数电第八章脉冲波形的变换与产生

第1页，共52页，2023年，2月20日，星期六教学基本要求正确理解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的电路组成及工作原理。掌握多谐、单稳、施密特触发器MSI器件的逻辑功能及主要指标计算。掌握555定时器的工作原理。掌握由555定时器组成的多谐、单稳、施密特触发器的电路、工作原理及外接参数及电路指标的计算。第2页，共52页，2023年，2月20日，星期六8.1单稳态触发器①电路在没有触发信号作用时处于一种稳定状态。②在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态;③由于电路中RC延时环节的作用，暂稳态不能长保持,经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间仅取与RC参数值有关。基本概念1.单稳态触发器的工作特点第3页，共52页，2023年，2月20日，星期六2.单稳态触发器的分类门电路组成的单稳态触发器MSI集成单稳态触发器用555定时器组成的单稳态触发器按电路形式不同不可重复触发单稳态触发器可重复触发单稳态触发器工作特点划分第4页，共52页，2023年，2月20日，星期六8.1.1用CMOS门电路组成的微分型单稳态触发器

1.电路CMOS与非门构成的微分型单稳态触发器

CMOS或非门构成的微分型单稳态触发器正脉冲触发负脉冲触发第5页，共52页，2023年，2月20日，星期六

2.工作原理（以或非门构成的为例）设定CMOS门电路电压传输特性理想化，反相器的阈值电压：（1）没有触发信号时，I=0，电路处于稳态。电路处于一种稳态。只要没有正脉冲输入，电路状态一直保持。I2=1，

O=0，

O1

=1，C=0第6页，共52页，2023年，2月20日，星期六（2）外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态I外加正脉冲，O1跳变为“0”，C两端电压不能突变，G2输入变为“0”，O=“1”，O2的高电平作为G1的输入，导致如下正反馈过程。由于

O输出为高，即使触发信号

I撤出，

O1仍维持低电平，然而，电路的这种状态是不能长久保持的，故称为暂稳态。

O1=0，

O2=1第7页，共52页，2023年，2月20日，星期六（3）电容充电，电路由暂稳态自动返回稳态暂稳态期间，电源经R对C充电，

C升高，

I2也升高，当

I2=Vth=0.5VDD时，电路发生以下正反馈过程（

I触发脉冲已撤出）电路回到稳态：

O=0，

O1=1。转换后瞬间，电容两端的电压为

I2=VDD+Vth，暂稳态结束后，电容通过R放电，使C上的电压恢复到稳定状态时的初始值。第8页，共52页，2023年，2月20日，星期六（4）工作波形:第9页，共52页，2023年，2月20日，星期六3.主要参数的计算（1）输出脉冲宽度tw

C(0+)=0；

C()=VDD

=RC；VTH

=VDD/2

（2）恢复时间tre

tre≈3（3）最高工作频率fmax第10页，共52页，2023年，2月20日，星期六4.讨论（1）在暂稳态结束（t=t2）瞬间，门G2的输入电压I2达到VDD+VTH，可能损坏G2门，怎么办？（2）用TTL门电阻R的取值可以是任意的吗？采用TTL与非门构成单稳电路时，电阻R要小于0.7k。第11页，共52页，2023年，2月20日，星期六8.1.2集成单稳态触发器不可重复触发可重复触发vOvItwtw没有被重复触发vOvItwtw被重复触发第12页，共52页，2023年，2月20日，星期六

1.不可重复触发的集成单稳态触发器74121电路的连接：C—外接电阻容R—外接电阻或采用内部电阻输出脉冲宽度：tw≈0.7RC第13页，共52页，2023年，2月20日，星期六74121功能表HHA1A2BQLHLLHLLLHHHLHHHHHHLL不可触发，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

中有一个为高电平，输入端有一个下降沿时或A1、A2都为下降沿时电路被触发。

2.可重复触发的集成单稳态触发器(略)第14页，共52页，2023年，2月20日，星期六8.1.3单稳态触发器的应用1.定时该电路可用于频率计第15页，共52页，2023年，2月20日，星期六2.延时第16页，共52页，2023年，2月20日，星期六3.组成噪声消除电路单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度而小于信号脉宽，才可消除噪声。第17页，共52页，2023年，2月20日，星期六8.2施密特触发器施密特触发器电压传输特性及工作特点①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。②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-）。第18页，共52页，2023年，2月20日，星期六8.2.1用门电路组成的施密特触发器1.电路组成2.工作原理设电路中G1、G2门翻转电压Vth≈VDD/2，且R1<R2。输入为三角波。由于为CMOS门，无输入电流，由叠加原理得：第19页，共52页，2023年，2月20日，星期六①当

I=0时②

I逐渐上升，

I1也逐渐上升，当上升到Vth

时，电路翻转。电路此时翻转对应的输入电压为正向阈值电VT+。翻转后，

O1=0，

O=VDD，

I继续上升，

I1>Vth，

O=VDD不变。第20页，共52页，2023年，2月20日，星期六③

I上升到最大后开始下降，

I1也下降，当下降到略小于V

th，电路翻转。电路此时翻转对应的输入电压为负向阈值电VT-。翻转后，

O1=VDD，

O=0，

I继续下降，

I1<Vth，

O=0不变。第21页，共52页，2023年，2月20日，星期六④回差电压：电压传输特性第22页，共52页，2023年，2月20日，星期六8.2.2集成施密特触发器第23页，共52页，2023年，2月20日，星期六8.2.3施密特触发器的应用1．波形变换如将正弦波、三角波变换为矩形波信号；第24页，共52页，2023年，2月20日，星期六2.波形整形第25页，共52页，2023年，2月20日，星期六3.消除干扰信号合理选择回差电压，可消除干扰信号。

