电子技术课件第八章施密特触发器和单稳态触发器的逻辑
电子技术基础(数字部分)
= 0V
C
电容充电
vC vO
vI
当 v I =V 时， TH
vI
v O1
迅速使G1导通、 G2截止
vO1 =0 vO2=1 电路进入第二暂态
G1 TP D1 vI D2 TN R vO1 D3 充电 vO2 D4 TN TP G2 VDD
v O 1=0
vI
VDD VTH 0
Байду номын сангаас
v O =1
t
vO
C
VDD 0
Q L L L L
Q
H H H H
不可触发，保持稳态不变
B为高电平，且A1、A2中有一个 或两个为下降沿， 剩下的为高 电平时电路被触发 A1、A2中有一个或两个为低电平，
L
L
在B端输入上升沿时电路被触发
输入控制电路中锁存器的作用？
A1和A2是两个下降沿有效的触发信号输入端，B是上升沿有效的触发信号输入端。
G1 vI G2 vO1 R
G1 G2 TP D3 v O1 D2 TN TN vO +VDD
1
1
C
vO
D1
TP
vI
R
D4
组成的多谐振荡器
VC C
2. 工作原理
（1）第一暂稳态（初态）电容充电，电路自动翻转到第二暂稳态 电路初态：v =1 v O =0 （是偶然的） v 假定 VTH VDD / 2
CMOS或非门构成的微分型 单稳态触发器
稳态为0
vO1 vO 1 D vI2 vC R VDD C G2
vO 1 D vI2 R
G1 1 vI Cd vd Rd
G1 & vI Cd vd Rd
单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器的功能简介
三．单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器的功能简介图9.1.3给出了这三种器件的相关信号波形，以下，通过对这些信号波形的讲解，来简介这三种电路的功能特点。
图9.1.3 脉冲波形的产生与整形电路的相关信号波形（a ）单稳态触发器 （b ）多谐振荡器 （c ）施密特触发器1. 单稳态触发器用于生成单稳态脉冲的电路，称为单稳态触发器，图9.1.3（a ）为其输出电压波形。
分析图9.1.3（a ）可知，单稳态触发器的输出状态波形上，存在一个稳态和一个暂稳态（简称：暂态）。
具体而言，输出信号长期保持在稳态0上，某时刻，出现输入触发信号，则输出状态从稳态0翻转到暂稳态1，并维持一段时间（脉冲宽度）后，再回到稳态0。
并且，持续时间与输入激励无关，仅由电路自身的参数决定。
2. 多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡电路，无稳态电路，只要接通电源后，无需外加输入激励信号，输出端就会产生图9.1.3（b ）所示的矩形脉冲信号。
由于矩形脉冲包含有丰富的谐波分量，所以习惯上将这种自激振荡电路称为多谐振荡器，常常用做时钟脉冲发生器，后级再配合一定的分频电路，可以为一个数字电路系统中，各个单元提供频率不同的时钟信号，使整个系统按合理的时序关系协调工作。
并且，多谐振荡器的输出矩形脉冲的高电平、低电平持续时间 的大小，可以通过调节电路自身的参数来方便地改变。
3. 施密特触发器施密特触发器（Schmitt Trigger ）是一种常用的脉冲波形变换电路，图9.1.3（c ）所示为一种施密特触发器典型的输出、输出信号对应关系。
观察图9.1.3（c ），从逻辑关系上看，所示的施密特触发器实现的是非逻辑，可称为“反相施密特触发器”，但具有与普通非门不同的特点：W t W t 21T T 、★ 输入信号上升过程中，输出状态翻转时对应的输入电平，与输入信号下降过程中，输出状态翻转时对应的输入电平 的大小不同，而普通非门的两者是相同的。
此特点通俗讲，即施密特触发器实现非逻辑，但输入信号上升沿和下降沿上，信号0、1分界点不同。
用门电讲义路构成的施密特触发器
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为了提高电路的性能，电路在施密特触发器
的基础上，增加了整形级和输出级。
整形级可以施使密特输触出发波反形相的器边沿更加陡峭，
21.01.2(02a输1) 原出理级框可图以(b提) 电高压电传路输的特性负载(c)能逻力辑。符号
13
2. 施密特触发与非门电路
为了对输入波形进行整形，许多集成门电路采 用了施密特触发形式。
