第八章 脉冲波形的变换与产生f

1、第八章第八章 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定时器及其应用脉冲波形是指突变的电流和电压的波形。 1. 脉冲幅度Vm2. 脉冲宽度tw 3. 上升时间tr 4. 下降时间tf 5. 占空比q =t w /T 矩形波的主要参数 8.1 单稳态触发器1. 只有两种状态只有两种状态: 稳态稳态和和暂稳态；暂稳态；2. 外来触发外来触发 ( (窄窄) 脉冲使脉冲使: 稳态稳态暂稳态暂稳态稳态；稳态；3. 暂稳态暂稳态持续时间仅取决于电路参数持续时间仅取决于电路参数,与触发脉冲无关与触发脉冲无关。用途用途:定时：定时

2、：产生一定宽度的方波。产生一定宽度的方波。延时：延时：将输入信号延迟一定时间后输出。将输入信号延迟一定时间后输出。整形：整形：把不规则波形变为宽度、幅度都相等的脉冲。把不规则波形变为宽度、幅度都相等的脉冲。特点特点:不可重复触发不可重复触发单稳态触发器单稳态触发器可重复触发可重复触发单稳态触发器单稳态触发器分类分类(工作特点工作特点)一、电路组成及工作原理一、电路组成及工作原理CMOS与非门与非门构成的微分型构成的微分型单稳态触发器单稳态触发器 CMOS或非门或非门构成的微分型构成的微分型单稳态触发器单稳态触发器 稳态为稳态为1稳态为稳态为0 R vO G2 & C D vI2 vC

3、1 Rd vI Cd G1 vd vO1 1 vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 1 Rd Cd vd 暂稳态靠RC电路的充放电过程来维持 1 uO1 uO G2 G1 C D R VDD uI uI2 uC 1 Rd Cd ud 设定设定CMOS反相器的阈值电压反相器的阈值电压2THDDVV 0(1) 无触发信号无触发信号 uI= 00011电路处于稳态：电路处于稳态：uI= 0, uO= 0电路进入暂稳态电路进入暂稳态udud=VTH 产生如下正反馈过程：产生如下正反馈过程：uIuO1uI2uOG1导通导通uO1uI2G2截止截止uOuO10, uOVDD11

4、100(2) 外加触发信号外加触发信号 uI即使触发信号撤销，即使触发信号撤销， vO维持维持电容电容C C放电放电(3) 电容充电电容充电电源电源VDD对对C充电，充电，vI2指数指数增加，达到增加，达到VTH时时电路回到稳态电路回到稳态G2导通，导通，G1截止截止0011若触发脉冲消失若触发脉冲消失uI=00001111100 1 vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 1 Rd Cd vd 0uO1uI2uOuO1uI2uO0uI= 0, uO= 0uI2=VTH单稳态触发器工作波形 tw0.7RC （1） 输出脉冲宽度输出脉冲宽度tw(2) 恢复时间恢复时间t

5、re tre 35 (3) 最高工作频率最高工作频率 fmax ()(0)()THCCwCtRCV l ln nuC(0+) = 0；uC( ) =VDD；VTH = VDD /20lnln2DDwDDTHVtRCRCVVrew11ttTfminmax 主要参数计算主要参数计算讨论讨论:a)在暂稳态结束在暂稳态结束(t= t2)瞬间，门瞬间，门G2的输入电压的输入电压vI2达到达到VDD+VTH，可能损坏可能损坏G2门，怎么办？门，怎么办？ vO 1 G3 VD 1 vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 1 Rd Cd vd b)为改善输出波形，一般在输出为改善输出

6、波形，一般在输出端再加一级端再加一级反相器。反相器。二、二、 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 vOvIt tw wt tw w vOvItwtw不可重复触发不可重复触发前沿触发前沿触发可重复触发可重复触发后沿触发后沿触发只能在只能在稳态稳态接受输入信号。接受输入信号。不可重复触发的不可重复触发的TTL集成单稳态触发器集成单稳态触发器 74121使用外接电阻使用外接电阻RextC：外接电容，典型值：外接电容，典型值：10pF10FR典型值：典型值：230K使用内部电阻使用内部电阻Rint（1）电路连接方式）电路连接方式在暂稳态期间，由于在暂稳态期间，由于G4门关闭门关闭，不会被再次触发，不会被

7、再次触发，属于不可重复触发单稳态触发器属于不可重复触发单稳态触发器 B A1 A2 G1 & G2 & G3 & G4 & a G5 & 1 G6 1 Cext Rext Rext/Cext Rint Rint G7 1 G8 1 G9 1 Q Q 触触发发信信号号控控制制电电路路 微微分分型型单单稳稳态态触触发发器器 输输出出缓缓冲冲电电路路 稳态期：稳态期： Q=0, Q=1 暂稳态：暂稳态： Q=1, Q=0 （2）工作原理）工作原理12()TRB AA输输 入入输输 出出注注A1 A2 BQ Q L H L H L H H L H L H L H

