脉冲信的变换与产生(第课件

1、第第8章章 脉冲波形的脉冲波形的变换与产生变换与产生学习要点：学习要点：单稳态触发器、施密特触发器、多谐振单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器、以及荡器、以及555定时器的工作原理及逻辑定时器的工作原理及逻辑功能功能由由555定时器构成多谐、单稳、施密特触定时器构成多谐、单稳、施密特触 发器的方法发器的方法第第8章章 脉冲波形的脉冲波形的变换与产生变换与产生8.1 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器在数字电路中一般用于单稳态触发器在数字电路中一般用于（产生一定（产生一定宽度的矩形波）、宽度的矩形波）、（把不规则的波形转换成宽度、幅（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及度都相等的

2、波形）以及（把输入信号延迟一定时间后（把输入信号延迟一定时间后输出）等。输出）等。单稳态触发器具有下列特点：单稳态触发器具有下列特点：（1）电路有一个稳态和一个暂稳态，没有触发脉冲作用时，）电路有一个稳态和一个暂稳态，没有触发脉冲作用时，电路处于一种稳态。电路处于一种稳态。（2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。（3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中）暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延延时环节的作用，电路的暂稳态维持一段时间后，自动返回到时环节的作用，电路的暂稳态维持一段时间后，自动返回到稳态。暂稳态的持续时间

3、与触发脉冲无关，仅决定于电路中稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路中RC的参数值。的参数值。8.1.1 用用CMOS门电路组成的微分型门电路组成的微分型单稳态触发器单稳态触发器（1）没有触发信号时电路工作在稳态）没有触发信号时电路工作在稳态 当没有触发信号时，当没有触发信号时，vI为低电平。因为门为低电平。因为门G2的输入端经电阻的输入端经电阻R接至接至VDD，vI2为高电平，因此为高电平，因此vO为低电平；门为低电平；门G1的两个输入均的两个输入均为为0，其输出，其输出vO1为高电平，电容为高电平，电容C两端的电压接近为两端的电压接近为0。这是电路。这是电路的稳态，在触发信号到

4、来之前，电路一直处于这个状态：的稳态，在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：vO11，vO01 1、电路组成及工作原理电路组成及工作原理0011（2）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态 当正触发脉冲当正触发脉冲vI到来时，门到来时，门G1输出输出vO1由由1变为变为0。由于电容。由于电容电压不能跃变，电压不能跃变，vI2也随之跳变到低电平，使门也随之跳变到低电平，使门G2的输出的输出vO由由0变变为为1。这个高电平反馈到门。这个高电平反馈到门G1的输入端，此时即使的输入端，此时即使vI的触发信号的触发信号撤除，仍能维持门撤除，仍能维持门G1的低电平输

5、出。但是电路的这种状态是不的低电平输出。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，能长久保持的，所以称为暂稳态。暂稳态时， vO10，vO1。110100001脉冲宽度：脉冲宽度：tW0.7RCVth0t1t2VDD+ Vth（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态 在暂稳态期间，在暂稳态期间，VDD经经R和和G1的导通工作管对的导通工作管对C充电，随着充充电，随着充电的进行，电的进行，C上的电荷逐渐增多，使上的电荷逐渐增多，使vI2升高。当升高。当vI2上升到阈值电上升到阈值电压压Vth时，时，G2的输出的输出vO由由1变为变为0。

6、由于这时。由于这时G1输入触发信号已经输入触发信号已经过去，过去，G1的输出状态只由的输出状态只由vO决定，所以决定，所以G1又返回到稳定的高电又返回到稳定的高电平输出。平输出。vI2随之向正方向跳变，加速了随之向正方向跳变，加速了G2的输出向低电平变化。的输出向低电平变化。最后使电路退出暂稳态而进入稳态，此时最后使电路退出暂稳态而进入稳态，此时vO11，vO0。1 /I2I2I2I2e)()0()()(tvvvtv以以t1作为时间起点，则有：作为时间起点，则有：RCtVVVVVRCtttvvvtvRCVtvVvvttttt7 . 021lne)0()()0()()()(0)0(WDDthth