7
当uI=0V时， G1截止、G2导通，输出为UOL， 即uO=0V。只要满足uI1＜UTH，电路就会处于这种 状态（第一稳态）。
当uI上升，使得uI1 =UTH时，电路会产生如下正 反馈过程：
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8
电 路 会 迅 速 转 换 为 G1 导 通 、 G2 截 止 ， 输 出 为 UOH，即uO=VDD的状态（第二稳态）。此时的uI值 称为施密特触发器的上限触发转换电平UT+。显然， uI继续上升，电路的状态不会改变。
获得脉冲波形的方法主要有两种： 1．利用脉冲振荡电路产生； 2．是通过整形电路对已有的波形进行整形、变 换，使之符合系统的要求。
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3
以下主要讨论几种常用脉冲波形的产生与变换 电路：（功能、特点及其主要应用简介）
1. 施密特触发器：主要用以将非矩形脉冲变换 成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲；
施密特触发器将三角波uI变换成矩形波uO。
下限触发转 换电平UT－
上限触发转 换电平UT+
施密特触发器的工作波形及电压传输特性
3回改.21.差变01重.20ΔR（21要U1a和）T参=R工数U2作的T波+大－形小UT可－以（改通（变常b）回U电T差+压＞Δ传UU输TT－特）性
6.3~7单稳态触发器和施密特触发器
7 5KΩ
截止 (地) 地1
由555定时器组成的单稳态触发器工作原理 555定时器组成的单稳态触发器工作原理 +UCC R1 5 6 ui
1
UCC 8
5KΩ
4 (复位端 复位端) 复位端
∞ 0 1
RD Q SD Q
VA
5KΩ
+ C1+ +
0 稳定状态 1 0 1
2
VB
T
∞ 0 1
C2+
3uO Q=1 Q=0
RD=1 SD=1
t
保持" 保持"0" 态
+UCC R
ui
RD=0 SD=1 Q=0 t Q=1
μ 0.01 F
ui uC
C RD=1 SD=0
. .
Q=1
5 8 4 6 3 2 71
uO
2/3UCC
uC uO
.
t
暂稳态
T截止 截止 Q=0 C充电 充电 因此暂稳态的长短 取决于RC时间常数 取决于 时间常数
+ ∞u 0 +
-
控 制 逻 辑
时钟
�
1. 转换原理 (待转换的模拟电压) UI 待转换的模拟电压) 试探电压 UA
D/A转换器 D/A转换器 清0,置数 砝码是 否保存 数码寄存器 "1"状态是否保留 控制端 清0,置数 顺序脉冲发生器 放哪一 个砝码 N位A/D转换器,转换一次需要n+2个时钟脉冲周期 A/D转换器 转换一次需要n+2个时钟脉冲周期 转换器, CP(移位命令 CP(移位命令) 移位命令)
uc
>2/3 UCC
7 5KΩ
单稳态触发器与施密特触发器原理及应用
单稳态触发器与施密特触发器原理及应用1.单稳态触发器的原理：单稳态触发器，也称为单稳多谐振荡器，是一个能够在输入信号发生变化时，产生一个固定时间的输出脉冲的元件。
它有两个稳态，一个是触发态，另一个是稳定态。
在触发态时，输出保持一个较低的电平；在稳定态时，输出保持一个较高的电平。
当输入信号发生变化时，触发器进入触发态并产生一个固定宽度的输出脉冲，然后返回稳定态。
单稳态触发器的原理是通过RC电路的充放电过程实现的。
当输入信号变为高电平时，电容开始充电，直到电压达到了触发器的门限电压。
这时，触发器进入稳定态。
而当输入信号变为低电平时，电容开始放电，直到电压降到触发器的触发电平。
这时，触发器进入触发态并产生一个固定宽度的输出脉冲。
2.单稳态触发器的应用：-消抖器：将机械开关产生的抖动信号转换为一个稳定的输出信号。
-一次性多谐振荡器：使用单稳态触发器的稳定脉冲输出来控制多谐振荡器的频率，实现一个稳定的脉冲输出。
-电平传递：将一个短时脉冲信号转换为一个稳定的电平信号输出。
3.施密特触发器的原理：施密特触发器，又称为滞回比较器，是一种具有正反馈的比较器。
它的输入信号必须经过两个不同的阈值电平才能改变输出状态。
施密特触发器有两个稳态，一个是高稳态，另一个是低稳态。
当输入信号超过上阈值电平时，触发器从低稳态切换到高稳态；当输入信号低于下阈值电平时，触发器从高稳态切换到低稳态。
施密特触发器的原理是利用正反馈产生滞回特性。
