第八章 脉冲波形的变换与产生

1、8.1 单稳态触发器单稳态触发器8.2 施密特触发器施密特触发器8.3 多多谐振荡器谐振荡器8.4 555定时器及其应用定时器及其应用8 脉冲波形的变换与产生脉冲波形的变换与产生4 4、掌握由、掌握由555555定时器组成的多谐、单稳、施密特触定时器组成的多谐、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发器的电路、工作原理及外接参数及电路指标的计算。算。1 1、正确理解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触、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。发器的电路组成及工作原理。2 2、掌握多谐、单稳、施密特触发器、掌握多谐、单稳、施密特触发器MSIMSI器件

2、的逻辑器件的逻辑功能。功能。3 3、掌握、掌握555555定时器的工作原理。定时器的工作原理。教学基本要求教学基本要求8.1单稳态触发器单稳态触发器8.1.1 用门电路组成的微分型单稳态触发器用门电路组成的微分型单稳态触发器8.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器8.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用 电路在没有触发信号作用时处于一种稳定状态。电路在没有触发信号作用时处于一种稳定状态。单稳态触发器的工作特点：单稳态触发器的工作特点： 在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态暂稳态; ; 由于电路中由于电路中RC延时环节的作用，暂稳态不能长

3、延时环节的作用，暂稳态不能长久保持久保持,经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。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暂稳态的持续时间仅取与RC参数值有关。参数值有关。8.1单稳态触发器单稳态触发器 门电路组成的单稳态触发器门电路组成的单稳态触发器MSI集成单稳态触发器集成单稳态触发器不可重复触发不可重复触发单稳态触发器单稳态触发器可重复触发可重复触发单稳态触发器单稳态触发器用用555定时器组成的单稳态触发器定时器组成的单稳态触发器按电路形式不同按电路形式不同单稳态触发器的单稳态触发器的分类分类工作特点划分工作特点划分8.1.1 用用CMOS门电路组成的微分型单稳态触发器

4、门电路组成的微分型单稳态触发器 1. 1. 电路电路CMOS与非门与非门构成的微分型构成的微分型单稳态触发器单稳态触发器 CMOS或非门或非门构成的微分型构成的微分型单稳态触发器单稳态触发器 稳态为稳态为1负脉冲触发负脉冲触发稳态为稳态为0正脉冲触发正脉冲触发 R vO G2 & C D vI2 vC 1 Rd vI Cd G1 vd vO1 1 vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 1 Rd Cd vd 电路处于一种稳态：电路处于一种稳态： 1 vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 1 Rd Cd vd 0 00 01 11 10 0v

5、o =0a)没有触发信号时，没有触发信号时，vI=0设定设定CMOS反相器的阈值电压反相器的阈值电压2THDDVV 工作原理：工作原理：b)b)外加触发信号外加触发信号vdvd =VTH产生如下正反馈过程：产生如下正反馈过程：迅速使迅速使 vo1 = 0 vo =1 vI 0 t vd 0 t vO1 vO vI2 0 t t t 0 VTH VDD t1 t2 0 电路进入暂稳态电路进入暂稳态电容充电电容充电vI21 10 0 vO vI vO1 vI2 1 vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 1 Rd Cd vd c)c)电容充电电容充电, ,电路由暂稳态自动

6、返回到稳态电路由暂稳态自动返回到稳态 1 vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 1 Rd Cd vd 0 01 1vI2vI2 =VTH产生如下正反馈过程：产生如下正反馈过程： vI2 vO vO1 迅速使迅速使 vo1 = 1 vo =0vo2 vO1 vR vI 0 t vd 0 t vO1 vO vI2 0 t t t 0 VTH VDD t1 t2 0 tw tw0.7RC （1） 输出脉冲宽度输出脉冲宽度tw(2) 恢复时间恢复时间tre tre 35RC (3) 最高工作频率最高工作频率 fmax 3、 主要参数的计算主要参数的计算 vO1 vI vO

7、vI2 0 0 t t t t tW 0 VTH VDD t1 t2 vd 0 t 0 TH0V)()()(tCCC l ln nW W R RC CvC(0+) = 0；vC() =VDD =RC, VTH = VDD /2THDDDDw0VVVlnRCt = RCln2rew11ttTfminmax 4. 讨论讨论a)在暂稳态结束在暂稳态结束(t= t2)瞬间，门瞬间，门G2的输入电压的输入电压vI2达到达到VDD+VTH，可能损坏可能损坏G2门，怎么办？门，怎么办？ vO1 G1 1 1 G2 C vI R VDD vO Cd Rd VD 4. 讨论讨论b)用用TTL门电阻门电阻R的取值

