数字电路 第八章 脉冲波形的产生与变换

8.1单稳态触发器8.2施密特触发器8.3多谐振荡器8.4555定时器及其应用第8章脉冲波形的变换与产生New！4、掌握由555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算。1、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。2、掌握多谐、单稳、施密特触发器MSI器件的逻辑功能及主要指标计算。3、掌握555定时器的工作原理。教学基本要求8.1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8.1.2集成单稳态触发器8.1.3单稳态触发器的应用①没有触发脉冲作用时电路处于一种稳定状态。单稳态触发器的工作特点：②在触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。暂稳态是一种不能长久保持的状态③由于电路中RC延时环节的作用，暂稳态不能长保持,经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间决定于电路中的RC参数值。8.1单稳态触发器

门电路组成的单稳态触发器MSI集成单稳态触发器不可重复触发单稳态触发器可重复触发单稳态触发器用555定时器组成的单稳态触发器按电路形式不同划分单稳态触发器的分类按工作特点划分单稳态触发器的这些特点被广泛地应用于脉冲波形的变换与延时中。8.1.1用CMOS门电路组成的微分型单稳态触发器1.电路组成及工作原理CMOS与非门构成的微分型单稳态触发器CMOS或非门构成的微分型单稳态触发器

稳态为1正脉冲触发稳态为0负脉冲触发单稳态触发器(CMOS或非门)的工作原理①没有触发信号时，vI为低电平，门G2的输入端经电阻R接至VDD,因此vO为低电平；G1的两个输入均为0，故输出vO1为高电平，电容两端电压接近0V，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；vO1=VOH,vO=VOL.②外加触发信号时，电路由稳态翻转到暂稳态。vI正跳变时，门G1的输出vO1由高变为低，经电容耦合使vI2为低电平，于是G2的输出vO变为高电平，vO的高电平接至G1门的输入端，从而在此瞬间导致如下正反馈过程。暂稳态时vO1=VOL,

vO=VOH.vIvO1vI2vO③电容充电，电路由暂稳态自动返回至稳态。vI2vOvO1C充电电路返回到稳态后，vO1=VOH,vO=VOL暂稳态结束后，电容通过电阻R放电，使C上的电压恢复到稳定状态时的初始值。vO1vI&+-G1G2vOvCvI21

Cd

RdvdD

C

RvO1vI≥1+-G1G2vOvCvI21

Cd

RdvdD

C

RVDD电路处于一种稳态：00110a)没有触发信号时，vI=0设定CMOS反相器的阈值电压工作原理：vO1vI≥1+-VDDG1G2vOvCvI21

Cd

RdvdD

C

Rb)外加触发信号vd

vd

=VTH产生如下正反馈过程：迅速使vo1

=

0vo=1vIvO1vI2vO11001电路进入暂稳态→电源VDD通过R、C及G1门输出端对电容充电vIt0vO1t0vI2t0vOt0VDDVDDVDD+VTHt1t2VthtWtpivdt0VTHvI2c)电容充电vI2当vI2=VTH时，产生如下正反馈过程：vI2vOvO1C充电00110，电路由暂稳态自动返回到稳态电容放电vO

=0vo=0vc

=0vO1

=12.主要参数的计算将触发器作用的起始时刻t1作为时间起点当t=tW时，vI2（tW)=VTH代入上式可得当VTH=VDD/2,则

tW≈0.7RC（1）输出脉冲宽度tW（2）恢复时间tre（电容放电）:一般时间为3τ时认为放电过程已基本结束，故tre约为3τ（3）最高工作频率fmax:设触发信号vI的时间间隔为T，为了使单稳态能正常工作，应满足T＞tw+tre的条件，故Tmin=tw+tre。因此，单稳态触发器的最高工作频率为讨论在p391vIt0vO1t0vI2t0vOt0VDDVDDVDD+VTHt1t2VthtWtpivdt0VTH3.讨论vO1vI≥1+-VDDG1G2vO2vCVD1

Cd

RdvdD

C

RG31vO1b)用TTL门电阻R的取值可以是任意的吗？a)在暂稳态结束(t=t2)瞬间，门G2的输入电

压vI2达到VDD+VTH，可能损坏G2门，怎么办？采用TTL与非门构成单稳电路时，电阻R要小0.7k。8.1.2集成单稳态触发器（1）不可重复触发的单稳态触发器