当输入信号超过上阈值电平时，正反馈会加强这个变化，使得输出电平更快地从低电平切换到高电平。
而当输入信号降低到下阈值电平时，正反馈会加强这个变化，使得输出电平更快地从高电平切换到低电平。
4.施密特触发器的应用：施密特触发器常用于数字信号处理中的滤波和门控电路等应用。
具体应用包括：-模数转换器：将模拟信号转换为数字信号时，需要滤除输入信号中的噪声和抖动。
施密特触发器可以用来实现这个滤波功能。
-数字信号选择器：当多个数字信号输入时，施密特触发器可以用来实现对一些信号的优先级选择。
第八章习题解答
习题八答案1． 试比较多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的工作特点，并说明每种电路的主要用途。
答：多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，它没有稳定状态，只有两个暂稳态。
暂稳态间的相互转换完全靠电路本身电容的充电和放电自动完成。
改变外接R 、C 定时元件数值的大小，可调节振荡频率。
施密特触发器具有回差特性，它有两个稳定状态，有两个不同的触发电平。
施密特触发器可将任意波形变换成矩形脉冲，输出脉冲宽度取决于输入信号的波形和回差电压的大小。
单稳态触发器有一个稳定状态和一个暂稳态。
输入信号起到触发电路进入暂稳态的作用，其输出脉冲的宽度取决于电路本身 R 、C 定时元件的数值。
改变 R 、C 定时元件的数值可调节输出脉冲的宽度。
多谐振荡器是常用的矩形脉冲产生电路。
施密特触发器和单稳态触发器是两种常用的整形电路。
施密特触发器可用来进行整形、幅度鉴别、构成多谐振荡器等。
单稳态触发器常用于脉冲的延时、定时和整形等。
２．在图8.2所示５５５集成定时器中，输出电压uo 为高电平ＵＯＨ、低电平ＵＯＬ及保持原来状态不变的输入信号条件各是什么？假定ＵＣＯ端已通过0.01μF 接地，u D 端悬空。
答：当1=R 时， TR U <3V CC ，则C 2输出低电平， 1=Q ，OH o U u =。
当1=R 时， TH U >32V CC ，TR U >3V CC ，则C 1输出低电平、C 2输出高电平，1=Q 、0=Q ，OL o U u =。
当1=R 时， TH U <32V CC，TR U >3V CC ，则C 1C 2输出均为高电平，基本RS 触发器保持原来状态不变，因此o u 保持原来状态不变。
３．在图8.3所示多谐振荡器中，欲降低电路振荡频率，试说明下面列举的各种方法中，哪些是正确的，为什么？1） 加大R 1的阻值； 2） 加大R 2的阻值； 3） 减小C 的容量。
答：根据式（8-2）()ln221121C R R T f +==可知，1）2）两种方法是正确的。
单稳态触发器
2.按工作特点
可重复触发单稳态触发器
一、用CMOS门电路组成的微分型单稳态触发器
1. 电路 CMOS与非门构成的微分型 单稳态触发器 稳态为1
vO1 G1 & vI Cd vd Rd vO 1 D vI2 R G2
vI
CMOS或非门构成的微分型 单稳态触发器
稳态为0
vO1 G1 ≥1 Cd vd Rd 1 Dv I2 v C R VDD C vO G2
8.2 施密特触发器
施密特触发器电压传输特性及工作特点：
1.施密特触发器属于电平触发器件，当输入信号达到某一定电压 值时，输出电压会发生突变。 2.电路有两个阈值电压。输入信号增加和减少时，电路的阈值电压
分别是正向阈值电压（VT+）和负向阈值电压（VT-） 。
vO VOH
1
vo VOH
vO vI
1
t
vI
Cd
tw
0 t1 t2 t
vd Rd
D vI2 v C R VDD
3.主要参数的计算
tW
⑴ 输出脉冲宽度tw C ( )C ( 0 ) RC ln C ( ) V TH
vI 0 vd 0 vO
1
t
vC(0+) = 0；vC() =VDD =RC, VTH = VDD /2 V DD 0 t w RC ln V DD V TH = RCln2
vI
vO
VOL o VT- VT+ vI
VOL O
VT－ VT+
vI
同相输出施密特触发器
反相输出施密特触发器
一、用门电路组成的施密特触发器
1.电路组成
R2 R1 G1 1 G2 1 vO vO1
施密特触发器
施密特触发器实验 3.9 施密特触发器及其应⽤⼀、实验⽬的1．掌握施密特触发器的特点。
2．学会测试集成施密特触发器的阈值电压。
