第5章脈沖信號的產生與整形學習要點：555定時器的工作原理及邏輯功能由555定時器構成單穩、多諧、施密特觸發器的方法2/4/20231華東交通大學電氣學院付智輝第5章脈沖信號的產生與整形5.1多諧振蕩器5.2單穩態觸發器5.3施密特觸發器退出2/4/20232華東交通大學電氣學院付智輝5.1多諧振蕩器5.1.1由門電路構成的多諧振蕩器5.1.2由555定時器構成的多諧振蕩器5.1.3多諧振蕩器的應用退出2/4/20233華東交通大學電氣學院付智輝5.1.1由門電路構成的多諧振蕩器能產生矩形脈沖的自激振蕩電路叫做多諧振蕩器。1、RC環形多諧振蕩器2/4/20234華東交通大學電氣學院付智輝在t1時刻，ui1（uo）由0變為1，于是uo1（ui2）由1變為0，uo2由0變為1。由于電容電壓不能躍變，故ui3必定跟隨ui2發生負跳變。這個低電平保持uo為1，以維持已進入的這個暫穩態。在這個暫穩態期間，uo2（高電平）通過電阻R對電容C充電，使ui3逐漸上升。在t2時刻，ui3上升到門電路的閾值電壓UT，使uo（ui1）由1變為0，uo1（ui2）由0變為1，uo2由1變為0。同樣由于電容電壓不能躍變，故ui3跟隨ui2發生正跳變。這個高電平保持uo為0。至此，第一個暫穩態結束，電路進入第二個暫穩態。第一暫穩態及其自動翻轉的工作過程2/4/20235華東交通大學電氣學院付智輝第二暫穩態及其自動翻轉的工作過程在t2時刻，uo2變為低電平，電容C開始通過電阻R放電。隨著放電的進行，ui3逐漸下降。在t3時刻，ui3下降到UT，使uo（ui1）又由0變為1，第二個暫穩態結束，電路返回到第一個暫穩態，又開始重復前面的過程。2/4/20236華東交通大學電氣學院付智輝2、CMOS多諧振蕩器在t1時刻，uo由0變為1，由于電容電壓不能躍變，故ui1必定跟隨uo發生正跳變，于是ui2（uo1）由1變為0。這個低電平保持uo為1，以維持已進入的這個暫穩態。在這個暫穩態期間，電容C通過電阻R放電，使ui1逐漸下降。在t2時刻，ui1上升到門電路的開啟電壓UT，使uo1（ui2）由0變為1，uo由1變為0。同樣由于電容電壓不能躍變，故ui1跟隨uo發生負跳變，于是ui2（uo1）由0變為1。這個高電平保持uo為0。至此，第一個暫穩態結束，電路進入第二個暫穩態。第一暫穩態及其自動翻轉的工作過程2/4/20237華東交通大學電氣學院付智輝第二暫穩態及其自動翻轉的工作過程在t2時刻，uo1變為高電平，這個高電平通過電阻R對電容C充電。隨著放電的進行，ui1逐漸上升。在t3時刻，ui1上升到UT，使uo（ui1）又由0變為1，第二個暫穩態結束，電路返回到第一個暫穩態，又開始重復前面的過程。2/4/20238華東交通大學電氣學院付智輝3、石英晶體多諧振蕩器電阻R1、R2的作用是保證兩個反相器在靜態時都能工作在線性放大區。對TTL反相器，常取R1＝R2＝R＝0.7kΩ～2kΩ，而對于CMOS門，則常取R1＝R2＝R＝10kΩ～100kΩ；C1＝C2＝C是耦合電容，它們的容抗在石英晶體諧振頻率f0時可以忽略不計；石英晶體構成選頻環節。振蕩頻率等于石英晶體的諧振頻率f0。2/4/20239華東交通大學電氣學院付智輝5.1.2由555定時器構成的多諧振蕩器1、555定時器低電平觸發端高電平觸發端電壓控制端復位端低電平有效放電端4.5～16V2/4/202310華東交通大學電氣學院付智輝001①R=0時，Q=1，uo=0，T導通。2/4/202311華東交通大學電氣學院付智輝①R=0時，Q=1，uo=0，T飽和導通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3時，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T飽和導通。＞2VCC/3＞VCC/3000112/4/202312華東交通大學電氣學院付智輝①R=0時，Q=1，uo=0，T飽和導通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3時，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T飽和導通。