7、DDDD12W/ )(I2I2I22I2th2I2DDI2I212W12时，则当 2 2、主要参数的计算主要参数的计算输出脉冲宽度输出脉冲宽度tW的计算的计算电路的改进电路的改进 当当vI的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个一个RC微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门时，由于门G1被被vI封住了，会使封住了，会使vO的下降沿变缓。的下降沿变缓。 ui C uA 1 1 uo2 R G1 G2 uo1 VDD Cd Rd vIvO1 vI2vO2 在暂稳态结束瞬间，门在暂稳态结束瞬间，门G2的输

8、入电压的输入电压vI2达到达到VDD+Vth，可能会损坏，可能会损坏CMOS门，因此在电阻两端并上门，因此在电阻两端并上保护二极管，因此保护二极管，因此vI2的电压被钳位在的电压被钳位在VDD+0.6V。 3 3、讨论讨论1vO uA uo2 ui C 1 1 (a) 电路电路 (b) 波形波形 R G1 G2 uo1 VDD ui uo1 uA uo2 t t t t VDD VT 0 0 0 0 tP 稳态时，稳态时，ui1，G1、G2均导通。均导通。uo10，uA0，uo20。ui负跳变到负跳变到0时，时，G1截止，截止，uo1随之跳变到随之跳变到1。由于电容电压不。由于电容电压不能跃变

9、，能跃变，uA仍为仍为0，故门，故门G2截止，截止，uo2跳变到跳变到1。在。在G1、G2截止时，截止时，C通过通过R和和G1的导通管放电，使的导通管放电，使uA逐渐上升。当逐渐上升。当uA上升到管子的上升到管子的开启电压开启电压UT时，如果时，如果ui仍为低电平，仍为低电平，G2导通，导通，uo2变为变为0。当。当ui回回到高电平后，到高电平后，G1导通，导通，C又通过又通过R和和G1的导通管充电，电路恢复的导通管充电，电路恢复到稳定状态。到稳定状态。2 2、积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器vIvOvOvItWtWtWtWt不可重复不可重复触发触发可重复可重复触发触发8.1.2 集成单稳

10、态触发器集成单稳态触发器74121的输出脉冲宽度的输出脉冲宽度tW0.7RC(a) 74121的引脚排列图的引脚排列图141312111098741211234567Rext/ CextVCCNC NCCextRintNC A1QQA2GNDBNC A1、A2是两个下降沿有是两个下降沿有效的触发信号输入端，效的触发信号输入端，B是上是上升沿有效的触发信号输入端。升沿有效的触发信号输入端。Q和和Q是两个状态互补的输出是两个状态互补的输出端。端。Rext/Cext、Cext是外接定时是外接定时电阻和电容的连接端，外接电阻和电容的连接端，外接定时电阻定时电阻R（R=2k30k）接在接在VCC和和Re

11、xt/Cext之间，外之间，外接定时电容接定时电容C（C=10pF10F）接在）接在Ce x t（正）和（正）和Rext/Cext之间。之间。74121内部已设内部已设置了一个置了一个2k的定时电阻，的定时电阻，Rint是其引出端，使用时只需是其引出端，使用时只需将将Rint与与VCC连接起来即可，连接起来即可，不用时则应将不用时则应将Rint开路。开路。1 1、不可重复触发的集成单稳态触发器不可重复触发的集成单稳态触发器74121的逻辑图的逻辑图QQ74121定时电容器、电阻器的连接定时电容器、电阻器的连接VCCCextRext/CextA1A2BQCRext74121RintVCCGNDQ

12、10 11 9 14761345(a) 使用外接电阻使用外接电阻Rext的电路连接的电路连接VCCCextRext/CextA1A2BQC74121RintVCCGNDQ10 11 9 14761345(b) 使用内部电阻使用内部电阻Rint的电路连接的电路连接HHHHQLLLLHHLHHHLHH LLHHLQBA2A1输输 出出输输 入入74121功能表功能表74121的工作波形的工作波形2 2、可重复触发的集成单稳态触发器可重复触发的集成单稳态触发器MC14528的逻辑图的逻辑图TR+TRRDQQMC14528功能表功能表输输 出出清除清除禁止禁止禁止禁止单稳单稳单稳单稳HHHLLLLLH

13、HLHHQQTRTR+RD功能功能输输 入入MC14528的工作波形的工作波形TR+TRQMC14528的工作波形的工作波形TR+TRQt+tw8.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用定时定时 vO & vI vA vO (a) 电电路路示示意意图图 (b) 波波形形图图 单单稳稳态态触触发发器器 vO vO vI vA tw tW延时延时VCCCextRext/CextA1A2BC1R174121(0)CextRext/CextA1A2BC2R274121(1)VCCVCCvOQQvO0vIVCCCextRext/CextA1A2BQCR74121Q1DRC1QvIvOvIv

