《数字电子技术》课程授课教案（讲义）第6章 脉冲产生与整形电路

第7章脉冲产生与整形电路 【本章知识架构】 脉冲信号概述 电路组成及工作原理 集成555定时器 555定时器的功能 用555定时器构成的施密 特触发器 施密特触发器 集成施密特触发器 脉冲产生与整形电路 施密特触发器应用举例 用555定时器构成的单稳 态触发器 单稳态触发器 集成单稳态触发器 单稳态触发器应用举例 用555定时器构成的多谐 振荡器 多谐振荡器 石英晶体多谐振荡器 多谐振荡器应用举例 案例实现

1 第 7 章 脉冲产生与整形电路 【本章知识架构】 脉 冲 产 生 与 整 形 电 路 施密特触发器 多谐振荡器 集成 555 定时器 用 555 定时器构成的施密 特触发器 集成施密特触发器 施密特触发器应用举例 电路组成及工作原理 555 定时器的功能 单稳态触发器 集成单稳态触发器 单稳态触发器应用举例 用 555 定时器构成的单稳 态触发器 用 555 定时器构成的多谐 振荡器 石英晶体多谐振荡器 多谐振荡器应用举例 案例实现 脉冲信号概述

【本章教学目标与要求】 ·理解集成555定时器工作原理及功能 ·掌握555定时器构成的施密特触发器及其应用 ·熟悉集成施密特触发器 ·掌握555定时器构成的单稳态触发器及其应用 ·了解集成单稳态触发器 ·掌握555定时器构成的多谐振荡器、石英晶体多谐振荡器及其应用 6.1概述 脉冲信号 脉冲信号广泛地存在于数字电路或系统中，如触发器的时钟信号、计数器的计数 脉冲信号等。所谓脉冲信号，从狭义上讲，是指一种持续时间极短的电压或电流信号： 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，如矩形 波、方波、尖顶波和锯齿波等各种波形都是脉冲信号。最常见的脉冲电压波形是矩形 波和方波。 获得脉冲的方法一般有两种：一种是利用己有的周期性信号通过变换整形得到脉 冲信号：另一种则是利用脉冲振荡器直接产生脉冲信号。产生和处理这些脉冲信号的 电路又施密特触发电路，单稳态触发电路和多谐振荡器等。其中，施密特触发电路能 对已有的信号进行变换，整形，单稳态触发电路可用于脉冲信号的定时、延迟、多谐 振荡器能直接产生脉冲信号等。 6.2集成555定时器 集成555定时器是一种将模拟和数字电路继承与一体的电子器件，使用十分灵活

2 【本章教学目标与要求】 ·理解集成 555 定时器工作原理及功能 ·掌握 555 定时器构成的施密特触发器及其应用 ·熟悉集成施密特触发器 ·掌握 555 定时器构成的单稳态触发器及其应用 ·了解集成单稳态触发器 ·掌握 555 定时器构成的多谐振荡器、石英晶体多谐振荡器及其应用 6.1 概述 脉冲信号 脉冲信号广泛地存在于数字电路或系统中，如触发器的时钟信号、计数器的计数 脉冲信号等。所谓脉冲信号，从狭义上讲，是指一种持续时间极短的电压或电流信号； 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，如矩形 波、方波、尖顶波和锯齿波等各种波形都是脉冲信号。最常见的脉冲电压波形是矩形 波和方波。 获得脉冲的方法一般有两种：一种是利用已有的周期性信号通过变换整形得到脉 冲信号；另一种则是利用脉冲振荡器直接产生脉冲信号。产生和处理这些脉冲信号的 电路又施密特触发电路，单稳态触发电路和多谐振荡器等。其中，施密特触发电路能 对已有的信号进行变换，整形，单稳态触发电路可用于脉冲信号的定时、延迟、多谐 振荡器能直接产生脉冲信号等。 6.2 集成 555 定时器 集成 555 定时器是一种将模拟和数字电路继承与一体的电子器件，使用十分灵活

