數(shù)字電子線路基礎(chǔ)：第八章 脈沖波形的變換與產(chǎn)生

1、8.1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器8.2 施密特觸發(fā)器8.3 多器諧振蕩8.4 555定時(shí)器及其應(yīng)用8 脈沖波形的變換與產(chǎn)生4、掌握由555定時(shí)器組成的多諧、單穩(wěn)、施密特觸發(fā)器的電路、工作原理及外接參數(shù)及電路指標(biāo)的計(jì)算。1、正確理解多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器的電路組成及工作原理。2、掌握多諧、單穩(wěn)、施密特觸發(fā)器MSI器件的邏輯功能及主要指標(biāo)計(jì)算。3、掌握555定時(shí)器的工作原理。教學(xué)基本要求8.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器8.1.1 用門電路組成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器8.1.2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器8.1.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用 電路在沒有觸發(fā)信號(hào)作用時(shí)處于一種穩(wěn)定狀態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特點(diǎn)： 在外來觸發(fā)信號(hào)作用下

2、，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài); 由于電路中RC延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，暫穩(wěn)態(tài)不能長保持,經(jīng)過一段時(shí)間后，電路會(huì)自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間僅取與RC參數(shù)值有關(guān)。8.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MSI集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器按電路形式不同單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的分類工作特點(diǎn)劃分8.1.1 用CMOS門電路組成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1. 電路CMOS與非門與非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 CMOS或非門或非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 穩(wěn)態(tài)為1正脈沖觸發(fā)正脈沖觸發(fā)穩(wěn)態(tài)為0負(fù)脈沖觸發(fā)負(fù)脈沖觸發(fā) R vO G2 & C D vI2 vC 1

3、Rd vI Cd G1 vd vO1 1 vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 1 Rd Cd vd 電路處于一種穩(wěn)態(tài)： 1 vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 1 Rd Cd vd 00110o =0 c =0a)沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，I=0設(shè)定CMOS反相器的閾值電壓2THDDVV 工作原理：b)外加觸發(fā)信號(hào)dd =VTH產(chǎn)生如下正反饋過程： vO vI vO1 vI2 迅速使 o1 = 0 o =1 vI 0 t vd 0 t vO1 vO vI2 0 t t t 0 VTH VDD t1 t2 0 電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài) 電容充電I210 1

4、 vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 1 Rd Cd vd c)電容充電,電路由暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài) 1 vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 1 Rd Cd vd 01I2I2 =VTH產(chǎn)生如下正反饋過程： vI2 vO vO1 迅速使 o1 = 1 o =0電容放電c =0vo2vO1vR vI 0 t vd 0 t vO1 vO vI2 0 t t t 0 VTH VDD t1 t2 0 tw tw0.7RC （1） 輸出脈沖寬度tw(2) 恢復(fù)時(shí)間tre tre 35d (3) 最高工作頻率 fmax 3、 主要參數(shù)的計(jì)算 vO

5、1 vI vO 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. 討論b)用TTL門電阻R的取值可以是任意的嗎？a)在暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束(t= t2)瞬間，門G2的輸入電壓I2達(dá)到VDD+VTH，可能損壞G2門，怎么辦？采用TTL與非門構(gòu)成單穩(wěn)電路時(shí)，電阻R要小于0.7k。 vO1 G1 1 1 G2 C vI R VDD vO Cd Rd v

6、O 1 G3 VD 8.1.2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(a)vOvItwtw(b)vOvItwtw不可重復(fù)觸發(fā)可重復(fù)觸發(fā)被重復(fù)觸發(fā)沒有被重復(fù)觸發(fā) 1. 不可重復(fù)觸發(fā)的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74121觸發(fā)信號(hào)控制電路微分型單穩(wěn)觸發(fā)器電路的連接：R：外接電阻或采用內(nèi)部電阻C：外接電阻容 B A1 A2 G1 & G2 & G3 & G4 & a G5 & 1 G6 & Cext Rext Rext/Cext Rint Rint G7 1 G8 1 G9 1 Q Q 觸發(fā)信號(hào)控制電路觸發(fā)信號(hào)控制電路 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 輸出緩沖電路輸出緩沖電路 (a) 邏輯圖 輸出脈沖寬度： tw0.7RC

