数字电路与逻辑设计9-4

1、9.1脉冲信号与脉冲电路9.1.19.1.1脉冲信号脉冲信号9.1.29.1.2脉冲电路脉冲电路(a)(b)(c)(d)(e)图9- -1- -1 脉冲波形9.1.19.1.1脉冲信号脉冲信号狭义地说，狭义地说，脉冲波形脉冲波形是指一种持续时间极短的电压或电流是指一种持续时间极短的电压或电流波形；广义上，凡不具有连续正弦波形状的信号，几乎都可以波形；广义上，凡不具有连续正弦波形状的信号，几乎都可以通称为通称为脉冲波形脉冲波形。trtfVmtwT0.9Vm0.5Vm0.1Vm图9- -1- -2 实际的矩形脉冲波形脉冲休止期脉冲休止期脉宽脉宽周期周期上升时间上升时间(前沿前沿)下降时间下降时间(

2、后沿后沿)9.1.29.1.2脉冲电路脉冲电路脉冲电路脉冲电路是用来产生和处理脉冲信号的电路。是用来产生和处理脉冲信号的电路。脉冲电路可以用分立晶体管、场效应管作为开关和脉冲电路可以用分立晶体管、场效应管作为开关和RC或或RL电路构成，也可以由集成门电路或集成运算放大器和电路构成，也可以由集成门电路或集成运算放大器和RC充、放充、放电电路构成。电电路构成。常用的有脉冲波形的产生、变换、整形等电路，如双稳态常用的有脉冲波形的产生、变换、整形等电路，如双稳态触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器、射极耦合双稳态触触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器、射极耦合双稳态触发器（施密特电路）及锯齿波电路。发

3、器（施密特电路）及锯齿波电路。本章要求掌握双稳态电路，单稳态电路，自激多谐振荡电路本章要求掌握双稳态电路，单稳态电路，自激多谐振荡电路的总体构造，波形及应用。至于内部各点的工作波形，工作的总体构造，波形及应用。至于内部各点的工作波形，工作原理不作要求。原理不作要求。9.2集成门构成的脉冲单元电路9.2.19.2.1施密特触发器施密特触发器9.2.29.2.2单稳态触发器单稳态触发器9.2.39.2.3多谐振荡器多谐振荡器vIR111G1G2vOvOvIR2图9- -2- -1 两级CMOS反相器构成施密特触发器9.2.19.2.1施密特触发器施密特触发器( (双稳态电路双稳态电路) )用两级用

4、两级CMOS反相器构成的施密特触发器反相器构成的施密特触发器器器的的第第一一种种稳稳定定状状态态。这这是是施施密密特特触触发发导导通通，截截止止，时时，当当0G,G0O2DDO1I vVvv的的稳稳定定状状态态。持持在在，电电路路保保也也升升高高，只只要要逐逐步步上上升升时时，当当0OGS(th)IIII212 vVvvvvRRRGS(th)GS(th)TIDDO21GS(th)II)1(GG21221VVVvVvVvvRRRRR 限触发电平限触发电平值为施密特触发器的上值为施密特触发器的上稳定状态。此时，稳定状态。此时，密特触发器进入第二种密特触发器进入第二种发器状态发生翻转，施发器状态发生

5、翻转，施，触，触截止，截止，导通，导通，时，时，上升使上升使当当下下降降而而减减小小。随随由由最最大大值值下下降降，则则的的稳稳定定状状态态。若若，电电路路就就稳稳定定在在只只要要满满足足IIIDDIIDDOTI211)(vvvVvvVvVvRRR vOvIVTVT+VGS(th)2 VGS(th)R1R2图9- -2- -2 施密特触发器 电压传输特性GS(th)21TTTT2)(VRRVVVV ，迟滞特性迟滞特性的差值称为回差电压的差值称为回差电压、下限触发电平、下限触发电平施密特触发器的上施密特触发器的上的状态。的状态。，触发器就稳定在，触发器就稳定在只要满足只要满足，则，则，若，若限触