方便，只要外加少量的祖荣原件，就能构成多种用途的电路，如施密特触发电路、单 稳态触发电路、多谐振荡器等，使其在电子技术中得到了非常广泛的应用。 自从Signetics公司于1972年推出这种产品以后，国际上各主要的电子器件公司 也都相继地生产出了各自的555定时器产品。尽管555集成定时器的型号较多，但所 有双极型产品型号侯的3位数字都是555，所有CMOS产品型号最后的4位数字都是 7555,而且它们的功能和外部引脚的排列完全相同。为了提高集成度，随后又产生了 双定时器产品556（双极型）和7556(CMOS型)。下面以国产双极型定时器的典型 产品5G555为例，介绍其电路结构及功能。 6.2.1555定时器的电路结构 图6-1所示为国产双极型定时器555的电路结构图和引脚排列图，它由以下五 部分组成。 OUT 5G555 GND TR OUT RD (a) 图6-1555定时器

3 方便，只要外加少量的祖荣原件，就能构成多种用途的电路，如施密特触发电路、单 稳态触发电路、多谐振荡器等，使其在电子技术中得到了非常广泛的应用。 自从 Signetics 公司于 1972 年推出这种产品以后，国际上各主要的电子器件公司 也都相继地生产出了各自的 555 定时器产品。尽管 555 集成定时器的型号较多，但所 有双极型产品型号侯的 3 位数字都是 555，所有 CMOS 产品型号最后的 4 位数字都是 7555，而且它们的功能和外部引脚的排列完全相同。为了提高集成度，随后又产生了 双定时器产品 556（双极型）和 7556（CMOS 型）。下面以国产双极型定时器的典型 产品 5G555 为例，介绍其电路结构及功能。 6.2.1 555 定时器的电路结构 图 6-1 所示为国产双极型定时器 555 的电路结构图和引脚排列图，它由以下五 部分组成。 图 6-1 555 定时器 (a) (b) C C & & 1 VC1 G2 VTD G3 5k 1 2 VCC 2 V I 2 V I CO VO 1 7 2 6 5 8 4 3 1 V I 5k 5k TH TR D VC2 G1 VR2 VR1 RD Q Q OUT VO  8 7 6 5 1 2 3 4 5G555 GND VCC D TH CO TR OUT RD

1.电阻分压器 由三个阻值均为5k2的电阻串联构成分压器，为电压比较器C,和C,提供参考 电压。若控制电压输入端(CO端，引脚5)外加控制电压'。，则比较器C、C2 的参考电压分别为 ~o公o:不加控制电压时，该引出端不可悬空，一般要通过-个 小电容（如00uF)接地，以方路高频于找.这时再参考电压分别为。~子c a 2.电压比较器 C,和C,时两个结构完全相同的高精度电压比较器，分别由高增益运算放大器 构成。比较器C,的信号输入端为运放的反相输入端(TH端，引脚6)，C,的同 相端接参考电压'1：比较器C,的信号输入端为运放的同相输入端(TR端，引脚 2),C,的反相输入端接参考电压V2。两比较器的输出分别为'c,和'c2· 3.RS锁存器 两个与非门G,和G,构成RS锁存器，低电平触发。比较器C,和C,的输出'c 和V2控制锁存器的状态，也决定了电路的输出状态。RD时锁存器的外部复位端， 低电平有效。当RD=0时，Q=1,使电路输出(OUT端，引脚3)为0正常工作时， RD端应接高电平。 4.三极管放电开关 三极管T构成放电开关其状态受RS锁存器的Q端控制。当⑨-0时，VT。截 止：当Q=1时，T。饱和导通。此时，放电端(D端，引脚7)如有外接电容， 4