14、OQ噪噪声声消消除除电电路路噪声噪声tWVCCCextRext/CextA1A2BQC1R174121()Q1CextRext/CextA1A2BQC2R274121()VCCVCCVCCSVCCvOQ2单稳态触发器构成多谐振荡器单稳态触发器构成多谐振荡器0000VCCCextRext/CextA1A2BQC1R174121()Q1CextRext/CextA1A2BQC2R274121()VCCVCCVCCSVCCvOQ20010 0VCCCextRext/CextA1A2BQC1R174121()Q1CextRext/CextA1A2BQC2R274121()VCCVCCVCCSVCCvO

15、Q2110010VCCCextRext/CextA1A2BQC1R174121()Q1CextRext/CextA1A2BQC2R274121()VCCVCCVCCSVCCvOQ2011 010VCCCextRext/CextA1A2BQC1R174121()Q1CextRext/CextA1A2BQC2R274121()VCCVCCVCCSVCCvOQ211001)7(. 0T2211CRCR0本节小结本节小结单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成的单稳态触发器和基本的单稳态触发器和基本RS触发器在结构上也极为触发器在结构上也极为相似，只有用于反馈的耦合

16、网络不同。相似，只有用于反馈的耦合网络不同。在单稳态触发器中，由一个暂稳态过渡到稳在单稳态触发器中，由一个暂稳态过渡到稳态，其态，其“触发触发”信号也是由电路内部电容充（放）信号也是由电路内部电容充（放）电提供的，暂稳态的持续时间即脉冲宽度也由电电提供的，暂稳态的持续时间即脉冲宽度也由电路的阻容元件决定。路的阻容元件决定。单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途很广。很广。8.2 施密特触发器施密特触发器8.2.1 由门电路构成的施密特触发器由门电路构成的施密特触发器 施密特

17、触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。字电路需要的矩形脉冲的电路。(a) 电路电路(b) 工作波形工作波形VT+VTtt001vIG11G2vOvI1vO1vIvOR1R20100O211I212I1vRRRvRRRv(a) 电路电路(b) 工作波形工作波形VT+VTtt001vIG11G2vOvI1vO1vIvOR1R2100thI1Vv (a) 电路电路(b) 工作波形工作波形VT+VTtt001vIG11G2vOvI1vO1vIvOR1R2011thI1Vv th21TT212thI1)1 (VRRVVRRR

18、Vv(a) 电路电路(b) 工作波形工作波形VT+VTtt001vIG11G2vOvI1vO1vIvOR1R2100thI1Vv th21TDD211T212thI1)1 (VRRVVRRRVRRRVv回差电压（滞后电压）：回差电压（滞后电压）：VT VTVT前面介绍的施密特触发器的回差电压为：前面介绍的施密特触发器的回差电压为：VTVTVT (1+R1/R2) Vth (1R1/R2) Vth 2VthR1/R2它与它与R1/R2成正比，改变成正比，改变R1/R2就可以调整回差电压的大小。就可以调整回差电压的大小。(b) 逻辑符号逻辑符号(a) 传输特性传输特性vOVT0VT+vIvIvO下

19、限阈值电压下限阈值电压上限阈值电压上限阈值电压8.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器VDDTP1TP2TP3TP7TP9TP11TN5TN4TN6TN8TN10TN12vIvOvO施密特触发器施密特触发器整形级整形级输出缓冲级输出缓冲级VDDTP1TP2TP3TP7TP9TP11TN5TN4TN6TN8TN10TN12vIvOvO1001导通导通截止截止截止截止导通导通vs5= v O VTN = VDD VTNVDDTP1TP2TP3TP7TP9TP11TN5TN4TN6TN8TN10TN12vIvOvO1VTN01导通导通导通导通截止截止截止截止vs5= v O VTN = VDD

20、VTN导通导通VDDTP1TP2TP3TP7TP9TP11TN5TN4TN6TN8TN10TN12vIvOvO0vIvs5VTN10趋于截止趋于截止内阻增大内阻增大导通导通导通导通vs5= v O VTN降低降低v O降低降低截止截止导通导通截止截止VDDTP1TP2TP3TP7TP9TP11TN5TN4TN6TN8TN10TN12vIvOvO0截止截止导通导通截止截止vs2= v O VTP = 0 VTP导通导通101(b) 逻辑符号逻辑符号(a) 传输特性传输特性vOVT0VT+vIvIvO下限阈值电压下限阈值电压上限阈值电压上限阈值电压8.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用波

