第8章 脉冲信号的变换与产生(第五版)

1、第8章 脉冲波形的变换与产生,学习要点： 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 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 掌握555定时器的工作原理 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,8.1 单稳态触发器,8.2 施密特触发器,8.3 多谐振荡器,退出,8.4 555定时器及其应用,第8章 脉冲波形的变换与产生,8.1 单稳态触发器,8.1.1 用CMOS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,退出,单稳态触发器在数字电路中一般用于

2、定时（产生一定宽度的矩形波）、整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。 单稳态触发器具有下列特点：,（1）电路有一个稳态和一个暂稳态，没有触发脉冲作用时，电路处于一种稳态。 （2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。 （3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，电路的暂稳态维持一段时间后，自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路中RC的参数值。,8.1.1 用CMOS门电路组成的微分型单稳态触发器,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

3、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,单稳态触发器的分类,工作特点划分,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,负脉冲触发,稳态为0,正脉冲触发,（1）没有触发信号时电路工作在稳态 当没有触发信号时，vI为低电平。因为门G2的输入端经电阻R接至VDD，vI2为高电平，因此vO为低电平；门G1的两个输入均为0，其输出vO1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： vO11，vO0,1、电路组成及工作原理,0,0,1,1,设定CMOS反相器的阈值

4、电压,（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vI到来时，门G1输出vO1由1变为0。由于电容电压不能跃变，vI2也随之跳变到低电平，使门G2的输出vO由0变为1。这个高电平反馈到门G1的输入端，此时即使vI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， vO10，vO1。,1,1,0,1,0,0,0,1,脉冲宽度：tW0.7RC,Vth,0,t1,t2,VDD+ Vth,（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，C上的电荷逐渐增多，使vI2升高。当

5、vI2上升到阈值电压Vth时，G2的输出vO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vO决定，所以G1又返回到稳定的高电平输出。vI2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vO11，vO0。,以t1作为时间起点，则有：,2、主要参数的计算,输出脉冲宽度tW的计算,恢复时间tre,恢复时间一般为(35) ， =RC,最高工作频率fmax,单稳态触发器的最高工作频率为：,电路的改进,问题2：当vI的宽度很宽时，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门G1被vI封住了，会使vO的下降沿变缓，怎么办？ 可在单稳态触发器的输入端加一个RC微

6、分电路。,问题1：在暂稳态结束瞬间，门G2的输入电压vI2达到VDD+Vth，可能会损坏CMOS门，怎么办？ 在电阻两端并上保护二极管，因此vI2的电压被钳位在VDD+0.6V。,3、讨论,问题3：电阻R、Rd的取值是任意的吗？ 由于CMOS门不存在输入电流，所以电阻R、Rd的取值任意；若采用TTL与非门构成单稳电路时，考虑到TTL门存在输入电流，电阻R要小于0.7k，Rd的数值应大于2k。 另外，为了改善输出波形，一般在电路的输出端再加一级反相器。,稳态时，ui1，G1、G2均导通。uo10，uA0，uo20。 ui负跳变到0时，G1截止，uo1随之跳变到1。由于电容电压不能跃变，uA仍为0

7、，故门G2截止，uo2跳变到1。在G1、G2截止时，C通过R和G1的导通管放电，使uA逐渐上升。当uA上升到管子的开启电压UT时，如果ui仍为低电平，G2导通，uo2变为0。当ui回到高电平后，G1导通，C又通过R和G1的导通管充电，电路恢复到稳定状态。,2、积分型单稳态触发器,不可重复触发,可重复触发,8.1.2 集成单稳态触发器,74121的输出脉冲宽度tW0.7RC,1、不可重复触发的集成单稳态触发器,74121的逻辑图,电路的连接：,R：外接电阻或采用内部电阻,C：外接电阻容,74121定时电容器、电阻器的连接,74121功能表,不可触发，保持稳态不变,A1、A2中有一个或两个为低电平

8、，在B端输入上升沿时电路被触发,B 和A1、A2、 中有一个或两个为高电平，输入端有一个或两个下降沿时电路被触发,74121的工作波形,2、可重复触发的集成单稳态触发器,MC14528的逻辑图,MC14528功能表,MC14528的工作波形,MC14528的工作波形,8.1.3 单稳态触发器的应用,定时,该电路可用作频率计,延时,噪声消除电路,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。,单稳态触发器构成多谐振荡器,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,0,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,本节小结,单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成的单稳态触发器和基本RS触发

9、器在结构上也极为相似，只有用于反馈的耦合网络不同。,在单稳态触发器中，由一个暂稳态过渡到稳态，其“触发”信号也是由电路内部电容充（放）电提供的，暂稳态的持续时间即脉冲宽度也由电路的阻容元件决定。,单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途很广。,8.2 施密特触发器,8.2.1 由门电路构成的施密特触发器,8.2.2 集成施密特触发器,8.2.3 施密特触发器的应用,退出,8.2.1 由门电路构成的施密特触发器,1、施密特触发器电压传输特性及工作特点：, 施密特触发器属于电平触发器件，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。, 电路有两个阈值电压

