《数字系统与逻辑设计》课件第8章

第8章脉冲波形的产生与整形电路8.1概述8.2施密特触发器8.3单稳态触发器8.4自激多谐振荡器8.5

555集成定时器及其应用 8.1概述

脉冲信号是数字电路中最常用的工作信号。为了定量描述脉冲波形，经常使用如图8－1－1所示的参数来描述脉冲的性能指标。

(1)脉冲幅度Um:脉冲从起始值到峰值之间的变化量。

(2)脉冲上升时间tr:脉冲前沿由0.1Um上升到0.9Um所需要的时间。tr愈短，脉冲上升得越快。

(3)脉冲下降时间tf:脉冲后沿由0.9Um下降至0.1Um所需要的时间。tf愈短，脉冲下降得越快。

(4)脉冲宽度tW:脉冲前沿与脉冲后沿的0.5Um处两点间的时间间隔，又称脉冲持续期。

(5)脉冲周期T:对于周期性重复脉冲，指前后相邻脉冲的间隔时间，其倒数为脉冲重复的频率。

(6)占空比q:脉冲宽度tW与脉冲周期T的比值，即q=tW/T。图8－1－1描述脉冲性的指标 8.2施密特触发器

8.2.1CMOS门电路构成的施密特触发器

1.电路组成

如图8－2－2所示，由两个CMOS反相器及两个电阻R1和R2构成一个施密特触发器。图8－2－2

CMOS门构成的施密特触发器

2.工作原理

设电路输入端ui输入一个三角波，其波形如图8－2－3所示。

当ui＝0时，门G1截止，输出高电平，门G2导通，输出低电平，此低电平通过电阻R2反馈到输入端，使门G1输入端ui1保持低电平，此时施密特触发器保持输出信号uo为低电平的稳态，电路进入第Ⅰ稳态。

ui逐渐上升，ui1也随着上升，但只要其小于CMOS门电路的开启电压UTH，电路就保持在第Ⅰ稳态。

当ui上升到使ui1等于UTH时，在电路中引起如下正反馈连锁反应:uiui1uouo1在此连锁反应的作用下，门电路的状态发生翻转，使门G1导通，输出低电平，G2截止，输出高电平，电路进入第Ⅱ稳态。以后，即使ui继续上升，只要满足ui1大于CMOS门电路的开启电压UTH，电路就保持在第Ⅱ稳态。

若ui上升至UDD后开始下降，ui1也下降，当ui1降至UTH

时，在电路中再次发生正反馈连锁反应:uiui1uouo1在此连锁反应的作用下，电路重新进入门G1截止、门G2导通的状态，电路输出为低电平，再次翻转到第Ⅰ稳态。

若电路已处于第Ⅰ稳态，则ui继续下降，施密特触发器仍维持第Ⅰ稳态不变。

在输入ui三角波形的作用下，门G1输出波形uo1及门G2输出波形uo如图8－2－3所示。图8－2－3施密特触发器工作波形

3.回差特性

通过以上的工作原理分析可以看到有一个重要的现象，即在输入电压上升过程中，电路由第Ⅰ稳态翻转到第Ⅱ稳态所要求的输入电压U+T与输入电压下降过程中电路由第Ⅱ稳态回到第Ⅰ稳态所要求的输入电压U-T是不相同的，这种现象称回差(或滞后)现象，称U+T为正向阈值电压(或称接通电平)，U-T为负向阈值电压(或称断开电平)，它们之间的差值ΔU＝U+T-U-T称做回差电压(或称滞后电压)，简称回差。

(1)U+T的计算。在ui上升过程中，由下面的计算式可求得能使施密特触发器翻转的输入电压ui，也就可求得因为CMOS门输出低电平约为0V，所以uo＝0V，U+T就是符合上式要求的ui值：

(2)U-T的计算。在ui下降过程中，由下面的计算式可求得能使施密特触发器翻转的输入电压ui，也就可求得U-T：因为CMOS门输出高电平约为UDD，所以uo＝UDD，U-T就是符合上式要求的ui值：

(3)ΔU的计算。根据上面的分析，可以计算施密特触发器的回差ΔU，还可以通过改变R1、R2的阻值来调节ΔU。

4.施密特触发器的应用

施密特触发器的应用十分广泛，不仅可以应用于波形的变换、整形、展宽，还可应用于鉴别脉冲幅度、构成多谐振荡器、单稳态触发器等。

(1)波形的变换。施密特触发器能够将变化平缓的信号波形变换为较理想的矩形脉冲信号波形，即可将正弦波或三角波变换成矩形波。图8－2－4所示为将输入的正弦波转换为矩形波，其输出脉宽tW可由回差ΔU调节。图8－2－4施密特触发器的波形变换作用

