數(shù)字邏輯電路第11章 脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形

1、第第第第第第111111章章章章章章 脈沖信號(hào)的脈沖信號(hào)的脈沖信號(hào)的脈沖信號(hào)的脈沖信號(hào)的脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形產(chǎn)生與整形產(chǎn)生與整形產(chǎn)生與整形產(chǎn)生與整形產(chǎn)生與整形學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)第第第第第第111111章章章章章章 脈沖信號(hào)的脈沖信號(hào)的脈沖信號(hào)的脈沖信號(hào)的脈沖信號(hào)的脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形產(chǎn)生與整形產(chǎn)生與整形產(chǎn)生與整形產(chǎn)生與整形產(chǎn)生與整形11.1.1 555定時(shí)器的結(jié)構(gòu)和工作原理定時(shí)器的結(jié)構(gòu)和工作原理71COTHTR+UCCuo5k5k5kV265843R + +A1 + +A2DQQRDSD電平觸發(fā)端電平觸發(fā)端電壓控制端復(fù)位端電平有效放電端4.516V71COTHTR+UCCuo5k5k5kV265

2、843R + +A1 + +A2DQQRDSD001R=0時(shí)，Q=1 、Q=0 ，uo=0，V導(dǎo)通。71COTHTR+UCCuo5k5k5kV265843R + +A1 + +A2DQQRDSDR=0時(shí)，Q=1 、Q=0 ，uo=0，V飽和導(dǎo)通。R=1、UTH2UCC/3、UTRUCC/3時(shí)，RD=0、SD=1，Q=1、Q=0，uo=0，V飽和導(dǎo)通。2UCC/3UCC/3001171COTHTR+UCCuo5k5k5kV265843R + +A1 + +A2DQQRDSDR=0時(shí)，Q=1 、Q=0 ，uo=0，V飽和導(dǎo)通。R=1、UTH2UCC/3、UTRUCC/3時(shí)，RD=0、SD=1，Q=

3、1、Q=0，uo=0，V飽和導(dǎo)通。2UCC/3UCC/31001R=1、UTH2UCC/3、UTRUCC/3時(shí)，RD=1、SD=1，Q、Q不變，uo不變，V狀態(tài)不變。1171COTHTR+UCCuo5k5k5kV265843R + +A1 + +A2DQQRDSDR=0時(shí)，Q=1 、Q=0 ，uo=0，V飽和導(dǎo)通。R=1、UTH2UCC/3、UTRUCC/3時(shí)，RD=0、SD=1，Q=1、Q=0，uo=0，V飽和導(dǎo)通。2UCC/3UCC/31100R=1、UTH2UCC/3、UTRUCC/3時(shí)，RD=1、SD=1，Q、Q不變，uo不變，V狀態(tài)不變。R=1、UTH2UCC/3、UTRUCC/3時(shí)

4、，RD=1、SD=0，Q=0、Q=1，uo=1，V截止。11.1.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2UCC/3CRui8 47 3 6 5552 5 10.01FuoUCCuiuotttP00(a) 電路(b) 工作波形uct0輸出脈沖寬度 tp。 tp1.1RC2UCC/3CRui8 47 3 6 5552 5 10.01FuoUCCuiuotttP00uct0接通UCC后瞬間，UCC通過R對(duì)C充電，當(dāng)uc上升到2UCC/3時(shí)，比較器A1輸出為0，將觸發(fā)器置0，uo0。這時(shí)Q=1，放電管V導(dǎo)通，C通過V放電，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。ui到來時(shí)，因?yàn)閡iUCC/3，使A20，觸發(fā)器置1，uo又由0變?yōu)?，電