10、。 输入信号增加和减少时，电路的阈值电压分别是正向阈值电压（VT+）和负阈值电压（VT-） 。,同相输出施密特触发器,反相输出施密特触发器,0,1,0,0,1,0,0,0,1,0,1,回差电压（滞后电压）： VT VTVT,前面介绍的施密特触发器的回差电压为： VTVTVT (1+R1/R2) Vth (1R1/R2) Vth (2R1/R2)Vth 它与R1/R2成正比，改变R1/R2就可以调整回差电压的大小。,负向阈值电压,正向阈值电压,8.2.2 集成施密特触发器,施密特触发器,整形级,输出缓冲级,1,0,0,1,导通,截止,截止,导通,vs5= vO VTN = VDD VTN,1,V

11、TN,0,1,导通,导通,截止,截止,vs5= vO VTN = VDD VTN,导通,0,vIvs5VTN,1,0,趋于截止 内阻增大,导通,导通,vs5= vO VTN降低,vO降低,截止,导通,截止,0,截止,导通,截止,vs2= vO VTP = 0 VTP,导通,1,0,1,负向阈值电压,正向阈值电压,8.2.3 施密特触发器的应用,波形的变换,波形的整形,合理选择回差电压，可消除干扰信号。,消除干扰信号,幅度鉴别,本节小结,施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。 施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应

12、用很广。,8.3 多谐振荡器,8.3.1 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,退出,8.3.1 门电路组成的多谐振荡器,能产生一定频率的矩形脉冲波或方波的自激振荡电路叫做多谐振荡器。,多谐振荡器的结构特点,可以是逻辑门、电压比较器、定时器等。其作用是产生高、低电平。,一般为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，以获得所脉冲波形输出。,1、CMOS多谐振荡器,t1,t3,t2,振荡周期的计算,T1的计算 以t1作为时间起点，则有：,T2的计算 以t2作为时间起点，则有：,

13、则T为：,加补偿电阻的CMOS多谐振荡器,由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期T取决于R、C电路和 VTH，频率稳定性较差。 解决办法：加补偿电阻RS,8.3.2 用施密特触发器构成波形产生电路,0,1,VT+,8.3.3 石英晶体振荡器,两个电阻R的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对TTL反相器，常取R0.72k，而对于CMOS门，则常取R10100M；C1是耦合电容，用于两个反相器间的耦合； C2用来抑制高次谐波，保证输出频率的稳定，常取2RC2 fs1。石英晶体构成选频环节。,振荡频率等于石英晶体的谐振频率fs,双相时钟发生器,石英晶体振荡器,秒信号发生器,石英晶体 振荡

14、器,分频器,本节小结,多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。,多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由555定时器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本RS触发器在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。RS触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以又称为无稳电路。 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。,8.4 555定时器及其应用,8.4.1 555定时器,8.4.2 用555定时器组成的施密特触发器,退出,8.4.3 用555定

15、时器组成的单稳态触发器,8.4.4 用555定时器组成的多谐振荡器,8.4.1 555定时器,为数字模拟混合集成电路。 可产生精确的时间延迟和振荡，内部有3个5k的电阻分压器，故称555。 在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。,电阻 分压器,电压比较器,基本SR锁存器,输出缓冲反相器,集电极开路输出三极管,触发 输入端,阈值 输入端,电压 控制端,复位端 低电平有效,放电端,2VCC/3,VCC/3,vIC,vI1,vI2,vO,RD,0,1,1,饱和导通,0,2VCC/3,VCC/3,1,0,1,0,1,0,0,截止,1,2VCC/3,VCC/3,2V

16、CC/3,VCC/3,0,0,0,1,1,1,1,1,饱和导通,1,2VCC/3,VCC/3,2VCC/3,VCC/3,1,1,状态不变,1,2VCC/3,VCC/3,状态不变,8.4.2 用555定时器组成的施密特触发器,8.4.3 用555定时器组成的单稳态触发器,接通VCC后瞬间，VCC通过R对C充电，当vC上升到2VCC/3时，比较器C1输出为0，将基本SR锁存器置0，vO0。这时放电管T导通，C通过T放电，电路进入稳态。 vI到来时，因为vIVCC/3，使C20，基本SR锁存器置1， vO又由0变为1，电路进入暂稳态。由于此时放电管T截止，VCC经R对C充电。虽然此时触发脉冲已消失，

17、比较器C2的输出变为1，但充电继续进行，直到vC上升到2VCC/3时，比较器C1输出为0，将基本SR锁存器置0，电路输出vO0，T导通，C放电，电路恢复到稳定状态。,tW=RC1n31.1RC,脉冲宽度调制器,由555定时器构成的 可重复触发单稳态触发器,接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当vC上升到2VCC/3时，vO=0，T导通，C通过R2和T放电， vC下降。当vC下降到VCC/3时，vO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vO产生了连续的矩形脉冲。,8.4.3 用555定时器组成的多谐振荡器,第二个暂稳态的脉冲宽度tpH，即vC从VCC/3充电上升到2VCC/3所需的时间：,第一个暂稳态的脉冲宽度tpL，即vC从2VCC/3放电下降到VCC/3所需的时间：,tpH0.7(R1+R2)C,tpL0.7R2C,模拟声响电路,将振荡器的输出电压vO1，接到振荡器中555定时器的复位端（4脚），当vO1为高电平时振荡器振荡，为低电平时555定时器复位，振荡器停止震荡。,占空比可调的方波发生器,本章小结,多谐振