则从暂态过程的起始值U UC C(0(0+)变到U UT T所经历的时间t tW W（脉冲宽度）可用下式计算：电路的时间常数=RCRC，决
4、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 tWU(t)UTtU()0U(0+)CCC第5页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications67.2 5557.2 555定时器 555电路又称为集成定时器。555555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。
5、第6页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications7一、555555定时器的电路结构TRC1UR15k5kC25kUR2&14G1RQQG2SG3G43VT7UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu12348765地2oRDUCC放电端6UCO555uuu双极型555电路CMOS型555电路电源电压范围最大负载电流516V318V200mA4mA电压比较器，若u+u-，则输出为高电平，反之输出为低电平。基本触发器清零端：0有效输出缓冲器，起整形和提高负载的作用。第7页/共57页2023/3/29GUET Scho
6、ol of Information&Communications8TRC1UR15k5kC25kUR2&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu1.1.分压器电压控制端5 5脚悬空时，；5 5脚外接控制电压U UCOCO时，。注：当5 5脚不加控制电压时，通常经过一个0.01F0.01F的电容接地，以抑制干扰。第8页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications9TRC1 1UR15k5kC2 25kUR2&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()621
7、7oRD2放电端uu2.2.电压比较器U U+U U-时，C Ci i1 1；U U+U U-时，C Ci i0 0。阈值输入端触发输入端3.3.基本RSRS触发器R SR Su u0 00 00 01(1(约束）约束）0 10 10 01 01 01 11 11 1保持保持异步清零端第9页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications10TRC1UR15k5kC25kUR2&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu4.4.放电三极管VTVT是一个集电极开路的放电三极管。当u u
8、O O0 0时，VTVT导通；当u uO O1 1时，VTVT截止。第10页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications11二、555555定时器的功能TRC1 1UR15k5kC2 25kUR2&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu5 5脚不外接控制电压。定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RSRS触发器和放电管VTVT状态的控制。第11页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications12不不变变不不变变1
9、 1 1 1导导通通0 0 0 0 1 1 1 1截截止止1 1 1 1 1 1 1 1导导通通0 0 0 0 0 0 0 0V VT Tu uOOu u2 2u u6 6输输出出输输入入555555定时器功能表5 5脚不接控制电压:TRC1 1UR15k5kC2 25kUR2&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu RD TH TR TD状态低导通1低导通1导通低（不变）高截止11高截止（不变）uCOuCO 2当在uCO端外接控制电压时，阈值电压将变化：变为uCO;变为uCO/2。随着TH端和TR端的电压不同，其工作状态将发生变化：0第1
10、2页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications13THTR23VCC23VCC13VCC13VCC23VCC13VCCu01保 持表2 RD=1时的表1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、保持第13页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications147.3 7.3 施密特触发器一、555555定时器构成的施密特触发器1.1.电路结构和逻辑符号UIUO+VCC123456785550.01uF第14页/共57页2023/3/29GUE
11、T School of Information&Communications152.2.工作原理UITH TRUO23VCC23VCC13VCC13VCC23VCC 23 VCC01013VCC13VCC1tUItUO13VCC 23VCC 电压波形演示演示第15页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications16施密特触发器是一种施密特触发器是一种常用的常用的脉冲信号整形脉冲信号整形电路电路。工作特性：3.3.工作特性tUItUO13VCC 23VCC 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
12、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。第16页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications17tUItUO13VCC 23VCC uo0UU+uI电压传输特性输入信号上升时对应的转换电平U U+，称为正向阈值电压；输入信号下降时对应的转换电平U U ，称为负向阈值电
13、压；差值U UU U+U U-，称为回差电压。正向阈值电压U+负向阈值电压U U第17页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications18UO1UIUIUO11R2R1G1G2二、用门电路构成施密特触发器1、构成UIUO1UO说 明UI=00010同相施密特触发器 UI上升过程中U+U-VTH010110U-VTH=U-=VTHG1、G2门将要翻转UO突变1UI（用CMOS非门）=2、工作原理U+VTH0110U-=电路中电流流向和电位情况见图。第20页/共57页2023/3/29GUET School of Informatio
