数字电路 第6章(脉冲波形的产生和整形)

第六章脉冲波形的产生和整形§6-1概述§6-3单稳态触发器§6-4多谐振荡器§6-5555定时器及其应用§6-2施密特触发器§6-1概述获取矩形脉冲波形（时钟）的途径有两种：2、用整形电路把已有的周期性变化的波形整形产生1、用多谐振荡器直接产生矩形脉冲波形的整形电路:施密特触发器、单稳态触发器。用门电路可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。用555定时器也可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。第六章脉冲波形的产生和整形第六章脉冲波形的产生和整形

上升时间脉冲宽度下降时间脉冲幅度脉冲周期占空比q=tW/T§6-2施密特触发器

6-2-1特点和用途一、特点

2、内部正反馈：在状态转换时，通过电路内部的正反馈过程是输出电压波形的边沿变得很陡。

1、电压滞后传输：输入信号VI从低电平上升过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与VI

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。施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。第六章脉冲波形的产生和整形同相输出特性：VT+VoVIVOLVOH二、输出特性VT反相输出特性：VT+VoVIVOLVOHVI=VT+时，Vo=VOLVI=VT-

时，Vo=VOLVI=VT-

时，Vo=VOHVTVI=VT+时，

Vo=VOH00当VI=0时，VO=VOL当VI=0时，VO=VOH正向阈值电平VT+：VI

上升时，引起Vo

突变时对应的VI

值。负向阈值电平VT-

：VI

下降时，引起Vo

突变时对应的VI值。第六章脉冲波形的产生和整形第六章脉冲波形的产生和整形VO1VI’VIVO11R2R1G1G26-2-2用门电路构成施密特触发器一、构成（用CMOS非门）第六章脉冲波形的产生和整形二、计算回差电压ΔVT1、求VT+在VI从0开始上升时，VO=VOL。VOH1VI，G1R1R2VIG21VOVOLVTHVT+从求VI

,入手求VT+：VI

,=VTH=VR2=R2R1+R2VT+∴VT+=R2R1+R2VTH=（1+R2R1）VTH在VIVT+，VI

,VTH，G1、G2门要翻转前的瞬间，=>=>电路中电流流向和电位情况见图。电路中有正反馈第六章脉冲波形的产生和整形2、求VT-VOL1VI，G1R1R2VIG21VO在VI从最大值开始下降时，VO=VOH。VOHVTHVT-从求VI

,入手求VT-

：VI

,=VTH=VOH–

VR2=∴VT-

=R2R1+R2VTH

–

R2R1VOHR2R1+R2VOH–[（VOH–

VT

–

）]又：故：VOH=VDD；VTH=VDD12VT-=（1

–

）VTHR1R2电路中电流流向和电位情况见图。在VIVT-，VI

,VTH，G1、G2门要翻转前的瞬间，=>=>电路中有正反馈第六章脉冲波形的产生和整形3、求回差电压ΔVTΔVT

=VT+-

VT-=2VTH

R1R2=R1R2VDD当VDD一定时，调R1、R2，可调ΔVT

，即可调VT+VT-，可调VO脉宽。三、逻辑符号11&≥1R1必须小于R2，否则电路进入自锁状态，不能正常工作00110111110001100011下限阈值电压上限阈值电压回差电压（滞回电压）：ΔVT＝

VT＋－VT－前面介绍的施密特触发器的回差电压为：ΔV＝VT＋－VT－＝VT－(VT－VD)＝VD＝0.7V缺点是回差太小，且不能调整。四、举例设VI为缓慢变化的三角波：VItVTHVT+VT-VOtVOLVOHG1门的阈值电平第六章脉冲波形的产生和整形第六章脉冲波形的产生和整形一、用于波形变换例：已知VI为半波，VIm=9V，电路的VT+=6V，