3．了解施密特触发器的应⽤。
⼆、实验原理1．施密特触发器施密特触发器⼜称施密特反相器，是脉冲波形变换中经常使⽤的⼀种电路。
它在性能上有两个重要的特点：第⼀，输⼊信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输⼊电平，与输⼊信号从⾼电平下降过程中对应的输⼊转换电平不同。
第⼆，在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。
利⽤这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，⽽且可以将叠加在矩形脉冲⾼、低电平上的噪声有效地清除。
施密特触发器可以由门电路构成，也可做成单⽚集成电路产品，且后者最为图3.9.1 CMOS施密特触发器逻辑符号及施密特电路的电压传输特性曲线226227常⽤。
图3.9.1是CMOS 集成施密特触发器CD40106逻辑符号与电压传输特性曲线。
2．施密特触发器的应⽤⑴⽤于波形变换利⽤施密特触发器状态转换过程中的正反馈作⽤，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。
图3.9.2的例⼦中，输⼊信号是由直流分量和正弦分量叠加⽽成的，只要以信号的幅度⼤于V T+即可在施密特触发器的输出端得到同频率的矩形脉冲信号。
图3.9.2 ⽤施密特触发器实现波形变换⑵⽤于脉冲的整形在数字系统，常常需要将窄脉冲进⾏展宽，图3.9.3是⽤CD40106来展宽脉冲宽度的电路及输⼊、输出波形，它是利⽤R 、C 充电延时的作⽤来展宽输出脉冲的，改变R 、C 的⼤⼩，即可调节脉宽展宽的程度。
V I V t （ms ）t （ms ）228图图 3.9.3 施密特触发器实现窄脉冲展宽电路及其波形⑶⽤于单稳态触发器单稳态触发器的⼯作特性具有如下的显著特点：第⼀，它有稳态和暂稳态两个不同的⼯作状态；第⼆，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，再⾃动返回稳态；第三，暂稳态维持时间的长短取决于电路本⾝的参数，与触发脉冲的宽度和幅度⽆关。
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UuCC
发器状态翻转，uO 跃变为低电平 UOL。
E析NUU时OT=TE省+-1N略时=它，0。时不，影u响O振= 荡1t，器多电这阻翻谐路时转R振O工，当C荡放作u经u器O电C，重R下不，下新和降工使面跃施到作u分变密C；U下为特T-降高触时。电发，平器触的U发O输器H，出又电
触发器。
uI
输
入
暂稳态期间
单
波 形
不能再次触发。
稳
下O面通过工作波形的分析来说t 明可
工 作 波 形 举 例
单 稳 输 出 波 形
不可重重区复别触。uO发型和不可重复触发型触时发，器触输的出发翻脉转冲为到暂来
复
tW
tW
稳态，经暂稳态持
触
发 型
O
续时间 tW 后重新自 外触发脉冲未来 动t回到稳态。
TR-A TR-B TR+
一般接法
Q
RI CX RX/CX
单可 稳重 输复 出触
uO 时，输出为稳态。
tW
tW
暂稳态期间能再 次触发。其输出脉宽 将在原暂稳态时间基 础上再展宽 tW 。
波发
形型 O
t
(二)8.4.2集成单稳态触发器
1. TTL 不可重复触发型单稳态触发器 CT74121 的逻辑符号 外接元件和连线少，触发方式灵活，既可用输
触发信有入分号3 方脉个输便冲，的而正TR且跃-A工变作触稳发定，性又好可。用因负此跃应变单用触稳很发不的广，可限泛使重定。用复符十触号发型
是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容 元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多 谐振荡器等，使用方便、灵活，应用广泛。
8.3施密特触发器
Schmitt Trigger
(一)施密特触发器的特性和符号
uO UOH
UOL
O
UT-
负向阈值电压
时使，输经出当经出过发u过发当生IU从U生T跃Tu大+跃-I处变处从减变才。才小小。u能能增I 使大输时，
通常取 5 ~ 10 M，使 G1 门工作在电压传输特性的转折
G1
G2
区，使 G1 门放大工作。
uO
采用 CMOS 门
改善输出波形的前沿和后
