数字电子技术数电第十章

第十章脉冲波形的产生和整形1、熟练掌握74121、555定时器的工作原理及应用2、正确理解单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器的特点、工作原理及应用作业：7、11、16、18、19、20、23、25、26本章内容：6.1

概述理想脉冲实际脉冲trtfVmtwT0.9Vm0.5Vm0.1Vm脉冲幅度Vm：脉冲电压的最大幅度值脉冲宽度Tw：从脉冲前沿的0.5Vm起到脉冲后沿的0.5Vm为止的一段时间。实际脉冲trtfVmtwT0.9Vm0.5Vm0.1Vm上升时间tr：脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需的时间下降时间tf：从脉冲下降沿的0.9Vm下降到0.1Vm所需的时间。这两个参数越小越好！实际脉冲trtfVmtwT0.9Vm0.5Vm0.1Vm脉冲周期T：在周期性重复的脉冲系列中，两个相邻脉冲间的间隔时间。脉冲频率f：单位时间内脉冲重复的次数占空比q：脉冲宽度与脉冲周期的比值如何获得脉冲波形？1、利用整形电路对不符合要求的周期性波形进行整形；2、利用脉冲振荡器直接产生脉冲波形。10.2

施密特触发器（常用的一类脉冲整形电路）特点1、两个稳定状态2、输入信号从低电平上升过程中电路状态转换时对应的输入电平与输入信号从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同3、在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变陡10.2.1

用门电路组成的施密特触发器1

22DD=

1

V

，且R

<

RTH=

0，VOLDDVOH

=V，VV

'

›fi

V

flfi

V

›I

O1

O*当V

,

至V

'

=

V

时，进入传输特性的放

大区，故I

I

TH*当VI

=

0时，VO

=

0。OHO使电路迅速跳变到

V

=VTHIITHI)VRRV

=V

=

(1+T

+VR1

+

R2R2V

¢=V

=21V

'

flfi

V

›fi

V

flI

O1

O*当VI

=1时，VO

=1。*当V

,至V

'

=V

时，进入传输特性的放大区，故I

I

TH使电路迅速跳变到VO

=VOLTHIIDDDDTHI)VRRV

=

V

=

(1-T

-R1

+

R2R2V

¢=

V

=

V

-

(V

-V

)21=

VT

+

-VT

-回差电压：DVTVT-

VT+

VDD电压传输特性01vIvO1vOvIvIvO同相输出反相输出THIRR)V21V

=V

=

(1+T

+THIRR)V21V

=V

=

(1-T

-10.2.2

集成施密特触发器器件实例

74

13附加部分：输入加“与门”输出加推拉式输出级“反相”VO¢L电压值较高，加入电平偏移部分二、CMOSIC施密特触发器的主要特点：输入信号在上升和下降过程中，电路状态转换的输入电平不同电路状态转换时有正反馈过程，使输出波形边沿变陡10.2.2

施密特触发器的应用vIVT＋VT－tOvOtO(1)

波形变换可以将边沿变化缓慢的周期性信号换为边沿很陡的矩形脉冲信号vIVT＋VT－tOvOtO(a)vIVT＋VT－tOvOtO(b)vIVT＋VT－tOvOtO(c)(2)脉冲整形传输线上电容较大传输线较长，而且阻抗不匹配其他脉冲叠加到矩形波上tOvOtO能将幅度大于正向阈值电压的脉冲选出vIVT＋VT－(3)脉冲鉴幅(4)构成多谐振荡器10.3

单稳态触发器特点：①有一个稳态和一个暂稳态。②在外界触发信号作用下，能从稳态→暂稳态，维持一段时间后自动返回稳态。③暂稳态维持的时间长短取决于电路内部参数。与触发脉冲的宽度和幅度无关。一、微分型由CMOS门电路和RC微分电路构成DDTHOLDDOH,VV