VT-=3VVOH=VDD，试画VO波形。963VT+VT-VDDVDD11VI（V）totVOo6-2-3施密特触发器的应用第六章脉冲波形的产生和整形二、用于脉冲整形VItOVOtOVItOVOtOVT+VT-VT+VT-1第六章脉冲波形的产生和整形VItOVT+VT-1三、用于脉冲鉴幅第六章脉冲波形的产生和整形第六章脉冲波形的产生和整形§6-3单稳态触发器6-3-1特点和用途一、特点1、电路有一个稳态一个暂稳态。2、外加触发信号，电路翻转为暂态。暂态维持一段时间，自动返回稳态3、暂态维持时间的长短，只和电路参数有关，与触发信号的幅度、电源电压的高低无关。二、用途1、整形→输出矩形波。2、定时→输出一定宽度的矩形波。3、延时→将输入信号延长一定时间后输出。（1）没有触发信号时电路工作在稳态当没有触发信号时，ui为低电平。因为门G2的输入端经电阻R接至VDD，VA为高电平，因此uo2为低电平；门G1的两个输入均为0，其输出uo1为高电平，电容C两端的电压接近为0。这是电路的稳态，在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：uo1＝1，uo2＝0。0011(CMOS)110（2）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态当正触发脉冲ui到来时，门G1输出uo1由1变为0。由于电容电压不能跃变，uA也随之跳变到低电平，使门G2的输出uO2变为1。这个高电平反馈到门G1的输入端，此时即使ui的触发信号撤除，仍能维持门G1的低电平输出。但是电路的这种状态是不能长久保持的，所以称为暂稳态。暂稳态时，uo1＝0，uo2＝1。0011（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态在暂稳态期间，VDD经R和G1的导通工作管对C充电，随着充电的进行，使uA升高。当uA上升到阈值电压VTH时，G2的输出uo2由1变为0。由于这时G1输入触发信号已经过去，G1的输出状态只由uo2决定，所以G1又返回到稳定的高电平输出。uA随之向正方向跳变，加速了G2的输出向低电平变化。最后使电路退出暂稳态而进入稳态，此时uo1＝1，uo2＝0。脉冲宽度：tp=0.7RC电路的改进当ui的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个RC微分电路。tVdtVOtVITR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端，TR+是上升沿有效的触发信号输入端。Q和Q是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻R（R=1.4kΩ～40kΩ）接在VCC和Rext/Cext之间，外接定时电容C（C=10pF～10μF）接在Cext（正）和Rext/Cext之间。74121内部已设置了一个2kΩ的定时电阻，Rin是其引出端，使用时只需将Rin与VCC连接起来即可，不用时则应将Rin开路。74121的输出脉冲宽度：tp≈0.7RC第六章脉冲波形的产生和整形3、应用举例1）脉冲整形tVItVOTW=0.69RC第六章脉冲波形的产生和整形2）输出脉冲延时tVItVOtVOTW触发后，电路延时TW时间再输出。TW=0.69RC

第六章脉冲波形的产生和整形3）定时输出只在触发之后的TW时间内有VA输出。tVItVAtVOTWVO2t§6-4多谐振荡器用途：产生脉冲波形。第六章脉冲波形的产生和整形

多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号就能自动的产生矩形脉冲。

特点：在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。第六章脉冲波形的产生和整形6-4-1

用门电路构成多谐振荡器一、环形振荡器1、组成利用门电路的传输延迟时间tpd，将奇数个反相器首尾相接。VO1VO2VO31G11G21G3

电路没有稳定状态。因为在静态（假定没有振荡）下任何一个反相器的输入和输出都不可能稳定在高电平或低电平。第六章脉冲波形的产生和整形2、工作波形tVO1tVO2tVO3tpdTWTW=ntpd；n是门的数目。一般，tpd=TTL类几十nsCMOS类几百ns（所以，环形振荡器的振荡频率f特别高）VO1VO2VO31G11G21G3二、RC环形多谐振荡器(a)电路图&&ui1

ui2uo2ui3uo

R

RSCG1G2&G30

uo(ui1)uo2ui3tttt(b)波形图000

ui2(uo1)VTHt1t2t3在t1时刻，ui1（uo）由0变为1，于是uo1（ui2）由1变为0，uo2由0变为1。由于电容电压不能跃变，故ui3必定跟随ui2发生负跳变。这个低电平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，uo2（高电平）通过电阻R对电容C充电，使ui3逐渐上升。在t2时刻，ui3上升到门电路的阈值电压VTH，使uo（ui1）由1变为0，uo1（ui2）由0变为1，uo2由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故ui3跟随ui2发生正跳变。这个高电平保持uo为0。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。第一暂稳态及其自动翻转的工作过程(a)电路图&&ui1

ui2uo2ui3uo

R

RSCG1G2&G30

uo(ui1)uo2ui3tttt(b)波形图000

ui2(uo1)VTHt1t2t3第二暂稳态及其自动翻转的工作过程在t2时刻，uo2变为低电平，电容C开始通过电阻R放电。随着放电的进行，ui3逐渐下降。在t3时刻，ui3下降到VTH，使uo（ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。(a)电路图&&ui1

