《电子技术基础数字部分》第五版(康华光)第8章脉冲波形的变换与产生

1、8 8 . . 脉冲波形的变换与产生脉冲波形的变换与产生8.1 单稳态触发器8.2 施密特触发器8.3 多谐振荡器8.4 555定时器及其应用1. 掌握单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器的逻辑功能；2. 掌握单稳态触发器、施密特触发器MSI器件的逻辑功能和应用；3. 理解555定时器的工作原理，掌握由555定时器组成的单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器的电路结构、工作原理和参数计算。教学要求教学要求8.1单稳态触发器单稳态触发器 锁存器和触发器有两个稳定的状态 ( 0、1 )，称双稳态电路，在外来信号作用下，可以从一个稳定状态变化到另一个稳定状态。单稳态触发器的工作特点：单稳态触发器只

2、有一个稳态，还有一个暂稳态暂稳态，在没有触发信号作用时处于稳定状态。 在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。暂稳态维持一定时间后，电路自动回到稳态，暂稳态维持一定时间的长短，取决于电路本身的RC参数。单稳态触发器QQ触发脉冲(a)框图触发脉冲Qtw(b)波形图暂稳态18.1单稳态触发器单稳态触发器 门电路组成的单稳态触发器MSI集成单稳态触发器不可重复触发单稳态触发器可重复触发单稳态触发器用555定时器组成的单稳态触发器按电路形式不同单稳态触发器的分类单稳态触发器的分类工作特点划分8.1单稳态触发器单稳态触发器8.1.1 CMOS门电路组成微分型单稳态触发器门电路组成微分型单稳态触发器

3、1.电路组成和工作原理电路组成和工作原理CMOS与非门构成微分型单稳态触发器 稳态1，暂稳态0，负脉冲触发CMOS或非门构成微分型单稳态触发器 稳态0，暂稳态1，正脉冲触发8.1单稳态触发器单稳态触发器8.1.1 CMOS门电路组成微分型单稳态触发器门电路组成微分型单稳态触发器或非门构成微分型单稳态触发器稳态0，暂稳态1，正脉冲触发工作原理分析：设CMOS反相器阈值电压(1). 没有外加触发信号时，处于稳态0，vC =0。(2). 外加正脉冲触发时，电路由稳态0翻转到暂稳态1即使此时触发信号撤销vI = 0，vO=1，vO1=0， vI2 =0，维持vO= 1012VVDDTH01011001

4、008.1单稳态触发器单稳态触发器8.1.1 CMOS门电路组成微分型单稳态触发器门电路组成微分型单稳态触发器(3). 电容C充电，电路自动由暂稳态1返回至稳态0。C充电vI2 达到VTH进入正反馈vI2 vO vO1010100011正反馈迅速使vO =001电容C通过电阻R放电，直至vC =0 ，电路自动返回至稳态0P78图3.1.112V4.5V0V2.5V2.5V2.5V5V0V5V7.5V8.1单稳态触发器单稳态触发器(1). 无外触发处于稳态0。(2). 外触发翻转到暂稳态1。(3). C充电自动返回至稳态0。工作波形图01011010恢复时间暂稳态1时间8.1.1 CMOS门电路

5、组成微分型单稳态触发器门电路组成微分型单稳态触发器8.1单稳态触发器单稳态触发器2.主要参数计算主要参数计算(1). 输出脉冲宽度tW触发后，RC充电过程决定暂稳态维持时间，设输出脉冲宽度tw 。电容过渡过程全响应：THCCCWV)()0()(ln RCt将vC(0+) = 0，vC() =VDD ， =RC,，VTH = VDD /2代入得：tw = RC ln2 =0.7RC tCtCCe1ue0ututw是vI2从0VTH 的时间(2).恢复时间 tre ， 约为35 。(3).最高工作频率 fmaxrewminmaxtt1T1f8.1.1 CMOS门电路组成微分型单稳态触发器门电路组成

6、微分型单稳态触发器8.1单稳态触发器单稳态触发器3.讨论讨论(1). 保护措施vI2 =VTH = 0.5VDD瞬间，正反馈迅速使vO1 =VDD， vI2 = 1.5VDD ，可能损坏MOS管。内加二极管钳位vI2 VDD+0.7V 由此恢复时间也缩短。(2). 改善输出波形，加一反相器。I2(3). 对于TTT电路，电阻R、Rd要考虑符合要求。8.1.1 CMOS门电路组成微分型单稳态触发器门电路组成微分型单稳态触发器8.1单稳态触发器单稳态触发器8.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器集成单稳态触发器分为可重复触发和不可重复触发两种。触发的不可重复触发器触发后，暂稳态期间再触发，输出