=

V2=

0,V

=

1

V10.3.1

用门电路组成的单稳态触发器用来产生触发脉冲决定输出的脉冲宽度稳态下：VI

=

0,Vd

=

0,VI

2

=

VDD

,VO

=

0,

(VO1

=

VDD

),

C上无电压；VO

=1,VO

1

=0

,C

开始充电电路迅速进入暂稳态flfi

VO

›Vd›fi

VO

1

flfi加触发信号

V

I

›

,V

I

21.原理分析充电至VI

2

=VTH时,VI

2

›又引起正反馈VI

2

›fi

VO

flfi

VO1

›电路迅速返回稳态VO

=0,VO1

=VDD

,C放电至没有电压，恢复稳态。≥11G2G1CvI2RvO1VDD0

1

vI0

10

1vO

0

1

0tW微分型单稳态触发器vI01vO1

vI21

10

0vO01稳态暂稳态2、性能参数计算Vm

=

VOH

-VOL

»

VDD(

t

)w=

RC

ln

2VDD

-VTHVDD

-

0V

-V(¥

)V(¥

)

-V(0)t

=

RC

ln

=

RC

ln输出脉冲宽度：输出脉冲幅度：恢复时间：tre=

(3

~

5)(R

//

rD1

+

RON

)C

»

(3

~

5)RON

C分辨时间：td

=

tw

+

tre二、积分型由TTL门电路和RC积分电路构成1、原理分析*

稳态下：VI

=

0,VO

=1,

(VO1

=VOH

),VA

=VOH

；*VI

›后，VO

=0,进入暂稳态，VO1

=0,C开始放电；*当放至VA

=VTH

后，VO

=1,返回稳态；*VI

fl

后，C重新充电至VOH

,恢复初始态；2.性能参数计算输出脉宽：THwV

-V

V(¥

) (

t

)V(¥

)

-V(0)

Vt

=

RC

ln

=

RC

ln

OHtd

=

tTR

+

tretre

=

(3

~

5)(

R

+

RO

)C输出脉冲宽度（VO

=0时间）等于VA从VOH

放电至VTH的时间。10.3.2

集成单稳态触发器电路结构与工作原理

(74121)B&G1&G2&&G3G4&1

G5&

≥1G6111G7G8G9RextCext10VCC9Rint11A2A1vovoCT54121/74121单稳态触发器逻辑图输入控制电路输出缓冲电路微分型单稳态触发器61345v15tW

=Rext

Cext

ln2输入输出A1A2BvOvO0×101×0101××00111×01111110××0稳态暂稳态集成单稳态触发器的功能（74121）工作波形：外部连接方法：使用外接电阻使用内部电阻（1）不可重复触发的集成单稳态触发器（74121）vItOvOtOtWtWA

B

C

D（2）可重复触发的集成单稳态触发器vItOvOtOtWA

B

CtWtΔtW1vIvOvOvIvOvO单稳态触发器的应用（1）整形vO（2）定时（3）延时tWtWtW1vIvOtW1tW1vIvOvOvF&vFvOvIvOtW1tW2tW2vO1vIv1vIvO

v例由集成单稳态触发器74121所构成的延时电路和输入信号Vi如图所示，输入波形的周期T=4×10-3秒，试画出Q和Q的工作波形，并求输出暂稳宽度tW和输出波形的周期。10.4

多谐振荡器（自激振荡，不需要外加触发信号）10.4.1

对称式多谐振荡器一、电路结构两个反相器经耦合电容连接起来的正反馈振荡回路二、工作原理（TTL）(1)静态（未振荡）时应是不稳定的(2)由于“扰动”使VI

1有微小›，则有：VO1

›VI

2

›fi

VO

2

flfi

VI

1

flfi使VO1迅速跳变为高，而VO

2

迅速跳变为低。电路进入第二个暂稳态

,C

2开始充电，C1开始放电。VI

1

›fi

VO

!

