第九章脉冲波形的产生与变换

第九章脉冲波形的产生与变换第一页，共六十页，编辑于2023年，星期五概述数字电路或系统中，常需要各种脉冲波形。如时钟脉冲、控制定时信号。数字波形的获取有两种常用方法：一是利用脉冲信号产生器直接产生；二是对已有信号进行变换，使之满足系统的要求。第二页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.1.1门电路组成的多谐振荡器9.1.2石英晶体振荡器9.1多谐振荡器电路的组成及工作原理振荡周期的计算第三页，共六十页，编辑于2023年，星期五

多谐振荡器是一种自激振荡器，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波脉冲波或方波，也称无稳态触发器。

多谐振荡器

VCC9.1多谐振荡器第四页，共六十页，编辑于2023年，星期五

开关电路反馈/延时环节9.1多谐振荡器开关器件：产生高、低电平；

多谐振荡器电路应由哪几部分组成？反馈及延迟环节：利用RC电路的充放电特性实现延时，将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态，以获得所需要的振荡频率。9.1.1电路组成及工作原理第五页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.1.1门电路组成的多谐振荡器

1.电路组成开关器件：反馈延迟环节：由CMOS门电路组成的多谐振荡器逻辑门电路G1、G2RC电路第六页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.1.1门电路组成的多谐振荡器

2.工作原理假定vO1

=1，vO2

=0

Vth=VON=VOFF=VDD/2VC正反馈，进入第二暂稳态vIvO1¯vO2­­vO1VDD0vIVDDVth0vO2VDD0(1)第一暂稳态及电路自动翻转过程

01

第七页，共六十页，编辑于2023年，星期五VC9.1.1门电路组成的多谐振荡器vO1

=0，vO2

=1

Vth=VON=VOFF=VDD/2(2)第二暂稳态及电路自动翻转过程

二vO1VDD0vIVDDVth0vO2VDD0T1T2vI¯vO1­vO¯10

2.工作原理结论：多谐振荡器的两个暂稳态的转换过程是通过电容C充、放电作用来实现的，电容的充放电作用又集中体现在VI的变化上。第八页，共六十页，编辑于2023年，星期五3.振荡周期T的计算vO1VDD0vIVDDVth0vO2VDD0T1T2若Vth＝VDD/2，则T＝RC1n4≈1.4RC

T=T1(充)+T2(放)9.1.1门电路组成的多谐振荡器第九页，共六十页，编辑于2023年，星期五4、加补偿电阻的CMOS多谐振荡器RRON(P)+RON(N)电源电压波动时，会使振荡频率不稳定。RSCC分布（电路分布电容）9.1.1门电路组成的多谐振荡器，Rs>>R(一般取Rs=10R)。

当T＝RC1n4适用条件：(NMOS和PMOS导通电阻)第十页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.1.2石英晶体振荡器由门电路组成的多谐振荡器，周期T取决于RC和Vth，频率稳定性较差。为得到频率稳定性很高的脉冲波形，多采用石英晶体振荡器。电路符号

阻抗频率特性

1、石英晶体振荡器电路(晶振)石英晶体选频特性非常好，它有一个极为稳定的串联谐振频率fs，只有频率为fs的信号最容易通过，其他频率信号均会被晶体所衰减。第十一页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.1.2石英晶体振荡器R：使反相器工作在线性放大区，对TTL门(0.7~2KΩ)和CMOS门(10-100MΩ)取不同阻值。C1：两个反相器间的耦合

C2：抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出。石英晶体振荡器优点：振荡频率稳定性高(只取决于石英晶体的谐振频率fs,与

RC无关)，常用作基准信号源．1、石英晶体振荡器电路第十二页，共六十页，编辑于2023年，星期五2、石英晶体振荡器应用9.1.2石英晶体振荡器双相时钟发生器第十三页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.2.1门电路组成的微分型单稳态触发器9.2.2集成单稳态触发器9.2.3单稳态触发器的应用9.2单稳态触发器第十四页，共六十页，编辑于2023年，星期五①电路有一个稳态，一个暂稳态。

一、单稳态触发器的工作特点：9.2单稳态触发器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，暂稳态不能长久保持,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决于RC电路的参数值。概述第十五页，共六十页，编辑于2023年，星期五二、单稳态触发器的组成：9.2单稳态触发器由门电路和RC电路组成三、单稳态触发器的分类根据RC电路的不同接法单稳态触发器分为微分型和积分型两大类。第十六页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.2.1门电路组成的微分型单稳态触发器1.电路vO1vO2vcRvI&&vO1vO2vcvIRCMOS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