8、可以是任意的吗？的取值可以是任意的吗？采用采用TTL与非门构成单稳电与非门构成单稳电路时，电阻路时，电阻R要小于要小于0.7k。 R vO G2 & C D vI2 vC 1 Rd vI Cd G1 vd vO1 Cd、Rd组成的微分电路可保证组成的微分电路可保证Vi宽度不受限制宽度不受限制8.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器(a)v vO Ov vI It tw wt tw w(b)vOvItwtw不可重复触发不可重复触发可重复触发可重复触发被重复触发被重复触发没有被重复触发没有被重复触发不可重复触发的集成单稳态触发器不可重复触发的集成单稳态触发器741211 1Q2 2NC3 3A

9、14 4A25 5B6 6Q7 7GND74LS1211414VCC1313NC1212NC1111Rext/Cext1010Cext9 9Rint8 8NC( (a) )74LS121A1A2BQQ( (9) ) ( (10)0)( (11)1)RintCextRext/Cext( (b) )74121功能表功能表 HHQA1A2BQLHLLHLLLHHHLHHHHHHLL逻辑功能表逻辑功能表不可触发，保持稳态不变不可触发，保持稳态不变A1、A2中有一个或两个为低电平，中有一个或两个为低电平，在在B端输入上升沿时电路被触发端输入上升沿时电路被触发A1、A2输入端有一个或两个下降输入端有一个或

10、两个下降沿，沿，B 和和A1、A2、 中有一个或两中有一个或两个为高电平时电路被触发个为高电平时电路被触发8.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用1. 定时定时 该电路可用于频率计该电路可用于频率计 vO 与与门门 vA vB tW 单稳单稳态态 触发触发器器 vI vI O vB O vA O vO O tW t t t t A1 Rext/ Cext VCC Cext A2 B Cext Rext/ Cext A1 A2 B Q Q VCC VCC vI vO R1 C1 R2 C2 74121 （1） 74121 （2） vO1 vI t t1 0 t tw1 tw1 vO1 0

11、 t tw2 tw2 vO 0 2. 延时延时4. 组成噪声消除电路组成噪声消除电路 单稳触发器的输出脉宽应单稳触发器的输出脉宽应大于大于噪声宽度而噪声宽度而小于小于信号脉宽，才可信号脉宽，才可消除噪声。消除噪声。 如用如用vI作为作为下降沿下降沿触发的计数器触发脉冲触发的计数器触发脉冲,干扰加入干扰加入,就会造成就会造成计数错误计数错误. vI Q vO 噪声噪声 C R VCC Cext Rext/Cext 7412A1 A2 B vI Q 1D C1 R Q vO 8.2 施密特触发器施密特触发器8.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器8.2.2 集成施密特触发器

12、集成施密特触发器8.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 8.2 施密特触发器施密特触发器1 1、施密特触发器、施密特触发器电压传输特性电压传输特性及工作特点：及工作特点： 施密特触发器属于施密特触发器属于电平电平触发器件，当输入信号达到某一触发器件，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。定电压值时，输出电压会发生突变。 电路有两个阈值电压。电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时，电路的输入信号增加和减少时，电路的阈值电压分别是阈值电压分别是正向阈值电压正向阈值电压（VT+）和）和负阈值电压负阈值电压（VT-） 。同相同相输出施密特触发器输出施密特触发器反相反相输出施密

13、特触发器输出施密特触发器 1 vI vO 1 vI vO O vI vo VT VT+ VOH VOL oVT+ vO VOH VOL VT- - vI 1、电路组成、电路组成2、工作原理、工作原理 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI18.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器O11I212I1vRRRvRRRv2 R1 R2vI为为三角波三角波 假定：假定： 2THDDVV 108 6 4 2 0 vI/V 2 4 6 8 10 VOH VDD vO/V B 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI1O211I2121I RRRRR

14、R00 1(1) vI上升上升当当vI1=0， = 0VvO正向阈值电压正向阈值电压 (VT+): vI 值在增加值在增加过程中，使输出电压产生跳变时过程中，使输出电压产生跳变时所对应所对应vI 的值。的值。只要只要 I1 VTH,电路维持电路维持 不变不变 O=VOH vI vI1 vO1 vO vO= VOL I1THT-DD1RRVVVRRRR21122TH21-T1V)RR(V DD21TH21-TT2VRRVRRVVVT ,只要只要I1 VTH，I1 (4)当当I下降下降, 也下降也下降则保持则保持 =VOHo当当 =VTH，电路产生如下正反馈，电路产生如下正反馈 ： I1 1 1

