数字逻辑电路第11章 脉冲信号的产生与整形

1、第第第第第第111111章章章章章章 脉冲信号的脉冲信号的脉冲信号的脉冲信号的脉冲信号的脉冲信号的产生与整形产生与整形产生与整形产生与整形产生与整形产生与整形学习要点学习要点第第第第第第111111章章章章章章 脉冲信号的脉冲信号的脉冲信号的脉冲信号的脉冲信号的脉冲信号的产生与整形产生与整形产生与整形产生与整形产生与整形产生与整形11.1.1 555定时器的结构和工作原理定时器的结构和工作原理71COTHTR+UCCuo5k5k5kV265843R + +A1 + +A2DQQRDSD电平触发端电平触发端电压控制端复位端电平有效放电端4.516V71COTHTR+UCCuo5k5k5kV265

2、843R + +A1 + +A2DQQRDSD001R=0时，Q=1 、Q=0 ，uo=0，V导通。71COTHTR+UCCuo5k5k5kV265843R + +A1 + +A2DQQRDSDR=0时，Q=1 、Q=0 ，uo=0，V饱和导通。R=1、UTH2UCC/3、UTRUCC/3时，RD=0、SD=1，Q=1、Q=0，uo=0，V饱和导通。2UCC/3UCC/3001171COTHTR+UCCuo5k5k5kV265843R + +A1 + +A2DQQRDSDR=0时，Q=1 、Q=0 ，uo=0，V饱和导通。R=1、UTH2UCC/3、UTRUCC/3时，RD=0、SD=1，Q=

3、1、Q=0，uo=0，V饱和导通。2UCC/3UCC/31001R=1、UTH2UCC/3、UTRUCC/3时，RD=1、SD=1，Q、Q不变，uo不变，V状态不变。1171COTHTR+UCCuo5k5k5kV265843R + +A1 + +A2DQQRDSDR=0时，Q=1 、Q=0 ，uo=0，V饱和导通。R=1、UTH2UCC/3、UTRUCC/3时，RD=0、SD=1，Q=1、Q=0，uo=0，V饱和导通。2UCC/3UCC/31100R=1、UTH2UCC/3、UTRUCC/3时，RD=1、SD=1，Q、Q不变，uo不变，V状态不变。R=1、UTH2UCC/3、UTRUCC/3时

4、，RD=1、SD=0，Q=0、Q=1，uo=1，V截止。11.1.2 单稳态触发器单稳态触发器2UCC/3CRui8 47 3 6 5552 5 10.01FuoUCCuiuotttP00(a) 电路(b) 工作波形uct0输出脉冲宽度 tp。 tp1.1RC2UCC/3CRui8 47 3 6 5552 5 10.01FuoUCCuiuotttP00uct0接通UCC后瞬间，UCC通过R对C充电，当uc上升到2UCC/3时，比较器A1输出为0，将触发器置0，uo0。这时Q=1，放电管V导通，C通过V放电，电路进入稳态。ui到来时，因为uiUCC/3，使A20，触发器置1，uo又由0变为1，电

5、路进入暂稳态。由于此时Q=0，放电管V截止，UCC经R对C充电。虽然此时触发脉冲已消失，比较器A2的输出变为1，但充电继续进行，直到uc上升到2UCC/3时，比较器A1输出为0，将触发器置0，电路输出uo0，V导通，C放电，电路恢复到稳定状态。uo&uiuAuo(a) 电路示意图(b) 波形图单稳态触发器uououiuAtp单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用uiuotpCR1uc8 47 3 6 5552 5 10.01FuoUCCR2ucuotttP1tP20UCC/32UCC/30(a) 电路(b) 工作波形接通UCC后，UCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2UCC/3时，u

6、o=0，V导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到UCC/3时，uo又由0变为1，V截止，UCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。11.1.3 无稳态触发器无稳态触发器CR1uc8 47 3 6 5552 5 10.01FuoUCCR2ucuotttP1tP20UCC/32UCC/30第一个暂稳态的脉冲宽度 tp1，即 uc从 UCC/3 充电上升到 2UCC/3 所需的时间：tp10.7(R1+R2)C第二个暂稳态的脉冲宽度 tp2，即 uc从 2UCC/3 放电下降到 UCC/3 所需的时间：tp20.7R2C振荡周期：Ttp1tp20.7

