数字电路域逻辑设计9-1

第9章

脉冲单元电路9.1脉冲信号9.2脉冲电路本章要求：1了解脉冲信号了解双稳电路，单稳电路，多谐振荡器了解脉冲电路的应用了解555电路(a)(b)(c)(d)(e)脉冲波形脉冲信号狭义地说，脉冲波形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，几乎都可以通称为脉冲波形。trtfVmtwT0.9Vm0.5Vm0.1Vm图9-1-2实际的矩形脉冲波形脉冲休止期脉宽周期上升时间(前沿)下降时间(后沿)脉冲电路

脉冲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RC或RL电路构成，也可以由集成门电路或集成运算放大器和RC充、放电电路构成。脉冲电路包括脉冲波形的产生、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、射极耦合双稳态触发器,及锯齿波电路。集成门构成的脉冲单元电路9.2.1施密特触发器9.2.2单稳态触发器9.2.3多谐振荡器施密特触发器(双稳态电路)双稳态触发器具有二个稳定状态。只有在外界触发脉冲作用下，才能从一个稳态翻转为另一个稳态，如果没有外部条件的变化,触发器会一直保持不变。vIR111G1G2vOvOv'IR2图两级CMOS反相器

构成施密特触发器１．用两级CMOS反相器构成的施密特触发器vOvIVT－VT+VGS(th)2VGS(th)R1R2施密特触发器电压传输特性从电压传输特性上看,只有当输入Vi变化以后,输出V0才可能变化---双稳态电路图9-2-4CMOS集成施密特触发器电路TP2TN1vITP1TN2TP3vO'●TN3VDDTP4TN5TP5TN6vO''vOVDDTP6施密特触发器整形(a)缓冲输出vIvO(b)1３．集成施密特触发器图中TP4、TP5及TN4、TN5构成两个首尾相连的反相器，用来改善输出波形(整形)；TP6和TN6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。vItOvOtOVT－VT＋图9-2-6用施密特触发器实现波形变换４．施密特触发器的应用(1)波形变换(将其它类型的波转为矩形波)将输入的正弦波、三角波、锯齿波等变换成矩形波输出。vItOvOtOVT－VT＋图9-2-7用施密特触发器实现波形整形(a)vItOvOtOVT－VT＋(b)vItOvOtOVT－VT＋(c)(2)脉冲整形(将变形的矩形波整回标准矩形波)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。图9-2-8用施密特触发器实现脉冲鉴幅vItOvOtOVT－VT＋(3)脉冲鉴幅(将大于某一幅度的波形挑出)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。9.2.2单稳态触发器单稳态触发器具有稳态和暂态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，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。１．集成门构成的单稳态触发器根据维持暂态的RC定时电路的不同接法，单稳态触发器可以分为微分型和积分型两大类。(1)微分型单稳态触发器(vI下降沿触发单稳态)&&(a)G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF图9-2-9微分型单稳态触发器

及其工作波形反馈线输入端微分电路微分型定时电路&&G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF图9-2-9微分型单稳态触发器

及其工作波形vIv1vO1vO2v2(b)0.3V0.3V1.4V3.6V0.3V3.6V0.3V1.4V-1.5V3.6V0.3Vtw反馈线(a)t2～

t3为稳定状态。

触发器处于稳定状态（vO1=VOL，vO2=VOH）。0t1t2

当输入端vI下跳变，v1产生一个负尖峰脉冲，vO1上跳至高电平，v2随之跳变为高电平，使vO2为低电平，触发器受触发发生一次翻转，进入暂稳态（vO1=VOH，vO2=VOL）。t3电容特性:电容上的电压不能突变.暂稳态稳态Cv2RvO1图9-2-10电容充电等效电路RO3.6Vi(b)t1～t2暂态过程。

触发器进入暂稳态后，电容C充电，V2值呈指数下降，当下降到阈值电压时，输出vO2上跳至高电平，触发器自动翻转，回到初始稳定状态。G1的输出电阻

t1至t2的时间tW称为暂态时间，其长短取决于RC的充电速度.暂态时间通常近似估计为单稳态电路在外界负脉冲作用下，进入暂稳态，然后在电路自身作用下，经过一个时间tw，能够自动回到稳态。&&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(电阻在前)0

(a)t2～t3稳定状态。输入vI为低电平，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。当t=t1时，vI上跳变，两个门的状态同时改变，触发器翻转一次，进入暂稳态。

(b)t1～t2暂稳定状态。输入vI为高电平，vO1,v02输出均为低电平，电容C放电。当t=t2时，电压v2下降至Vth，G2状态发生翻转，vO2上跳至高电平，触发器状态自动翻转一次。t3