4 1. 电阻分压器 由三个阻值均为 5k 的电阻串联构成分压器，为电压比较器 C1 和 C2 提供参考 电压。若控制电压输入端（ CO 端，引脚 5）外加控制电压 VCO ，则比较器 C1 、C2 的参考电压分别为 VR1 = VCO ，VR2 = 1 2 VCO ；不加控制电压时，该引出端不可悬空，一般要通过一个 小电容（如 0.01F ）接地，以旁路高频干扰。这时两参考电压分别为 VR1 = 2 3 VCC ， VR2 = 1 3 VCC 。 2. 电压比较器 C1 和 C2 时两个结构完全相同的高精度电压比较器，分别由高增益运算放大器 构成。比较器 C1 的信号输入端为运放的反相输入端（ TH 端，引脚 6）， C1 的同 相端接参考电压 VR1 ；比较器 C2 的信号输入端为运放的同相输入端（ TR 端，引脚 2）， C2 的反相输入端接参考电压 VR2 。两比较器的输出分别为 VC1 和 VC2 。 3. RS 锁存器 两个与非门 G1 和 G2 构成 RS 锁存器，低电平触发。比较器 C1 和 C2 的输出 VC1 和 VC2 控制锁存器的状态，也决定了电路的输出状态。 RD 时锁存器的外部复位端， 低电平有效。当 RD =0 时， Q =1,使电路输出（OUT 端，引脚 3）为 0 正常工作时， RD 端应接高电平。 4. 三极管放电开关 三极管 VTD 构成放电开关其状态受 RS 锁存器的 Q 端控制。当 Q =0 时， VTD 截 止；当 Q =1 时， VTD 饱和导通。此时，放电端（D 端，引脚 7）如有外接电容

则通过T。放电。由于放电端的逻辑状态与输出V。是相同的，故放电端也可以作 为集电极开路输出V。 5.输出缓冲器 由反相器G构成，其作用是提高定时器的带负载能力，并隔离负载对定时器 的影响。 6.2.2555定时器的功能 当CO端不外接控制电压时，555定时器的功能表如表7-1所示。 表6-1555定时器功能表 R。 .(T) V.(OUT) T。(放电管) 0 0 导通 >Vcc 0 导通 a Yc 不变 不变 1. 只要外部复位端R0=0,不管'n、'2为何值，都使Q=1,因此电路输出 V。=0,放电管T,导通。正常工作时R。=1。 2当风=1，且n号ac,>c时，比较器C输出a0,比较器C 输出Vc2=1,从而使RS触发器的Q=1,V。=0,T。导通 3当=，且n子c,a<c时，比较器C输出%a=1,比较器C 输出'c2=0,从而使RS触发器的⑨=0，V。=1,T。截止

5 则通过 VTD 放电。由于放电端的逻辑状态与输出 VO 是相同的，故放电端也可以作 为集电极开路输出 VO 。 5. 输出缓冲器 由反相器 G3 构成，其作用是提高定时器的带负载能力，并隔离负载对定时器 的影响。 6.2.2 555 定时器的功能 当 CO 端不外接控制电压时，555 定时器的功能表如表 7-1 所示。 表 6-1 555 定时器功能表 R D 1 3  VCC 2 ( ) V TR I ( ) V OUT o VTD （放电管） 0 × × 0 导通 1 2 3  VCC 1 3  VCC 0 导通 1 2 3  VCC 1 3  VCC 1 截止 0 2 3  VCC 1 3  VCC 不变 不变 1. 只要外部复位端 RD =0，不管 VI1 、VI 2 为何值，都使 Q =1，因此电路输出 VO =0，放电管 VTD 导通。正常工作时 RD =1。 2. 当 RD =1，且 VI1 > 2 3 VCC ，VI 2 > 1 3 VCC 时，比较器 C1 输出 VC1 =0，比较器 C2 输出 VC2 =1，从而使 RS 触发器的 Q =1，VO =0，VTD 导通。 3. 当 RD =1，且 VI1 < 2 3 VCC ，VI 2 < 1 3 VCC 时，比较器 C1 输出 VC1 =1，比较器 C2 输出 VC2 =0，从而使 RS 触发器的 Q =0，VO =1，VTD 截止