21、形的变换波形的变换波形的整形与抗干扰波形的整形与抗干扰幅度鉴别幅度鉴别本节小结本节小结施密特触发器是一种能够把输入波施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。而且由于具有滞回特性，脉冲的电路。而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。所以抗干扰能力也很强。施密特触发器在脉冲的产生和整形施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。电路中应用很广。8.3 多谐振荡器多谐振荡器8.3.1 门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器 能产生一定频率的矩形脉冲波或方波的自激振能产生一定频率的矩形脉冲波或方波的自激振荡电路叫做多谐振

22、荡器。荡电路叫做多谐振荡器。1 1、CMOS多谐振荡器多谐振荡器电路图电路图 1vIRCG11G2vO1vOvIVthVDD+V+VvOVDDT1T2第一第一暂稳态暂稳态第二第二暂稳态暂稳态vO1tttOOOt1t3t2振荡周期的计算振荡周期的计算/IIIIe)()0()()(tvvvtvT1的计算的计算 以以t1作为时间起点，则有：作为时间起点，则有：thDDDD121/ )(III2Ith2IDDII121lne)()0()()()()(0)0(12VVVRCttTvvvtvRCVtvVvVvttTttT2的计算的计算 以以t2作为时间起点，则有：作为时间起点，则有：thDD232/ )(

23、III3Ith3IIDDDDI232lne)()0()()()(0)()0(23VVRCttTvvvtvRCVtvvVVVvttTtt则则T为：为：RCRCTVVVVVVRCTTT1.4ln421)(lnDDthththDD2DD12，则若电路图电路图 1vIRCG11G2vO1vO2RS加补偿电阻的加补偿电阻的CMOS多谐振荡器多谐振荡器8.3.2 用施密特触发器构成波形产生电路用施密特触发器构成波形产生电路CRvOvIvIvOVT+VTVOHVOLOOttT1T201VT+VT1001)ln( lnlnlnlnTTTDDTDDTTTDDTDD21TT2TDDTDD1VVVVVVRCVVRC

24、VVVVRCTTTVVRCTVVVVRCT8.3.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器图图8.3.6 石英晶体的电路符号及阻抗频率特性石英晶体的电路符号及阻抗频率特性fs 两个电阻两个电阻R的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对线性放大区。对TTL反相器，常取反相器，常取R0.72k，而对于，而对于CMOS门，则常取门，则常取R10100M；C1是耦合电容，用于两是耦合电容，用于两个反相器间的耦合；个反相器间的耦合； C2用来抑制高次谐波，保证输出频率的用来抑制高次谐波，保证输出频率的稳定，常取稳定，常取2RC2 fs1。石英晶体构成选频环节

25、。石英晶体构成选频环节。振荡频率等于石英晶体的谐振频率振荡频率等于石英晶体的谐振频率fs(a) 石英晶体振荡器石英晶体振荡器(b) 石英晶体阻抗频率特性石英晶体阻抗频率特性f0XfS11RC1RC2vOG1G211RC1RC2vOG1G21A1J1KC1? ?1 1? ?2 21QQ& R1 C2 R2C1& f0 f1 f2 f14 f32768Hz 16384Hz 8192Hz 2Hz 1HzC1C1C1C1 FF1 FF2 FF14 FF15 Q1 Q2 Q14 Q1511RC1RC2vOG1G2石英晶体石英晶体振荡器振荡器分分频频器器本节小结本节小结多谐振荡器是一种自激

26、振荡电路，不需要外加输多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由555定时定时器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本RS触发器触发器在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。RS触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以又称为无稳电路。又称为无稳电路。在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂在多谐振荡器中，由一个暂稳态

27、过渡到另一个暂稳态，其稳态，其“触发触发”信号是由电路内部电容充（放）电信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。周期与电路的阻容元件有关。8.4 555定时器及其应用定时器及其应用8.4.1 555定时器定时器1&vICVCC5kC1C2G1G2G3T+2658437RDQQvI1vI2+5k5k1vOvO&G4SR触发触发输入端输入端阈值阈值输入端输入端电压电压控制端控制端复位端复位端低低电平有效电平有效放电端放电端1&vICVCC5kC1C2G1G2G3T+2

