第13章脉冲波形的产生于整形

1、2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章施密特触发器施密特触发器2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.1.1 13.1.1 常用脉冲波形及参数常用脉冲波形及参数 1.1.常见的脉冲波形常见的脉冲波形 脉冲波形是指突变的电流和电压的波形。 常见的脉冲波形图 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章2. 2. 矩形波及其参数矩形波及其参数 非周期性和周期性矩形波非周期性和周期性矩形波(a) (a) 非周期性非周期性 (b) (b) 周期性周期性数字电路中用得最多的是矩形波。矩形波有周

2、期性与非周期性两种。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章矩形波的主要参数 周期性矩形波的周期用T表示，有时也用频率f表示（f =1/ T）。 矩形波的另外几个主要参数： （1 1）脉冲幅度）脉冲幅度U Um m （2 2）脉冲宽度）脉冲宽度t tw w （3 3）上升时间）上升时间t tr r （4 4）下降时间）下降时间t tf f （5 5）占空比）占空比q q = =t t w w / /T T 。通常。通常q q用百分比表示，如用百分比表示，如果果q q =50% =50%，则称为对称方波。，则称为对称方波。 2022-4-292022-4-2

3、9电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.1.2 RC电路的应用电路的应用 可对矩形波进行变换，常用的有微分电路、积分电路和脉冲分压器。 微分电路 1. 微分电路 可将矩形波变换为尖峰波（条件可将矩形波变换为尖峰波（条件RCRCt tw w）。 由于电路的输出由于电路的输出u uO O只反映输入波形只反映输入波形u uI I的突变的突变部分，故称为微分电路。部分，故称为微分电路。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章2. 积分电路 积分电路 （b）可将矩形波变换为三角波。）可将矩形波变换为三角波。（条件（条件RCt w）（c） 输出波形输出波形uO

4、的边沿变差了。的边沿变差了。（如果（如果RCt w，即不满足积分电路的条件），即不满足积分电路的条件）2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章3. 脉冲分压器 在模拟电路中，常用电阻分压器来实现正弦波信号的无失真传输。 但是，对脉冲信号的传输，不能采用简单的电阻分压器，因为分布电容的影响，会使输出波形的边沿发生畸变。2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章 脉冲分压器 为了实现脉冲信号的无畸变传输，需要采用脉冲分压器。 各种示波器的输入衰减器采用的就是这种脉冲分压器。只要满足条件C1R1 =C2R2，则可实现脉冲信号的无畸

5、变传输。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.2 13.2 施密特触发器施密特触发器施密特触发器的工作特点：施密特触发器的工作特点： 施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，慢变化的信号， 当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。生突变。 o vI vO VOH VOL (a) VT+ VT_ o vI vO1 VOH VOL (b) VT+ VT_ 1 vovI 1 vovI 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，输入信

6、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电路的阈值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性特性 。2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.2.1 13.2.1 门电路组成的施密特触发器门电路组成的施密特触发器 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 v I1 1 vovI21I1IO1212RRRRRRDDT2VV R1 R2 I为三角波 作如下假定： 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章21I12120thRRRRRR 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI1O2

7、11I2121I RRRRRR0 00 0只要只要vI1Vth，则保持vO=VOH 当vI1=Vth，电路产生如下正反馈 ： 1T-th2(1)RVVR当当v vI I下降，下降， v vI1I1也下降也下降 0 01T+th2(1)RVVR1TT+Tth22RVVVVR回差电压回差电压 v I v I 1 v O 1 v O 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章vI VT+ VT_ vO 0 0 t t 0 vI vO VT+ VT_ VDD (a) 工作波形工作波形(b) 传输特性曲线传输特性曲线 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1

8、vI1 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.2.2 13.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器-CC40146-CC40146 vov vDDvITP1 TN4 TP2 TP3 TP7 TP11 TN5 TN6 TN8 TN10 TP9 TN12 vO施密特触发器施密特触发器 整形级整形级 输出缓冲级输出缓冲级 o vI vO1 VOH VOL (b) VT+ VT_ 1 vovI2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.3.3 13.3.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用vIVT+VT 0tvOV