（2）可重复触发的单稳态触发器tWtWvIvOtWtWvIvOt△不可重复触发的单稳态触发器，在进入暂稳态期间，如果有触发脉冲的作用,电路的工作过程不受其影响，只有当电路的暂稳态结束后，输入触发脉冲才会影响电路状态。（此图为上升沿触发的单稳态触发器）可重复触发的单稳态触发器在暂稳态期间，如果有触发脉冲作用,电路会重新被触发，使暂稳态继续延迟一个t△时间，直至触发脉冲的时间间隔超过单稳输出脉宽，电路才返回稳态。（此图为下降沿触发的单稳态触发器）单稳态触发器111&1&&&&≥1G1G6G5G4G3G2G9G8G7QQA1A2BRext/CextRextRintRextCext触发信号控制电路微分型单稳态触发器输出缓冲电路91011a1.不可重复触发的集成单稳态触发器:74121(按书P392)

将具有迟滞特性的非门G6与G5门合起来看成一个与或非门，它与G7门及外接电阻Rext=2～

30KΩ(或Rint=2KΩ)、电容Cext即组成微分型单稳态触发器，工作情况与上节介绍的微分型单稳态触发器基本相同，电路有一个稳态Q=0。一个暂稳态Q=1。（1）电路连接p392（2）工作原理A1L××HH↓↓L×A2×L×H↓H↓×LBHHL×HHH↑↑QLLLLQHHHH输入输出VCCNCNCRext/CextCextRintNC7645312141312111098QNCA1A2BQGND（3）逻辑功能①当A1、A2两个输入中有一个或两个为低电平时，B产生由0到1的正跳变时。②当B为高电平，A1、A2中有一个或两个产生由1到0的负跳变时。2.可重复触发的单稳态触发器p394（4）工作波形（见p395）8.1.3单稳态触发器应用

1.定时2.延时与门单稳态触发器tttttW

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

3.噪声消除电路CextRext/CextA1A2B74121CRVCCCIQ1DRvOvIQ暂稳态维持时间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。vOvIQ有用的信号一般都有一定的脉冲宽度，而噪声多表现为尖顶脉冲形式。合理地选择R、C的值，使单稳态电路的输出脉宽大于噪声宽度而小于信号的脉宽，即可消除噪声。有用信号噪声vIvOVOHVOLVT-VT+O施密特触发器不同于以前的各类触发器（双稳、单稳），它具有下述特点：①施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入电压达到某一定值时，输出电压会发生跳变。②在输入信号增加和减少时，施密特触发器有不同的阈值电压，正向阈值电压VT+和负向阈值电压VT-。正向阈值电压与负向阈值电压之差，称为回差电压，用△VT表示（△VT=VT+-VT-）它具有下图所示的传输特性。8.2.1用门电路组成的施密特触发器1vIvO符号假定电路中，CMOS反相器的阈值电压VTH≈VDD/2,R1<R2且输入信号vI为三角波，下面分析其工作过程。当vI=0V时，G1门截止，G2门导通，输出端，vO=0V。此时，vI1≈0V。输入从0V电压逐渐增加，只要vI1<VTH,则电路保持vO=0V不变。当vI上升使得vI1=VTH时，使电路产生如下正反馈过程，vI1vO1vO这样，电路的状态很快转换为v0≈VDD，此时vI的值即为施密特触发器在输入信号正向增加时的阈值电压，称为正向阈值电压，用VT+表示当vI1>VTH时，电路状态维持v0=VDD不变VT-VT+vItOVDDvOtOvIvOVDDVT-VT+OvIvOVDDVT-VT+O1vIvO符号vIvOVOHVOLVT-VT+O1vIvO符号反相输出施密特触发器同相输出施密特触发器1.电路组成2.工作原理8.2.1用门电路组成的施密特触发器8.2.2集成施密特触发器8.2.3施密特触发器的应用8.2施密特触发器1G11G2R1R2vIvI1vO1vO