4当Ro=l,且nc时，两个比较器输出均为1，根据与 非门RS锁存器的特性，其状态保持不变，所以'。和T。的状态也保持不 变。 由以上讨论可知，当Ro=1时，只要TH端（即'，输入端）加高电平（大 于子x.0总为1，%0，所以称H为高电平抛发器，同样，只要当7承为 低电平（小于，c)时，Q总为1，。=，所以称TR为低电平触发器。 555定时器能在很宽的电源电压范围内工作，并可承受较大的负载电流。 双极型555定时器的电源电压范围为516V,最大的负载电流达200mA.CMOS 型7555定时器的电源电压范围为3~18V,但最大负载电流在4mA以下。 6.3施密特触发器 施密特触发器有两个稳态，是一个双稳态电路，但是这两个稳态是靠触发信号来 维持的。这是它不同于第4章中所介绍的双稳态触发器的本质区别。 施密特触发器是脉冲产生和整形电路中常用的一种电路。在其输入端加入任何形 状的波形，在输出端总能获得良好的矩形脉冲。而且由于施密特触发器所具有的滞回 特性，所以抗干扰能力很强， 6.3.1用555定时器构成的施密特触发器 1.电路组成及工作原理 6

6 4. 当 RD =1，且 VI1 1 3 VCC 时，两个比较器输出均为 1，根据与 非门 RS 锁存器的特性，其状态保持不变，所以 VO 和 VTD 的状态也保持不 变。 由以上讨论可知，当 RD =1 时，只要 TH 端（即 VI1 输入端）加高电平（大 于 2 3 VCC ）， Q 总为 1，VO =0，所以称 TH 为高电平触发器。同样，只要当 TR 为 低电平（小于 1 3 VCC ）时， Q 总为 1，VO =1，所以称 TR 为低电平触发器。 555 定时器能在很宽的电源电压范围内工作，并可承受较大的负载电流。 双极型 555 定时器的电源电压范围为 5~16V，最大的负载电流达 200mA。CMOS 型 7555 定时器的电源电压范围为 3~18V，但最大负载电流在 4mA 以下。 6.3 施密特触发器 施密特触发器有两个稳态，是一个双稳态电路，但是这两个稳态是靠触发信号来 维持的。这是它不同于第 4 章中所介绍的双稳态触发器的本质区别。 施密特触发器是脉冲产生和整形电路中常用的一种电路。在其输入端加入任何形 状的波形，在输出端总能获得良好的矩形脉冲。而且由于施密特触发器所具有的滞回 特性，所以抗干扰能力很强。 6.3.1 用 555 定时器构成的施密特触发器 1．电路组成及工作原理

(a)电略图 (6)被形围 图6-2555定时器构成的施密特触发器及工作波形 (1)=0V时，%输出高电平。 (2)当n上升到时，%输出低电平。当n由子继续上升，。保持不变。 (3)当n下降到：时，电路输出跳变为高电平。而且在n继续下降到OV时， 电路的这种状态不变。 图中，R、'cc2构成另一输出端'，其高电平可以通过改变'c2进行调节。 2.电压滞回特性和主要参数 电压滞回特性 回 Tvcc VccVcc VI (a)电路符号 (b)电压传输特性 图6-3施密特触发審的电路符号和电压传输特性 主要静态参数

7 图 6-2 555 定时器构成的施密特触发器及工作波形 （1）vI=0V 时，vo 输出高电平。 （2）当 vI上升到 Vcc 3 2 时，vo 输出低电平。当 vI由 Vcc 3 2 继续上升，vo 保持不变。 （3）当 vI下降到 Vcc 3 1 时，电路输出跳变为高电平。而且在 vI继续下降到 0V 时， 电路的这种状态不变。 图中，R、VCC2 构成另一输出端 vo′，其高电平可以通过改变 VCC2 进行调节。 2．电压滞回特性和主要参数 电压滞回特性 v V V I o OH OL V V V v CC CC CC 1 3 2 3 0 I v vo (a)电路符号 (b)电压传输特性 图 6-3 施密特触发器的电路符号和电压传输特性 主要静态参数 t t (a)电路图 (b)波形图 1 2 6 5 VCC RD O 555 3 O 7 v′ v v I2 vI1 IC 8 4 I v CC VCC2 R I v O 2 3 VCC CC 1 V 3 v V v