14、n&Communications21、求UUOL1UI，G1R1R2UIG21UO在UI从最大值开始下降时，UO=UOH。UOHVTH U 从求UI,入手求U ：UI,=UTH=UOH UR2=U =R2R1+R2VTH R2R1UOHR2R1+R2 UOH（UOH VT ）又：故：UOH=VDD；VTH=VDD12 U=（1 ）VTHR1R2电路中电流流向和电位情况见图。在UI U+，UI,VTH ，G1、G2 门要翻转前的瞬间，=第21页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications225、电压传输特性 UI=0时，UO=UO
15、L 是同相施密特特性UIUOVDDVTH2 VTHR1R2、求回差电压UU=U+-U=2 VTH R1R2=R1R2VDD当VDD一定时，调R1、R2，可调UT，即可调U+U，可调UO脉宽。6、逻辑符号11&1UU+第22页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications23三、施密特触发器的应用1.1.波形变换 施密特触发器可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换成边沿陡峭的矩形脉冲信号。例：已知UI为半波，UI m=9V，电路的U+=6V，U-=3VUOH=VDD，试画UO波形。963U+U-VDDVDD11UI（V）totUOotU
16、Oo第23页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications242.2.波形整形 施密特触发器可以将不规则的波形整形为矩形波。若适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。回差电压是由5脚接入的控制电压UCO来控制的。UItOUOtOU+U-1UItOUOtOU+U-第24页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications25 从一系列幅度不同的脉冲信号中选出幅度大于正向阈值电压U U+的输入脉冲，即对幅度进行鉴别。3.3.幅度鉴别UItOUOtOU+U-1第25页/共57
17、页2023/3/29GUET School of Information&Communications26一、555555定时器构成的单稳态触发器48762315uCCuouIRUCC0.01F5555 5脚经过0.010.01FF电容接地，则 ，。7.4 7.4 单稳态触发器第26页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications27UO+VCC123456785550.01uFRCUI+-2、工作原理U2=UI，和 比较；13VCCU6=UC，和 比较。23VCC要求触发信号为负的窄脉冲CUCU6（UC）U2（UI）UO（Q）T
18、D说 明充电=23VCC23VCC13VCC0导通 稳态：UO=0放电=023VCC13VCC保 持接通VCC 不触发UI=1023VCC13VCC23VCC13VCC0导通 返回：UO=0放电=023VCC13VCC保 持UI=1无电荷触发演示演示第27页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications28总之：不触发，UO=0；UO=1维持一段时间又返回UO=0充电回路：VCC+RC VCC-（充电慢）放电回路：C+TD C-（放电快）3、电压波形tUITW23VCC tUOtUCTWRC ln VCC-02VCC-3VCC T
19、WRC ln3=1.1RC触发,UO=1注意：第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。第28页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications294、工作特性：tUITW23VCC tUOtUC 它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，电路能自动返回稳态；暂稳态不能长久保持，其维持时间的长短取决于电路自身参数，与外界触发脉冲无关。稳态暂稳态触发脉冲第29页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications30
20、三、微分型单稳态触发器1、组成（用CMOS或非门）2、工作原理（用正窄脉冲触发）UI UO1UI2UO说 明接通VDD不触发VDDUOL00110稳态：UO=0C中无电荷触发1001暂态：UO=1C充电UI2=VTH000110返回稳态：UO=0C放电UI2=VDD000110恢复为起始稳态 C中无电荷注释：此时的逻辑电平“1”，对应的电位为（VDD+0.7）V。UIUO1UI2UOUI，11VDDCRG1G2UI，第30页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications31总之：不触发：UO=0，C中无电荷触发：UO=1C充电：返
21、回 UO=0C放电：恢复为起始稳态，放电：恢复为起始稳态，UO=0，C中无电荷中无电荷3、电压波形tUIVTHtUO1tUI2tUO*为了保证触发时间极短，通常在UI端加RC微分电路：1G1UO1CdRdUIUdtUItUdtUOVDD+0.7注意；第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。电压波形第31页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications324、输出脉宽 TW 和幅度 UOmVTHtUI2tUOTW根据一阶RC电路暂态过程中，求任意变量的一般公式：可得：tA(t)=A()+()+A(0(0+)-)-A()()e A()
22、-A()-t=ln 从波形图中看出，TW是C充电使UI2从0上升到VTH对应的时间，UI2()=VDD,UI2(0+)=0,12UI2(TW)=VTH=VDD,RCTW=RC ln1VDD-0VDD-VDD2Uom=UOH-UOL VDD1）求TW2）求Uom=RC ln2 A(0+)A(t)所以：=0.69 RC第32页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications335、分辨时间 TdTd是指在保证电路正常工作的前提下，两个相邻触发脉冲之间，允许的最小时间间隔。VTHtUI2tUOTWTreTd由波形图知：Td=TW+TreT
