1、第9章 脉冲单元电路,徐小红 计算机与信息学院电子系 图像信息处理研究室 通知：下周一（7月5日交第二本实验报告）,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
2、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）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
3、,用来产生和处理脉冲信号的电路。,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
4、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
5、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.
6、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
7、.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，,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,下限阈值电压,上限阈值电压,回差电压（滞后电压）：UT UTUT,前面介绍的施密特触发器的回差电压为： UTUTUTUT(UTUD)UD 0.7V 缺点是回差太小，且不能调整。优点是与非门G3的输出，可构成施密特传输门。,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
8、沿很陡的矩形脉冲信号。,9.2.1 施密特触发器,2.脉冲整形：,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
9、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。,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、集成单稳态触发器,9.2.2 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),0,0,1,1,1、微分型单稳态触发器,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，VA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
10、前，电路一直处于这个状态： uo11，uo20。,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。
11、,当uA上升到阈值电压UT时，G2的输出uo2由1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G1又返回到稳定的高电平输出。,uA随之向正方向跳变，加速了G2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uo11，uo20。,9.2.2 单稳态触发器,脉冲宽度：tp=0.7RC,UT,脉冲宽度的计算： 取UT=VDD/2,9.2.2 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，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门G1被ui封住了，会使uo2的下降沿变缓。,电路的改进,9.2.2 单稳态触发器,t1时刻：ui负跳
12、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。,2、积分型单稳态触发器,稳态时，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。,9.2.2 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。,9.2.2 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=VD
13、D/2,则有 tp=0.7RC 。,9.2.2 单稳态触发器,3、集成单稳态触发器,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。,9.2.2 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：,9.2.2 单稳态触发器,可重触发单稳态触发器。典型工作波形如图：,9.2.2 单稳态触发器,延迟与定时 整形,三、单稳态触发器的应用,9.2.2 单稳态触发器,延迟与定时,9.2.2 单稳态触发器,整形,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
14、、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、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）,9.2.3 多谐振荡器,1、电容正反馈多谐振荡器,9.2.3 多谐振荡器,在t1时刻，ui1上升到UT，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，于是ui2（uo1）由1变为0。 ui2
15、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，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,9.2.3 多谐振荡器,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，维持ui2（uo1）的高电平。这个高电平保持uo为0。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,9.2.3 多谐振荡器,第二暂稳态及其自动翻转的工作过程,在t2时刻，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
16、。 在t3时刻，ui1上升到UT，使uo（ui1）又由0变为1，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。,9.2.3 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,9.2.3 多谐振荡器,2、RC环形多谐振荡器,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。,9.2.3 多谐振荡器,在t1时刻， ui3 下降到UT，ui1（uo）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