9、OHVOL 0ttpovOvI11. 1. 波形的整形及变换波形的整形及变换 vovIvov vT2v vT1t t t 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。 为去掉干扰信号为去掉干扰信号回差电压应如何选择？回差电压应如何选择？2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章2. 2. 幅度鉴别幅度鉴别 vovI0 0 t t Vth (VT+) 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章2. 2. 多谐振荡器多谐振荡器 C vovIR 1 12DDTT+DDTTDDTT+DDTT-lnln()lnTT

10、TVVVRCRCRVVVVVCVVVVvovIVT+ VT_ VOL VOH T1 T2 0 t 0 t 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.2 13.2 施密特触发器施密特触发器主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿陡峭的 矩形波。 特点：电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持和转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平触发。电压传输特性特殊，电路有两个转换电平（上限触发转换电平UT+和下限触发转换电平UT）。状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.

11、2.113.2.1用集成门电路构成的施密特触发器用集成门电路构成的施密特触发器 1. 电路组成 两个CMOS反相器，两个分压电阻。 用集成门电路构成的施密特触发器（a） 电路 （b）逻辑符号2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章2. 工作原理 （1）工作过程 设CMOS反相器的阈值电压UTH=VDD/2，输入信号uI为三角波。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章当uI=0V时， G1截止、G2导通，输出为UOL，即uO=0V。只要满足uI1UTH，电路就会处于这种状态（第一稳态）。当uI上升，使得uI1 =UTH时

12、，电路会产生如下正反馈过程： 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章电路会迅速转换为G1导通、G2截止，输出为UOH，即uO=VDD的状态（第二稳态）。此时的uI值称为施密特触发器的上限触发转换电平UT+。显然，uI继续上升，电路的状态不会改变。2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章如果uI下降，uI1也会下降。当uI1下降到UTH时，电路又会产生以下的正反馈过程： 电路会迅速转换为G1截止、G2导通、输出为UOL的第一稳态。此时的uI值称为施密特触发器的下限触发转换电平UT。uI再下降，电路将保持状态不变。 2022

13、-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章 （2）工作波形与电压传输特性 施密特触发器将三角波uI变换成矩形波uO。 施密特触发器的工作波形及电压传输特性（a）工作波形 （b）电压传输特性3.重要参数 上限触发转换电平UT+ 下限触发转换电平UT 回差回差UUT T = U= UT+T+U UT T（通常（通常U UT+T+U UT T）改变改变R R1 1和和R R2 2的大小可以改变回差的大小可以改变回差UUT T 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章集成施密特触发器的UT+和UT的具体数值可从集成电路手册中查到。如CT74

14、132的UT+1.7 V、UT0.9 V，所以，UTUT+UT1.7 V0.9 V0.8 V。 13.2.213.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器 1.施密特反相器TTL的74LS14和CMOS的CC40106均为六施密特触发的反相器。下面以CC40106为例说明其功能。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章施密特触发反相器(a) 原理框图 (b) 电压传输特性 (c) 逻辑符号 为了提高电路的性能，电路在施密特触发器为了提高电路的性能，电路在施密特触发器的基础上，增加了整形级和输出级。的基础上，增加了整形级和输出级。 整形级可以整形级可以使输出

15、波形的边沿更加陡峭，输出级可以提高电使输出波形的边沿更加陡峭，输出级可以提高电路的负载能力。路的负载能力。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章2.施密特触发与非门电路 为了对输入波形进行整形，许多集成门电路采用了施密特触发形式。比如CMOS的CC4093和TTL的74LS13就是施密特触发的与非门电路。 施密特触发与非门的逻辑符号2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章1. 波形变换 将变化缓慢的波形变换成矩形波（如将三角波或正弦波变换成同周期的矩形波）。波形变换 13.2.313.2.3施密特触发器的应用施密特触发

16、器的应用2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章2.脉冲整形 在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，或者边沿产生振荡等。通过施密特触发器整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。 脉冲整形 波形波形畸变畸变边沿边沿振荡振荡2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章3脉冲鉴幅 将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些幅度大于UT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。可见，施密特触发器具有脉冲鉴幅能力。 脉冲鉴幅 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章 电路有一个电路有