flfi

VI

2

flfi

VO

2

›使VO1迅速跳变为低，而VO

2迅速跳变为高。电路进入第一个暂稳态,C1开始充电，C

2开始放电。(3)当VI

2充至VTH

时，再›将起引起如下正反馈：C1Rv11vO1

10vI1VCCRF1RF2C2O2

01vI2C1Rv10

11vI1vO1VCCRF1RF2C2O2

1

0vI2二、电压波形三、振荡频率计算T

=VI1从充电开始到充至VTH的时间+VI

2从充电开始到充至VTH的时间1F

2RF

2R

+

RVE

=

VOH

+

(VCC

-VBE

-VOH)RE

=

R1

//

RF

2THEIKEEV

-VV

-VT

=

2R C

ln10.4.2非对称式多谐振荡器一、工作原理（CMOS）›VO

2VI

2VI

1

›fi

flfiVI

1有微小›，则有：(1)由于“扰动”使flVO

2V

I

2V

I

1

flfi

›fi使VO

1迅速=低，而VO

2

迅速=高。电路进入第一个暂稳态

C

开始放电

,VI

1

fl(2

)V

I

1

fl

至VTH

，则有：使VO

1迅速=高，而VO

2

迅速=低。电路进入第二个暂稳态

C

开始充电

,V

I

1

›(3)当VI1

›至VTH

,又返回第一个暂稳态。二、电压波形脉冲宽度计算：TW

=

T1

+T2T2

:C放电，从VTH

+VDD放至VTHT1

:C充电，从VTH

-VDD充至VTH(

t

)wV

-V(¥

)V(¥

)

-V(0)t

=

RC

lnCvO2

1

010

11vI1vI2vO1RCvO2

1

01vI1vI2vO1

0

1VCC1R10.4.3

环形振荡器一、最简单的环形振荡器T

=

2ntpdvI2vI1vI3vO3vO3=二、实用的环形振荡器第一步：增加RC积分环节，加大t

pd

2。第二步：为获取更大延迟，将C的接地端改至G1输出。（TTL）10.4.4

用施密特触发器构成的多谐振荡器T

-T

+DD T

++

RC

lnV

-VVDD

-VT

-T

=

T1

+T2

=

RC

lnVVT

-T

+T

++

R

C

lnDDT

-DDVVV

-VV

-VR

C

ln12T

=

T1

+T2

»10.4.5

石英晶体多谐振荡器１９２２年美国卡第提出用石英压电效应调制电磁振荡的频率。巴黎广播电台首先用严济慈制作的石英振荡片实现了无线电播音中的稳频，随后各国相继采用，使无线广播振荡电磁回路稳频成为压电晶体的最重要应用之一。一个石英晶体多谐振荡器的晶体元件标称频率是

6MHz，其电容为30pF，电阻为1KΩ，则该电路输出信号的频率是多少Hz

？已知石英晶体多谐振荡器其石英晶体的固有振荡频率为8MHz,试求该多谐振荡器的振荡频率为多少？石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振

频率，而与外界电阻电容无关。10.5 555定时器及其应用10.5.1

555定时器（数/模混合IC）一、电路结构由电压比较器（C1,C2）、触发器、输出缓冲器（G3,G4）OC输出的三极管（TD）组成二、功能表（输出与输入的关系）输