ui2uo2ui3uo

R

RSCG1G2&G30

uo(ui1)uo2ui3tttt(b)波形图000

ui2(uo1)VTHt1t2t3(a)电路图&&ui1

ui2uo2ui3uo

R

RSCG1G2&G30

uo(ui1)uo2ui3tttt(b)波形图000

ui2(uo1)VTHt1t2t3第六章脉冲波形的产生和整形6-4-2

用施密特触发器构成多谐振荡器1、组成VIVO1RC+施密特触发器的反相输出端经过RC积分电路接回输入端。第六章脉冲波形的产生和整形2、工作原理接通VCC瞬间，C中无电荷，所以：1）VC=0→

2）VO=1→C充电→VI，3）VO=0→C放电→VI，VI=VT+→VO=0VI=VT-→VO=1VI=0→VO=13、电压波形tVotVI00VT+VT-T1T2T若是CMOS电路，T1=RCln————VDD-VDD-T=T1+T2；f=1/T；q=T1/TVT-VT+T2=RCln———0-0-VT+VT-则：VIVO1RC+第六章脉冲波形的产生和整形4、电路改进占空比可调电路如图：1CVIVOR2R1+充电经过R2，放电经过R1，T1=R2Cln————VDD-VT-VDD-VT+T2=R1Cln——VT+VT-q=T1/TT=T1+T2调节R1或R2，即可调节q第六章脉冲波形的产生和整形6-4-3

石英晶体多谐振荡器一、石英晶体许多应用场合。要求多谐振荡器的振荡频率f十分稳定，（如数字钟的秒脉冲频率）。上述电路的f都达不到要求。最简便的稳频方法是在多谐振荡器中接入石英晶体，构成石英晶体多谐振荡器。石英晶体的固有振荡频率fo

由结晶方向、外形尺寸决定；频率稳定度（Δfo/fo)可达10-10~10-11。第六章脉冲波形的产生和整形符号二、石英晶体振荡器1、组成将石英晶体接到多谐振荡器的正反馈回路中。VI1VOVO1VI211C1C2G1G2RF1RF22、工作原理当VO的频率f=fo时，反馈最强，电路才起振。fo的稳定度极高，这就解决了多谐振荡器的稳频问题。石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有频率f0,而与外接电阻，电容无关。第六章脉冲波形的产生和整形3、参数选择各种固有振荡频率fo的石英晶体已做成成品，可根据所购晶体的fo选择电路的外接RF和C，fo一般都很高，应利用分频器将fo分频为所需频率。例如，需要频率为1Hz的秒脉冲，可选购fo=32768Hz的晶振，通过15次二分频获得1Hz。多谐振荡器分频电路秒信号发生器第六章脉冲波形的产生和整形§6-5555定时器及其应用555集成定时器是一种将模拟和数字电路集成于一体的电子器件,通过外加少量的阻容元件,能构成多种用途的电路.

555定时器电路的结构及工作原理1.电路结构国产双极型定时器CB555的电路结构:它由三个5KΩ电阻、比较器C1和C2、基本RS触发器和放电管TD组成。第六章脉冲波形的产生和整形第六章脉冲波形的产生和整形当ic端不接控制电压Vic时：VR2=VCC，13VR1=VCC231）Vi1>2/3VCC

Vi2>1/3VCCVo=02）Vi1<2/3VCC

Vi2<1/3VCCVo=13）Vi1<2/3VCC

Vi2>1/3VCCVo不变当RD=1时：*Q的高低确定TD

管是否导通。2、由555定时器构成的施密特触发器2、由555定时器构成的单稳态触发器接通VCC后瞬间，VCC通过R对C充电，当uc上升到2VCC/3时，比较器C1输出为0，将触发器置0，uo＝0。这时Q=1，放电管T导通，C通过T放电，电路进入稳态。

ui到来时，因为ui＜VCC/3，使C2＝0，触发器置1，uo又由0变为1，电路进入暂稳态。由于此时Q=0，放电管T截止，VCC经R对C充电。虽然此时触发脉冲已消失，比较器C2的输出变为1，但充电继续进行，直到uc上升到2VCC/3时，比较器C1输出为0，将触发器置0，电路输出uo＝0，T导通，C放电，电路恢复到稳定状态。4、由555定时器构成的多谐振荡器接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输