17、一个稳态稳态，一个，一个暂稳态暂稳态。1 1、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，电路由稳态翻转到暂稳态在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态; ; 电路中电路中RCRC延时环节的作用，暂稳态不能长久保持延时环节的作用，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 持续时间仅取决于持续时间仅取决于RCRC电路的参数值。电路的参数值。 13.3.1 13.3.1 概述概述 13.3 13.3 单稳态触发器单稳态触发器 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第

18、1313章章2 2、单稳态触发器的组成：、单稳态触发器的组成： 由由门电路门电路和和RCRC电路电路组成组成 3 3、单稳态触发器的分类、单稳态触发器的分类 根据根据RCRC电路的不同接法单稳态触发器电路的不同接法单稳态触发器 分为分为微分型微分型和和积分型积分型两大类。两大类。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.3.2 13.3.2 门电路组成的微分型单稳态触发器门电路组成的微分型单稳态触发器 1. 1. 电路电路vO1 vO2 R vc vI & & vO1 vO2 vc vI 1 1 R CMOSCMOS与非门构成的微分型与

19、非门构成的微分型 单稳态触发器单稳态触发器 CMOSCMOS或非门构成的微分型或非门构成的微分型 单稳态触发器单稳态触发器 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章vO1 vO2 vR vI vDD vDD vDD+ vthtttttpi vth tw t1 t2 2. 2. 工作原理工作原理a)a)没有触发信号时，没有触发信号时， 电路处于一种稳态电路处于一种稳态 vO1 vO2 vc vI 1 1 R vR vDD 0 00 00 01 11 12022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章vO1 vO2 vR vI vDD

20、 vDD vDD+ vthttttvth tpi tw t1 t2 v o1 v R v O2 vI v R v O 2 v O1 vO1 vO2 vc vI 1 R vR vDD 1 11 11 11 10 0b)b)外加触发信号后，外加触发信号后，电路进入暂稳态电路进入暂稳态 c)c)电容放电，电路由电容放电，电路由暂稳态自动返回到稳暂稳态自动返回到稳态态 1 0 02022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章3. 3. 主要参数的计算主要参数的计算vO1 vO2 vR vI vDD vDD vDD+ vthtttttpi vth tw t1 t2 DDwD

21、DtlnhVtRCVVtw0.7RC (1) (1) 输出脉冲宽度输出脉冲宽度t tw w (2) (2) 恢复时间恢复时间t trere tre 3 d (3) (3) 最高工作频率最高工作频率 f fmaxmax maxminwre11fTtt R(t)=VR( )VR(0+)VR( ) te R(0+) = 0 R( ) =VDD =RC2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章 vO1 vO2 vc vI 1 1 R vR VCC 4. 4. 讨论讨论Cd Rd vDvI1vo2 如果输入端采用微分电路时，如果输入端采用微分电路时，RdRd应大于应大于

22、2k2k ，使得，使得稳态时稳态时 D D大于大于G G1 1的开门电平的开门电平(V(VONON) ) 。电阻电阻R R的取值可以是任意的的取值可以是任意的？采用采用TTLTTL与非门构成单稳电路时，电阻与非门构成单稳电路时，电阻R R要小于要小于0.7k0.7k 。 在暂稳态结束在暂稳态结束(t= t(t= t2 2) )瞬瞬间，门间，门G G2 2的输入电压的输入电压 R R达达到到V VDDDD+V+VT T，可能损坏，可能损坏G G2 2门，门，怎么办？怎么办？输入的触发脉冲的宽度可输入的触发脉冲的宽度可以是任意的吗？如触发脉以是任意的吗？如触发脉冲的宽度太宽会有什么问冲的宽度太宽会

23、有什么问题？题？2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.3.3 集成单稳态触发器集成单稳态触发器(a)vO vI tw tw (b)vO vI tw tw 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不可重复触发不可重复触发2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章 1. 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 G8 G4 G1 G2 G3 G5 G6 G7 G9 & & B & & & 1 1 1 1 Rext Rint