(2)波形的整形。在数字系统中，矩形脉冲信号经过传输之后往往会发生失真现象或带有干扰信号。利用施密特触发器可以有效地将波形整形并去除干扰信号(要求回差ΔU大于干扰信号的幅度),如图8－2－5所示。图8－2－5施密特触发器的波形整形作用

(3)幅度鉴别。如果有一串幅度不相等的脉冲信号，要剔除其中幅度不够大的脉冲，可利用施密特触发器构成脉冲幅度鉴别器，来鉴别幅度大于U+T的脉冲信号,如图8－2－6所示。图8－2－6施密特触发器的鉴幅作用8.2.2集成施密特触发器

1.TTL集成施密特触发器

图8－2－7为TTL施密特触发器的逻辑符号，图(a)为六反相器CT7414和CT74LS14的逻辑符号，它有六个独立的施密特反相器。图(b)为施密特触发双4输入与非门CT7413和CT74LS13的逻辑符号。图8－2－7

TTL施密特触发器的逻辑符号

2.CMOS集成施密特触发器

图8－2－8为CMOS施密特触发器的逻辑符号，图(a)为六反相器CC40106的逻辑符号,图(b)为施密特触发四2输入与非门CC4093的逻辑符号。图8－2－8

CMOS施密特触发器的逻辑符号CMOS集成施密特触发器具有如下特点：

(1)可将变化非常缓慢的信号变换为上升沿和下降沿很陡直的脉冲信号。

(2)在电源电压UDD一定时，触发阈值电压稳定，但其值会随UDD变化。

(3)电源电压UDD变化范围宽，输入阻抗高，功耗极小。

(4)抗干扰能力很强。 8.3单稳态触发器

8.3.1

CMOS门电路构成的微分型单稳态触发器

1.电路的组成

CMOS或非门微分型单稳态触发器如图8－3－1所示。图8－3－1

CMOS或非门微分型单稳态触发器

2.工作原理

假定CMOS或非门的电压传输特性曲线为理想化折线，即开门电平UON和关门电平UOFF相等，这个理想化的开门电平或关门电平称为阈值电压UTH(一般)，当输入ui≥UTH时，输出uo＝0；当ui＜UTH时，uo＝UDD＝1。

(1)稳态。接通电源，无触发信号(ui1＝0)，电路处于稳态，电源UDD通过电阻R对C充电达到稳态值，故ui2＝UDD

＝1，门G2导通，输出uo2＝0，门G1截止，输出uo1＝UDD

＝1，电容C上的电压为0。

(2)外加触发信号到来，电路由稳态翻转到暂稳态。当外加触发信号ui1正跳变，使uo1由1跳到0时，由于RC电路中电容C中的电压不能突变，因此，ui2也由1跳变到0，使门G2输出由0变1，并返送到门G1的输入。这时输入信号ui1

高电平撤消后，uo1仍维持为低电平，这一过程可描述为然而，这种状态是不能长久保持的，故称为暂稳态。

(3)由暂稳态自动返回稳态。在暂稳态期间，电源UDD

通过电阻R和门G1的导通工作管对电容C充电。随着充电的进行，ui2逐渐上升，当ui2＝UTH时，电路发生下述正反馈(设此时触发脉冲已消失)：

这一正反馈过程使电路迅速返回到门G1截止、门G2导通的稳定状态。最后uo1＝UDD，uo2＝0，电路退出暂稳态，回到稳态。值得注意的是，uo1由0跳变到UDD，由于电容电压不能突变，按理ui2也应由UTH上跳到UTH＋UDD，但由于CMOS门电路的内部输入端有起限幅保护作用的二极管的原因，因此ui2只能跃升到UDD＋0.8V。

暂稳态结束后，电容C通过电阻R经门G1的输出端和门G2的输入端保护二极管放电，使ui2恢复到稳态时的初始值UDD。图8－3－2

CMOS微分型单稳态电路工作波形

3.主要参数计算

(1)输出脉冲宽度tW。从电路的工作过程可知，输出脉宽tW是电容器C的充电时间。设电容C充电起点(即t1时刻)为0时刻，则有根据RC电路暂态过程全响应公式可得

(2)恢复时间tre。恢复时间是指从暂态结束到电路恢复到稳态初始值所需的时间，即电容C放电所需要的时间。tre≈3τd

式中,τd为电容C放电过程的时间常数。

(3)最高工作频率fmax。为保证单稳态电路能正常工作，在第一个触发脉冲作用后，必须等待电路恢复到稳态初始值才能输入第二个触发脉冲。因此，触发脉冲工作最小周期Tmin＞tW＋tre，则电路的最高工作频率为