入输

出RDVI1VI

2VOTD0XX0导通12

V3

CC1V3

CC0导通1<

2

V3

CC1V3

CC不变不变1<

2

V3

CC<

1V3

CC1截止12

V3

CC<

1V3

CC1截止一、电路组成及功能只要将555定时器的2号脚和6号脚接在一起，就可以构成施密特触发器。我们简记为“二六搭一”。10.5.2

用555定时器接成施密特触发器输

入输

出RDVI1VI

2VOTD0XX0导通12

V3

CC1V3

CC0导通1<

2

V3

CC1V3

CC不变不变1<

2

V3

CC<

1V3

CC1截止12

V3

CC<

1V3

CC1截止（1）vI

=0V时，vO1输出高电平。3

33I

CCO1

I

CCO1（2）当v

上升到

2

v

时，v

输出低电平。当v

由2

v

继续上升，v

保持不变。I

CCI（3）当v

下降到1

v

时，电路输出跳变为高电平。而且在v

继续下降到0V时，电路的这种状态不变。VCO电路电压传输特性反相输出施密特触发器回差电压：1VT

+

=

VCOVT

-

=

2

VCO2CC1DVT

=

VT

+

-VT

-

=

V3TT

+T

-

CCDV

=

V

-V

=

1

V487621

53VCCVO5550.01μFVI特点：两个输入端（2和6）连在一起作为输入，且与输出端之间没有RC回路。3CC正向阈值电压：2

V3CC反向阈值电压：1

V3CC1回差：

V10.5.3

用555定时器接成单稳态触发器一、电路组成及其工作原理将555的6号脚和7号脚接在一起，并添加一个电容和一个电阻，就可以构成单稳态触发器我们简记为“七六搭一，上

R下C”。fi

Q

=0保持3V

=

1fi

VC1

=0

fi

Q

=0

fi

TD导通fi

C放电fi若通电后Q

=

1

fi

T

截止

fi

C充电至V

=

2

VVC

2

=

1fi

Q

=0保持V

=

1VC

2

=

13C1C1若通电后Q

=0

fi

TD导通fi

VC

=0C

2CCD

CI

CC稳态时，无触发信号：V

=

1

(>

1

V

即可，V

=

1)稳态：VI

=1,VO

=

0,TD导通I

CCCCC3时（假定此时V

已经回到高于1V

）3当V

充至

2

V则Q

=0保持VC2

=1VC1

=1VC

2

=1VC1

=

0fi

Q

=0,TD

导通fi

C开始放电至0DCCI触发时VIfi

Q

=1,T

截止fi

C开始充电V

=

13只要V

降至

1

V

,

则VC

2

=

0C

1性能参数：暂稳态输出的宽度=

RC

ln

32VCC

-

3

VCCVCC

-

0wt

=

RC

ln开始充电截止fi

CDCCI是否可以重复触发？稳态：VI

=1,VO

=

0,TD导通触发时VIfi

Q

=

1,T3只要V

降至1

V

,

则VC

2

=

0VC1

=

1实现单稳态触发器+-+-&&1RDIvO'vO8456271TDG2G1G33VR25kW5kW5kWVR1C2C1&G3vC2vC1G4QQvI1vI2VCC0.01μFRC01

1

v01

0100

1011048

7

621

53VCCVORC555VI0.01μF特点：2端作为输入；7与R组成的反相器输出和6连在一起，且对地接电容。Wt

=

RC

ln

3

»1.1RCVO端输出的脉冲脉宽为：TD10.5.4

用555接成多谐触发器输

入输

出RDVI1VI

2VOTD0XX0导通12

V3

CC1V3

CC0导通1<

2

V3

CC1V3

CC不变不变1<

2

V3

CC<

1V3

CC1截止12

V3

CC<

1V3

CC1截止10.5.4

用555接成多谐触发器T

-T

+T

+0

-V0

-VT

=

T1

+T2CCT

-CCV

-VV

-V=

(

R2

+

R1

)C

ln2+

R

C

ln>

50%R1

+

2R2q

=

R1

+

R2R1

+

R2R2q

=实现多谐振荡器+-+-&&1RDvO8456271TDG2G1G33VR25kW5kW5kWVR1C2C1&G3vC2vC1G4QQvI1vI2VCC0.01μFR1R2C0vO'0148

7

621

53VCCVOR1C555R20.01μFVO端输出的脉冲周期为：特点：2和6接在一起，且没外部输入；7与R1组成的反相器输出经R2C积分电路与2和6接在一起。占空比为：q

=T

=

(R1

+

2

R2»

0.7

(R1

+

2

R2

)CC

ln

2(R1

+

R2(R1

+

2R2

)TD487621

53VCCOV

01R1C555R20.01μFRWRRW1W2D1D2t1

=

0.7

(R1

+

RW

1

Ct2

=

0.7

(R2

+

RW

2

CT

=

t1

+

t2Tq

=

t1TD总结理想脉冲实际脉冲trtfVmtwT0.9Vm0.5Vm0.1Vm获得脉冲的方法1、利用整形电路对不符合要求的周期性波形进行