24、Cext Rint Cext/Rext QQA1 A2 a 触发信号控制电路触发信号控制电路微分型单稳触发器微分型单稳触发器输出缓冲电路输出缓冲电路1234567101112131498B Cext Rint Cext/Rext QQA1 A2 GND NC NC NC VCC NC 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章 (1)(1)工作原理工作原理1 G8 G4 G1 G2 G3 G5 G6 G7 G9 & & B & & & 1 1 1 1 Rext Rint Cext Rint Cext/Rext QQA1

25、A2 a 电路稳态电路稳态 : Q=0, 1 Q0 01 10 00 00 0 在暂稳态期间即使有触发信号输入，在在暂稳态期间即使有触发信号输入，在a a点不产生触发点不产生触发脉冲，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。路属于不可重复触发单稳态触发器。 电路暂稳态电路暂稳态 : Q=1, 1 Q输出脉冲宽度：输出脉冲宽度： tw0.7RCtw0.7RC 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章(2) (2) 功能表功能表7412174121功能表功能表 两种触发方式两种

26、触发方式 1234567101112131498B Cext Rint Cext/Rext QQA1 A2 GND NC NC NC VCC NC 定时电容定时电容定时电阻定时电阻用内部用内部2k2k电阻电阻用外部电阻用外部电阻H H QA1A2B Q L X H L XL H L XXL L H H H XL H H H H H H L XXL （3 3）电路连接）电路连接2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章2. 2. 可重复触发的集成单稳态触发器可重复触发的集成单稳态触发器MC14528MC14528G11 G12 G10 G13 G14 G15 G

27、16 G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 & & & & 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Rext vc vDD Cext vDD TR+ TR- RD QQTP TN v12v10vo4vo7三态门三态门控制电路控制电路输出缓冲电路输出缓冲电路(1)(1)电路电路2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章功能表功能表 NoImageNoImageNoImage1Cextc 1Rext/Cext 1RD 1TR+ 1TR_ Vss VDD 2Cext NoImageNoImage2Rext/Ce

28、xt 2RD 2TR+ 2TR_ NoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImage单单 稳稳 单单 稳稳 H 禁禁 止止 H L L 禁禁 止止 H L H 清清 零零 H L L Q TR TR 功能功能 输输 出出 输输 入入 H H L NoImageNoImageNoImageNoImageNoImageQ2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章G11 G12 G10 G13 G14 G15 G16 G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 & & & & 1 1 1 1

29、 1 1 1 1 1 1 1 1 Rext va vDD Cext vDD TR+ TR- RD QQTP TN v12v10vo4vo70 00 01 10 00 01 1v vcc异步清零异步清零2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章G11 G12 G10 G13 G14 G15 G16 G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 & & & & 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Rext vc vDD Cext vDD TR+ TR- RD QQTP TN v12v10vo4vo71 10 01

30、 1 0 00 01 10 01 10 01 10 01 10 01 1还未充电还未充电如果为如果为0合上电源时，合上电源时， v04=1当当TR+=1, TR_=0,时，电路处于稳定状态时，电路处于稳定状态2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章G11 G12 G10 G13 G14 G15 G16 G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 & & & & 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Rext vc vDD Cext vDD TR+ TR- RD QQTP TN v12v10vo4vo71 1

31、0 01 10 01 11 1 0 01 10 01 11 10 00 0电路发生第一次翻转，进入暂稳态。电路发生第一次翻转，进入暂稳态。0 01 10 00 01 1电路发生第二次翻转，进入稳态。电路发生第二次翻转，进入稳态。 当当TRTR+ +=1, TR_=1, TR_输入正脉冲时，电路发生翻转输入正脉冲时，电路发生翻转2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章工作波形工作波形Qt1 TR+ TR- 0 0 0 0 VCVth13 Vth9 t2 t3 t4 t5 t6 t7 tw tw t +twt t t t (0 )( )ln( )( )fftf