【例8－3－1】在图8－3－1所示的电路中，已知R＝20kΩ，C＝0.01μF。试求输出脉冲宽度tW。

解

tW＝0.7RC＝0.7×20×103×0.01×10－8＝140(μS)8.3.2

CMOS门电路构成的积分型单稳态触发器

1.电路组成

积分型单稳态触发器如图8－3－3所示，它是由两个CMOS或非门组成的。门G1和门G2采用RC积分电路耦合，ui1加至门G1和门G2输入端。图8－3－3

CMOS或非门积分型单稳态触发器

2.工作原理

(1)稳态。当电路的输入ui1为高电平时，电路处于稳态，门G1、G2均导通，uo1、ui2、uo2均为低电平。

(2)暂稳态。当输入信号ui1下跳为低电平时，门G1截止，uo1则跳变为高电平，但由于电容C上的电压不能突变，ui2仍为低电平，故门G2亦截止，uo2正跳变到高电平，电路进入暂稳态。图8－3－4

CMOS积分型单稳态电路工作波形(3)暂稳态自动恢复到稳态。在门G1、门G2截止时，由于电阻R两端电位不等，电容C通过R0(门G1的输出电阻)和R放电，ui2逐渐上升，当升高到该门的阈值电压UTH时(假定ui1仍为电平)，门G2导通，uo2变为低电平。

当ui1回到高电平后，门G1导通，uo1为低电平，此时电容充电，电路恢复到原来的稳定状态。

3.参数计算

(1)脉冲宽度tW。tW的估算公式和微分型电路相同，即这种电路要求输入信号ui1的脉冲宽度(低电平时间)应大于输出脉宽tW。

(2)恢复时间tre:tre≈3RC

微分型单稳态触发器要求窄脉冲触发，具有展宽脉冲宽度的作用，而积分型单稳态触发器则相反，需要宽脉冲触发，输出窄脉冲，故有压缩脉冲宽度的作用。在积分型单稳态触发电路中，由于电容C对高频干扰信号有旁路滤波作用，故与微分型电路相比，其抗干扰能力较强。8.3.3集成单稳态触发器

1.TTL集成单稳态触发器

图8－3－5是TTL集成单稳态触发器74121简化的原理性逻辑图。它是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加了输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。图8－3－5集成单稳态触发器74121的逻辑图表8－3－1集成单稳态触发器74121的功能表图8－3－6

74121的工作波形图

输出缓冲电路由反相器G8和G9组成，用于提高电路的带负载能力。

根据门G6输出端的电路结构和门G7输入端的电路结构可以求出计算输出脉冲宽度的公式。

通常Rext的取值范围为2kΩ~30kΩ，Cext的取值范围为10pF~10μF，得到的tW范围可达20ns~200ms。另外，还可以使用74121内部设置的电阻Rint取代外接电阻Rext，以简化外部接线。但由于Rint的阻值较小(约为2kΩ)，所以在希望得到较宽的输出脉冲时，仍需使用外接电阻。图8－3－7示出了使用外接电阻和内部电阻时电路的连接方法。(8-3-1)图8－3－7集成单稳态触发器74121的外部连接方法

目前使用的集成单稳态触发器有不可重复触发型和可重复触发型两种。不可重复触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束以后，它才能接受下一个触发脉冲而转入暂稳态，如图8－3－8(a)所示。可重复触发的单稳态触发器在电路被触发而进入暂稳态以后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发,使输出脉冲再继续维持一个tW宽度，如图8－3－8(b)所示。图8－3－8不可重复触发型与可重复触发型单稳态触发器的工作波形

2.CMOS集成单稳态触发器

下面以CC14528为例介绍CMOS单稳态触发器的工作原理。

图8－3－9是CC14528的逻辑图。图8－3－9集成单稳态触发器CC14528图8－3－10集成单稳态触发器CC14528的工作波形图8.3.4单稳态触发器的应用

1.定时

由于单稳态触发器能产生一定宽度tW的矩形脉冲，利用它可定时开、闭门电路，也可定时控制某电路的动作。如图8－3－11所示，ui1只有在矩形波ui3存在的时间tW内才能通过。图8－3－11单稳态触发器的定时作用