第十七页，共六十页，编辑于2023年，星期五vO1vO2vRvIvDDvDDvDD+

vthtttttpivthtwt1t22.工作原理a)没有触发信号时，电路处于一种稳态vO1vO2vcvIRvRvDD000119.2.1门电路组成的微分型单稳态触发器第十八页，共六十页，编辑于2023年，星期五vO1vO2vRvIvDDvDDvDD+

vthttttvthtpitwt1t22.工作原理vo1¯v

R­vO2­¯vIvR­vO2¯vO1­vO1vO2vcvIRvRvDD111109.2.1门电路组成的微分型单稳态触发器b)外加触发信号后，电路进入暂稳态c)电容充电，电路由暂稳态自动返回到稳态0第十九页，共六十页，编辑于2023年，星期五3.主要参数的计算vO1vO2vRvIvDDvDDvDD+

vthtttttpivthtwt1t2若Vth＝VDD/2

则tw≈0.7RC

(1)输出脉冲宽度tw

(2)恢复时间tre

:电容在暂稳态所充的电荷释放完，使电路恢复大初始状态所需时间。tre＝

3d

(3)触发信号最高工作频率fmax

9.2.1门电路组成的微分型单稳态触发器第二十页，共六十页，编辑于2023年，星期五vO1vO2vcvIRvRVCC4.几点讨论CdRdvDvI1vo2如果输入端采用微分电路时，Rd应大于2k，使得稳态时D大于G1的开门电平(VON)。9.2.1门电路组成的微分型单稳态触发器电阻R的取值可以是任意的吗？采用TTL与非门构成单稳电路时，为保证稳态时G2输入为低电平，电阻R要小于0.7k。在暂稳态结束(t=t2)瞬间，门G2的输入电压R达到VDD+Vth，可能损坏G2门，怎么办？输入的触发脉冲的宽度可以是

任意的吗？如触发脉冲的宽度

太宽会有什么问题？保护二极管VO2输出沿变缓第二十一页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.2.2集成单稳态触发器vOvItwtw不可重复触发：不可重复触发两种常见集成单稳态触发器分类：进入暂稳态期间，如有触发脉冲作用，电路的工作过程不受其影响，只有电路暂稳态结束后，输入触发脉冲才会影响电路状态。第二十二页，共六十页，编辑于2023年，星期五vOvItwtw可重复触发:被重复触发暂稳态期间，如有触发脉冲作用，电路会重新被触发，使暂稳态继续延迟一个tw时间，直至触发脉冲的间隔超过单稳态输出脉宽，电路才返回稳态。第二十三页，共六十页，编辑于2023年，星期五

1.不可重复触发的集成单稳态触发器74121≥1G8G4G1G2G3G5G6G7G9&&B&&&1111RextRintCextRintCext/RextA1A2a触发信号控制电路微分型单稳触发器输出缓冲电路BCextRintCext/RextA1A2GNDNCNCNCVCCNC9.2.2集成单稳态触发器第二十四页，共六十页，编辑于2023年，星期五(1)工作原理≥1G8G4G1G2G3G5G6G7G9&&B&&&1111RextRintCextRintCext/RextA1A2a电路稳态:Q=0,01000在暂稳态期间即使有触发信号输入，在a点不产生触发脉冲，只有等电路返回稳态后，电路才会被再次触发，电路属于不可重复触发单稳态触发器。9.2.2集成单稳态触发器1.不可重复触发的集成单稳态触发器74121电路暂稳态:Q=1,输出脉冲宽度：

tw≈0.7RC

第二十五页，共六十页，编辑于2023年，星期五(2)功能表74121功能表

两种触发方式

HHA1A2BQLXHLXLHLXXLLHHHXLHHHHHHLXXL9.2.2集成单稳态触发器1.不可重复触发的集成单稳态触发器74121若A1、A2两个输入中有一个或两个为低电平，B发生由0到1的正跳变。若B和A1、A2中的一个为高电平，输入中有一个或两个产生由1到0的负跳变。第二十六页，共六十页，编辑于2023年，星期五BCextRintCext/RextA1A2GNDNCNCNCVCCNC定时电容定时电阻——用内部2k电阻——用外部电阻：9号管脚悬空。9.2.2集成单稳态触发器（3）电路连接单稳电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。tw≈0.7RCR:2~30KΩ