32、tfDD9wDDt 13lnthhVVtRCVV脉冲宽度包括电容充电和放电两段。脉冲宽度包括电容充电和放电两段。2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.3.4 13.3.4 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用1. 1. 定时定时 与与 门门 单稳态触发器单稳态触发器 vA vB vO vI tw t vI VOH 0 vB VOH 0 t tPo t vA VOH 0 t vO VOH 0 t w2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章2. 2. 延时延时 vO1 vO2 vR vI vDD vDD vDD+ vt

33、htttttpi vth tw t1 t2 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章单稳单稳进入暂稳态，脉宽为进入暂稳态，脉宽为0.7R1C1 v vccB A1 A2 v vccS R1 R2 C1 C2 Cext Cext/Rext Cext Cext/Rext QQ2Q1Q74121 74121 ( () ) 74121 74121 ( () ) vov vccv vccB A1 A2 v vcc3. 3. 组成多谐振荡器组成多谐振荡器 0 00 0H H QA1A2B Q L X H L XL H L XXL L H H H XL H H H H H

34、 H L XXL 0 01 11 1 0 01 1 0 0单稳单稳进入暂稳态，脉宽为进入暂稳态，脉宽为0.7R2C2 1 1 0 0单稳单稳进入暂稳态，脉宽为进入暂稳态，脉宽为0.7R1C1 单稳单稳进入暂稳态，脉宽为进入暂稳态，脉宽为0.70.7R R2 2C C2 2 T=0.7(R1C1+R2C2)2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章 (a) 逻逻辑辑图图 R C Cext Cext/Rext Q7412174121 vov vccB A1 A2 vIQC1 D R 4. 4. 组成噪声消除电路组成噪声消除电路 噪声噪声 (b) 波形图波形图 Qv

35、ovID CP (R) (b) 波形图波形图 QvovI噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号的宽度较宽。噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号的宽度较宽。注意注意：单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度：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。而小于信号脉宽，才可消除噪声。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章工作特点： 一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态； 二，在外加脉冲作用下，触发器能从稳态翻转到暂稳态； 三，在暂稳态维持一段时间后，将自动返回稳态，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外加触发信号无关。13

36、.3 13.3 单稳态触发器单稳态触发器2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.3.1 13.3.1 用集成门电路构成的单稳态触发器用集成门电路构成的单稳态触发器 1. 电路组成及工作原理 暂稳态是靠RC电路的充放电过程来维持的。由于图示电路的RC电路接成微分电路形式，故该电路又称为微分型单稳态触发器。 集成门电路构成的单稳态触发器 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章 （1） 输入信号uI为0时，电路处于稳态。 uI2=VDD，uO=UOL =0，uO1UOH =VDD。 （2）外加触发信号，电路翻转到暂稳态。

37、当uI产生正跳变时，uO1产生负跳变，经过电容C耦合，使uI2产生负跳变，G2输出uO产生正跳变；uO的正跳变反馈到G1输入端，从而导致如下正反馈过程： 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章使电路迅速变为G1导通、G2截止的状态，此时，电路处于uO1=UOL、uO=uO2=UOH的状态。然而这一状态是不能长久保持的，故称为暂稳态。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章 （3）电容C充电，电路由暂稳态自动返回稳态。 在暂稳态期间，VDD经R对C充电，使uI2上升。当uI2上升达到G2的UTH时，电路会发生如下正反馈过

38、程： 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章使电路迅速由暂稳态返回稳态，uO1=UOH、uO= uO2=UOL。从暂稳态自动返回稳态之后，电容C将通过电阻R放电，使电容上的电压恢复到稳态时的初始值。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章单稳态触发器工作波形 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章2.主要参数 （1）输出脉冲宽度tw 输出脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间。根据uI2的波形可以计算出： tw 0.7RC （2） 恢复时间tre 暂稳态结束后，电路需要一段时间恢复到初

39、始状态。一般，恢复时间tre为（35）放电时间常数（通常放电时间常数远小于RC）。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章设触发信号的时间间隔为T，为了使单稳态触发器能够正常工作，应当满足Ttw +tre的条件，即Tmin= tw +tre。因此，单稳态触发器的最高工作频率为 fmax = 1/ Tmin = 1/（tw +tre） 在使用微分型单稳态触发器时，输入触发脉冲uI的宽度tw1应小于输出脉冲的宽度tw，即tw1tw，否则电路不能正常工作。如出现tw1tw的情况时，可在触发信号源uI和G1输入端之间接入一个RC微分电路。 3.对输入触发脉冲宽度的