2.整形

假设有一列不规则的脉冲信号，将这一列信号直接加至单稳态触发器的触发输入端，在其输出端可以得到一组定宽、定幅较规则的矩形脉冲信号，如图8－3－12所示。图8－3－12单稳态触发器的整形作用

3.延时

单稳态触发器在输入信号ui触发下，输出uo产生一个比ui延迟tW的脉冲波，这个延时作用可被适当地应用于信号传输的时间配合上。 8.4自激多谐振荡器

8.4.1用门电路组成的多谐振荡器

1.由TTL门电路组成的多谐振荡器

由TTL门电路组成的多谐振荡器有两种形式：一是由奇数个非门组成的简单环形多谐振荡器,二是由非门和RC延迟电路组成的改进环形多谐振荡器。

1)简单环形多谐振荡器

把奇数个非门首尾相接成环状，就组成了简单环形多谐振荡器。图8－4－1(a)为由三个非门构成的多谐振荡器。若uo的某个随机状态为高电平，经过三级倒相后，uo跳转为低电平，考虑到传输门电路的平均延迟时间tpd，uo输出信号的周期为6tpd。图8－4－1(b)为各点波形图。

简单环形多谐振荡器的振荡周期取决于tpd，此值较小且不可调，所以，产生的脉冲信号频率较高且无法控制，因而没有实用价值。改进方法是通过附加一个RC延迟电路，不仅可以降低振荡频率，并能通过参数R、C控制振荡频率。图8－4－1由非门构成的简单环形多谐振荡器

2)

RC环形多谐振荡器

如图8－4－2所示，RC环形多谐振荡器由3个非门(G1、G2、G3)、两个电阻(R、RS)和一个电容C组成。电阻RS是非门G3的限流保护电阻，一般为100Ω左右；R、C为定时器件，R的值要小于非门的关门电阻，一般在700Ω以下，否则电路无法正常工作。此时，由于RC的值较大，从u2到u4的传输时间大大增加，基本上由RC的参数决定，门延迟时间tpd可以忽略不计。图8－4－2

RC环形多谐振荡器

(1)工作原理。设电源刚接通时，电路输出端uo为高电平，由于此时电容器C尚未充电，其两端电压为零，则u2、u4为低电平。电路处于第1暂稳态。随着u3高电平通过电阻R对电容C充电，u4电位逐渐升高。当u4超过G3的输入阈值电平UTH时，G3翻转，u0＝u1变为低电平，使G1也翻转，u2变为高电平，由于电容电压不能突变，u4也有一个正突跳，保持G3输出为低电平，此时电路进入第2暂稳态。随着u2高电平对电容C并经电阻R的反向充电，u4电位逐渐下降，当u

4低于UTH时，G3再次翻转，电路又回到第1暂稳态。如此循环，形成连续振荡。电路各点的工作波形如图8－4－3所示。

(2)脉冲宽度tW及周期T的估算。脉冲宽度分为充电时间(tW1)和放电时间(tW2)两部分。根据RC电路的基本工作原理，利用三要素法，可以得到充电时间tW1：同理，求得放电时间tW2：其中,τ＝RC，UOH和UOL分别为非门输出的高电平电压和低电平电压。设UOH＝3V,UOL＝0.3V,UTH＝1.4V，因此脉冲周期为T＝tW1＋tW2≈0.8RC＋1.3RC≈2.1RC

图8－4－3

RC环形多振荡器工作波形

(3)改进形式。由于电阻R不能取得过大(700Ω以下)，这就限制了频率的调节范围。如果在环形振荡器中增加一级射极跟随器，可使R的可调范围增大，例如在图8－4－4所示电路中，R的取值可达10kΩ。若将晶体三极管改为场效应管，R的取值可达20MΩ，这样，振荡频率的调节范围就很宽。图8－4－4改进的RC环形多谐振荡器

2.CMOS门电路构成的多谐振荡器

由于CMOS门电路的输入阻抗高(大于108Ω)，对电阻R的选择基本上没有限制，不需要大容量电容就能获得较大的时间常数，而且CMOS门电路的阈值电压UTH比较稳定，因此常用来构成振荡电路，尤其适用于频率稳定度和准确度要求不太严格的低频时钟振荡电路。