7、脉宽不受其影响，仍为tW 。触发的可重复触发器触发后，暂稳态期间再触发，输出脉冲在新触发后再延迟tW 。8.1单稳态触发器单稳态触发器1.不可重复触发器不可重复触发器TTL集成器件74121是不可重复触发器，触发信号：B ，或A1、A2必须外接电容，可外接电阻，也可使用内部电阻。外接电容端内部电阻8.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器8.1单稳态触发器单稳态触发器1.不可重复触发器不可重复触发器74121电路连接电路连接10911外接电阻电路使用内部电阻电路8.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器00011008.1单稳态触发器单稳态触发器1.不可重复触发器不可重复触发器74121工

8、作原理工作原理与CMOS或非门构成微分型单稳态触发器工作原理类似，正脉冲触发，稳态0，暂稳态1。VDD1vO1011000111110000110a8.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器8.1单稳态触发器单稳态触发器1.不可重复触发器不可重复触发器74121工作原理工作原理正脉冲触发，稳态0，暂稳态1。Qa处有触发，即说明：A1 A2=0， B触发；B=1或A1或A2 。触发后 Q=0，封锁G4门，使 a=0，a点为尖脉冲，即使暂稳态期间再有触发信号，a=0 不变，只有电路返回稳态后，才能下一次触发。010001101101008.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器8.1单稳态触发

9、器单稳态触发器1.不可重复触发器不可重复触发器74121工作原理工作原理A1 A2 B Q QL H L H L H L H L L HH H L HH H H H HL L 74121功能表 无触发，保持稳态不变A1、A2中有一个或两个为低电平，在B端输入上升沿时电路被触发B为高电平，A1、A2在保持高电平基础上，有一个或两个下降沿时电路被触发8.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器8.1单稳态触发器单稳态触发器8.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用1. 定时定时如图所示电路，只有在暂稳态1时，才有输出脉冲。该电路可用于频率计测此频率对此计数8.1单稳态触发器单稳态触发器2.

10、延时延时所谓延时即输入一个脉冲后，延时后再输出一个脉冲。如图用2片74121组成的延时电路，vI输入后延时tW1的时间再输出 vO。 触发触发tW18.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用8 8.1 1单稳态触发器单稳态触发器3. 组成噪声消除电路组成噪声消除电路 一般说来，有用信号都有一定的脉冲宽度，而噪声多表现为尖脉冲。由此理由，由单稳态触发器合理选择R、C即暂稳态脉宽tW ，使tW 噪声脉冲宽度，实现噪声消除电路。电路如图所示。正常脉冲1脉宽tW输出1噪声尖脉冲无输出1触发D触发器取样8.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用8.2 施密特触发器施密特触发器施密特触发器电压

11、传输特性及工作特点施密特触发器电压传输特性及工作特点 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。 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+ ) 和负阈值电压 ( VT ) 。施密特触发器有同相输出和反相输出两种形式。同相输出施密特触发器反相输出施密特触发器施密特反相器输入允许任意电平。VT+正向阈值电平， VT负向阈值电平。 分析一个施密特反相器一般反相器，输入只能“0”或“1”。AFVTVT+vIvO正向增长：vI VT+ vO = 0负向增长： vI VT vO = 1传输特性如图VT= VT+ VT 8

12、.2 施密特触发器施密特触发器AF1一般反相器逻辑符号施密特反相器逻辑符号tt1.电路组成电路组成CMOS门组成的同相施密特触发器如图所示。8.2 施密特触发器施密特触发器8.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器2.工作原理工作原理设VTH0.5VDD，R1 R2，vI 为三角波。vI1 确定电路状态，O211I2121IRRRRRRvI =0， vO =0， vI1 =0。vI ，只要vI1 VTH ，vO =0当vI1 = VTH ，电路产生正反馈vI vI1 vO1 vO VOHVT+： I 值在增加过程中，使输出电压产生跳变时所对应I 的值。T212TH1IVR

13、RRVTH21+TV)RR1 (V由叠加原理0 18.2 施密特触发器施密特触发器2.工作原理工作原理设VTH0.5VDD，R1 VTH ，保持vO = VOH 当vI ，vI1 ，vI1VTH，vO=VOH vI1 = VTH ，电路产生正反馈vI vI1 vO1 vO VOLDD211T212TH1 IVRRRVRRRVVDD2VTH 代入TH21-TV)RR1 (V-TTTVVVTH21+TV)RR1 (VDD21TH21TVRRVRR2V1 08.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器VTVT+vIvO8.2 施密特触发器施密特触发器传输特性输入输出波形2.工作原