40、要求对输入触发脉冲宽度的要求 （3）最高工作频率fmax（或最小工作周期Tmin）2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.3.2 13.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 用集成门电路构成的单稳态触发器虽然电路简单，但输出脉冲宽度的稳定性较差，调节范围小，而且触发方式单一。因此实际应用中常采用集成单稳态触发器。 1. 输入脉冲触发方式 上升沿触发下降沿触发 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章2. 不可重复触发型与可重复触发型 图（图（a a）为不可重复）为不可重复型触发单稳态触发器型触发单稳态触发器该电路

41、在触发进入暂该电路在触发进入暂稳态期间如再次受到触稳态期间如再次受到触发，对原暂稳态时间没发，对原暂稳态时间没有影响，输出脉冲宽度有影响，输出脉冲宽度t tw w仍从第一次触发开始仍从第一次触发开始计算。计算。 图（图（b）为可重复）为可重复触发型单稳态触发器触发型单稳态触发器 该电路在触发进入该电路在触发进入暂稳态期间如再次被暂稳态期间如再次被触发，则输出脉冲宽触发，则输出脉冲宽度可在此前暂稳态时度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽间的基础上再展宽tw。 因此，采用可重复触发单稳态触发器时能比较因此，采用可重复触发单稳态触发器时能比较方便地得到持续时间更长的输出脉冲宽度。方便地得到持续时间更长

42、的输出脉冲宽度。2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章3. TTL集成单稳态触发器电路74121的功能及其应用74121是一种不可重复触发的单稳态触发器，它既可采用上升沿触发，又可采用下降沿触发，其内部还设有定时电阻Rint(约为2k)。 74121电路的功能表 74121的电路符号 外接定时元件引脚 内部电阻引脚 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章功能： （1）触发方式： 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章74121应用电路（2）定时元件接法： 输出脉冲uO的宽度：tw

43、0.7RCext外接电容Cext一般取值范围为10 pF10F，在要求不高的情况下最大值可达1000F。图图(a)：外接电阻：外接电阻R=Rext（1.440k）。）。图图(b)：用内部电阻：用内部电阻RRint (约为约为2k)。2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.3.313.3.3单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用 1. 脉冲延时单稳态触发器的主要应用是整形、定时和延时。 单稳电路的延时作用 如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳电路来实现。 uO的下降沿比的下降沿比uI的下降沿延迟了的下降沿延迟了tw的时间。的时间。 2022-4-2920

44、22-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章2.脉冲定时 单稳态触发器能够产生一定宽度tw的矩形脉冲，利用这个脉冲去控制某一电路，则可使它在tw时间内动作(或者不动作)。 脉冲定时2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章 开开关关电电路路 延时环节延时环节 13.4 13.4 多谐振荡器多谐振荡器 开关器件：产生高、低电平；开关器件：产生高、低电平； 组成组成反馈延迟环节：利用反馈延迟环节：利用RCRC电电路的充放电特性实现延时，路的充放电特性实现延时，将输出电压恰当地反馈给将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状开关器件使之改变输出状态，以获

45、得所需要的振荡态，以获得所需要的振荡频率。频率。13.4.1 13.4.1 概概 述述 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.4.1 13.4.1 门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器 1. 电路组成电路组成 1 1 vI vO1 vO C R G1 G2 开关器件：开关器件： 反馈延迟环节：反馈延迟环节：由由CMOS门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器逻辑门电路逻辑门电路R、C 电路电路2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章 2. 工作原理工作原理假定假定vO1 = 1，vO2 = 0 Vth=