8、 L H保持保持稳态稳态 H H H H H下降沿下降沿触发触发 L L 上升沿上升沿触发触发（3）功能表）功能表正脉冲输出条件：正脉冲输出条件：1. B=1时，时， A1、A2有有由由1到到0跳变跳变(A为为1)2. A1、A2中有低电平中有低电平时，时，B出现由出现由0到到1跳变跳变12()TRB AA（4）工作波形（略）工作波形（略）三、单稳态触发器的应用三、单稳态触发器的应用1. 定时定时 只有在输出脉冲的只有在输出脉冲的tw时间内，时间内，uI的信号才能通过与门的信号才能通过与门 vO 与与门门 vA vB tW 单稳态单稳态 触发器触发器 vI vI O vB O vA O vO

9、O tW t t t t A1 Rext/ Cext VCC Cext A2 B Cext Rext/ Cext A1 A2 B Q Q VCC VCC vI vO R1 C1 R2 C2 74121 （1） 74121 （2） vO1 vI t t1 0 t tw1 tw1 vO1 0 t tw2 tw2 vO 0 2. 延时延时 单稳触发器的输出脉宽应大于大于噪声宽度而小于小于信号脉宽，才可消除噪声。 vI Q vO 噪噪声声 C R VCC Cext Rext/Cext 74121 A1 A2 B vI Q 1D C1 R Q vO 3. 消除噪声消除噪声 uIuO8.2 施密特触发器主

10、要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿陡峭的矩形波。 特点：触发方式：电平触发。输入电压达到某一定值时，输出电压跳变，存在正反馈过程，使得输出波形边沿陡峭。 电压传输特性特殊，电路有两个转换电平（上限触发转换电平VT+和下限触发转换电平VT_）同相同相输出施密特触发器反相反相输出施密特触发器 1 uI uO 1 uI uO O uI uo VT VT+ VOH VOL oVT+ uO VOH VOL VT- uI 1、电路组成、电路组成2、工作原理、工作原理 1 1 G1 G2 uI uO R2 R1 uO1 uI1一、用门电路组成的施密特触发器一、用门电路组成的施密特触发器221I1IO12

11、1RRuuuRRRRR1 R2uI为三角波 假定： 2THDDVV当当uI=0G1截止截止0I1uV1OOHDDuVVG2导通导通0OOLuVV 1 1 G1 G2 uI uO R2 R1 uO1 uI1(1) uI上升上升 vI vI1 vO1 vO (2)当当 uI1 =VTH只要只要uI 1VTH，则保持，则保持uO =0VODDuV正向阈值电压正向阈值电压 (VT+): uI 在增加过程中，使输出电压产生跳变时在增加过程中，使输出电压产生跳变时所对应所对应uI 的值。的值。1212ITHTRuVVRR1(1)2TTHRVVR(3) uI继续上升继续上升ODDuVG1进入电压传输特性转折

12、区，电路发生正反馈进入电压传输特性转折区，电路发生正反馈 ： 输出状态维持不变输出状态维持不变 1 1 G1 G2 uI uO R2 R1 uO1 uI1 vI vI1 vO1 vO I1THT-DD1RRuVVVRRRR2112212(1)T-THRVVR11222T-DDTTTHRRVVVVVRR(4) uI从高电平开始下降从高电平开始下降0OuV负向阈值电压负向阈值电压 (VT-): 输入在下降过程中，使输出电平发生跳变时输入在下降过程中，使输出电平发生跳变时所对应所对应uI的值。的值。ODDuV降至降至uI1 =VTH， G1进入进入电压传输特性转折区，电压传输特性转折区，电路发生正反

13、馈电路发生正反馈 ： 传传输输特特性性曲曲线线 工工作作波波形形 uI VT VT O uO VDD O t t uO VDD O VT VT uI 1 uI uO 1 1 G1 G2 uI uO R2 R1 uO1 uI1二、二、 集成施密特触发器集成施密特触发器CC40106 vI vO vO， VDD TP1 TP2 TP3 TN5 TN4 TN6 vS2 vS5 TP7 TN8 TP9 TN10 TN12 TP11 VDD 施施密密特特电电路路 整整形形电电路路 输输出出电电路路 1 vI vO 电参数电参数名称名称符号符号测试条件测试条件参参 数数单位单位VDD最小值最小值最大值最大