＜2VCC/3＞VCC/310011③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3時，C1=1、C2=1，Q、Q不變，uo不變，T狀態不變。1102/4/202313華東交通大學電氣學院付智輝①R=0時，Q=1，uo=0，T飽和導通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3時，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T飽和導通。＜2VCC/3＜VCC/311100③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3時，C1=1、C2=1，Q、Q不變，uo不變，T狀態不變。④R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＜VCC/3時，C1=1、C2=0，Q=0、Q=1，uo=1，T截止。2/4/202314華東交通大學電氣學院付智輝2、由555定時器構成的多諧振蕩器接通VCC后，VCC經R1和R2對C充電。當uc上升到2VCC/3時，uo=0，T導通，C通過R2和T放電，uc下降。當uc下降到VCC/3時，uo又由0變為1，T截止，VCC又經R1和R2對C充電。如此重復上述過程，在輸出端uo產生了連續的矩形脈沖。2/4/202315華東交通大學電氣學院付智輝2/4/202316華東交通大學電氣學院付智輝5.1.3多諧振蕩器的應用秒信號發生器多諧振蕩器分頻電路2/4/202317華東交通大學電氣學院付智輝模擬聲響電路將振蕩器Ⅰ的輸出電壓uo1，接到振蕩器Ⅱ中555定時器的復位端（4腳），當uo1為高電平時振蕩器Ⅱ振蕩，為低電平時555定時器復位，振蕩器Ⅱ停止震蕩。2/4/202318華東交通大學電氣學院付智輝本節小結：多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，不需要外加輸入信號，就可以自動地產生出矩形脈沖。多諧振蕩器可以由門電路構成，也可以由555定時器構成。由門電路構成的多諧振蕩器和基本RS觸發器在結構上極為相似，只是用于反饋的耦合網絡不同。RS觸發器具有兩個穩態，多諧振蕩器沒有穩態，所以又稱為無穩電路。在多諧振蕩器中，由一個暫穩態過渡到另一個暫穩態，其“觸發”信號是由電路內部電容充（放）電提供的，因此無需外加觸發脈沖。多諧振蕩器的振蕩周期與電路的阻容元件有關。

555定時器是一種應用廣泛、使用靈活的集成器件，多用于脈沖產生、整形及定時等。2/4/202319華東交通大學電氣學院付智輝5.2單穩態觸發器5.2.1由門電路構成的單穩態觸發器5.2.2由555定時器構成的單穩態觸發器5.2.3單穩態觸發器的應用退出2/4/202320華東交通大學電氣學院付智輝單穩態觸發器在數字電路中一般用于定時（產生一定寬度的矩形波）、整形（把不規則的波形轉換成寬度、幅度都相等的波形）以及延時（把輸入信號延遲一定時間后輸出）等。單穩態觸發器具有下列特點：（1）電路有一個穩態和一個暫穩態。（2）在外來觸發脈沖作用下，電路由穩態翻轉到暫穩態。（3）暫穩態是一個不能長久保持的狀態，經過一段時間后，電路會自動返回到穩態。暫穩態的持續時間與觸發脈沖無關，僅決定于電路本身的參數。5.2.1由門電路構成的單穩態觸發器2/4/202321華東交通大學電氣學院付智輝（1）沒有觸發信號時電路工作在穩態當沒有觸發信號時，ui為低電平。因為門G2的輸入端經電阻R接至VDD，VA為高電平，因此uo2為低電平；門G1的兩個輸入均為0，其輸出uo1為高電平，電容C兩端的電壓接近為0。這是電路的穩態，在觸發信號到來之前，電路一直處于這個狀態：uo1＝1，uo2＝0。00112/4/202322華東交通大學電氣學院付智輝110（2）外加觸發信號使電路由穩態翻轉到暫穩態當正觸發脈沖ui到來時，門G1輸出uo1由1變為0。由于電容電壓不能躍變，uA也隨之跳變到低電平，使門G2的輸出uO2變為1。這個高電平反饋到門G1的輸入端，此時即使ui的觸發信號撤除，仍能維持門G1的低電平輸出。但是電路的這種狀態是不能長久保持的，所以稱為暫穩態。暫穩態時，uo1＝0，uo2＝1。