vI继续上升至最大值后开始下降，当vI1=VTH时，电路产生如下正反馈过程vI1vO1vO这样电路又迅速转换为v0≈0V(低电平近似为0V)的状态，此时的输入电平为vI减小时的阈值电压，称为负向阈值电压，用VT-表示。将VDD=2VTH代入可得VT-VT+vItOVDDvOtOvIvOVDDVT-VT+O只要满足vI<VT-,施密特电路就稳定在v0≈0V的状态回差电压为：回差电压与R1/R2成正比1vIvO符号同相输出施密特触发器1G11G2R1R2vIvI1vO1vO3.工作波形及电压传输特性VT-VT+vItOVOHvOtOvO1tOVOLVOHVOLvIvOVOHVTVDDOVOLvIvO1VOHVTVDDO1G11G2R1R2vIvI1vO1vO例8.2.1在下图所示电路中，电源电压VDD=10V,G1、G2选用CC4069反相器，其负载电流最大允许值IOH(max)=1.3mA，门的阈值电压VTH≈VDD/2=5V，且R1/R2=0.5。（1）施密特触发器的VT+、VT-和△VT。（2）试选择R1、R2的值。解（1）求VT+、VT-和△VT（2）选择R1、R2的值为保证反相器G2输出高电平的负载电流不超过最大允许值IOH(max)，应使1G11G2R1R2vIvI1vO1vO8.2.2集成施密特触发器（CC40106）p404

P沟道MOS管的开启电压为VTP;N沟道MOS管的开启电压为VTN。8.2.3施密特触发器的应用vT+vT-1.波形变换2.波形的整形与抗干扰vIvOVOHVOLVT-VT+O1vIvO符号反相输出施密特触发器vIvOVOHVOLVT-VT+O1vIvO符号反相输出施密特触发器合理选择回差电压，可消除干扰信号。vIvOVDDVT-VT+O1vIvO符号同相输出施密特触发器3.幅度鉴别vIvOVDDVT-VT+O1vIvO符号同相输出施密特触发器8.3多谐振荡器8.3.1用门电路组成的多谐振荡器8.3.2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8.3多谐振荡器

开关电路

RC延时环节多谐振荡器的基本组成：（1）开关器件：产生高、低电平（2）反馈延迟环节（RC电路）：利用RC电路的充、放电特性实现延时，输出电压经延时后,反馈到开关器件输入端，改变电路的输出状态,以获得所需的脉冲波形。概述：多谐振荡器是一种自激振荡器，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲波或方波。由于多谐振荡器在工作过程中不存在稳定状态，故又称无稳态电路。8.3.1用门电路组成的多谐振荡器D1D2D3D4TPTPTNTNVDDG1G2RvIvo1voC充电放电1.电路的组成及工作原理p408VDD+△V+vIvTH-△V+voVDDT1T2t1t2tt第一暂稳态第二暂稳态△V+:二极管的正向导通压降；2.振荡周期的计算（1）T1的计算：对应于第一暂稳态，设t1作为时间起点，T1=t2-t1,vI(0+)=-△V+≈0V,vI(∞)=VDD,τ=RC。根据RC电路瞬态响应的分析，有（2）T2的计算：对应于第二暂稳态，设t2作为时间起点，vI(0+)=VDD+△V+≈VDD,vI(∞)=0,τ=RC。有所以将VTH=VDD/2代入，上式变为T=RCln4≈1.4RCp410讲解(图8.3.3)VDD+△V+vIvTH-△V+voVDDT1T2t1t2tt第一暂稳态第二暂稳态△V+:二极管的正向导通压降；vovIVT+VT_VOLVOHT1T20t0t8.3.2用施密特触发器构成波形产生电路1vCvOCR对应于第一暂稳态，设t1作为时间起点，T1=t2-t1,vI(0+)=VT-,vI(∞)=VDD,vI(T1)=VT+,