23、W：输出脉冲的宽度 Tre：恢复时间，即 C放电达稳定值VDD所需的时间 T放。RO ND1G2G1R-+VDDC由放电回路知：放电回路（D1是G2 门输入保护电路中的二极管。）Tre=T放=(35)(RON+R/rD)C当D1的等效电阻rD远远小于RON 和R时，Tre=T放 (35)RON C第33页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications34四、积分型单稳态触发器1、组成可用TTL与非门组成，门之间用RC积分电路耦合。UAUBUO1UOUI2、工作原理（用正的宽脉冲触发）UI UAUBUO说 明接通VCC不触发10VC
24、C01自然稳态：UO=1触发10VCC10暂稳态：UO=01返回稳态：UO=1C放电UAVTH恢复为自然稳态101不触发10VCC01UO=1RCG1G2&UO1第34页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications353、电压波形tUItUO1tUAtUOVTHTTRTreTw4、输出脉宽 TW 和幅度 UOmTW RC lnVOL-UOHVOL-VTHUom=UOH-UOL5、分辨时间 TdTd由波形图知：Td=TTR+TreTTR：触发脉冲的宽度Tre：恢复时间，即 UO1跳到UOH后，C充电达稳定值所需的时间 T充。+-C
25、RUOHRO+VCCG1UA由充电回路知：充电回路Tre=T充=(35)(RO+R)C第35页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications36五、单稳态触发器的应用1.1.脉冲整形IutWOu 单稳态触发器能够把输入的不规则脉冲信号u uI I，整形为具有一定幅度和一定宽度的标准矩形脉冲u uO O。u uO O的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度t tW W决定于定时元件R R和C C。单稳态触发器的整形波形第36页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communicati
26、ons372.2.脉冲延时 脉冲延时电路一般要用两个单稳态触发器完成。延时时间为t tW1W1，它决定于第一级单稳态触发器的定时元件R R和C C。tUItUO1tUO2tUO1TW1TW2第37页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications383.3.定时 由于单稳触发器可产生宽度为t tW W的矩形脉冲，利用这个矩形脉冲去控制某电路使它在t tW W的时间内动作或不动作，这就是单稳态触发器的定时作用。定时时间为t tW W，可通过调节定时元件R R和C C来调节定时时间。1&uIOuuO单稳与门uFtWuIuOuFOu单稳态
27、触发器的定时波形第38页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications397.5 7.5 多谐振荡器一、555555定时器构成的多谐振荡器1.1.电路结构48762315CUCCR1R2555uo0.01FuC第39页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications402.2.工作原理UO+VCC123456785550.01uFR1R2CUCU6U2UOVT起始时023VCC13VCC23VCC13VCC0导通C放电23VCC1截止=13VCC13VCC循环往复，直到
28、关机。演示演示第40页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications413、电压波形总之：起始时，UC=0，UO=UOHUO 在 UOLUOH 之间振荡UC在 之间变化23VCC 13VCC 23VCC 13VCC tUCOtUOOT1T2充电回路：VCC+R1R2 C VCC-（充电慢）放电回路：C+R2 V T C-（放电快）T1=0.69(R1+R2)C；T2=0.69R2C；T=0.69(R1+2 R2)C；q=T1/T以后T1=(R1+R2)C ln VCC-VCC-U-U+T2=R2C ln 0-0-U+U-4、电路计
29、算本例：=R1+R2R1+2 R2第41页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications425、工作特性23VCC 13VCC tUCOtUOOT1T2多谐振荡器是一种常多谐振荡器是一种常用的用的脉冲信号产生电脉冲信号产生电路路。无稳态，具有两个暂稳态；自激振荡器在接通电源后，不需外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲；矩形波中除基波外，还含有丰富的高次谐波故称为多谐振荡器。第42页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications43用门电路构成多谐振荡器用门电路构成多谐振
30、荡器二、对称式多谐振荡器1、组成（用TTL门电路）UI1UO2UO1UI211C1C2G1G2RF1RF22、工作原理则，暂态 ：UO1=0、UO2=1 接下来：C1充电、C2 放电假设，某一时刻，电路出现 UO1=0、UO2=1的状态，第43页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications440011UI1UO2UO1UI211C1C2G1G2RF1RF2+C2放电回路：UI1UOL1UOH2RF1C2+-C2+RF1 UOL1 UOH2 C2-C2放电使UI1。C2放电：UI2UOH2UOL1R1VCCG2RF2C1-+C1充
31、电：暂态 ：UO1=0、UO2=1C1充电等效回路：UOH2 RE1 C1 UOL1（RE1=RF2R1）C1充电使UI2。第44页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications45由于RE1 RF1（当电路对称时），所以，充电比放电快。C1充电 UI2 =VTH 时 G2导通 UO2=0UI1=0 UO1=1暂态：UO1=1、UO2=0C2充电 UI1 =VTH 时 G1导通 UO1=0UI2=0 UO2=1电路回到暂态。循环往复，直到关机。总之：UO1=0UO2=1UO2=0UO1=1UO1=1UO2=0UO1=0UO2=1