沿，使输出较理想矩形波。
C1
C2
并联石英晶体多谐振荡器
振荡频率 晶体频率
振荡产生电路 选频和形成正反馈。
调节 C1 可微调振荡频率； 调节 C1、C2 比值可调节反馈系数。
uO
UT+
uI
正向阈值电压
具有施密特特 性的与非门符号
回差电压 UT = UT+ - UT-
施密特触发 器工作特点
(1)允许输入信号为缓慢变化的信号。 (2)有两个阈值电压。 (3)有两个稳态。
(二)施密特触发器应用举例
波形变换 uI UT+ UT-
O uO UOH
UOL O
将三角波、正弦波和其它 不规则信号变换成矩形脉冲。
uI > UT+ 后，uO = UOL, 只有当 uI下降到经过 UT时，uO 才会发生跃变。
t uI < UT-后，uO = UOH只
有当 uI 上升到经过 UT+时， uO 才会发生跃变。
t
脉冲整形
uI UT+ UT-
O uO
将受到干扰的或不符合边沿要求 的信号整形成较好的矩形脉冲。
t
O
t
脉冲幅度鉴别
通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替， 从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。
G
uO
(三 二)施密特触发器组成的多谐振荡器
R
工作原理
uuCC≥≤EUUNTT++-0 uC- C
充充电电 UUUuOOOOHHL
设电容初始电压 uC(0) = 0。则接 通电源后 uO 输出高电平 UOH，输出端 通过 R 向电容 C 充电，使 uC 升高。
uO
电路又充电。
UOH
UOL O
振荡频率与充放电t 路元便件电产在到值容生到达R如了C达C、U充此振放TCU-电周荡T电及之+ ，之而，前V使前复输D使Duuu始出、OuCOC=地周U上=下UT充期U升+降O、OL电性，。H，U。和矩T在-放形有电波关，。。电
(四)石英晶体多谐振荡器
振荡频率稳定
RF
入端，TR-A
TR-B
和 TR-B 用负 脉冲触发，
TR+
TR+ 用正脉 冲触发。
RI CX RX/CX
Q
Q 有 2 个互补输出端
“×”号表示非逻
外接定时元件端
辑连接，即没有任何逻 Rint Cext Rext/Cext 辑信息的连接，例如外 接 R、C 和 VCC 等。
如何使用 Rint、Cext 和 Rext / Cext 端？
获取脉冲信 号的方法
用多谐振荡器直接产生。 用整形电路对已有波形进行整形、变换。
施密特触发器常用的非有矩施主形密要脉特用冲触以变发换将器成缓和陡慢单峭变稳化的态或矩触快形发速脉器变冲。化的
单稳态触发器
主要用以将宽度不符合要求的脉 冲变换成符合要求的矩形脉冲。
脉冲信号产生与 整形电路的实现
用门电路构成。 用专用的集成电路。 用 555 定时器构成。
8.4 单稳态触发器
monostable flip-flop
(一)工作特点与电路符号
工
有一个稳态和一个暂稳态。无外触发脉冲
作
输入时，电路处于稳态；在外触发脉冲作用下， 电路将从稳态翻转到暂稳态，经一段时间后，
特 电路又自动返回到原来的稳态。
点
暂稳态时间长短取决于电路本 身的参数，与外加触发脉冲无关。
8.1 概 述
本章主 了解多谐振荡器的常用电路及其工作原理。 了解施密特触发器和单稳态触发器的逻辑 功能、工作特点和典型应用。 了解 555 定时器的电路结构，掌握其符号和功能。
掌握用 555 定时器构成施密特触发器、单稳态 触发器和多谐振荡器的方法。
脉冲信号产生与整形的方法
uI UT+ UT-
O uO UOH
UOL O
鉴别并取出幅度 大于 UT+ 的脉冲。 t
t
8.5多谐振荡器
Astable Multivibrator
(一)多谐振荡器的工作特点和符号
即距形脉冲产生电路，由于距形脉冲中 工作含特有点丰富(的1)谐不波需分输量入，信故号常。称多谐振荡器。
(2)无稳定状态，只有两个暂稳态。
不
暂稳态期间如再次被触发，对原暂稳时
可 间无影响，输出脉冲宽度 tW 仍从第一次触发
单 重 开始计算。
稳
复 触
1
态 发 uI
限定符号“1 ” uO 表示不可重复触发型单稳
触型
态触发器。
发可
暂稳态期间如再次被触发，输出脉冲宽
器
重 复
度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽 tW 。
触 发 uI 型
限定符号“ ”表 uO 示可重复触发型单稳态