τ=RC；T2的计算：对应于第二暂稳态，设t2作为时间起点，vI(0+)=VT+,vI(T2)=VT-,

vI(∞)=0,τ=RC。根据RC电路瞬态响应的分析，有例8.3.1p4128.3.3石英晶体振荡器1、石英晶体电路符号和选频特性电路符号

阻特性fXf0电感性电容性电容性当f≈

fs时,电抗X≈02、石英晶体振荡器R:使反相器工作在线性区;C1:耦合电容。C2:抑制高次谐波;R的作用是使反相器工作在线性放大区；C1用作级间耦合；C2抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出。电容C2的选择应使2πRC2fs≈1,从而使RC2并联网络在fs处产生极点，以减少谐振信号损失。C1的选择应使C1在频率fs时的容抗可以忽略不计。3、双相脉冲产生电路111＆＆1J1KCI1AQQФ1Ф2AQФ1Ф2上图石英晶体振荡器电路的振荡频率仅取决于石英晶体的（串联）谐振频率fs,而与电路中的R、C的数值无关。这是因为电路对fs频率所形成正反馈最强而易于维持振荡。

为了改善输出波形，增强带负载的能力通常在振荡器的输出端再加一级反相器。vo++--﹠﹠﹠1（8）+VCCRDvICvI1vI2vo’RSC1C2TQ5KΩ5KΩ5KΩ（复位）（4）（3）（5）（6）（2）（7）（1）G8.4555定时器及应用8.4.1555定时器触发输入低电平触发阈值输入高电平触发电压控制端放电端电源TTL:5～16V,200mA;CMOS:3～18V,4mA复位端低电平有效输出端接地端电路由分压器、电压比较器C1和C2、简单SR锁存器、放电三极管T以及缓冲器G组成。1.电路结构：②RD=1、vI1＞2VCC/3、vI2＞VCC/3时，R=0、S=1，vo=0，T饱和导通。＞2VCC/3＞VCC/3①RD=0时，vo=0，T导通。vo++--﹠﹠﹠1（8）+VCCRDvICvI1vI2vo’RSC1C2TQ5KΩ5KΩ5KΩ（复位）（4）（3）（5）（6）（2）（7）（1）＜2VCC/3＞VCC/3③RD=1、vI1＜2VCC/3、vI2＞VCC/3时，R=1、S=1，vo不变，T状态不变。①RD=0时,vo=0，T导通。②RD=1、vI1＞2VCC/3、vI2＞VCC/3时，R=0、S=1，=0，T饱和导通。vo++--﹠﹠﹠1（8）+VCCRDvICvI1vI2vo’RSC1C2TQ5KΩ5KΩ5KΩ（复位）（4）（3）（5）（6）（2）（7）（1）＜2VCC/3＜VCC/3④RD=1、vI1＜2VCC/3、vI2＜VCC/3时，R=1、S=0，vo=1，T截止。③RD=1、vI1＜2VCC/3、vI2＞VCC/3时，R=1、S=1，vo不变，T状态不变。②RD=1、vI1＞2VCC/3、vI2＞VCC/3时，R=0、S=1，vo=0，T饱和导通。①RD=0时，vo=0，T导通。vo++--﹠﹠﹠1（8）+VCCRDvICvI1vI2vo’RSC1C2TQ5KΩ5KΩ5KΩ（复位）（4）（3）（5）（6）（2）（7）（1）

<2VCC/3<VCC/311截止>2VCC/3>VCC/310导通<2VCC/3>VCC/31不变不变

vI1

vI2RD

vOT

×

×00导通2.电路功能8.4.2用555定时器组成施密特触发器如何改变电路的阈值电压和回差电压?vo++--﹠﹠﹠1（8）+VCCRDvICvI1vI2vo’RSC1C2TQ5KΩ5KΩ5KΩ（复位）（4）（3）（5）（6）（2）（7）（1）vIVCC

84

555

62

vI

vO

0.01mF7351

<2VCC/3<VCC/311截止>2VCC/3>VCC/310导通<2VCC/3>VCC/31不变不变

vI1

vI2RD

vOT

×

×00导通vIvOVOHVOLVCC/3O2VCC/38.4.3用555定时器组成单稳态触发器1、电路

VCC

vI

R

vO

0.01mF

C

vC

84

555

7

6

2

3

5

1

②外加触发信号，电路转换到暂态，输出为1。③触发信号消除后，电容充电电路自动转换到稳态输出为0。①没有触发信号时(υI)电路处于稳态，输出为0。

13VCCVCCvo++--﹠﹠﹠1（8）+VCCRDvICvI1vI2vo’RSC1C2TQ5KΩ5KΩ5KΩ（复位）（4）（3）（5）（6）（2）（7）（1）vIC0.01μF上次课tw=RC1n3≈1.1RC

