数字电子技术刘汉华脉冲波形的产生和整形

数字电子技术刘汉华脉冲波形的产生和整形第1页/共88页第十章脉冲波形

的产生和整形第2页/共88页本章内容10.1概述10.2施密特触发电路10.3单稳态触发电路10.4多谐振荡器10.5555定时器及其应用第3页/共88页10.1概述时钟信号是时序逻辑电路必不可少的信号，它（时钟脉冲）的特性直接关系到系统能否正常地工作第4页/共88页一、产生矩形脉冲的途径1.多谐振荡器电路二、矩形脉冲特性的描述图10.1.12.整形电路对已有的周期性波形变换脉冲周期T：脉冲频率f：脉冲幅度Vm：一些参数：第5页/共88页上升时间tr：脉冲宽度tW：下降时间tf

：图10.1.1占空比q＝tw/T第6页/共88页10.2施密特触发电路（SchmittTrigger）2.电平变换的两个方向上，转换电平不同，VT+、VT-

3.用正反馈改善波形。

什么是施密特触发器（三个性能特点）：1.有两个稳定的状态。回差电压:第7页/共88页10.2.1用门电路组成的施密特触发电路电路参数相关：图10.2.1反相器G1和G2均为CMOS门阈值电压为VTH＝VDD/2，VOH＝VDD，VOL＝0，R1<R2第8页/共88页1.工作原理①开始vI＝0时，vo1＝VOH

，vo＝VOL≈0②当vI从0逐渐升高到使得vA＝VTH=VDD/2时，引起正反馈使电路迅速跳变到vo＝VOH≈VDD此时的vI称为VT＋输入电压由小变大的过程第9页/共88页③vI继续增大，直至VDD，vo一直保持＝VOH≈VDD当vI从0逐渐升高到使得vA＝VTH时，引起正反馈之初VT+是多大？第10页/共88页输入电压由大变小的过程①开始vI＝VDD时，vo1＝VOL

，vo＝VOH≈VDD②当vI从VDD逐渐下降到使vA＝VTH=VDD/2时，引起正反馈使电路迅速跳变到vo＝VOL≈0此时的vI称为VT-第11页/共88页③vI继续减小，直至为0，vo一直保持＝VOL≈0当vI从VDD逐渐下降到使vA＝VTH，刚引起正反馈之初第12页/共88页得传输特性曲线：图10.2.2VT＋VT-施密特触发电路逻辑符号第13页/共88页将VT＋和VT－之间的差值定义为回差电压，用△VT表示，即第14页/共88页第15页/共88页例10.2.1由CMOS反相器构成的施密特触发电路如图10.2.2所示，设VTH＝3V，VDD＝6V，输入电压为峰－峰值6V的三角波。试画出输出电压vo的波形，注明VT＋和VT－的大小，并求回差电压△VT。图10.2.2解：阈值电压为第16页/共88页回差电压为△VT＝VT＋－VT－

＝4.5-1.5=3V其输出波形如图10.2.3所示第17页/共88页第18页/共88页P460自学10.2.2集成施密特触发器第19页/共88页一、用于波形变换10.2.3施密特触发器的应用第20页/共88页二、用于脉冲整形第21页/共88页三、用于鉴幅四、构成多谢振荡器(10.4节中讲述)第22页/共88页10.3单稳态触发器1.什么是单稳态触发器（3个特点）：暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数单稳态触发器简称“单稳”应用：脉冲整形、延时、定时等稳定状态稳定状态暂稳态自动返回外部触发重点：为什么会自动返回？需多少时间？第23页/共88页10.3.1用门电路组成的单稳态触发电路一、微分型单稳态触发电路1.电路结构由CMOS门电路G1、G2和Rd、Cd微分电路构成的单稳态触发电路。图10.3.1第24页/共88页a.无触发信号时，电路处于稳态，vo=0图10.3.2图10.3.12.工作原理（设VOH≈VDD，VOL≈0，且CMOS门的转折电压为VTH≈VDD/2）b.外加触发信号时，电路由稳态翻转到暂稳态。以下正反馈使边沿陡峭第25页/共88页c.电容充电，电路由暂稳态自动返回至稳态C充电电路图10.3.2图10.3.1第26页/共88页图10.3.2