5、路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。由于此時(shí)Q=0，放電管V截止，UCC經(jīng)R對(duì)C充電。雖然此時(shí)觸發(fā)脈沖已消失，比較器A2的輸出變?yōu)?，但充電繼續(xù)進(jìn)行，直到uc上升到2UCC/3時(shí)，比較器A1輸出為0，將觸發(fā)器置0，電路輸出uo0，V導(dǎo)通，C放電，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。uo&uiuAuo(a) 電路示意圖(b) 波形圖單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器uououiuAtp單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用uiuotpCR1uc8 47 3 6 5552 5 10.01FuoUCCR2ucuotttP1tP20UCC/32UCC/30(a) 電路(b) 工作波形接通UCC后，UCC經(jīng)R1和R2對(duì)C充電。當(dāng)uc上升到2UCC/3時(shí)，u

6、o=0，V導(dǎo)通，C通過R2和T放電，uc下降。當(dāng)uc下降到UCC/3時(shí)，uo又由0變?yōu)?，V截止，UCC又經(jīng)R1和R2對(duì)C充電。如此重復(fù)上述過程，在輸出端uo產(chǎn)生了連續(xù)的矩形脈沖。11.1.3 無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CR1uc8 47 3 6 5552 5 10.01FuoUCCR2ucuotttP1tP20UCC/32UCC/30第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度 tp1，即 uc從 UCC/3 充電上升到 2UCC/3 所需的時(shí)間：tp10.7(R1+R2)C第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度 tp2，即 uc從 2UCC/3 放電下降到 UCC/3 所需的時(shí)間：tp20.7R2C振蕩周期：Ttp1tp20.7

7、(R12R2)CC1R1uo18 47 3 6 5552 5 10.01Fuo1UCCR2(a) 電路(b) 工作波形C2R3uo28 47 3 6 5552 5 10.01Fuo2R4C將振蕩器的輸出電壓uo1，接到振蕩器中555定時(shí)器的復(fù)位端（4腳），當(dāng)uo1為高電平時(shí)振蕩器振蕩，為低電平時(shí)555定時(shí)器復(fù)位，振蕩器停止震蕩。Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+UCCuiuott00(a) 電路(b) 工作波形+UCC1uouCOUT+UT2UCC/3UCC/3控制電壓調(diào)節(jié)回差（1）0iu時(shí)，RD=1、SD=0，觸發(fā)器置 1，即1Q、0Q，uo1uo1。ui升高時(shí)，在未到達(dá) 2U

8、CC/3 以前，uo1uo1 的狀態(tài)不會(huì)改變。11.1.4 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+UCCuiuott00(a) 電路(b) 工作波形+UCC1uouCOUT+UT2UCC/3UCC/3控制電壓調(diào)節(jié)回差（1）0iu時(shí)，RD=1、SD=0，觸發(fā)器置 1，即1Q、0Q，uo1uo1。ui升高時(shí)，在未到達(dá) 2UCC/3 以前，uo1uo1 的狀態(tài)不會(huì)改變。（2）ui升高到 2UCC/3 時(shí)，比較器 A1輸出跳變?yōu)?0、A2輸出為 1，觸發(fā)器置0，即跳變到0Q、1Q，uo1、uo也隨之跳變到 0。此后，ui繼續(xù)上升到最大值，然后再降低，但在未降低到 UC

9、C/3 以前，0o1u、0ou的狀態(tài)不會(huì)改變。Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+UCCuiuott00(a) 電路(b) 工作波形+UCC1uouCOUT+UT2UCC/3UCC/3控制電壓調(diào)節(jié)回差（1）0iu時(shí)，RD=1、SD=0，觸發(fā)器置 1，即1Q、0Q，uo1uo1。ui升高時(shí)，在未到達(dá) 2UCC/3 以前，uo1uo1 的狀態(tài)不會(huì)改變。（2）ui升高到 2UCC/3 時(shí)，比較器 A1輸出跳變?yōu)?0、A2輸出為 1，觸發(fā)器置0，即跳變到0Q、1Q，uo1、uo也隨之跳變到 0。此后，ui繼續(xù)上升到最大值，然后再降低，但在未降低到 UCC/3 以前，0o1u、0ou的狀態(tài)不