7、 電路的不可重復(fù)觸發(fā)特性 (1)工作原理在暫穩(wěn)態(tài)期間即使有觸發(fā)信號(hào)輸入,但由于G4門在此期間關(guān)閉，不會(huì)被再次觸發(fā)，電路屬于不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài): Q=1 Q=0 B A1 A2 G1 & G2 & G3 & G4 & a G5 & 1 G6 & Cext Rext Rext/Cext Rint Rint G7 1 G8 1 G9 1 Q Q 觸觸發(fā)發(fā)信信號(hào)號(hào)控控制制電電路路 微微分分型型單單穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)觸觸發(fā)發(fā)器器 輸輸出出緩緩沖沖電電路路 (a) 邏輯圖 100074121功能表 HHQA1A2BQLHLLHLLLHHHLHHHHHHLL邏輯功能表不可觸發(fā)，保持穩(wěn)態(tài)不變A1、A2中有一

8、個(gè)或兩個(gè)為低電平，在B端輸入上升沿時(shí)電路被觸發(fā)B 和A1、A2、 中有一個(gè)或兩個(gè)為高電平，輸入端有一個(gè)或兩個(gè)下降沿時(shí)電路被觸發(fā)8.1.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用1. 定時(shí) 該電路可用于頻率計(jì) vO 與與門門 vA vB tW 單穩(wěn)單穩(wěn)態(tài)態(tài) 觸發(fā)觸發(fā)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 t tw2 tw2

9、 vO 0 2. 延時(shí)4. 組成噪聲消除電路 單穩(wěn)觸發(fā)器的輸出脈寬應(yīng)大于大于噪聲寬度而小于小于信號(hào)脈寬，才可消除噪聲。 如用I作為下降沿下降沿觸發(fā)的計(jì)數(shù)器觸發(fā)脈沖,干擾加入,就會(huì)造成計(jì)數(shù)錯(cuò)誤. vI Q vO 噪聲噪聲 C R VCC Cext Rext/Cext 7412A1 A2 B vI Q 1D C1 R Q vO 8.2 施密特觸發(fā)器8.2.1 用門電路組成的施密特觸發(fā)器8.2.2 集成施密特觸發(fā)器8.2.3 施密特觸發(fā)器的應(yīng)用 8.2 施密特觸發(fā)器1、施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性及工作特點(diǎn)： 施密特觸發(fā)器屬于電平電平觸發(fā)器件，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到某一定電壓值時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生突變。 電路有兩

10、個(gè)閾值電壓。 輸入信號(hào)增加和減少時(shí)，電路的閾值電壓分別是正向閾值電壓正向閾值電壓（VT+）和負(fù)閾值電壓負(fù)閾值電壓（VT-） 。同相同相輸出施密特觸發(fā)器反相反相輸出施密特觸發(fā)器 1 vI vO 1 vI vO O vI vo VT VT+ VOH VOL oVT+ vO VOH VOL VT- vI 1、電路組成2、工作原理 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 I18.2.1 用門電路組成的施密特觸發(fā)器O11I212I1vRRRvRRRv2 R1 R2I為三角波 假定： 2THDDVV 108 6 4 2 0 vI/V 2 4 6 8 10 VOH VDD vO/V B 1 1

11、G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI1O211I2121I RRRRRR00 1(1) I上升當(dāng)vI1=0， = 0VvO正向閾值電壓 (VT+): I 值在增加過程中，使輸出電壓產(chǎn)生跳變時(shí)所對應(yīng)I 的值。只要 I1 VTH，I1 (4)當(dāng)I下降, 也下降則保持 =VOHo當(dāng) =VTH，電路產(chǎn)生如下正反饋 ： I1 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI1 1 vovI 傳特性曲線傳特性曲線 工作波形工作波形 vI VT VT O vO VDD O t t vO VDD O VT VT vI 8.2.2 集成施密特觸發(fā)器 vI vO vO， VDD TP1 TP2