46、VON=VOFF=VDD/2 vI D1 D2 TP TN vO1 R C D4 D3 TP TN vO2 G1 G2 +VDD VC 进入进入 第二暂稳态第二暂稳态 v I v O 1 v O2 t t1 t2 t t vO1 VDD 0 vI VDD Vth 0 vO2 VDD 0 (1) 第一暂稳态及第一暂稳态及电路自动翻转过程电路自动翻转过程 0 1 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章 vI D1 D2 TP TN vO1 R C D4 D3 TP TN vO2 G1 G2 +VDD VC vO1 = 0，vO2 = 1 Vth=VON=VOF

47、F=VDD/2 (2) 第二暂稳态及第二暂稳态及电路自动翻转过程电路自动翻转过程 二二 t t1 t2 t t vO1 VDD 0 vI VDD Vth 0 vO2 VDD 0 T1 T2 v I v O 1 v O 1 0 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章 3. 振荡周期振荡周期T的计算的计算 t t1 t2 t t vO1 VDD 0 vI VDD Vth 0 vO2 VDD 0 T1 T2 thDDDD1lnVVVRCT thDD2lnVVRCT ththDD221)(lnVVVVRCTTTDDTRC1n41.4RC T = T1(充充) +

48、T2(放放)( )( )(0 )( )ettvvvv (0 )( )ln( )( )vvtv tv2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章4 4、加补偿电阻的、加补偿电阻的CMOSCMOS多谐振荡器多谐振荡器 1 1 vI vO1 vO C R G1 G2 R RON(P)+RON(N)电源电压波动时，会使振荡频率不稳定电源电压波动时，会使振荡频率不稳定。RSC C分布分布（分布电容），RsR (一般取一般取 Rs=10R )。 当当 2DDthVV 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.4.3 13.4.3 石英

49、晶体振荡器石英晶体振荡器由门电路组成的多谐振荡器，周期由门电路组成的多谐振荡器，周期 T 取决于取决于R C 和和 Vth，频率稳定性较差。，频率稳定性较差。 X 0 fs fp 电感性 电容性 f 电路符号 阻抗频率特性阻抗频率特性 1 1 G1 G2 C1 R R C2 R：使反相器工作在线性放大区使反相器工作在线性放大区 C1：两个反相器间的耦合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抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出。 石英晶体振荡器石英晶体振荡器优点优点：振荡频率稳定性高，常用作基准信号源：振荡频率稳定性高，常用作基准信号源1、石英晶体振荡器电路2022-4-29

50、2022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章2 2、石英晶体振荡器应用、石英晶体振荡器应用 1 2 1 & 石 英 晶 体 振 荡 器 1J 1K VCC CP vO Q Q & C1 CPQ122022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章 1多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。 2通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，无需外触发。 3输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的谐波分量，故称作多谐振荡器。2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.4.1 13.4.1

51、对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器 1. 电路组成由两个TTL反相器经电容交叉耦合而成。通常令C1=C2=C，R1=R2=RF。为了使静态时反相器工作在转折区，具有较强的放大能力，应满足ROFFRFRON的条件。 对称式多谐振荡器 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章2.工作原理 假定接通电源后，由于某种原因使uI1有微小正跳变，则必然会引起如下的正反馈过程 ： 使uO1迅速跳变为低电平、uO2迅速跳变为高电平，电路进入第一暂稳态。此后，uO2的高电平对C1电容充电使uI2升高，电容C2放电使uI1降低。由于充电时间常数小于放电时间常数，所以充电速度较快，

52、uI2首先上升到G2的阈值电压UTH，并引起如下的正反馈过程： 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章使uO2迅速跳变为低电平、uO1迅速跳变为高电平，电路进入第二暂稳态。此后，C1放电、C2充电，C2充电使uI1上升，会引起又一次正反馈过程，电路又回到第一暂稳态。这样，周而复始，电路不停地在两个暂稳态之间振荡，输出端产生了矩形脉冲。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章对称式多谐振荡器的工作波形 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章3.主要参数 矩形脉冲的振荡周期为 T1.4

53、RFC当取RF1k、CI00 pF100 F时，则该电路的振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内变化。2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.4.2 13.4.2 环形振荡器环形振荡器 1. 最简单的环形振荡器 最简单的环形振荡器(a) 电路 (b) 工作波形利用集成门电路的传输延迟时间，将奇数个反相器首尾相连便可构成最简单的环形振荡器。该电路没有稳定状态。 如此周而复始，便产生了自激振荡。振荡周期 T=6tpd。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章2. RC环形振荡器 最简单的环形振荡器构成十分简单，但是并不实用。