14、理工作原理TH21-TV)RR1 (VTH21+TV)RR1 (Vtt8.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器8.2 施密特触发器施密特触发器8.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器施密特触发器性能稳定，应用十分广泛，无论是CMOS还是TTL电路，都有单片的集成施密特触发器产品。如图是CMOS集成施密特触发器CC40106内部电路和逻辑符号。 CC40106内部电路CC40106逻辑符号8.2 施密特触发器施密特触发器1. 波形变换波形变换如图用施密特反相器将正弦波变换成同频率的矩形波。输入vI 为正弦波，输出vO为矩形波。VTVT+vIvOtt8.2.3 施密特触

15、发器的应用施密特触发器的应用 8.2 施密特触发器施密特触发器2. 波形的整形与抗干扰波形的整形与抗干扰改善上升沿与下降沿消除振荡影响8.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 8.2 施密特触发器施密特触发器8.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 2. 波形的整形与抗干扰波形的整形与抗干扰合理选择回差电压，可消除干扰信号。VT1不能消除顶部干扰VT2能消除顶部干扰8.2 施密特触发器施密特触发器3. 幅度鉴别幅度鉴别 幅度鉴别电路如图a，只有当vI VT+ ， 才有vO =1 。检测vO ，当出现1时，便知此处出现vI VT+ 。 输入输出波形如图b。8.2.3 施密特触发器

16、的应用施密特触发器的应用 8.3 多谐振荡器多谐振荡器概述概述 振荡器是一上电就自动产生输出波形的电路。常用的有正弦波振荡器、多谐振荡器。 多谐振荡器又称矩形波发生器，它没有稳定状态，有两个暂稳态，电路一旦起振，两个暂稳态就交替变化，不停地输出矩形脉冲信号。多谐振荡器的基本组成：开关器件和RC 开关电路 RC延时环节 多谐振荡器 VCC vO8.3.1 由由CMOS门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器1.电路组成及工作原理电路组成及工作原理CMOS门电路组成的多谐振荡器如图a所示。多谐振荡器原理图如图b所示8.3 多谐振荡器多谐振荡器8.3.1 由由CMOS门电路组成的多谐振荡器门电路

17、组成的多谐振荡器工作原理工作原理第一暂稳态电容充电，电路自动翻转到第二暂稳态。假定t=0时，为第一暂稳态vI = vC= 0，vO1=1， vO= 0电容充电，vC vC vI vI=VTH时，电路产生正反馈vI vO1 vO 进入第二暂稳态，vO= 1 。vO= VDD 。+ vC -010 VOH101vC不能突变，且D1钳位，所以在第二暂稳态开始， vI =VDD + 0.7V，vC =0.7V2V2.5V5V5.7V4.5V2.5V0V2.5V0V5V8.3 多谐振荡器多谐振荡器8.3.1 由由CMOS门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器工作原理工作原理第二暂稳态电容放电，电路

18、自动翻转到第一暂稳态。第二暂稳态开始， vC=0.7V，vO=VDD ，vI = VDD+vC= VDD+0.7电容先放电后反向充电，vC vC vI vI=VTH时，电路产生正反馈vI vO1 vO vO= 0 进入第一暂稳态。+ vC - VOL101010vC不能突变，且D2钳位，所以在第一暂稳态开始， vI= vC=0.7V周而复始，在两个暂稳态之间交替变换，输出矩形波。8.3 多谐振荡器多谐振荡器8.3.1 由由CMOS门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器第一暂稳态开始， vO= 0，vI = vC = 0.7V ，电容充电至 vI=VTH，电路自动翻转到第二暂稳态第二暂稳态

19、开始， vO= 1，vC =0.7V， vI = vO +vC= VDD+0.7电容放电至 vI=VTH，电路自动翻转到第一暂稳态8.3 多谐振荡器多谐振荡器8.3.1 由由CMOS门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器2.振荡周期的计算振荡周期的计算T1第一暂稳态时间计算vI (0+) = vC (0+) =0.7V 0vI () = vC () =VDD，=RC，T1为C充电的时间vC =0充电至 vC =VTHTHDDDD1VVVlnRCT tCCe1utu)e1 ( V V1TDDTHDDTHDD1TVVVe tCtCCe1ue0utu0状态t=T1时8.3 多谐振荡器多谐振荡器

20、8.3.1 由由CMOS门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器2.振荡周期的计算振荡周期的计算T2第二暂稳态时间计算vI (0+) = vO (0+) +vC (0+) = VDD + 0.7 ，vC () =VDD ， vI () = 0，=RC， T2为C反向充电的时间vC =0充电至 vC =(VDDVTH)，即此时 vI= vO +vC = VTH 由于与T1充电RC参数一致，即T2为从0充电(VDDVTH)的时间THDDDD1VVVlnRCT)VV(VVlnRCTTHDDDDDD2THDDVVn1RCTHTHDD2DD21V)VV(Vn1RCTTT8.3 多谐振荡器多谐振荡器1