12、 TP3 TN5 TN4 TN6 vS2 vS5 TP7 TN8 TP9 TN10 TN12 TP11 VDD 施施密密特特電電路路 整整形形電電路路 輸輸出出電電路路 1 vI vO 8.2.3 施密特觸發(fā)器的應(yīng)用 o vI vO1 VOH VOL VT+VT_ vO VOH VOL 0 t tWo vI t vT+vT- 1 vI vO 1. 波形變換 vI VT+ VT 0 t vO VOH VOL 0 t (b) vO vI 1 2. 波形的整形 vO vI 1 vI VT+ VT 0 t vO VOH VOL 0 t (a) 1 vovI o VT+ vO VOH VOL VT- 合

13、理選擇回差電壓，可消除干擾信號(hào)。 vI O vO O vO O VT2 VT1 t t t 3.消除干擾信號(hào) VT- vI 0 VT+ 0 t vO VO H VO L 0 1 oI4. 幅度鑒別 o VT+ vO VOH VOL VT- - vI 8.3 多諧振蕩器8.3.1 由門電路組成的多諧振蕩器8.3.2 由門電路組成的多諧振蕩器8.3.3 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成波形產(chǎn)生電路 開關(guān)電路 RC延時(shí)環(huán)節(jié)多諧振蕩器的基本組成：開關(guān)器件：產(chǎn)生高、低電平產(chǎn)生高、低電平反饋延遲環(huán)節(jié)（ RC電路）：利用RC電路的充放電特性充放電特性實(shí)現(xiàn)延時(shí)，輸出電壓經(jīng)延時(shí)后,反饋反饋到開關(guān)器件輸入端輸入端，改變電路的輸

14、出狀態(tài),以獲得所脈沖波形輸出。概述8.3 多諧振蕩器8.3.1 由CMOS門電路組成的多諧振蕩器 1. 電路組成 vID1 D2 TP TN vO1 R C D4 D3 TP TN vOG1 G2 +VDD VC 1 1 vI vO1 vO C R G1 G2 組成的多諧振蕩器.o1 =1, o =0 時(shí),電容充電, I增加;o1 =0, o =1 時(shí),電容放電, I下降;o1與o2反相,電容接在o與I之間: 2. 工作原理DDTH0O 2NFFVVVV假定 電路初態(tài)：=1vO1=0vOvC= 0V電容充電vCvIvI當(dāng)=VTH 時(shí)，迅速使G1導(dǎo)通、 G2截止電路進(jìn)入第二暫態(tài)vO2=1vO1=

15、0=0vO 1=1vO（1）第一暫穩(wěn)態(tài)（初態(tài)）電容充電，電路自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到第二暫穩(wěn)態(tài)vIvO1vO G1 G2 VDD TP D3 TP D1 充充 電電 vI D2 TN TN vO1 vO2 D4 R C vIVDDVTH0ttvOVDD0（2）第二暫穩(wěn)態(tài)電容放電，電路自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)電容放電vCvIvI當(dāng)=VTH 時(shí)，迅速使得G1截止、G2導(dǎo)通電路返回第一暫穩(wěn)態(tài)O2=0 O1=12. 工作原理vIvO1vO G1 G2 VDD TP D3 TP D1 放放電電 vI D2 TN TN vO1 vO2 D4 R C vI VTH O VDD V V t vO2 VDD O T1 T2 t1

16、 t2 第第一一 暫暫穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài) 第第二二 暫暫穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài) t TRC1n41.4RC 由門電路組成的多諧振蕩器的振蕩周期T取決于R、C電路和 VTH，頻率穩(wěn)定性較差。 3. 振蕩周期的計(jì)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 暫暫穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài) 第第二二 暫暫穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài) t vovIVT+VT_VO