④工作波形及输出脉宽的计算电路是可重复触发的单稳?不可重复触发如将5脚接电压VIC,电路的脉宽会改变吗?（会改变）；VIC增加,脉宽如何改变?（变宽）；VIC减小，脉宽如何改变?（变窄）。

①脉冲宽度调制器工作波形2.555组成的单稳态的应用:当控制电压vIC升高时，电路的阈值电压升高，输出的脉冲宽度随之增加；当控制电压vIC升高降低时，电路的阈值电压也降低，输出的脉冲宽度也随之减小。②用555定时器组成的可重复触发的单稳态触发器当输入负向脉冲vI后，三极管T导通，电容C很快放电，即vI2=0、vI1≈0电路进入暂稳态，

vo=1；

555内部放电管截止，此时vI触发脉冲消失，外部三极管T也截止，电源VCC通过电位器对电容C充电，如果在电容上的电压没有到达2VCC/3时，又有新的负向脉冲vI到达，三极管T导通，电容C很快放电，即单稳态触发器又被重新触发，故为可重复触发单稳态触发器。8.4.4用555定时器组成多谐振荡器1、电路组成R1R2VCCvo++--﹠﹠﹠1（8）+VCCRDvICvI1vI2vo’RSC1C2TQ5KΩ5KΩ5KΩ（复位）（4）（3）（5）（6）（2）（7）（1）C0.01μFR1R21）电路第一暂稳态，输出为1，放电管截止。此时电容充电，当

vC>2VCC/3时，电路转换到第二暂稳态,输出为0，放电管导通。2、工作原理2）电路第二暂稳态，输出为0，放电管导通。此时电容放电，当

vC<VCC/3时，电路转换到第一暂稳态，输出为1，放电管截止。3、工作波形与振荡频率计算tPL=R2C1n2≈0.7R2C

tpH=(R1+R2)C1n2≈0.7(R1+R2)C

4、用555定时器组成占空比可的调多谐振荡器tPL=RBC1n2≈0.7RBC

tpH=RAC1n2≈0.7RAC

结束flash脉冲的概念矩形脉冲的主要特征多谐振荡器施密特触发器

施密特触发器的应用①波形变换电路的频率可变?占空比可变?如何改变占空比?回差电压减小,占空比如何变化?VCC

VCC184

555

6

2

vI

R

vO2

vO1

VIC

0.01mF7

3

5

1

vIvO1VOHVOLVT_OVT+②波形产生电路(多谐振荡器)VCC

84

555

6

2

R

0.01mF

7

3

5

1

C

1vCvOCRvovIVT+VT_VOLVOHT1T20t0tCvovIR18.4.2、用555定时器组成施密特触发器（1）当vI

=0时，R=1、S=0，触发器置1，即Q=1，v01=v

0=1。vI升高时，在未达到2VCC/3以前，v

01=v

0=1的状态不会改变。（1）当vI

=0时，R=1、S=0，触发器置1，即Q=1，v01=v

0=1。vI

升高时，在未达到2VCC/3以前，v

01=v

0=1的状态不会改变。（2）当vI

升高到2VCC/3时，比较器C1输出跳变为0、C2输出为1，触发器置0，即跳变为Q=0，v

01、v

0也随之跳变为0。此后vI继续上升到最大值，然后再降低，但未到达VCC/3

以前v01=0v0=0的状态不会改变。（3）当vI

下降到VCC/3时，比较器C1输出跳变为1、C2输出为0，触发器置1，即跳变为Q=1，v

01、v

0也随之跳变为1。此后vI继续下降到0，但v01=1v0=1的状态不会改变。（1）当vI

=0时，R=1、S=0，触发器置1，即Q=1，v01=v

0=1。vI

升高时，在未达到2VCC/3以前，v

01=v

0=1的状态不会改变。（2）当vI

升高到2VCC/3时，比较器C1输出跳变为0、C2输出为1，