1)电路组成及工作原理

图8－4－5所示为一个由CMOS反相器与R、C元件构成的多谐振荡器。图8－4－5

CMOS多谐振荡器

接通电源后，假设电路初始状态ui1＝0，门G1截止，uo1＝1，门G2导通，uo2＝0，这一状态称为第1暂稳态。此时，电阻R两端的电位不相等，于是电源经门G1、电阻R和门G2对电容C充电，使得ui1的电位按指数规律上升。当ui1达到门G1的阈值电压UTH时，门G1由截止变为导通，电路发生如下正反馈过程：uiuo1uo即门G1导通，门G2截止，uo1＝0，uo2＝1，这称为电路的第2暂稳态。这个暂稳态也不能稳定保持下去。电路进入该状态的瞬间，门G2的输出电位uo2由0上跳至1，幅度约为UDD。由于电容两极极间电位不能突变，使得ui1的电压值也上跳UDD。由于CMOS门电路的输入电路中二极管的钳位作用，使ui1略高于UDD。此时电阻两端电位不等，电容通过电阻R、门G1及门G2放电，使得ui1电位不断下降。当ui1下降到UTH时，电路发生如下正反馈过程：uiuo1uo使得门G1截止，门G2导通，即uo1＝1，uo2＝0，电路发生翻转，又回到第1暂稳态。此后，电容C重复充电、放电，在输出端即获得矩形波输出。工作波形如图8－4－6所示。图8－4－6

CMOS多谐振荡器工作波

2)振荡周期T和振荡频率f的计算

在CMOS电路中，若UF≈0V，且，则第1暂稳态时间和第2暂稳态时间相等即为t，门G2的输出uo2为方波。

振荡周期：振荡频率

【例8－4－1】在图8－4－5的CMOS多谐振荡器中，已知UDD＝10V，UTH＝5V，UF＝1V，R＝100kΩ，C＝0.001μF，试计算电路的振荡频率。

解

振荡频率:8.4.2石英晶体多谐振荡器

1.电路组成

石英晶体多谐振荡器如图8－4－7所示。图中，R1、R2保证G1、G2正常工作，电容器C1、C2起到频率微调及耦合的作用。图8－4－7石英晶体多谐振荡器

2.石英晶体的选频特性

石英晶体具有很好的选频特性,如图8－4－8所示。图8－4－8石英晶体阻抗频率特性 8.5

555集成定时器及其应用

8.5.1

CC7555定时器的电路结构

图8－5－1(a)、(b)、(c)所示分别为CC7555定时器内部逻辑电路结构图、符号、外部管脚分布图。外部有8个管脚，各管脚的名称如图中所示。由图8－5－1(a)可看出，7555定时器由三部分组成：输入比较电路、基本RS触发器和N沟道场效应管。

1.输入比较电路

输入比较电路由3个等值分压电阻R(一般为5kΩ，故称555定时器)和两个高、低电压比较器A1、A2组成。3个电阻对UDD分压，使A1的“－”端电压，A2的“＋”端电压。当阈值输入端TH的电压超过时，则A1输出高电平，使基本RS触发器翻转，Q＝0。而当触发输入端TR的电压低于时，A2输出高电平，使基本RS触发器翻转，Q＝1。图8－5－1

CC7555集成定时器

2.基本RS触发器

基本RS触发器由两个或非门G1、G2组成。当R端置1时，触发器置0，输出端OUT为0；当S端置1时，触发器置1，输出端OUT为1。当直接复位端RD加低电平时，不管其他输入状态如何，触发器直接置0，输出端OUT为0；不使用RD时，应将此端接高电平。G3、G4、G5的作用是输出缓冲，提高电路的驱动能力。表8－5－1

CC7555定时器的逻辑功能表8.5.2集成定时器应用举例

1.用CC7555定时器构成多谐振荡器

1)电路组成

用CC7555定时器构成的多谐振荡器如图8－5－2(a)所示。其中电容C经R2、定时器的场效应管V构成放电回路，而电容C的充电回路却由R1和R2串联组成。为了提高定时器比较电路参考电压的稳定性，通常在5脚与地之间接有0.01μF的滤波电容，以消除干扰。

2)工作原理图8－5－2用CC7555构成的多谐振荡器及工作波形

3)主要参数的计算

(1)输出高电平的脉宽tW1为C充电所需的时间:(2)输出低电平的脉宽tW2为C放电所需的时间:

(3)振荡周期:T＝tW1＋tW2＝0.7(R1＋2R2)C

(4)空比:(4)振荡频率：

2.用CC7555定时器构成单稳态触发器

1)电路组成

用CC7555构成的具有微分环节的单稳态触发器如图8－5－3(a)所示。R和C为定时元件，0.01μF电容为滤波电容。图8－5－3用CC7555构成的单稳态触发器及工作波形