第26页，共52页，2023年，2月20日，星期六4．幅度鉴别消除幅度较小的脉冲，鉴别出幅度高于VT+的脉冲第27页，共52页，2023年，2月20日，星期六8.3多谐振荡器多谐振荡器：一种自激电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲波或方波。多谐振荡器在工作过程中不存在稳定状态，故称无稳态电路。基本概念基本组成：开关器件：产生高、低电平。反馈延迟环节（RC电路）：利用RC电路的充放电特性实现延时，输出电压经延时后,反馈到开关器件输入端，改变电路的输出状态,以获得所脉冲波形输出。第28页，共52页，2023年，2月20日，星期六8.3.1由CMOS门电路组成的多谐振荡器1．电路组成及工作原理电路中G1、G2由CMOS门电路组成，为讨论方便，设电路的电压传输特性曲线为理想化情况，即：开门电平(VON)和关门电平(VOFF)相等且为Vth=0.5VDD(门坎电平)。即：VI>VON=Vth

门打开（输出低），

VI<VOFF=Vth

门关闭（封锁，输出高）。第29页，共52页，2023年，2月20日，星期六工作过程分析：⑴第一暂稳态及自动翻转过程。电源VDD经G1的TP管、R和G2的TN给C充电，使VI电压上升，当VI到达Vth时G1翻转，G2翻转，进入第二暂稳态。上电时，C两端未充电，VO1=1，VI=VO2=0，为第一暂稳态。第30页，共52页，2023年，2月20日，星期六⑵第二暂稳态及自动翻转过程电路进入第二暂稳态瞬间，VO1=0，VO2=1，C两端的压降为Vth，故VI应为Vth+VOH，即Vth＋VDD。但由于二极管的钳位作用，VI＝VDD+ΔV+（ΔV+：二极管正向压降）。C通过G2的TP和G1的TN及R放电，使VI下降，当VI下降至Vth后，G1、G2再次翻转，进入第一暂稳态，此时C两端电压为-Vth，翻转后VI应为-Vth，由于D的钳位，VI＝ΔV-。第31页，共52页，2023年，2月20日，星期六工作波形：2．振荡周期的计算T1：T2：由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期T取决于R、C电路和VTH，频率稳定性较差。第32页，共52页，2023年，2月20日，星期六8.3.2用施密特触发器构成波形产生电路第33页，共52页，2023年，2月20日，星期六8.3.3石英晶体振荡器双相脉冲产生电路石英晶体振荡器CPQf1f2第34页，共52页，2023年，2月20日，星期六8.4555定时器及其应用8.4.1555定时器555定时器是一种应用方便的中规模集成电路,广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。

1.电路结构①3个阻值为5K的电阻组成的分压器(555电路)②两个电压比较器C1、C2③基本SR锁发器④放电三极管T⑤缓冲器G第35页，共52页，2023年，2月20日，星期六2．工作原理⑴RD为复位端，低电平有效，复位时输出为低，正常工作时，应接高电平。第36页，共52页，2023年，2月20日，星期六⑵5脚悬空时，比较器C1、C2的比较电压分别为1/3VCC和2/3VCC。①

VI1<2/3VCC

VI2<1/3VCCC1出高，C2出低，基本RS触发器置1，T截止，输出VO为高。②

VI1>2/3VCC

VI2>1/3VCCC1出低，C2出高，RS触发器置0，T导通，输出VO为低电平。③

VI1<2/3VCC

VI2>1/3VCCC1出高，C2出高，RS触发器R=S=1，状态保持，整个电路保持原状态。第37页，共52页，2023年，2月20日，星期六功能表输入输出复位RD阈值输入vI1触发输入vI2RS输出vO放电管T0××××0导通1>2/3Vcc>1/3Vcc010导通1<2/3Vcc<1/3Vcc101截止1<2/3Vcc>1/3Vcc11不变不变讨论：在控制电压输入端5脚施加一外电压，比较器的参考电压将如何变化，工作情况如何变化？第38页，共52页，2023年，2月20日，星期六8.4.2用555定时器组成施密特触发器υI如何改变电路的阈值电压和回差电压?第39页，共52页，2023年，2月20日，星期六

施密特触发器的应用①波形变换电路的频率可变?占空比可变?如何改变占空比?回差电压减小,占空比如何变化?如图电路，从7脚输出，则输出电压高低电平如何变化？思考题第40页，共52页，2023年，2月20日，星期六②波形产生电路(多谐振荡器)CvovIR1第41页，共52页，2023年，2月20日，星期六CvovIR1vovIVT+VT_VOLVOHT1T20t0t第42页，共52页，2023年，2月20日，星期六8.4.3用555定时器组成单稳态触发器1.电路第43页，共52页，2023年，2月20日，星期六2.工作原理⑴稳态（输出为0）上电时，VI1=VC=0<2/3VCC

，VI2=VI=VIH>1/3VCC，输出状态随机为“0”或“1”，并暂时保持不变。

①若VO=1，T截止，C充电，VC上升，当VI1=VC>2/3VCC，VO=0，T导通，C放电，VI1=0，输出保持0。②若VO=0，T导通，VI1=0，输出保持0。第44页，共52页，2023年，2月20日，星期六⑵暂稳态施加触发信号，VI2=VI=VIL<1/3VCC，输出VO：0→1，电路进入暂稳态。T截止，C充电，VC上升，当VI1=VC>2/3VCC(此时，VI已撤出，即VI2=VI=VIH)，VO：1→0，T导通，C放电，VI1=0，输出保持0。第45页，共52页，2023年，2月20日，星期六3.电路参数电路是可重复触发的单稳?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?减小?思考题第46页，共52页，2023年，2月20日，星期六①脉冲宽度调制器

工