6、发电平限触发电平值为施密特触发器的下值为施密特触发器的下态。此时的态。此时的第一种稳定状第一种稳定状时，电路发生翻转回到时，电路发生翻转回到下降使下降使当当0)1(OTIGS(th)TDD21GS(th)DDGS(th)TIGS(th)II2121221 vVvVVVVVVVvVvvRRRRRRRvIR11G1G2vOvOvIR2图9- -2- -3 两级TTL门构成的施密特触发器&D用用TTL门构成的施密特触发器门构成的施密特触发器DthTTT21VVVVVRR电路的回差为图9- -2- -4 CMOS集成施密特触发器电路TP2TN1vITP1TN2TP3vOTN3VDDTP4TN5TP5T

7、N6vO vO VDDTP6施密特触发器施密特触发器整形整形(a)缓冲输出缓冲输出vIvO (b)1集成施密特触发器集成施密特触发器图中图中TP4、TP5及及TN4、TN5构成两个首尾相连的反相器，用构成两个首尾相连的反相器，用来改善输出波形来改善输出波形(整形整形)；TP6和和TN6组成输出缓冲级，以提高电路组成输出缓冲级，以提高电路的带负载能力，同时起隔离作用。的带负载能力，同时起隔离作用。表9- -2- -1 CC40106阈值数值表9- -2- -2 TTL施密特触发器阈值数值集成施密特触发器上、下限触发器电平典型数值：集成施密特触发器上、下限触发器电平典型数值：vItOvOtOVTV

8、T图9- -2- -6 用施密特触发器实现波形变换施密特触发器的应用施密特触发器的应用(1) 波形变换波形变换将输入的正弦波、三角波、锯齿波等变换成矩形波输出。将输入的正弦波、三角波、锯齿波等变换成矩形波输出。vItOvOtOVTVT图9- -2- -7 用施密特触发器实现波形整形(a)vItOvOtOVTVT(b)vItOvOtOVTVT(c)(2) 脉冲整形脉冲整形当矩形脉冲经过传输后因以下原因发生畸变，可通过施密当矩形脉冲经过传输后因以下原因发生畸变，可通过施密特触发器的整形获得满意的矩形脉冲波形。特触发器的整形获得满意的矩形脉冲波形。图9- -2- -8 用施密特触发器实现脉冲鉴幅vI

9、tOvOtOVTVT(3) 脉冲鉴幅脉冲鉴幅只有当输入脉冲信号的幅度大于施密特触发器上限触发电只有当输入脉冲信号的幅度大于施密特触发器上限触发电平时，在输出端才产生输出信号。平时，在输出端才产生输出信号。9.2.29.2.2单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器具有单稳态触发器具有稳态稳态和和暂态暂态两个不同的工作状态。在外两个不同的工作状态。在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转为暂稳态，维持一段时间后，界触发脉冲作用下，能从稳态翻转为暂稳态，维持一段时间后，电路又能自动地翻转为稳态。暂稳态维持时间的长短取决于电电路又能自动地翻转为稳态。暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外界触发脉冲无关

10、。路本身的参数，与外界触发脉冲无关。集成门构成的单稳态触发器集成门构成的单稳态触发器根据维持暂态的根据维持暂态的RC定时电路的不同接法，单稳态触发器可定时电路的不同接法，单稳态触发器可以分为以分为微分型微分型和和积分型积分型两大类。两大类。(1) 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器&(a)G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF 330图9- -2- -9 微分型单稳态触发器 及其工作波形反馈线反馈线输入端微分电路输入端微分电路微分型定时电路微分型定时电路&(a)G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF 330图9- -2- -9 微分型单稳态触发器 及其工作

11、波形vIv1vO1vO2v2(b)3.6V0.3V0.3V1.4V3.6V0.3V3.6V0.3V1.4V- -1.5V3.6V0.3Vtw反馈线反馈线(a) 0t1为稳定状态。为稳定状态。输入端无输入信号触发或触发输入端无输入信号触发或触发输入为高电平。当选取输入为高电平。当选取Ri大于大于3.2k时，使时，使vI高于开门电平，高于开门电平，vO1=0.3V；选取选取R小于小于0.9k，使，使v2低于关门电低于关门电平，平，vO2=3.6V。触发器处于稳定状态。触发器处于稳定状态（vO1=VOL，vO2=VOH ）。）。0t1t2当当t=t1时，输入端时，输入端vI下跳变，下跳变，v1产生一