2/4/202323華東交通大學電氣學院付智輝0011（3）電容充電使電路由暫穩態自動返回到穩態在暫穩態期間，VDD經R和G1的導通工作管對C充電，隨著充電的進行，C上的電荷逐漸增多，使uA升高。當uA上升到閾值電壓UT時，G2的輸出uo2由1變為0。由于這時G1輸入觸發信號已經過去，G1的輸出狀態只由uo2決定，所以G1又返回到穩定的高電平輸出。uA隨之向正方向跳變，加速了G2的輸出向低電平變化。最后使電路退出暫穩態而進入穩態，此時uo1＝1，uo2＝0。脈沖寬度：tp=0.7RC2/4/202324華東交通大學電氣學院付智輝電路的改進當ui的寬度很寬時，可在單穩態觸發器的輸入端加一個RC微分電路，否則，在電路由暫穩態返回到穩態時，由于門G1被ui封住了，會使uo2的下降沿變緩。2/4/202325華東交通大學電氣學院付智輝穩態時，ui＝1，G1、G2均導通。uo1＝0，uA＝0，uo2＝0。ui負跳變到0時，G1截止，uo1隨之跳變到1。由于電容電壓不能躍變，uA仍為0，故門G2截止，uo2跳變到1。在G1、G2截止時，C通過R和G1的導通管放電，使uA逐漸上升。當uA上升到管子的開啟電壓UT時，如果ui仍為低電平，G2導通，uo2變為0。當ui回到高電平后，G1導通，C又通過R和G1的導通管充電，電路恢復到穩定狀態。2/4/202326華東交通大學電氣學院付智輝TR-A、TR-B是兩個下降沿有效的觸發信號輸入端，TR+是上升沿有效的觸發信號輸入端。Q和是兩個狀態互補的輸出端。Rext/Cext、Cext是外接定時電阻和電容的連接端，外接定時電阻R（R=1.4kΩ～40kΩ）接在VCC和Rext/Cext之間，外接定時電容C（C=10pF～10μF）接在Cext（正）和Rext/Cext之間。74121內部已設置了一個2kΩ的定時電阻，Rin是其引出端，使用時只需將Rin與VCC連接起來即可，不用時則應將Rin開路。74121的輸出脈沖寬度：tp≈0.7RC2/4/202327華東交通大學電氣學院付智輝TR-A、TR-B是兩個下降沿有效的觸發信號輸入端，TR+A、TR+B是兩個上升沿有效的觸發信號輸入端。Q和是兩個狀態互補的輸出端。Rext/Cext、Cext、Rin3個引出端是供外接定時元件使用的，外接定時電阻R（R=5kΩ～50kΩ）、電容C（無限制）的接法與74121相同。RD為直接復位輸入端，低電平有效。當定時電容C＞1000pF時，74122的輸出脈沖寬度：tp≈0.32RC2/4/202328華東交通大學電氣學院付智輝5.2.2由555定時器構成的單穩態觸發器2/4/202329華東交通大學電氣學院付智輝接通VCC后瞬間，VCC通過R對C充電，當uc上升到2VCC/3時，比較器C1輸出為0，將觸發器置0，uo＝0。這時Q=1，放電管T導通，C通過T放電，電路進入穩態。

ui到來時，因為ui＜VCC/3，使C2＝0，觸發器置1，uo又由0變為1，電路進入暫穩態。由于此時Q=0，放電管T截止，VCC經R對C充電。雖然此時觸發脈沖已消失，比較器C2的輸出變為1，但充電繼續進行，直到uc上升到2VCC/3時，比較器C1輸出為0，將觸發器置0，電路輸出uo＝0，T導通，C放電，電路恢復到穩定狀態。2/4/202330華東交通大學電氣學院付智輝5.2.３單穩態觸發器的應用延遲與定時整形2/4/202331華東交通大學電氣學院付智輝本節小結：單穩態觸發器具有一個穩態。由門電路構成的單穩態觸發器和基本RS觸發器在結構上也極為相似，只有用于反饋的耦合網絡不同。單穩態觸發器可以由門電路構成，也可以由555定時器構成。在單穩態觸發器中，由一個暫穩態過渡到穩態，其“觸發”信號也是由電路內部電容充（放）電提供的，暫穩態的持續時間即脈沖寬度也由電路的阻容元件決定。單穩態觸發器不能自動地產生矩形脈沖，但卻可以把其它形狀的信號變換成為矩形波，用途很廣。2/4/202332華東交通大學電氣學院付智輝5.3施密特觸發器5.3.1由門電路構成的施密特觸發器5.3.2由555定時器構成的施密特觸發器5.3.3施密特觸發器的應用退出2/4/202333華東交通大學電氣學院付智輝5.3.1由門電路構成的施密特觸發器施密特觸發器是一種能夠把輸入波形整形成為適合于數字電路需要的矩形脈沖的電路。00112