32、C1充电 UI2 C2充电 UI1 C2放电UI1 C1放电UI2第45页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications46tUI1tUO1tUO2tUI2VTHVTHVIKVIKT1T4、计算在RF1=RF2=RF，C1=C2=C 时：T1 RFC ln UOH-UOH-如果G1、G2为74LS系列反相器，UOH=3.4V，VIK=-1V，VTH=1.1V在RFR1时，T1=0.65 RFC振荡周期：T=2T1=1.3RFC振荡频率：f=1/T占空比：q=(T1/T)100%3、电压波形C2放电、充电C1充电、放电VTHVIK第
33、46页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications47三、环形振荡器1、组成利用门电路的传输延迟时间t tpd，将奇数个反相器首尾相接。UO1UO2UO31G11G21G32、工作波形tUO1tUO2tUO3tpd3、计算TW=ntpd；T=2TW；f=1/T一般，tpd=TTL类几十 nsCMOS类几百ns（所以，环形振荡器的振荡频率f 特别高）为了获得较低的、可调的f，可在环形回路中增加RC延时环节。TWn是门的数目。第47页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communica
34、tions48四、用施密特触发器构成多谐振荡器1、组成UIUO2、工作原理接通VCC瞬间，C中无电荷，所以：1）UC=0 3、电压波形2）UO=1 C充电 UI ，3）UO=0 C放电 UI ，tUItUI00U+U-若是CMOS电路，T1T2T1RC+UI =U+UO=0UI =U-UO=1T1=RC ln VDD-VDD-T=T1+T2；f=1/T；q=T1/TUI=0 UO=1U-U+T2=RC ln 0-0-U+U-则：第48页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications495、电路改进占空比可调电路如图：1CUIUOR
35、2R1+充电经过R2，放电经过R1，T1=R2C ln VDD-U-VDD-U+T2=R1C ln U+U-q=T1/TT=T1+T2调节R1 或 R2 ，即可调节q第49页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications50 当频率为谐振频率f f0 0时，石英晶体的等效阻抗最小，信号最容易通过，而其它频率信号均被衰减掉。晶体的选频特性极好。为了提高振荡器的频率稳定度，往往使用石英晶体多谐振荡器。五、石英晶体多谐振荡器555555构成的多谐振荡器的特点：优点：工作可靠，调节方便。缺点：振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫；受电源波
36、动、温度变化等影响，频率稳定性较差。f f0 0只与晶体的材料、几何形状和尺寸大小有关，而与电路中的R R、C C数值无关。输出频率稳态性很高。X0f0f石英晶体的图形符号和电抗频率特性石英晶体的固有频率或谐振频率第50页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications51石英晶体振荡器可分为:无源晶振和有源晶振电阻R R1 1、R R2 2的作用：保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对TTLTTL反相器，常取R R0.7k0.7k2k2k，而对于CMOSCMOS门，则常取R R10M10M；C C1 1是耦合电容；C C2
37、 2的作用：抑制高次谐波。电路的振荡频率等于石英晶体的谐振频率f f0 0。11RRC1f0G1G2C2无源晶振，称为crystal，有2个引脚的无极性元件，需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；第51页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications52有源晶振，称为oscillator，有4只引脚，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件，因此体积较大。1:EN或NC2:GND3:output 4:VCC第52页/共57页2023/3/29GUET Schoo
38、l of Information&Communications53秒脉冲发生器CMOSCMOS石英晶体多谐振荡器产生f f=32768Hz=32768Hz的基准信号；经TT触发器构成的1515级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒脉冲信号。这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源。第53页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications54555定时器应用举例：下图是用下图是用555定时器接成的延时报警器。当开关定时器接成的延时报警器。当开关S断开后，断开后，经过一定的延迟时间后扬声器开始发出声音。试求延迟的时经过一定的延
39、迟时间后扬声器开始发出声音。试求延迟的时间间TD和扬声器发出声音的频率和扬声器发出声音的频率f。UO1UO2解：（1）（2）（1）片接成施密特触发器，U6=U2=UC1 的电压波形通过操纵开关S获得。（2）片不工作。（2）片的 RD=0，（2）片接成多谐振荡器。当UO1=1时；当UO1=0时；（2）片自激振荡，喇叭出声。123468555VCC=12V1642385550.01F175K5K100F10F1MS+C1第54页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications55工作波形：S闭合S断开23VCC13VCCS闭合VCC喇叭
40、响TDTO2=0.69(R1+2R2)C=0.69(5+25)103 0.0110-6103.5SfO2 9.66KHZU6、U2UO1tUO2ttUC1TO2VCC-0VCC-TD=RC ln =10610 10-6 ln 11（S）1212-823VCC 第55页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications56第7 7章 小结1.1.熟练掌握555555定时器的工作原理及应用；2.2.正确理解单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器的工作原理及应用。第56页/共57页2023/3/29GUET School of Information&Communications57感谢您的观看！第57页/共57页