(1)上限阀值电压一一y上升过程中，输出电压o由高电平VOm跳变到低 电平o时，所对应的输入电压值。，=· (2)下限阈值电压一1下降过程中，o由低电平VoL跳变到高电平O时， 所对应的输入电压值。一· (3)回差电压4r 回差电压又叫滞回电压，定义为 4作n-作= 若在电压控制端c(5脚)外加电压，则将有=、-=s2、4V=s2, 而且当改变s时，它们的值也随之改变。 6.3.2集成施密特触发器 施密特触发器可以由555定时器构成，也可以用分立元件和集成门电路组成。因 为这种电路应用十分广泛，所以市场上有专门的集成电路产品出售，称之为施密特触 发门电路。集成施密特触发器性能的一致性好，触发阈值稳定，使用方便。 1.CMOS集成施密特触发器 图6-4(a)是CMOS集成施密特触发器CC40106(六反相器)的引线功能图， 表6-2所示是其主要静态参数。 2.TTL集成施密特触发器 图64(b)所示是TTL集成施密特触发器74LS14外引线功能图，其几个主要参 数的典型值如表7-3所示。 TTL施密特触发与非门和缓冲器具有以下特点： (1)输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作。 (2)对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿。 (3)带负载能力和抗干扰能力都很强

8 （1）上限阈值电压 VT+——vI 上升过程中，输出电压 vO 由高电平 VOH 跳变到低 电平 VOL 时，所对应的输入电压值。VT+= Vcc 3 2 。 （2）下限阈值电压 VT———vI下降过程中， vO 由低电平 VOL 跳变到高电平 VOH 时， 所对应的输入电压值。VT—= Vcc 3 1 。 （3）回差电压ΔVT 回差电压又叫滞回电压，定义为 ΔVT= VT+－VT— = Vcc 3 1 若在电压控制端 VIC（5 脚）外加电压 VS，则将有 VT+=VS、VT—=VS/2、ΔVT= VS/2， 而且当改变 VS时，它们的值也随之改变。 6.3.2 集成施密特触发器 施密特触发器可以由 555 定时器构成，也可以用分立元件和集成门电路组成。因 为这种电路应用十分广泛，所以市场上有专门的集成电路产品出售，称之为施密特触 发门电路。集成施密特触发器性能的一致性好，触发阈值稳定，使用方便。 1．CMOS 集成施密特触发器 图 6-4（a）是 CMOS 集成施密特触发器 CC40106（六反相器）的引线功能图， 表 6-2 所示是其主要静态参数。 2．TTL 集成施密特触发器 图 6-4（b）所示是 TTL 集成施密特触发器 74LS14 外引线功能图，其几个主要参 数的典型值如表 7-3 所示。 TTL 施密特触发与非门和缓冲器具有以下特点： （1）输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作。 （2）对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿。 （3）带负载能力和抗干扰能力都很强