54、因为集成门电路的延迟时间tpd极短，而且振荡周期不便调节。 利用电容利用电容C C的充放电，改变的充放电，改变u uI3I3的电平的电平( (因为因为R RS S很小很小, ,在分析时往往忽略它。在分析时往往忽略它。) )来控制来控制G G3 3周期性的导周期性的导通和截止，在输出端产生矩形脉冲。通和截止，在输出端产生矩形脉冲。 R RS S是限流电阻（保护是限流电阻（保护G G3 3）通常选通常选100100左右。左右。增加RC延迟环节，即可组成RC环形振荡器电路。 RC环形振荡器 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章RC环形振荡器的工作波形 电路的振

55、荡周期为 T2.2RCR不能选得太大（一般1k左右），否则电路不能正常振荡。 。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章3. CMOS反相器构成的多谐振荡器 R的选择应使G1工作在电压传输特性的转折区。此时，由于uO1即为uI2，G2也工作在电压传输特性的转折区，若uI有正向扰动，必然引起下述正反馈过程： CMOS反相器构成的多谐振荡器 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章使uO1迅速变成低电平，而uO2迅速变成高电平，电路进入第一暂稳态。此时，电容C通过R放电，然后uO2向C反向充电。随着电容C的的放电和反向充电，

56、uI不断下降，达到uIUTH时，电路又产生一次正反馈过程： 从而使uO1迅速变成高电平，uO2迅速变成低电平，电路进入第二暂稳态。此时，uO1通过R向电容C充电。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章随着电容C的不断充电，uI不断上升，当uIUTH时，电路又迅速跳变为第一暂稳态。如此周而复始，电路不停地在两个暂稳态之间转换，电路将输出矩形波。 振荡周期为 T1.4RC CMOS反相器构成多谐振荡器的工作波形 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章13.4.313.4.3石英晶体振荡器石英晶体振荡器 前面介绍的多谐振荡

57、器的一个共同特点就是振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC参数误差的影响。而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号频率不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章石英晶体的阻抗频率特性图 石英晶体具有很好的选频特性。当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率fo相同时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易通过，而其它频率的信号则被衰减掉。2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础

58、第第1313章章因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率fo，而与RC无关。石英晶体振荡器电路 在对称式多谐振荡器的基础上，串接一块石英晶体，就可以构成一个石英晶体振荡器电路。该电路将产生稳定度极高的矩形脉冲，其振荡频率由石英晶体的串联谐振频率fo决定。 2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章目前，家用电子钟几乎都采用具有石英晶体振荡器的矩形波发生器。由于它的频率稳定度很高，所以走时很准。通常选用振荡频率为32768Hz的石英晶体谐振器，因为32768215，将32768Hz经过15次二分

59、频，即可得到1Hz的时钟脉冲作为计时标准。2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章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,只需外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。发器。广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。 13.5 55513.5 555定时器及其应用定时器及其应用复位输入端复位输入端(0)RD VCC 输出缓冲反相器输出缓冲反相器基本基本RS触发器触发器集电极开路输出三极管集电极开路输出三极管 T vovIC

60、vI1vI2vo C1 C2 + - - + (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) R S & 5 k 5 k 5 k & & 1 (8) G 1 1、电路组成、电路组成13.5.1 55513.5.1 555定时器定时器电阻分压器电阻分压器电压比较器电压比较器2022-4-292022-4-29电子技术基础电子技术基础第第1313章章 0 01 10 0T vovICvI1vI2vo C1 C2 + - - + (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) R S & 5 k 5 k 5 k & & 1 RD VCC (8) G CC32VCC31V如果悬空如果悬空CC32V CC31V 0 01 10 01 10 0CC32V CC31V 1 10 01 11 10 01 1CC32V CC31V 1 11 1保持保持保持保持2 2、工作原理、工作原理2022-4-2