7、(R12R2)CC1R1uo18 47 3 6 5552 5 10.01Fuo1UCCR2(a) 电路(b) 工作波形C2R3uo28 47 3 6 5552 5 10.01Fuo2R4C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。Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+UCCuiuott00(a) 电路(b) 工作波形+UCC1uouCOUT+UT2UCC/3UCC/3控制电压调节回差（1）0iu时，RD=1、SD=0，触发器置 1，即1Q、0Q，uo1uo1。ui升高时，在未到达 2U

8、CC/3 以前，uo1uo1 的状态不会改变。11.1.4 施密特触发器施密特触发器Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+UCCuiuott00(a) 电路(b) 工作波形+UCC1uouCOUT+UT2UCC/3UCC/3控制电压调节回差（1）0iu时，RD=1、SD=0，触发器置 1，即1Q、0Q，uo1uo1。ui升高时，在未到达 2UCC/3 以前，uo1uo1 的状态不会改变。（2）ui升高到 2UCC/3 时，比较器 A1输出跳变为 0、A2输出为 1，触发器置0，即跳变到0Q、1Q，uo1、uo也随之跳变到 0。此后，ui继续上升到最大值，然后再降低，但在未降低到 UC

9、C/3 以前，0o1u、0ou的状态不会改变。Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+UCCuiuott00(a) 电路(b) 工作波形+UCC1uouCOUT+UT2UCC/3UCC/3控制电压调节回差（1）0iu时，RD=1、SD=0，触发器置 1，即1Q、0Q，uo1uo1。ui升高时，在未到达 2UCC/3 以前，uo1uo1 的状态不会改变。（2）ui升高到 2UCC/3 时，比较器 A1输出跳变为 0、A2输出为 1，触发器置0，即跳变到0Q、1Q，uo1、uo也随之跳变到 0。此后，ui继续上升到最大值，然后再降低，但在未降低到 UCC/3 以前，0o1u、0ou的状态不

10、会改变。（3）ui下降到 UCC/3 时，比较器 A1输出为 1、A2输出跳变为 0，触发器置 1，即跳变到1Q、0Q，uo1、uo也随之跳变到 1。此后，ui继续下降到0，但1o1u、1ou的状态不会改变。施密特触发器的应用施密特触发器的应用CMOSMOC 等正弦波振荡器11(a) 慢输入波形的 TTL 系统接口(b) 整形电路的输入、输出波形输入输出UT+UT1输入输出UT+UT(c) 幅度鉴别的输入、输出波形(d) 多谐振荡器CRucuououiCuA1(a) 电路(b) 波形uo2RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVDD0000tP1（1）没有触发信号时电路工作在

11、稳态当没有触发信号时，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，在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：uo11，uo20。001111.2.1 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器uiCuA1(a) 电路(b) 波形uo2RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVDD0000tP1110（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

12、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。uiCuA1(a) 电路(b) 波形uo2RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVDD0000tP10011（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态在暂稳态期间，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。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。

13、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。脉冲宽度：tp=0.7RCuiCuA11uo2RG1G2uo1VDDC1R1电路的改进电路的改进当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。 uAuo2uiC11(a) 电路(b) 波形RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVT0000tP稳态时，ui1，G1、G2均导通。uo10，uA0，uo20。ui负跳变到0时，G1截止，uo1随之跳变到1。由于电容电压不能跃变，

14、uA仍为0，故门G2截止，uo2跳变到1。在G1、G2截止时，C通过R和G1的导通管放电，使uA逐渐上升。当uA上升到管子的开启电压UT时，如果ui仍为低电平，G2导通，uo2变为0。当ui回到高电平后，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。11.2.2 积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器(a) 74121 的引脚排列图 14 13 12 11 10 9 874121 1 2 3 4 5 6 7 Rext/CextVCC NC NC Cext Rin NC Q NC TR- TR-B TR+ Q GNDTR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端，TR+是上升沿有

15、效的触发信号输入端。Q和是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext是外接定时电阻和电容的连接 端 ， 外 接 定 时 电 阻 R（R=1.4k40k）接在VCC和Rext/Cext之间，外接定时电容C（C=10pF10F）接在Cext（正）和Rext/Cext之间。74121内部已设置了一个2k的定时电阻，Rin是其引出端，使用时只需将Rin与VCC连接起来即可，不用时则应将Rin开路。74121的输出脉冲宽度：tp0.7RC11.2.3 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 14 13 12 11 10 9 874122 1 2 3 4 5 6 7(b) 74122 的引脚排列图 TR