14、值上限阈上限阈值电压值电压UT+510152.24.66.83.67.110.8V下限阈下限阈值电压值电压UT510150.92.54 2.85.27.4V滞回滞回电压电压 UT510150.31.21.61.63.45VCC40106的主要静态参数的主要静态参数三、三、 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 uO VOH VOL 0 t tW uI t vT+vT- 1 vI vO 1. 1. 波形变换波形变换 2.2.波形的整形波形的整形 uI VT+ VT 0 t uO VOH VOL 0 t (a) vI VT+ VT 0 t vO VOH VOL 0 t (b) 合理选择回差电压，可

15、消除干扰信号。合理选择回差电压，可消除干扰信号。 vI O vO1 O vO2 O VT2 VT1 t t t 3.3.消除干扰信号消除干扰信号 1 uI uO VT- vI 0 VT+ 0 t vO VO H VO L 0 4. 幅度鉴别幅度鉴别 1 uI uO 161121CPVaVb 开开关关电电路路 RC延时环节延时环节结构特点：结构特点：开关器件：开关器件：产生高、低电平产生高、低电平反馈延迟环节（反馈延迟环节（ RC电路）：利用电路）：利用RC电路的电路的充放电特性充放电特性实现实现延时，输出电压经延时后，延时，输出电压经延时后，反馈反馈到开关器件到开关器件输入端输入端，改变电，改

16、变电路的输出状态，以获得所脉冲波形输出。路的输出状态，以获得所脉冲波形输出。8.3 多谐振荡器接通电源后，能产生一定频率和幅值矩形波的自激振接通电源后，能产生一定频率和幅值矩形波的自激振荡器。荡器。无稳态电路无稳态电路一、由一、由CMOS门门电路组成的多谐振荡器电路组成的多谐振荡器 1. 电路组成电路组成 D1 R C VC 1 1 vI vO1 vO C R G1 G2 多谐振荡器多谐振荡器VO1 =1, VO =0 时，电容时，电容充电，充电，VI增加；增加；VO1 =0, VO =1 时，电容时，电容放电，放电，VI下降；下降；VO1与与VO反相，电容接在反相，电容接在VO与与VI之间之

17、间VID2D3D4VO1VOTNTNTPTPG1G2+VDD 2. 工作原理工作原理DDTH0O 2NFFVVVV假定假定 电路初态：电路初态：电容充电电容充电迅速使迅速使G1导通、导通、 G2截止截止电路进入第二暂态电路进入第二暂态（1）第一暂稳态电容充电，电路自动翻转到第二暂稳态）第一暂稳态电容充电，电路自动翻转到第二暂稳态 G1 G2 VDD TP D3 TP D1 充充电电 vI D2 TN TN vO1 vO D4 R C vIVDDVTH0ttvOVDD01 1OV 0OV 0CV CV IV 当时ITHVV IV 1 OV OV 1 0OV 1OV（2）第二暂稳态电容放电，电路自

18、动翻转到第一暂稳态）第二暂稳态电容放电，电路自动翻转到第一暂稳态迅速使得迅速使得G1截止、截止、G2导通导通电路返回第一暂稳态电路返回第一暂稳态 G1 G2 VDD TP D3 TP D1 放放电电 vI D2 TN TN vO1 vO D4 R C vI VTH O VDD V V t vO2 VDD O T1 T2 t1 t2 第第一一 暂暂稳稳态态 第第二二 暂暂稳稳态态 t 电容放电电容放电 CV IV 当时ITHVV1 OV OV IV 1 1OV 0OV TRC1n41.4RC 由门电路组成的多谐振荡器的由门电路组成的多谐振荡器的振振荡周期荡周期T取决于取决于R、C电路和电路和 V

19、TH，频率稳定性较差。频率稳定性较差。 3. 振荡周期的计算振荡周期的计算THDDDD1lnVVVRCT THDD2n1VVRCT vI(0+) 0；vC() VDD =RC, t = t2-t1T1 :vI(0+) VDD ；vC() 0 =RC, t = t3-t2T2 : THTHDD2DD21n1V)VV(VRCTTT vI VTH O VDD V V t vO2 VDD O T1 T2 t1 t2 第第一一 暂暂稳稳态态 第第二二 暂暂稳稳态态 t v vo ov vI IV VT+T+V VT_T_V VOLOLV VOHOHT1T20t0t12DDTT+DDTTDDTT+DDTT

20、-lnln()lnTTTVVVRCRCRVVVVVCVVVV Cv vo ov vI IR1二、二、 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电阻分压器电压比较器基本SR锁存器输出缓冲反相器集电极开路输出三极管 TvovICvI1vI2voC1C2+-+(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)RS&5 k 5 k 5 k &1RDVCC (8)G1、电路结构、电路结构8.4 555定时器及其应用555定时器是一种应用方便的中规模集成电路，广泛用于信号的定时器是一种应用方便的中规模集成电路，广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。产生、变换、控制与检测。 8.