12、个负尖峰脉冲，产生一个负尖峰脉冲，vO1上跳至高上跳至高电平，电平，v2随之跳变为高电平，使随之跳变为高电平，使vO2为低电平，触发器受触发发生一次为低电平，触发器受触发发生一次翻转，从而进入暂稳态（翻转，从而进入暂稳态（vO1=VOL，vO2=VOH）。）。Cv2RvO1图9- -2- -10 电容充电等效电路RO3.6Vi(b) t1t2暂态过程。暂态过程。G1的输出电阻的输出电阻t1至至t2的时间称为的时间称为暂态时间暂态时间，其，其长短取决于长短取决于RC的充电速度，因此的充电速度，因此RC称为称为定时电路定时电路，由它决定输出，由它决定输出vO1和和vO2的宽度。暂态时间通常近似估计

13、的宽度。暂态时间通常近似估计为为CRRt)( 7 . 0OW(c) tt2：恢复过程，电路又回：恢复过程，电路又回到稳定状态（到稳定状态（a)。&G2G1Cv2RvO1vO2vIvIvO1vO2v21.4Vtw(a)图9- -2- -13 积分型单稳态 触发器及其工作波形0.3V3.6V3.6V0.3V3.6V0.3Vt1t2(b)(2) 积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器0(a) 0t1稳定状态。稳定状态。输入输入vI为低电为低电平，两个门的输出均为高电平。电容平，两个门的输出均为高电平。电容C充电结束，触发器处于稳定状态。充电结束，触发器处于稳定状态。当当t=t1时，时，vI上跳变，两个

14、门的状上跳变，两个门的状态同时改变，触发器翻转一次，进入态同时改变，触发器翻转一次，进入暂稳态。暂稳态。(b) t1t2暂稳定状态。暂稳定状态。输入输入vI为高为高电平，电平，vO1输出均为低电平，电容输出均为低电平，电容C放放电。当电。当t=t2时，电压时，电压v2下降至下降至Vth，G2状状态发生翻转，态发生翻转，vO2上跳至高电平，触发上跳至高电平，触发器状态自动翻转一次。器状态自动翻转一次。图10- -2- -16 单稳态触发器 通用逻辑符号1图9- -2- -17 非可重触发单稳 态触发器波形vItOvOtOtWtWA B CD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集成

15、单稳态触发器分为非可重触发非可重触发和和可重触发可重触发两种类型。两种类型。非可重触发单稳态触发器非可重触发单稳态触发器，是指，是指在暂稳态定时时间在暂稳态定时时间tW之内，若有新的之内，若有新的触发脉冲输入，电路不会产生任何响触发脉冲输入，电路不会产生任何响应。应。只有在电路返回到稳态后，电路只有在电路返回到稳态后，电路才受输入脉冲信号作用。输出信号脉才受输入脉冲信号作用。输出信号脉冲的宽度为冲的宽度为tW。输入脉冲输入脉冲暂稳态定时时间暂稳态定时时间图9- -2- -18 可重触发单稳 态触发器波形vItOvOtOtWABCtWtWt可重触发单稳态触发器可重触发单稳态触发器，是指在暂稳态定

16、时时间，是指在暂稳态定时时间tW之内，之内，若有新的触发脉冲输入，可被新的输入脉冲重新触发。若有新的触发脉冲输入，可被新的输入脉冲重新触发。图图9- -2- -18中，电路在受到中，电路在受到A输入输入脉冲触发后，电路进入暂稳态。在脉冲触发后，电路进入暂稳态。在暂稳态暂稳态tW期间，经期间，经t(ttW)时间后，时间后，又受到又受到B输入脉冲的触发，电路的暂输入脉冲的触发，电路的暂稳态时间又将从受稳态时间又将从受B脉冲触发开始，脉冲触发开始，因此输出信号的脉冲宽度将为因此输出信号的脉冲宽度将为t+tW。采用可重触发单稳态触发器，只要在输出的暂稳态持续期采用可重触发单稳态触发器，只要在输出的暂稳