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vItOvOtOtWtWABCD２．集成单稳态触发器集成单稳态触发器分为非可重触发和可重触发两种类型。

非可重触发单稳态触发器，是指在暂稳态定时时间tW之内，若有新的触发脉冲输入，电路不会产生任何响应。只有在电路返回到稳态后，电路才受输入脉冲信号作用。输出信号脉冲的宽度为tW。输入脉冲暂稳态定时时间OtTR-twOTR+OvAOQttttwtwt1t2t3t4t5t6图9-2-23CC14528可重触发

单稳态工作波形tΔt7工作波形：可重触发单稳态电路:在暂稳态定时时间tW之内，若有新的触发脉冲输入，电路随时可进入暂稳态。输出的脉宽是不定的。9.2.3多谐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，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，故习惯称为多谐振荡器。它是常用的矩形脉冲产生电路。１．电容正反馈多谐振荡器&G1CRd电容正反馈多谐振荡器&G2abtw1t1t2t3tw2充电放电ΔV1.4V0.3V0.3V3.6Vvdvbva(a)(b)设某时刻d为低电平,a为高电平，G1关态，G2开态，电容C充电。这段时间称为暂态Ⅱ。当vd上升至vd≥Vth时，G1由关态变为开态，G2由开态变为关态。以后电容C放电，vd电位逐渐下降，在vd下降至Vth之前，这段时间称为暂态Ⅰ，即图中t1～t2期间的波形。当vd下降至Vth时，G1由开态变为关态，G2由关态变为开态，电路又一次自动翻转到暂态Ⅱ。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vb。

振荡周期２．带有RC定时电路的环形振荡器&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)&G1RS●●●v3v2v1OvOtOv1tOv2tOv3tVmVmVtht4tw1

基本工作原理是利用电容C的充、放电过程，控制电压v3，从而控制与非门的自动开闭。根据分析，可求得（忽略TTL门输出电阻的影响）可见，通过调节电容C和电阻R可以调节振荡器的频率。&G2R图9-2-28晶体稳频的多谐振荡器&G1R●&G3vO３．晶体稳频的多谐振荡器晶体稳频多谐振荡器是在耦合支路中串接了石英晶体构成的。石英晶体具有一个极其稳定的串联谐振频率fs，在该频率的两侧，晶体的阻抗迅速增大。在反馈支路中串入石英晶体，振荡器只有在频率满足fs的起振条件时才起振。振荡的波形经过G3整形后即输出矩形脉冲波。所以，多谐振荡器的振荡频率决定于晶体的振荡频率，这就是晶体的稳频作用。CRvOvC图9-2-29施密特触发器构成

的多谐振荡器1vCtO(a)(b)tOvOtw1tw2４．由施密特触发器构成的多谐振荡器若采用CMOS施密特触发器，则振荡周期为9.3

555定时器及其应用9.3.1555定时器的电路结构9.3.2用555定时器构成施密特触发器9.3.4用555定时器构成多谐振荡器9.3.3用555定时器构成单稳态触发器555定时器的作用是可以通过不同的接法，实现三种电路。+-+-&&1VCCRvCOvI1vI2vO'vO8456271TDG2G1G33R2VREF2VREF1●R1C2C1图9-3-1555定时器电路结构9.3.1555定时器的电路结构电压比较器，若v+>v-，则输出为高电平，反之输出为低电平。基本触发器置0端，低电平有效泄放三极管，为外接电容提供充、放电回路。输出缓冲器，起整形和提高负载的作用。REF1，REF2为VCC(8)R(4)vco(5)vI1(6)vI2(2)v'O(7)vO图9-3-2用555定时器构成施密特触发器(1)(3)vIVCC用555定时器构成施密特双稳触发器vIOtvOOt图9-3-3图10-3-2所示电路工作波形由分析可知，该电路可以完成波形变换等功能，其上限触发电平为下限触发电平为回差为VCC(8)R(4)vco(5)vI1(6)vI2(2)v'O(7)vO图9-3-4用555定时器构成单稳态触发器(1)(3)vIVCCRC●用555定时器构成单稳态触发器TD三极管的集电极输出v'O(7)端通过电阻R接VCC，构成反相器。TD反相器输出端v'O(7)接电容C到地，同时v'O(7)和vI1(6)端连接在一起，构成积分型单稳态触发器。vCOtvOOt图9-3-5单稳态触发器工作波形vIOt

当vI下降沿到达时，vI=0，vC2输出低电平，使得输出vO为高电平。电路受触发发生一次翻转。

由于G1输出低电平，使TD截止，VCC通过R对C充电，电路进入暂稳态。电容充电使得vC(vI1)电位上升。

当vC(vI1)≥(2/3)VCC时