C:10pF~10uF

tw:20ns~200ms第二十七页，共六十页，编辑于2023年，星期五2.可重复触发的集成单稳态触发器MC14528G11G12G10G13G14G15G16G1G2G3G4G5G6G7G8G9&&&&111111111≥1≥1≥1RextvcvDDCextvDDTR+TR-RDTPTNv12v10vo4vo7三态门控制电路输出缓冲电路(1)电路9.2.2集成单稳态触发器第二十八页，共六十页，编辑于2023年，星期五2.可重复触发的集成单稳态触发器MC14528功能表1Cextc1Rext/Cext1RD1TR+1TR_VssVDD2Cext2Rext/Cext2RD2TR+2TR_单稳单稳H禁止HLL××禁止HL×H×清零HL××LQTR－TR＋功能输出输入HHL引脚图9.2.2集成单稳态触发器第二十九页，共六十页，编辑于2023年，星期五2.可重复触发的集成单稳态触发器MC14528G11G12G10G13G14G15G16G1G2G3G4G5G6G7G8G9&&&&111111111≥1≥1≥1RextvavDDCextvDDTR+TR-RDTPTNv12v10vo4vo7001001vcc异步清零9.2.2集成单稳态触发器第三十页，共六十页，编辑于2023年，星期五2.可重复触发的集成单稳态触发器MC14528G11G12G10G13G14G15G16G1G2G3G4G5G6G7G8G9&&&&111111111≥1≥1≥1RextvcvDDCextvDDTR+TR-RDTPTNv12v10vo4vo710100101010101还未充电如果为0合上电源时，v04=1当TR+=1,TR_=0,时，电路处于稳定状态9.2.2集成单稳态触发器第三十一页，共六十页，编辑于2023年，星期五2.可重复触发的集成单稳态触发器MC14528G11G12G10G13G14G15G16G1G2G3G4G5G6G7G8G9&&&&111111111≥1≥1≥1RextvcvDDCextvDDTR+TR-RDTPTNv12v10vo4vo71010110101100电路发生第一次翻转，进入暂稳态。01001电路发生第二次翻转，进入稳态。当TR+=1,TR_输入正脉冲时，电路发生翻转9.2.2集成单稳态触发器第三十二页，共六十页，编辑于2023年，星期五2.可重复触发的集成单稳态触发器MC14528工作波形t1TR+TR-0000VCVth13Vth9t2t3t4t5t6t7twtwt+twtttt脉冲宽度包括电容充电和放电两段。9.2.2集成单稳态触发器第三十三页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.2.3单稳态触发器的应用1.定时：利用暂稳态作为定时信号去控制某电路，可使其在时间tw内(不)动作。twtw第三十四页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.2.3单稳态触发器的应用2.延时：从微分型单稳态触发器工作波形图知，输出端VO1上升沿相对输入信号VI的上升沿延迟tw。vO1vO2vRvIvDDvDDvDD+

vthtttttpivthtwt1t2第三十五页，共六十页，编辑于2023年，星期五单稳Ⅰ进入暂稳态，脉宽为0.7R1C1

9.2.3单稳态触发器的应用vccBA1A2vccSR1R2C1C2CextCext/RextCextCext/Rext74121(Ι)74121(Ⅱ)vovccvccBA1A2vcc3.组成多谐振荡器

00HHA1A2BQLXHLXLHLXXLLHHHXLHHHHHHLXXL011010单稳Ⅱ进入暂稳态，脉宽为0.7R2C2

10单稳Ⅰ进入暂稳态，脉宽为0.7R1C1

单稳Ⅱ进入暂稳态，脉宽为0.7R2C2

T=0.7(R1C1+R2C2)第三十六页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.2.3单稳态触发器的应用RCCextCext/Rext74121vovccBA1A2vIC1DR4.组成噪声消除电路

噪声

vovIDCP(R)vovI噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号的宽度较宽。注意：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。第三十七页，共六十页，编辑于2023年，星期五

9.3.1门电路组成的施密特触发器

9.3.2集成施密特触发器－CC401469.3施密特触发器电路的组成及工作原理振荡周期的计算

9.3.3施密特触发器的应用第三十八页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.3施密特触发器施密特触发器的工作特点：

①施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，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，电路的阈值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性。VT+VT_反相施密特传输特性曲线vovI图形符号第三十九页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.3.1门电路组成的施密特触发器vI1vovIR1<R2I为三角波