17、LVOHT1T20t0t12DDTT+DDTTDDTT+DDTT-lnln()lnTTTVVVRCRCRVVVVVCVVVV CvovIR18.3.2 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成波形產(chǎn)生電路8.3.3 石英晶體振蕩器1、石英晶體電路符號(hào)和選頻特性電路符號(hào) 阻特性 fXf0電感性電容性電容性當(dāng) f = f0 時(shí),電抗 X = 02、石英晶體振蕩器R: 使G1工作在線性區(qū)C1 : 耦合電容C2 : 抑制高次諧波 G1 1 G2 1 C1 R C2 R vO 1 2 1 & 石 英 晶 體 振 蕩 器 1J 1K VCC CP vO Q Q & C1 CPQ123、雙相脈沖產(chǎn)生電路8.4 555定時(shí)器及其應(yīng)

18、用8.4.1 555定時(shí)器8.4.2 用555定時(shí)器組成施密特觸發(fā)器8.4.3 用555定時(shí)器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 8.4.4 用555定時(shí)器組成多諧振蕩器555定時(shí)器是一種應(yīng)用方便的中規(guī)模集成電路, 廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。 8.4 555定時(shí)器及其應(yīng)用電阻分壓器電壓比較器基本SR鎖存器輸出緩沖反相器集電極開路輸出三極管 TvovICvI1vI2voC1C2+-+(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)RS&5 k 5 k 5 k &1RDVCC (8)G1、電路 結(jié)構(gòu)8.4.1 555定時(shí)器2、工作原理 VCC 5k vIC vI1 C1 5k vI2 C2 5k v O T

19、S R RD & & & 1 G vO 不變不變1導(dǎo)通01截止11導(dǎo)通00放電管T輸出VO復(fù)位RD觸發(fā)輸入VI2閾值輸入VI1輸 出輸 入CC31V CC31V CC31V CC32V CC32V CC32V 3、555定時(shí)器功能表不變不變1導(dǎo)通01截止11導(dǎo)通00放電管T輸出(VO)復(fù)位(RD)觸發(fā)輸入(VI2)閾值輸入(VI1)輸 出輸 入CC31V CC31V CC31V CC32V CC32V CC32V 8.4.2 用555定時(shí)器組成施密特觸發(fā)器 VCC 5k vIC vI1 C1 5k vI2 C2 5k v O T S R RD & & & 1 G (3vvI如何改變電路的閾值電

20、壓和回差電壓? vI VCC 2 3 VCC 1 3 O vO O t t vO O VCC/3 vI 2VCC/3 施密特觸發(fā)器的應(yīng)用 VCC VCC1 8 4 555 6 2 vI R vO2 vO1 VIC 0.01 F 7 3 5 1 波形變換 t 1 3 VCC 2 3 VCC vI 0 t vO 1 VO H 0 o vI vO1 VOH VOL VT+VT_電路的頻率可變?占空比可變?如何改變占空比?回差電壓減小,占空比如何變化? 波形產(chǎn)生電路(多諧振蕩器 ) CvovIR1 VCC 8 4 555 6 2 R 0.01 F 7 3 5 1 C vovIVT+VT_VOLVOHT

21、1T20t0t12DDTT+DDTTDDTT+DDTT-lnln()lnTTTVVVRCRCRVVVVVCVVVV CvovIR18.4.3 用555定時(shí)器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1、電路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外加觸發(fā)信號(hào)，電路轉(zhuǎn)換到暫態(tài)，輸出為1觸發(fā)信號(hào)消除后，電容充電電路自動(dòng)轉(zhuǎn)換到穩(wěn)態(tài)輸出為0沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)( i )電路處于穩(wěn)態(tài)，輸出為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、）工作波形及輸出脈寬的計(jì)算電路是可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)?如將5腳接電壓V,電路的脈寬會(huì)改變嗎?V增加,脈寬如何改變?減小? 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 vIC C vO R VCC 脈沖寬度調(diào)制器工作波形 vIC O VCC VCC