17、态持续期tW结束前，再输入触发脉冲，就可方便地产生持续时间很长的结束前，再输入触发脉冲，就可方便地产生持续时间很长的输出脉冲。输出脉冲。&G1CRd图9- -2- -24 电容正反馈 多谐振荡器&G2abtw1t1t2t3tw2充充电电放放电电V1.4V0.3V0.3V3.6Vvdvbva(a)(b)9.2.39.2.3多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，在接通电源后，不需要外加触发信号，能自动地产生矩形脉冲，优于矩形波能自动地产生矩形脉冲，优于矩形波形中含有丰富的高次谐波，故习惯称形中含有丰富的高次谐波，故习惯称为为多

18、谐振荡器多谐振荡器。它是常用的矩形脉冲。它是常用的矩形脉冲产生电路。产生电路。电容正反馈多谐振荡器电容正反馈多谐振荡器(1) 基本工作原理基本工作原理在多谐振荡器工作过程中，主要在多谐振荡器工作过程中，主要依靠电容依靠电容C的充、放电，引起的充、放电，引起vd的变的变化，若化，若vd达到达到TTL门阈值电压门阈值电压Vth，引，引起起与非与非门状态的翻转。门状态的翻转。&G1CRd图9- -2- -24 电容正反馈 多谐振荡器&G2abtw1t1t2t3tw2充充电电放放电电V1.4V0.3V0.3V3.6Vvdvbva(a)(b)设某时刻由于电容设某时刻由于电容C充电，使充电，使vd上升至上

19、升至vdVth时，时，G1由关态变为开态，由关态变为开态，使输出使输出va由高电平跳变至低电平，由高电平跳变至低电平，G2由开态变为关态，输出由开态变为关态，输出vb由低电平跳由低电平跳变至高电平。由于电容变至高电平。由于电容C两端电压不两端电压不能突变，使能突变，使vd也随也随vb的上跳而上跳，的上跳而上跳，维持维持G1处于开态，处于开态，G2处于关态。处于关态。以后电容以后电容C放电，放电，vd电位逐渐下电位逐渐下降，在降，在vd下降至下降至Vth之前，这段时间称之前，这段时间称为为暂态暂态，即图中，即图中t1t2期间的波形。期间的波形。CRdab0.3V3.6V(a)图9- -2- -2

20、5 电容C充、放 电等效电路RO+- -RROC(b)+- -R1VCCdab0.3V3.6V放电放电充电充电当当vd下降至下降至Vth时，时，G1由开态变为由开态变为关态，关态，va由低电平上跳至高电平，由低电平上跳至高电平，G2由关态变为开态，由关态变为开态，vb由高电平下跳至由高电平下跳至低电平。电路又一次自动翻转。低电平。电路又一次自动翻转。当当G1处于关态，处于关态，G2处于开态后，处于开态后，电容电容C充电，充电，vd电位逐渐上升，在电位逐渐上升，在vd上上升至升至Vth之前，这段时间称为之前，这段时间称为暂态暂态，如图中如图中t2t3期间的波形。期间的波形。当当vd上升至上升至V

21、th时，时，G1由关态变为由关态变为开态，开态，G2由开态变为关态，进入暂态由开态变为关态，进入暂态。以后不断重复上述过程，从而形。以后不断重复上述过程，从而形成周期振荡，在输出端获得矩形波成周期振荡，在输出端获得矩形波vb。(2) 振荡周期的计算振荡周期的计算(a) 暂态暂态持续时间持续时间tW1的计算的计算)()()()(112W12dd1ddln tvvtvvttt OHOLOHbth1dth2dadO1)(V4 . 1)(V0V3 . 0)()(VVVVVVVtvVtvvvCRR 其中：其中：)1ln()()ln()(thOHthOHthOOW1VVVVVCRRCRRt )()()()

22、(223W23dd2ddln tvvtvvttt OHOHOL2b2bth2dth3dOHad1O2)()()(V4 . 1)(V6 . 3)(/)(VVVtvtvVVVtvVtvVvvCRRR 其中：其中：)ln(/)(thOHthOH21OW2VVVVCRRRt (b) 暂态暂态持续时间持续时间tW2的计算的计算W2W1ttT (c) 振荡周期振荡周期带有带有RC定时电路的环定时电路的环形振荡器形振荡器&G2CR图9- -2- -26 带RC电路的环形多谐 振荡器及工作原理&G3vOt1t2t3tw2(a)(b)&G1RSv3v2v1OvOtOv1tOv2tOv3tVmVmVtht4tw1