21、. 工作原理工作原理上电时，vC = 0 VT+ ， vO=0 。暂稳态： vO=0 ， C放电， vC ，自动翻转 ：当vCVCC/3初始上电分析若上电，Q=0，vO =0T导通， vC =0vO =0 不变，稳态。vI1vCvI1CCV32 CCV31 vI2若上电，Q=1，vO =1，T截止， 电源通过R对C充电，vC ； 一旦 ，vO =0 。010011vI1CCV32 T导通放电，vC =0，vO =0 不变 ，稳态。工作原理分析无触发时 vI VCC/3稳态：vO =0 ，T导通，vI1 =0无触发保持不变。当vI 到来， 输入 输出vI1 vI2 vO T 1 断 0 通 不变

22、 不变CCV32CCV31CCV32CCV31CCV32CCV31T截止，电源通过R对C充电，vI1 ； vI1CCV31 vIvO =1，进入暂稳态，T导通放电， 使vC =0，稳态vO =0不变。一旦充电使 vI1CCV32 vO =0 。0 18.4 555定时器及其应用定时器及其应用8.4.3 555定时器组成单稳态触发器定时器组成单稳态触发器 相关参数计算若忽略T饱和压降，则tW为vC 02VCC/3的时间；tW=RC1n31.1RC问题讨论：. 电路是可重复触发的单稳态触发器？. 如将5脚接电压V，电路的脉宽会改变吗？V增加，脉宽如何改变? V减小?VtW为vC 0V的时间V增加，

23、脉宽tW增加V减小，脉宽tW减小无外接为2VCC/3否否8.4 555定时器及其应用定时器及其应用8.4.3 555定时器组成单稳态触发器定时器组成单稳态触发器 应用应用1构成脉冲宽度调制器构成脉冲宽度调制器555组成单稳态触发器5脚接入变化电压vIC ，构成脉冲宽度调制器。5脚电压vIC 越高，电容C充电从0 vIC 的时间tW越长，脉宽越宽8.4 555定时器及其应用定时器及其应用8.4.3 555定时器组成单稳态触发器定时器组成单稳态触发器 应用应用2构成可重复触发构成可重复触发单稳态触发器单稳态触发器 只要触发脉冲vI =0，则T导通，C放电至vC =0。当第一个触发脉冲作用后，暂稳态

24、期间，第二个触发脉冲再触发， T导通，C放电vC =0，电容C需要一个重新充电的时间tW。重触发稳态8.4 555定时器及其应用定时器及其应用8.4.3 555定时器组成单稳态触发器定时器组成单稳态触发器 应用应用2构成可重复触发构成可重复触发单稳态触发器单稳态触发器 可重复触发单稳的作用失落脉冲检测若vI频率不变，只要检测到vO =0，则表示在tW前丢失一个脉冲。可用于对电机转速或人体心律监视，当电机转速不稳或人体心律不齐， vO =0报警。8.4 555定时器及其应用定时器及其应用8.4.3 555定时器组成单稳态触发器定时器组成单稳态触发器 8.4 555定时器及其应用定时器及其应用8.

25、4.4 用用555定时器组成多谐振荡器定时器组成多谐振荡器1. 电路组成电路组成RDR1R2CVCC vC vO 1 0 保持CCV31CCV32CCV31CCV32+ vC -2. 工作原理工作原理暂稳态： vO =1 T截止。C充电充电。1 =( R1+R2 )C自动翻转：当充电vC 2VCC /3 vO =0， T导通。暂稳态： vO =0 T导通，C放电放电。2=R2CRDR1R2CVCC自动翻转 ：当放电vC VCC/3 ， vO =1，T截止。又进入暂稳态。10 108.4 555定时器及其应用定时器及其应用8.4.4 用用555定时器组成多谐振荡器定时器组成多谐振荡器3. 工作波

26、形与振荡频率计算工作波形与振荡频率计算tpL计算C放电放电，2=R2C，uC(0+)=2/3VCC ， uC() = 0当t= tpL ，uC(t)=1/3VCCCCV32 CCV31 tCtCCe1ue0ututpL =R2C1n20.7R2C pLtCCCCeV32V31pLte212epLt8.4 555定时器及其应用定时器及其应用8.4.4 用用555定时器组成多谐振荡器定时器组成多谐振荡器3. 工作波形与振荡频率计算工作波形与振荡频率计算tpH计算C充电充电，1 =( R1+R2 )C，uC(0+)=1/3VCC ， uC() = VCCCCV31 CCV32 tCtCCe1ue0utu当t=