17、平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。,9.2.3 多谐振荡器,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,9.2.3 多谐振荡器,在t2时刻，ui3上升到门电路的阈值电压UT，使uo（ui1）由1变为0，uo1（ui2）由0变为1，uo2由1变为0。,第一暂稳态及其自动翻转的工作过程,同样由于电容电压不能跃变，故ui3跟随ui2发生正跳变。这个高电平保持uo为0。 至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。,9.2.3 多谐振荡器,第二暂稳态及其自动翻转的工作过程,在t2时刻，uo2变为低电平，电容C开始通过电阻R放
18、电。随着放电的进行，ui3逐渐下降。,在t3时刻，ui3下降到UT，使uo（ui1）又由0变为1，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。,9.2.3 多谐振荡器,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：T2.2RC,9.2.3 多谐振荡器,3、用施密特触发器构成多谐振荡器,电容上初始电压为零，所以输出为高电平，并开始经电阻R向电容充电。,9.2.3 多谐振荡器,1) 当充至VT+时，输出跳变为低电平，电容C又经R开始放电。 2) 当放至VT-时，输出又跳变为高电平，电容C又经R开始充电。周而复始，形成如图工作波形。,9.2.3 多谐振荡器,若采用CMO
19、S施密特触发器，则,9.2.3 多谐振荡器,秒信号发生器,多谐振荡器,分频电路,三、多谐振荡器的应用,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,9.3 555定时器及其应用,9.3.1 555定时器的电路结构 9.3.2 555定时器构成施密特触发器 9.3.3 555定时器构成单稳态触发器 9.3.4 555定时器构成多谐振荡器,9.3.1 555定时器的电路结构,一、组成与特点 二、工作原理 三、说明,9.3.1 555定时器的电路结构,一、组成与特点,国产CB555的结构框图：,它由三个5K电阻 构成分压器、,比较器C1
20、和C2、,基本RS触发器,集电极开路输出三极管TD,1、接地端，2、触发输入端，3、输出端，4、输出清零端，5、控制电压端，6、阈值输入端，7、放电端，8、电源端。,18端子分别称为：,9.3.1 555定时器的电路结构,相当于：,C1出1；,C1出0。,比较电压：,又称参考电压或基准电压,9.3.1 555定时器的电路结构,相当于：,C2出0；,C2出1。,由C2同相输出。,9.3.1 555定时器的电路结构,二、工作原理,0,0,1,9.3.1 555定时器的电路结构,0,1,1,0,0,2VCC/3,VCC/3,9.3.1 555定时器的电路结构,2VCC/3,VCC/3,1,1,0,0
21、,1,9.3.1 555定时器的电路结构,2VCC/3,VCC/3,1,0,0,1,1,9.3.1 555定时器的电路结构,输 入,过 渡,输 出,vI1,vI2,Q,TD状态,0,X,X,X X,导通,1,导通,1,截止,1,保 持,表 1 CB555功能表（ vCO端悬空时）,工作原理见表1,0,1,1,0,1,1,0,1,0,1,1,0,9.3.1 555定时器的电路结构,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,9.3.1 555定时器的电路结构,当vCO端接有UCO 时：,VREF2 =,VREF1 =,UCO、,所有结论仍成立。,UCO ，,三
22、、说明,9.3.2 555定时器构成施密特触发器,1、电路组成 2、工作原理 3、电压波形,9.3.2 555定时器构成施密特触发器,1、电路组成,9.3.2 555定时器构成施密特触发器,(1)当ui=0时，VI1=VI2VCC/3，uo=1。,2、工作原理,此后，ui升高，在未达到2VCC/3以前，uo=1的状态不会改变。,9.3.2 555定时器构成施密特触发器,(2)当ui升高到2VCC/3时， VI1=VI22VCC/3， uo=0。,此后，ui上升，然后再下降，但在未降到VCC/3以前，uo=0的状态不会改变。,9.3.2 555定时器构成施密特触发器,(3)当ui下降到VCC/3
23、时， VI1=VI2VCC/3，uo=1。,此后， ui继续下降，然后再上升，但在未达到2VCC/3以前，uo=1的状态不会改变。,9.3.2 555定时器构成施密特触发器,可见，实现了波形变换。两个稳态的保持依赖于输入信号， 具有回差和连续波触发的特点。,3、电压波形,9.3.3 555定时器构成单稳态触发器,1、电路组成 2、工作原理 3、电压波形,9.3.3 555定时器构成单稳态触发器,1、电路组成,9.3.3 555定时器构成单稳态触发器,单稳态触发器工作波形,2、工作原理,要求触发信号 为负的窄脉冲,C,UC,U6,（UC）,U2,（UI）,UO,（Q）,TD,说 明,充电,0,导
24、通,稳态：UO =0,放电,保 持,接通VCC 不触发UI=1,0,1,截止,暂态：UO =1,充电,0,导通,返回：UO =0,放电,保 持,UI =1,无电荷,触发,9.3.3 555定时器构成单稳态触发器,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）,触发, UO=1,9.3.3 555定时器构成单稳态触发器,3、电压波形,TWRC ln3 = 1.1RC,注意；第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。,9.3.4 555定时器构成多谐振荡器,1、电路组成 2、工作原理 3、电压波形 4、
25、电路计算 5、占空比,9.3.4 555定时器构成多谐振荡器,1、电路组成,9.3.4 555定时器构成多谐振荡器,2、工作原理,9.3.4 555定时器构成多谐振荡器,9.3.4 555定时器构成多谐振荡器,UC,U6,U2,UO,TD,起始时,0,1,截止,C充电,0,导通,C放电,1,截止,循环往复，直到关机。,9.3.4 555定时器构成多谐振荡器,总之：起始时，UC=0，UO=UOH,UO 在 UOLUOH 之间振荡,充电回路：VCC+R1R2 C VCC-（充电慢）,放电回路：C+ R2 TD C -（放电快）,以后,9.3.4 555定时器构成多谐振荡器,3、电压波形,tw1,t
26、w2,9.3.4 555定时器构成多谐振荡器,4、电路计算,9.3.4 555定时器构成多谐振荡器,q 始终大于50%,5、占空比,555定时器应用举例,延时报警器 模拟声响电路,555定时器应用举例,下图是用555定时器接成的延时报警器。当开关S断开后，经过一定的延迟时间后扬声器开始发出声音。试求延迟的时间TD和扬声器发出声音的频率f。,UO1,UO2,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。,延时报警器,555定时器应用举例,工作波形：,S闭合,S断开,S闭合,VCC,喇叭响,TD,TO2=0.69 (R1+2R2 ) C= 0.69 (5 +25 ) 103 0.0110-6103.5S,fO2 9.66KHZ,U6、U2,TO2,555定时器应用举例,模拟声响电路,两个555定时器均接成多谐振荡器。将振荡器的输出电压uo1，接到振荡器中555定时器的复位端（4脚），当uo1为高电平时振荡器振荡，为低电平时555定时器复位，振荡器停止震荡。,作业,