此时电容C通过R和G2门的输入保护电路很快放电，直到电容电压为0，电路恢复到稳态。C放电电路C放电图10.3.1第27页/共88页图10.3.2暂态：由外部信号触发图10.3.1暂态稳态稳态：由电容充电返回第28页/共88页输出的脉冲宽度为注：微分型单稳态触发器可以用窄脉冲触发，但输出脉冲的下降沿较差。图10.3.2第29页/共88页a.无触发信号时，电路处于稳态工作原理：图10.3.4图10.3.3二、积分型单稳态触发电路b.当有正脉冲输入后，电路进入暂稳态vo＝VOH,vo1=vA＝VOHc.电容放电到vA=VTH，电路回到稳态第30页/共88页C放电回路第31页/共88页输出的脉冲宽度为图10.3.3图10.3.4其中Ro为G1门输出为低电平时的输出电阻。第32页/共88页1.从输出波形质量看：微分型单稳触发电路好；

2..从抗干扰能力看：积分型单稳触发电路好；

3.对触发脉冲的要求：积分型单稳要求触发脉冲的宽度要大于输出脉冲宽度。三、两种单稳态触发电路的比较：图10.3.3图10.3.1微分型积分型第33页/共88页10.3.2集成单稳态触发电路（74121)1.TTL逻辑电路集成单稳态触发电路内部结构（了解）图10.3.5第34页/共88页2.图形符号和功能表第35页/共88页3.触发脉冲作用下的波形图图10.3.8第36页/共88页4.典型外部连线方式（a）（b）图10.3.7集成单稳态触发器74121的典型外部连接方法（a）使用外接电阻（下降沿触发）（b）使用内部电阻（上升沿触发）第37页/共88页5.两类单稳态电路一旦被触发，不再受新脉冲会影响电路a.不可重复触发型b.重复触发型触发后，有新脉冲则再次触发第38页/共88页例10.3.1由集成单稳态触发电路74121组成的电路如图10.3.10所示，试定性画出输出端Q1和Q2的波形，并说明电路的功能。跳过例子第39页/共88页解：第一片的A1＝A2＝v

I，B＝Q

2，第二片的A1＝A2＝Q

1

，B＝v

I第40页/共88页当vI＝0时，第一片A1＝A2＝1，其输出Q1＝0；第二片的B＝0，A1＝A2＝0，其输出Q2＝0，Q2＝1第41页/共88页当vI跳变为高电平时，如图10.3.11所示，则第一片的A1、A2出现下降沿，而B＝Q2＝1，故在Q1端输出一个正脉冲。第42页/共88页图10.3.11第43页/共88页而第二片B＝vI＝1，A1＝A2＝Q1，则在Q1的下降沿，Q2输出正脉冲。而第一片的B＝Q2，则A1＝A2＝0，在Q2上升沿的作用下，Q1输出一个正脉冲，电路不断振荡下去第44页/共88页图10.3.11第45页/共88页图10.4.110.4多谐振荡器10.4.1对称式多谐振荡器1.构成：G1、G2经耦合电容C1、C2连接起来的正反馈电路。

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，便能自动产生矩形波形。第46页/共88页2.产生自激振荡的条件：图10.4.2图10.4.1适当偏置，由RF

来设定。第47页/共88页3.工作情况分析接通电源后，由于电冲击，使得输入有微小的正跳变，产生正反馈，使得vo2翻转成高电平，电路进入第一个暂稳态。图10.4.1图10.4.3C1充电C2放电C1充电回路C2放电回路第48页/共88页

由于充电的速度比放电速度快，故vI2首先达到阈值电压VTH，产生下面的正反馈，vo2迅速跳变为低电平，而vo1跳变为高电平，电路进入第二个暂稳态，vo2迅速跳变为低电平，而vo1跳变为高电平，电路进入第二个暂稳态，同时C1放电C2充电。由于电路对称，过程与前相似，C2充电的速度比C1充电快，很快vI1首先达到阈值电压VTH，使得vo1

迅速跳变为低电平，而vo2跳变为高电平，又回到第一暂稳态图10.4.1图10.4.3C1放电C2充电vI1RF1voH1vol2C2C1voh1vI2v2loRF2第49页/共88页

若取RF1=RF2＝RF，C1＝C2=C，则振荡周期为图10.4.3其中：第50页/共88页10.4.2非对称式多谐振荡器

将对称式多谐振荡器的C1和RF2去掉，两个反相器仍工作在电压传输特性的转折区上，输出仍然没有稳定状态。这就是非对称式多谐振荡器，其电路如图10.4.5所示，反相器为CMOS门。图10.4.5

vo2图10.4.1第51页/共88页1.自激振荡的条件：

对于图10.4.5的非对称式多谐振荡器若反相器为CMOS反相器，则为了使电路静态不稳定，工作点仍在电压传输特性的转折区，由于CMOS门的输入电流很小，故工作点P恰好在转折区的中点，而且对RF的选择也没有严格限制。图10.4.5