28、658437RDQQvI1vI2+5k5k1vOvO&G4SR011饱和导通饱和导通01&vICVCC5kC1C2G1G2G3T+2658437RDQQvI1vI2+5k5k1vOvO&G4SR2VCC/3VCC/300011111饱和导通饱和导通11&vICVCC5kC1C2G1G2G3T+2658437RDQQvI1vI2+5k5k1vOvO&G4SR2VCC/3VCC/31101011饱和导通饱和导通1状态不变状态不变1&vICVCC5kC1C2G1G2G3T+2658437RDQQvI1vI2+5k5k1vOvO&G4SR2VCC

29、/3VCC/31010100截止截止18.4.2 用用555定时器组成的施密特触发器定时器组成的施密特触发器 vI 8 4 6 7 555 3 2 5 1 +VCC vI vO t t 0 0 (a) 电路电路 (b) 工作波形工作波形 vO vIC VT+ VT 2VCC/3 VCC/3 控制电压控制电压 调节回差调节回差 vI 8 4 6 7 555 3 2 5 1 +VCC vI vO t t 0 0 (a) 电路电路 (b) 工作波形工作波形 vO vIC VT+ VT 2VCC/3 VCC/3 控制电压控制电压 调节回差调节回差 vI 8 4 6 7 555 3 2 5 1 +VCC

30、 vI vO t t 0 0 (a) 电路电路 (b) 工作波形工作波形 vO vIC VT+ VT 2VCC/3 VCC/3 控制电压控制电压 调节回差调节回差 8.4.3 用用555定时器组成的单稳态触发器定时器组成的单稳态触发器接通接通VCC后瞬间，后瞬间，VCC通过通过R对对C充电，当充电，当vC上升到上升到2VCC/3时，时，比较器比较器C1输出为输出为0，而，而vI为高电平，大于为高电平，大于VCC/3，故，故C2 =1，触发器置，触发器置0，vO0 ，电路进入稳态。这时放电管，电路进入稳态。这时放电管T导通，导通，C通过通过T放电，放电， vC小小于于2VCC/3 ，C1 = 1

31、。vI到来时，因为到来时，因为vIVCC/3，使，使C20，因，因C1 此时为此时为1，故触发器，故触发器置置1，vO变为变为1，电路进入暂稳态。由于此时放电管，电路进入暂稳态。由于此时放电管T截止，截止，VCC经经R对对C充电。虽然此时触发脉冲已消失，比较器充电。虽然此时触发脉冲已消失，比较器C2的输出变为的输出变为1，但充，但充电继续进行，直到电继续进行，直到vC上升到上升到2VCC/3时，比较器时，比较器C1输出为输出为0，将触发，将触发器置器置0，电路输出，电路输出vO0，T导通，导通，C放电，电路恢复到稳定状态。放电，电路恢复到稳定状态。 C R vI 8 4 7 3 6 555 2

32、 5 1 0.01F vO VCC vI vO t t tP 0 0 vC t 0 2VCC/3 CRvI87 6210.01FVCCvO435555R1T由由555定时器构成的定时器构成的可重复触发单稳态触发器可重复触发单稳态触发器CvI87 651VCCvO432555RvIC脉冲宽度调制器脉冲宽度调制器 接通接通VCC后，后，VCC经经R1和和R2对对C充电。当充电。当vC上升到上升到2VCC/3时，时，vO=0，T导通，导通，C通过通过R2和和T放电，放电，vC下降。当下降。当vC下降到下降到VCC/3时，时，vO又由又由0变为变为1，T截止，截止，VCC又经又经R1和和R2对对C充电。如此重复上述充电。如此重复上述过程，在输出端过程，在输出端vO产生了连续的矩形脉冲。产生了连续的矩形脉冲。 C R1 vC 8 4 7 3 6 555 2 5 1 0.01F vO VCC R2 vC vO t t tPH tPL 0 VCC/3 2VCC/3 0 (a) 电电路路 (b) 工工作作波波形形 8.4.3 用用555定时器组成的多谐振荡器定时器组成的多谐振荡器 C R1 vC 8 4 7 3 6 555 2 5 1 0.01F vO VCC R2 vC vO t t tPH tPL 0 VCC/3 2VCC/3 0 (a) 电电路路 (b) 工工作作波波形形 第