23、基本工作原理基本工作原理是利用电容是利用电容C的充、放电过程，控制电压的充、放电过程，控制电压v3，从而控制从而控制与非与非门的自动开闭。门的自动开闭。(1) t1t2暂稳态暂稳态设设tt2时，与时，与tv- -，则输出为高电平，反之输则输出为高电平，反之输出为低电平。出为低电平。基本触发器基本触发器置置0端，低电平有效端，低电平有效泄放三极管，为外接泄放三极管，为外接电容提供充、放电回路。电容提供充、放电回路。输出缓冲器，起整形和提高负载的作用。输出缓冲器，起整形和提高负载的作用。和和分分压压，分分别别为为参参考考电电压压，由由分分压压电电阻阻CC31CC32VVVCC(8)R(4)vco(

24、5)vI1(6)vI2(2)vO(7)vO图9- -3- -2 用555定时器构成施密特触发器(1)(3)vIVCCF01. 09.3.29.3.2用用555555定时器构成施密特触发器定时器构成施密特触发器vIOtvOOtCC32VCC31V图9- -3- -3 图10- -3- -2所示电路工作波形为高电平。为高电平。平，输出平，输出输出低电输出低电为低电平。为低电平。平，平，为高电为高电时，时，当当O1C2C1CC31IGvvvVv 变变。不不均均为为高高电电平平，状状态态保保持持和和时时，当当C2C1CC32ICC31vvVvV ，状状态态发发生生一一次次翻翻转转。为为为为高高电电平平

25、。使使输输出出平平，为为低低电电时时，当当OLOC2C1CC32IVvvvVv 又发生一次翻转。又发生一次翻转。，状态，状态低电平，使输出低电平，使输出为为时，时，下降至下降至当当OHOC2CC31IVvvVv 由分析可知，该电路可以完成波形变换等功能，其上限触由分析可知，该电路可以完成波形变换等功能，其上限触发电平为发电平为CC32TVV 下限触发电平为下限触发电平为CC31-TVV 回差为回差为CC31TVV VCC(8)R(4)vco(5)vI1(6)vI2(2)vO(7)vO图9- -3- -4 用555定时器构成单稳态触发器(1)(3)vIVCCF01. 0RC9.3.39.3.3用

26、用555555定时器构成单稳态触发器定时器构成单稳态触发器TD三极管的集电极输出三极管的集电极输出vO(7)端通过电阻端通过电阻R接接VCC，构，构成反相器。成反相器。TD反相器输出端反相器输出端vO(7)接电容接电容C到地，同时到地，同时vO(7)和和vI1(6)端连接在一起，端连接在一起，构成构成积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器。当当vI=VCC时，时，vC1输出高电平。输出高电平。VCC通过通过R对对C充电，使充电，使vI1(6)电位上升，当电位大于电位上升，当电位大于(2/3)VCC时，时，vC1输出低电平，输出低电平，vO为低电为低电平。同时，平。同时，TD导通，导通，C通过通过

27、TD放电，当小于放电，当小于(2/3)VCC时，时，vC1输输出高电平，最后出高电平，最后C放电至放电至0，达到稳态。，达到稳态。vCOtvOOtCC32VCC31V图9- -3- -5 单稳态触发器工作波形vIOt当当vI下降沿到达时，下降沿到达时，vI=0，vC2输出低电平，使得输出输出低电平，使得输出vO为高为高电平。电路受触发发生一次翻转。电平。电路受触发发生一次翻转。由于由于G1输出低电平，使输出低电平，使TD截截止，止，VCC通过通过R对对C充电，电路进充电，电路进入暂稳态。电容充电使得入暂稳态。电容充电使得vC(vI1)电位上升。电位上升。当当vC(vI1)(2/3)VCC时，时，vC1输出低电平，使得输出输出低电平，使得输出vO为低电为低电平，电路自动翻转一次，暂稳态结束，恢复到稳态。平，电路自动翻转一次，暂稳态结束，恢复到稳态。由分析可知，暂稳态持续时间为由分析