15、G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI1 1 v vo ov vI I 传传特特性性曲曲线线 工工作作波波形形 vI VT VT O vO VDD O t t vO VDD O VT VT vI 8.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器 vI vO vO， VDD TP1 TP2 TP3 TN5 TN4 TN6 vS2 vS5 TP7 TN8 TP9 TN10 TN12 TP11 VDD 施施密密特特电电路路 整整形形电电路路 输输出出电电路路 1 vI vO 8.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 o vI vO1 VOH VOL VT+VT_ vO VOH VOL

16、0 t tWo vI t v vT+T+v vT-T- 1 vI vO 1. 1. 波形变换波形变换 vI VT+ VT 0 t vO VOH VOL 0 t (b) vO vI 1 2. 波形的整形波形的整形 vO vI 1 vI VT+ VT 0 t vO VOH VOL 0 t (a) o VT+ vO VOH VOL VT- 合理选择回差电压，可消除干扰信号。合理选择回差电压，可消除干扰信号。 vI O vO O vO O VT2 VT1 t t t 3.3.消除干扰信号消除干扰信号 1 v vo ov vI I VT- vI 0 VT+ 0 t vO VO H VO L 0 1 o

17、oI I4. 幅度鉴别幅度鉴别 o VT+ vO VOH VOL VT- - vI 8.3 多谐振荡器多谐振荡器8.3.1 由门电路组成的多谐振荡器由门电路组成的多谐振荡器8.3.2 由门电路组成的多谐振荡器由门电路组成的多谐振荡器8.3.3 用施密特触发器构成波形产生电路用施密特触发器构成波形产生电路 开开关关电电路路 RC延时环节延时环节多谐振荡器的基本组成：多谐振荡器的基本组成：开关器件：开关器件：产生高、低电平产生高、低电平反馈延迟环节（反馈延迟环节（ RC电路）：利用电路）：利用RC电路的电路的充放电特性充放电特性实现实现延时，输出电压经延时后延时，输出电压经延时后,反馈反馈到开关器

18、件到开关器件输入端输入端，改变电路，改变电路的输出状态的输出状态,以获得所脉冲波形输出。以获得所脉冲波形输出。概述概述8.3 多谐振荡器多谐振荡器8.3.1 由由CMOS门门电路组成的多谐振荡器电路组成的多谐振荡器 1. 电路组成电路组成 vID1 D2 TP TN vO1 R C D4 D3 TP TN vOG1 G2 +VDD VC 1 1 vI vO1 vO C R G1 G2 组成的多谐振荡器组成的多谐振荡器.o1 =1, o =0 时时,电容电容充电充电, I增加增加;o1 =0, o =1 时时,电容电容放电放电, I下降下降;o1与与o2反相反相,电容接在电容接在o与与I之间之间

19、: 2. 工作原理工作原理DDTH0O 2NFFVVVV假定假定 电路初态：电路初态：=1vO1=0vOvC= 0V电容充电电容充电vCvIvI当当=VTH 时，时，迅速使迅速使G1导通、导通、 G2截止截止电路进入第二暂态电路进入第二暂态vO2=1vO1=0=0vO 1=1vO（1）第一暂稳态（初态）电容充电，电路自动翻转到第二暂稳态）第一暂稳态（初态）电容充电，电路自动翻转到第二暂稳态vIvO1vO G1 G2 VDD TP D3 TP D1 充充 电电 vI D2 TN TN vO1 vO2 D4 R C vIVDDVTH0ttvOVDD0（2）第二暂稳态电容放电，电路自动翻转到第一暂稳

20、态）第二暂稳态电容放电，电路自动翻转到第一暂稳态电容放电电容放电vCvIvI当当=VTH 时时，迅速使得迅速使得G1截止、截止、G2导通导通电路返回第一暂稳态电路返回第一暂稳态O2=0 O1=12. 工作原理工作原理vIvO1vO G1 G2 VDD TP D3 TP D1 放放电电 vI D2 TN TN vO1 vO2 D4 R C vI VTH O VDD V V t vO2 VDD O T1 T2 t1 t2 第第一一 暂暂稳稳态态 第第二二 暂暂稳稳态态 t TRC1n41.4RC 由门电路组成的多谐振荡器的振由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期荡周期T取决于取决于R、C电路和电路和