作如下假定：

两个CMOS反相器串接，分压电阻R1R2将输出端电压反馈到输入端对电路产生影响。同相

反相第四十页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.3.1门电路组成的施密特触发器vI100只要vI1<Vth，则保持vO=0V当vI1=Vth，电路发生正反馈(跳变)：

1

vI↑

vI1↑

vO1

vO↑

当vI=0，vO=0V当vI上升，vI1也上升……正向阈值电压此后VI继续上升，VI1>Vth，电路保持不变第四十一页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.3.1门电路组成的施密特触发器vI11只要vI1>Vth，则保持vO=VOH当vI1=Vth，电路产生如下正反馈(跳变)：

当vI下降，vI1也下降0回差电压

vI

vI1

vO1

vO

……负向阈值电压重要参数，与R1/R2成正比第四十二页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.3.1门电路组成的施密特触发器vIVT+VT_vO00tt0vIvOVT+VT_VDD(a)工作波形(b)传输特性曲线vI1第四十三页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.3.2集成施密特触发器----CC40146vovDDvITP1TN4TP2TP3TP7TP11TN5TN6TN8TN10TP9TN12v'O施密特触发器

整形级

输出缓冲级

VT+VT_vovI利用正反馈使输出波形有陡直的上升沿和下降沿隔离触发器与负载，提高带负载能力。第四十四页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.3.3施密特触发器的应用1.波形的整形及变换

vovIvovT2vT1ttt合理选择回差电压，可调节占空比或消除干扰信号。

为去掉干扰信号回差电压应如何选择？正弦波变换为矩形波抗干扰第四十五页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.3.3施密特触发器的应用2.幅度鉴别：施密特触发器输出状态取决于输入信号幅度vovI00ttVth(VT+)例：消除幅度较小的脉冲而保留幅度大于Vth的脉冲。分析:将施密特触发器正向阈值电压调整到规定的幅度Vth即可。第四十六页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.3.3施密特触发器的应用2.多谐振荡器

CvovIR1vovIVT+VT_VOLVOHT1T20t0tTTL施密特触发器最大可能输出振荡频率为10MHZ第四十七页，共六十页，编辑于2023年，星期五

9.4.1555定时器9.4.2定时器应用举例9.4555定时器及其应用电路的组成

用555定时器组成单稳态触发器

用555定时器组成多谐振荡器

用555定时器组成施密特触发器

工作原理第四十八页，共六十页，编辑于2023年，星期五555定时器是一种常见的中规模模数混合集成电路,使用灵活方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。9.4.1555定时器分双极型和CMOS型，型号分别为NE555/5G555和C7555，其结构和工作原理基本相同。双极型具有较大驱动能力(电压源范围5~16V，最大负载电流200mA);CMOS具有低功耗、输入阻抗高等优点(电压源范围3~18V，最大负载电流不超过4mA)第四十九页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.4.1555定时器电阻分压器电压比较器基本RS触发器复位输入端(0)输出缓冲反相器集电极开路输出三极管TvovICvI1vI2vo’C1C2+--+(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)RS&5k

5k

5k

&&1RDVCC(8)G1、电路组成第五十页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.4.1555定时器放电端触发输入复位输入端(0)定时器输出接地端TvovICvI1vI2vo’C1C2+--+(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)RS&5k

5k

5k

&&1RDVCC(8)G2、管脚介绍电压控制端阈值输入电源端低电平触发，<VCC/3时，基本RS置1改变电压比较器参考电压，不用时用0.01uF电容接地，防止干扰。高电平触发，>2VCC/3时，基本RS置0第五十一页，共六十页，编辑于2023年，星期五0109.4.1

555定时器TvovICvI1vI2vo’C1C2+--+(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)RS&5k

5k

5k

&&1RDVCC(8)G

如果悬空0101010110111保持保持3、工作原理第五十二页，共六十页，编辑于2023年，星期五

555定时器功能表不变不变1导通01截止11导通00××放电管T输出(VO)复位(RD)触发输入(VI2)阈值输入(VI1)输出输

入9.4.1

555定时器第五十三页，共六十页，编辑于2023年，星期五9.4.2定时器应用举例一、用555定时器组成单稳态触发器——不可重复触发单稳不变不变导通0截止1导通0××TVOVI2VI1输出输

入

vO

vI

o

v

o

C

t

t2

t1

)(-CCVa、接通电源电路进入稳态O=0t

t

2

3

VCC

o

Vc=0

23

VCC

13

VCC1、工作原理第五十四页，共六十页，编辑于2023年，星期五

t

vO

VOH

o

vI

o

t

vC

o