vo2第52页/共88页2.工作情况分析

当vI1由于某种原因产生正跳变时，存在下面的正反馈

这样使得vo1迅速跳变为低电平，vo2跳变为高电平，电路进入第一暂稳态，同时电容放电图10.4.5

vo2电容放电电路第53页/共88页随着C放电，vI1下降，当vI1＝VTH时，产生下面正反馈这样使得vo1迅速跳变为高电平，vo2跳变为低电平，电路进入第二暂稳态，同时电容充电，vI1增加电容充电电路图10.4.5

vo2第54页/共88页图10.4.6

vo2电容充电，vI1增加，当升到阈值电压VTH时，电路又迅速调到第一暂稳态第55页/共88页其振荡周期为其振荡频率为图10.4.6第56页/共88页10.4.3环形振荡器

环形振荡器就是利用延迟负反馈产生振荡的。它是利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成的。1.最简单的环形振荡器

电路如图10.4.7所示。图10.4.7第57页/共88页工作原理：图10.3.8图10.4.7第58页/共88页振荡周期为其中tpd为反相器的传输延迟时间

同理若将任何大于、等于3的奇数个反相器首尾相联成环形电路，都你能产生自激振荡，且周期为其中n为串联反相器的个数图10.3.8第59页/共88页

改进电路如图10.4.8所示，其中增加了RC积分环节，加大了第二节的延迟时间电路虽简单，但由于门电路的传输时间很小，故振荡频率很高，频率很难调节。2.实用的环形振荡器图10.4.8图10.4.7第60页/共88页图10.4.9图10.4.8这个RC电路的充、放电的持续时间还是很短将C的接地端改到G1的输出端保护电阻第61页/共88页vo2图10.4.9振荡周期估算式:注：上式成立的条件应满足R1+RS>>R.，VOL≈0各点波形第62页/共88页10.4.4用施密特触发电路构成的多谐振荡器2.工作原理:图10.4.101.电路结构:第63页/共88页输出波形其振荡周期的计算公式为图10.4.11图10.4.10第64页/共88页电路特点：充放电回路、时间常数不同，改变R1和R2的比值即可改变占空比。图10.4.123.占空比可调节的电路第65页/共88页10.4.5石英晶体多谐振荡器

目的：图10.4.12能通过频率为fo的信号，滤除其他频率信号，故振荡器的工作再频率fo处。

前面所讲的振荡器频率不够稳定，在多谐振荡器电路中，接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器，可得到稳定的频率原理：第66页/共88页图10.4.13

电路：第67页/共88页一、电路结构图10.5.1CB555的电路结构图10.5.1555定时器的电路结构与功能10.5555定时器1.分压器：三个等值电阻2.比较器：由电压比较器C1和C2构成3.SR锁存器4.放电开关管TQQ’S’R’第68页/共88页电路结构等效图第69页/共88页<2/3VCC<1/3VCC10>2/3VCC>1/3VCC01<2/3VCC>1/3VCC11R'DS'DVi1Vi2比较结果二、工作原理>2/3VCC<1/3VCC002/3VCCQQ’S’R’第70页/共88页三、图形符号和功能表第71页/共88页10.5.2用555定时器接成的施密特触发电路一、电路结构图10.5.3第72页/共88页二、工作原理：（1）当vI从零开始增大：vI=0~VCC/3和VCC/3<vI<2VCC/3以及vI>2VCC/3三段分析图10.5.3（2）当vI从VDD开始减小：vI>2VCC/3和2VCC/3>vI>VCC/3以及vI=0~VCC/3三段分析第73页/共88页图10.5.3(1)．VT+=2/3VCC，

VT-=1/3VCC；

ΔVT=1/3VCC；(2).电压传输(3).当5脚接VCO时，VT+=VCO，

VT-=1/2VCO

，

ΔVT=1/2VCO。

三、特性：第74页/共88页10.4.3用555定时器接成的单稳态触发器一、电路结构图10.5.5R第75页/共88页二、工作过程（原理）图10.5.5R通电Q状态随机自动回到并停在稳态Vo=0不管初态如何始终会无触发时高电平第76页/共88页RuituCtuOt暂稳态tw2/3UCCRD=1SD=0Q=1Q=0TD截止C充电RD=0SD=1Q=0Q=1因此暂稳态的长短取决于RC时间常数TD导通C放电第77页/共88页10.5.4用555定时器接成的多谐振荡器一、电路结构图10.5.7构思：555定时器→施密特触发器→多谐振荡器第78页/共88页二、工作原理振