21、4.1 555定时器定时器2、工作原理、工作原理 VCC 5k vIC vI1 C1 5k vI2 C2 5k v O T S R RD & & & 1 G vO Q 不变不变不变不变1导通导通01截止截止11导通导通00放电管放电管T输出输出VO复位复位RD触发输入触发输入VI2阈值输入阈值输入VI1输输 出出输输 入入CC31V CC31V CC31V CC32V CC32V CC32V 56270.01FRVcc 3、555定时器功能表定时器功能表 VCC 5k vIC vI1 C1 5k vI2 C2 5k v O T S R RD & & &a

22、mp; 1 G vO Q 4、外加电压控制、外加电压控制5627VIC8不变不变不变不变1导通导通01截止截止11导通导通00放电管放电管T输出输出VO复位复位RD触发输入触发输入VI2阈值输入阈值输入VI1输输 出出输输 入入IC21VIC21VIC21VICVICVICV8.4.2 用用555定时器组成施密特触发器定时器组成施密特触发器+VCCuO1TDQ&1uI1.工作原理CC32VCC31V uItUOH uOtUOLCCVOO外加外加 时时,可改变阈值和回差电压可改变阈值和回差电压+VDDuO2uI 上升时与 2VCC/3 比uI 下降时与 VCC/3 比QRS该电路能改变阈

23、值电压和回差电压该电路能改变阈值电压和回差电压?2.2.滞回特性滞回特性OuIuOUOHUOLCC31VCC32VuI 增大增大时与时与上限阈上限阈值值比比特点特点:uI 减小减小时与时与下限阈下限阈值值比比上限阈值电压上限阈值电压3.3.主要静态参数主要静态参数回差回差电压电压23TCC或ICUVU下限阈值电压下限阈值电压1132TCC或ICUVU回差电压回差电压 UT = UT+ UT VCC VCC1 8 4 555 6 2 vI R vO2 vO1 VIC 0.01 F 73 5 1 CC32VCC31V uItUOH uOtUOLCCVOO 施密特触发器的应用施密特触发器的应用-波形

24、变换波形变换 VCC VCC1 8 4 555 6 2 vI R vO2 vO1 VIC 0.01 F 73 5 1 t 1 3 VC C 2 3 VC C vI 0 t vO 1 VO H 0 o vI vO1 VOH VOL VT+VT_v vo ov vI IV VT+T+V VT_T_V VOLOLV VOHOHT T1 1T T2 20 0t t0 0t t CvovIR1 VCC 8 4 555 6 2 R 0.01 F 7 35 1 C +VCCuOQ&1TDR1R2CuCCC32VCC31V uCtUOH uOtUOL一、电路组成和工作原理一、电路组成和工作原理 627

25、8 4153555R1C1+R2C2+VCC8.4.3 用用555定时器定时器组成组成多谐振荡器多谐振荡器二、振荡频率的估算二、振荡频率的估算62784153555R1C+R2C2+VCC1. C 充电时间充电时间 tpH11( )(0 )ln( )()WCCpHCCuutuut 2lnln1CC32CCCC31CC1 VVVV充电时间常数充电时间常数1= （R1+R2）C2. C 放电时间放电时间 tpL2ln2pLt 20.7pLtR C放电时间常数放电时间常数2 = R2C uCCC32VCC31VtUOH uOtUOLtpHtpLT120.7()pHtRR CT = 0.7(R1+2R

26、2)C振荡周期：振荡周期：振荡频率：振荡频率：CRRCRRTf）（）（2121243. 127 . 011 占空比：占空比：12120.70.72（）（）pHtRRCqTRRC002121502 RRRR三、占空比可调电路三、占空比可调电路62784153555R1C+R2C2+VCCD1D2uOtpH= 0.7R1CtpL = 0.7R2C1120.7(0.70.7）pHtRCqTRRC211RRR 一、电路组成及工作原理一、电路组成及工作原理+VCCuOQ&1TDQRCuIuCuI 与 VCC/3 比较uC 与 2VCC/3 比较TD 饱和, Q = 0110101饱和： TD 截止, Q = 1110截止引起暂稳态的原因:1. 通电的随机过程；2. uI 从 1 0使 u2 VCC/3， 引起 Q = 1，TD 截止。暂稳态暂稳态 稳态稳态自动自动导通饱和11008.4.4 用用555定时器定时器组成单稳触发器组成单稳触发器二、工作波形二、工作波形uOuIVCC0uC02VCC/ 3VCCuO三、主要参数三、主要参数1. 输出脉冲宽度输出脉冲宽度 twtwuC（0+） = 0,uC（） = VCC ,uC（tw） = 2VCC / 3)()()0()(lnW1WtuuuutCCCC RCRC1 . 13ln 2. 恢复时间恢复时间 tre 很小很小2