16、- TR-B TR+A TR+B RD Q GND Rext/CextVCC NC Cext NC Rin QTR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端，TR+A、TR+B是两个上升沿有效的触发信号输入端。Q和是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext、Rin3个引出端是供外接定时元件使用的，外接定时电阻R（R=5k50k）、电容C（无限制）的接法与74121相同。RD为直接复位输入端，低电平有效。当定时电容C1000pF时，74122的输出脉冲宽度：tp0.32RC11.3.1 RC环形多谐振荡器环形多谐振荡器能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。0(a) 电路图&a

17、mp;ui1 ui2 uo2 ui3 uo R RSC uo(ui1)uo2ui3tttt(b) 波形图000G1G2&G3 ui2(uo1)UTt1t2t30(a) 电路图&ui1 ui2 uo2 ui3 uo R RSC uo(ui1)uo2ui3tttt(b) 波形图000G1G2&G3 ui2(uo1)UTt1t2t3在t1时刻，ui1（uo）由0变为1，于是uo1（ui2）由1变为0，uo2由0变为1。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，uo2（高电平）通过电阻R对电容C充

18、电，使ui3逐渐上升。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。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。第一暂稳态及其自动翻转的工作过程0(a) 电路图&ui1 ui2 uo2 ui3 uo R RSC uo(ui1)uo2ui3tttt(b) 波形图000G1G2&G3 ui2(uo1)UTt1t2t3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放电。随着放电的进行，ui3逐渐

19、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。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 ： T 2.2RCui1 uo1 ui2 uo0(a) 电路图& RCuoui1ttt(b) 波形图00G1G2 ui2(uo1)UTt1t2t3在t1时刻， 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。这个低电平保持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。在t2时刻，ui1上升到门电

20、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，于是ui2（uo1）由0变为1。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11.3.2 CMOS多谐振荡器多谐振荡器ui1 uo1 ui2 uo0(a) 电路图& RCuoui1ttt(b) 波形图00G1G2 ui2(uo1)UTt1t2t3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。随着放电的进行，ui1逐渐上升。在t3时刻，ui1上升到UT，使uo（ui

21、1）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。若 UT0.5VDD，振荡周期为：T1.4RC& R1 C2 R2C1uof(a) 石英晶体多谐振荡器(b) 石英晶体阻抗频率特性0Xf0电容性电感性电阻R1、R2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TTL反相器，常取R1R2R0.7 k2k，而对于CMOS门，则常取R1R2R10k100k；C1C2C是耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率f0时可以忽略不计；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f0。11.3.3 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器& R1 C

22、2 R2C1& f0 f1 f2 f14 f32768Hz 16384Hz 8192Hz 2Hz 1HzC1C1C1C1 FF1 FF2 FF14 FF15 Q1 Q2 Q14 Q15多谐振荡器分频电路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。1&DuiuoRS(a) 电路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G3（1）ui0时，R1，S0，uo为高电平，这是第一种稳态。00111&DuiuoRS(a) 电路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G30111（2）uiUD=0.

23、7V 时，R1，S1，RS 触发器不翻转，uo仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。（1）ui0时，R1，S0，uo为高电平，这是第一种稳态。1&DuiuoRS(a) 电路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G31100（2）ui上升到 UD=0.7V 时，R1，S1，RS 触发器不翻转，uo仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。（3）ui继续上升到 UT+=UT=1.4V 时，R0，S1，RS 触发器翻转，uo为低电平，这是第二种稳态。电路翻转后 ui再上升，电路状态不变。（1）ui0时，R1，S0，uo为高电平，这是第一种稳态。1&DuiuoRS(a) 电路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G30110（2）ui上升到 UD=0.7V 时，R1，S1，RS 触发器不翻转，uo仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。（3）ui继续上升到 UT+=UT=1.4V 时，R0，S1，RS 触发器翻转，uo为低电平，这是第二种稳态。电路翻转后 ui再上升，电路状态不变。（4）ui上升到最大值后下降时，若 ui下降到 UT，R1。S=1，RS 触发器不翻转，电路仍维持在第二种稳态。（1）ui0时，R1，S0，uo为高电平，这是第一种稳态。1&DuiuoRS(a) 电路(b) 工作波形uoui