21、VTH，频率稳定性较差。频率稳定性较差。 3. 振荡周期的计算振荡周期的计算THDDDD1lnVVVRCT THDD2n1VVRCT vI(0+) =0；vC() =VDD =RC, t = t2-t1T1 :vI(0+) VDD ；vC()=0 =RC, t = t3-t2T2 : THTHDD2DD21n1V)VV(VRCTTT vI VTH O VDD V V t vO2 VDD O T1 T2 t1 t2 第第一一 暂暂稳稳态态 第第二二 暂暂稳稳态态 t vovIVT+VT_VOLVOHT1T20 0t t0 0t t12DDTT+DDTTDDTT+DDTT-lnln()lnTTTV

22、VVRCRCRVVVVVCVVVV C Cv vo ov vI IR R1 18.3.2 用施密特触发器构成波形产生电路用施密特触发器构成波形产生电路8.3.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器1、石英晶体电路符号和选频特性、石英晶体电路符号和选频特性电路符号电路符号 阻特性阻特性 fXf0电电感感性性电电容容性性电电容容性性当当 f = f0 时时,电抗电抗 X = 02、石英晶体振荡器、石英晶体振荡器R: 使使G1工作在线性区工作在线性区C1 : 耦合电容耦合电容C2 : 抑制高次谐波抑制高次谐波 G1 1 G2 1 C1 R C2 R vO 1 2 1 & 石 英 晶 体 振 荡 器 1J

23、1K VCC CP vO Q Q & C1 CPQ 1 23、双相脉冲产生电路双相脉冲产生电路8.4 555定时器及其应用定时器及其应用8.4.1 555定时器定时器8.4.2 用用555定时器组成施密特触发器定时器组成施密特触发器8.4.3 用用555定时器组成定时器组成单稳态触发器单稳态触发器 8.4.4 用用555定时器定时器组成多谐振荡器组成多谐振荡器555定时器是一种应用方便的中规模集成电路定时器是一种应用方便的中规模集成电路, 广泛用于信号的产广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。生、变换、控制与检测。 8.4 555定时器及其应用定时器及其应用电阻分压器电阻分压器电压比较器电压比

24、较器基本基本SR锁存器锁存器输出缓冲反相器输出缓冲反相器集电极开路输出三极管集电极开路输出三极管 TvovICvI1vI2voC1C2+-+(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)RS&5 k 5 k 5 k &1RDVCC (8)G1、电路、电路 结构结构8.4.1 555定时器定时器2、工作原理、工作原理 VCC 5k vIC vI1 C1 5k vI2 C2 5k v O T S R RD & & & 1 G vO 不变不变不变不变1导通导通01截止截止11导通导通00放电管放电管T输出输出VO复位复位RD触发输入触发输入VI2阈值输入阈值输入VI1输输 出出输输 入入CC31V CC

25、31V CC31V CC32V CC32V CC32V 3、555定时器功能表定时器功能表不变不变不变不变1导通导通01截止截止11导通导通00放电管放电管T输出输出(VO)复位复位(RD)触发输入触发输入(VI2)阈值输入阈值输入(VI1)输输 出出输输 入入CC31V CC31V CC31V CC32V CC32V CC32V 8.4.2 用用555定时器组成施密特触发器定时器组成施密特触发器 VCC 5k vIC vI1 C1 5k vI2 C2 5k v O T S R RD & & & 1 G (3vvI如何改变电路的阈值电压和回差电压如何改变电路的阈值电压和回差电压? vI VCC

26、 2 3 VCC 1 3 O vO O t t vO O VCC/3 vI 2VCC/3 8.4.3 用用555定时器定时器组成单稳态触发器组成单稳态触发器 1、电路、电路VCC VCC vI R vO 0.01 F C vC 8 4 555 7 6 2 3 5 1 5k vIC vI1 C1 5k vI2 C2 5k v O T S R RD & & & 1 G vO vI外加触发信号，电路转换到暂态，输出为外加触发信号，电路转换到暂态，输出为1触发信号消除后，电容充电电路自动转换到稳态输出为触发信号消除后，电容充电电路自动转换到稳态输出为0没有触发信号时没有触发信号时( i = )电路处于稳态，电路处于稳态，输出为输出为0 0 13VCCVCC 5k vIC vI1 C1 5k vI2 C2 5k v O T S R RD & & & 1 G vO vI VCC vI R vO 0.01 F C vC 8 4 555 7 6 2 3 5 1 tw=RC1n31.1RC 4 4、）工作波形及输出脉宽的计算、）工作波形及输出脉宽的计算电路是可重复触发的单稳电路是可重复触发的单稳? ? vI O vC O vO O 2 3 VCC tW t t t vI O t 8 4 2 5 3 7 6 vI 1