06 506A 1o2 6Y 06￥ 2A0 5 2A03 05A 2Yo-4 05Y 2Yo -05￥ 3A0.5 3A 4A 3yo.6/ 04Y 3Y0-5 04W (a)CC40106 (b)74LS14 图6-4樂成密特触发器0C40106和74LS14外引线功能 表6-2集成施密特触发器CC40106的主要静态参数 电源电压VopV最小值V,最大值V1-最小值V-最大值4片最小值4片最小值单位 5 2.2 3.6 0.9 2.8 03 1.6 10 4.6 7.1 2.5 5.2 12 34V 15 6.8 10.8 4 7.4 16 5 表6-3TTL集成施密特触发器几个主要参数的典型值 器件型号延迟时间(ns)每门功耗(mW)Vr,(V)V-(V)A片(V) 74LS14 15 86 1.6 0.8 08 74LS132 15 8.8 1.60.8 0.8 741S13 165 875 16 0.8 0.8 集成施密特触发器不仅可以做成单输入端反相缓冲器形式，还可以做成多输入端 与非门形式，如CMOS四2输入与非门CC4093,TTL四2输入与非门74LS132和双 4输入与非门74LS13等。 6.3.3施密特触发器的应用举例 1.用作接口电路一一将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TL系统要求的脉冲波 形

9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y V V DD S S 2Y 2A 1 6 2 5 1Y GND 7 3Y 1A 3 4 3A V 9 12 C C 13 6Y 11 10 6A 4A 8 5Y 5A 4Y 14 (a) CC40106 (b)74LS14 图 6-4 集成施密特触发器 CC40106 和 74LS14 外引线功能图 表 6-2 集成施密特触发器 CC40106 的主要静态参数 电源电压 VDD VT+最小值 VT+最大值 VT－最小值 VT－最大值 ΔVT 最小值 ΔVT 最小值 单位 5 2.2 3.6 0.9 2.8 0.3 1.6 V 10 4.6 7.1 2.5 5.2 1.2 3.4 V 15 6.8 10.8 4 7.4 1.6 5 V 表 6-3 TTL 集成施密特触发器几个主要参数的典型值 器件型号 延迟时间（ns） 每门功耗（mW） VT+（V） VT－（V） ΔVT（V） 74LS14 15 8.6 1.6 0.8 0.8 74LS132 15 8.8 1.6 0.8 0.8 74LS13 16.5 8.75 1.6 0.8 0.8 集成施密特触发器不仅可以做成单输入端反相缓冲器形式，还可以做成多输入端 与非门形式，如 CMOS 四 2 输入与非门 CC4093，TTL 四 2 输入与非门 74LS132 和双 4 输入与非门 74LS13 等。 6.3.3 施密特触发器的应用举例 1．用作接口电路——将缓慢变化的输入信号，转换成为符合 TTL 系统要求的脉冲波 形

2.用作整形电路一一把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲 图6-5慢输入波形的TL系统接口 图6-6脉冲整形电路的输入输出波形 3.用于脉冲鉴幅一一将幅值大于V,的脉冲选出。 MDb一% 图6-7用施密特触发器鉴别脉冲幅度 6.4单稳态触发器 单稳态触发器的工作特性具有以下特点。 (1)它有一个稳定状态和一个暂稳状态 (2)在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态： (3)暂稳状态维持一段时间后，将自动返回到稳定状态。暂稳态的持续时间， 就是电路输出脉冲的宽度，它仅取决于电路本身的参数，而与触发脉冲 的宽度和幅度无关。 单稳态触发器常用于脉冲整形、定时（产生固定时间宽度的脉冲信号）及延时（产 10

10 2．用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。 MOS 1 CMOS 正弦波 1 振荡器 输入 输出 V V T + T - 图 6-5 慢输入波形的 TTL 系统接口 图 6-6 脉冲整形电路的输入输出波形 3．用于脉冲鉴幅——将幅值大于 VT+的脉冲选出。 0 0 V V I O VI VO V V T + T - t t 1 图 6-7 用施密特触发器鉴别脉冲幅度 6.4 单稳态触发器 单稳态触发器的工作特性具有以下特点。 （1） 它有一个稳定状态和一个暂稳状态； （2） 在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态； （3） 暂稳状态维持一段时间后，将自动返回到稳定状态。暂稳态的持续时间， 就是电路输出脉冲的宽度，它仅取决于电路本身的参数，而与触发脉冲 的宽度和幅度无关。 单稳态触发器常用于脉冲整形、定时（产生固定时间宽度的脉冲信号）及延时（产