10、會(huì)改變。（3）ui下降到 UCC/3 時(shí)，比較器 A1輸出為 1、A2輸出跳變?yōu)?0，觸發(fā)器置 1，即跳變到1Q、0Q，uo1、uo也隨之跳變到 1。此后，ui繼續(xù)下降到0，但1o1u、1ou的狀態(tài)不會(huì)改變。施密特觸發(fā)器的應(yīng)用施密特觸發(fā)器的應(yīng)用CMOSMOC 等正弦波振蕩器11(a) 慢輸入波形的 TTL 系統(tǒng)接口(b) 整形電路的輸入、輸出波形輸入輸出UT+UT1輸入輸出UT+UT(c) 幅度鑒別的輸入、輸出波形(d) 多諧振蕩器CRucuououiCuA1(a) 電路(b) 波形uo2RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVDD0000tP1（1）沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)電路工作在

11、穩(wěn)態(tài)當(dāng)沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，ui為低電平。因?yàn)殚TG2的輸入端經(jīng)電阻R接至VDD，VA為高電平，因此uo2為低電平；門G1的兩個(gè)輸入均為0，其輸出uo1為高電平，電容C兩端的電壓接近為0。這是電路的穩(wěn)態(tài)，在觸發(fā)信號(hào)到來之前，電路一直處于這個(gè)狀態(tài)：uo11，uo20。001111.2.1 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器uiCuA1(a) 電路(b) 波形uo2RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVDD0000tP1110（2）外加觸發(fā)信號(hào)使電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)正觸發(fā)脈沖ui到來時(shí)，門G1輸出uo1由1變?yōu)?。由于電容電壓不能躍變，uA也隨之跳變到低電平，使門G2的輸出uO2

12、變?yōu)?。這個(gè)高電平反饋到門G1的輸入端，此時(shí)即使ui的觸發(fā)信號(hào)撤除，仍能維持門G1的低電平輸出。但是電路的這種狀態(tài)是不能長久保持的，所以稱為暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，uo10，uo21。uiCuA1(a) 電路(b) 波形uo2RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVDD0000tP10011（3）電容充電使電路由暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)在暫穩(wěn)態(tài)期間，VDD經(jīng)R和G1的導(dǎo)通工作管對(duì)C充電，隨著充電的進(jìn)行，C上的電荷逐漸增多，使uA升高。當(dāng)uA上升到閾值電壓UT時(shí)，G2的輸出uo2由1變?yōu)?。由于這時(shí)G1輸入觸發(fā)信號(hào)已經(jīng)過去，G1的輸出狀態(tài)只由uo2決定，所以G1又返回到穩(wěn)定的高電平輸出。

13、uA隨之向正方向跳變，加速了G2的輸出向低電平變化。最后使電路退出暫穩(wěn)態(tài)而進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)uo11，uo20。脈沖寬度：tp=0.7RCuiCuA11uo2RG1G2uo1VDDC1R1電路的改進(jìn)電路的改進(jìn)當(dāng)ui的寬度很寬時(shí)，可在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端加一個(gè)RC微分電路，否則，在電路由暫穩(wěn)態(tài)返回到穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于門G1被ui封住了，會(huì)使uo2的下降沿變緩。 uAuo2uiC11(a) 電路(b) 波形RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVT0000tP穩(wěn)態(tài)時(shí)，ui1，G1、G2均導(dǎo)通。uo10，uA0，uo20。ui負(fù)跳變到0時(shí)，G1截止，uo1隨之跳變到1。由于電容電壓不能躍變，

14、uA仍為0，故門G2截止，uo2跳變到1。在G1、G2截止時(shí)，C通過R和G1的導(dǎo)通管放電，使uA逐漸上升。當(dāng)uA上升到管子的開啟電壓UT時(shí)，如果ui仍為低電平，G2導(dǎo)通，uo2變?yōu)?。當(dāng)ui回到高電平后，G1導(dǎo)通，C又通過R和G1的導(dǎo)通管充電，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。11.2.2 積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(a) 74121 的引腳排列圖 14 13 12 11 10 9 874121 1 2 3 4 5 6 7 Rext/CextVCC NC NC Cext Rin NC Q NC TR- TR-B TR+ Q GNDTR-A、TR-B是兩個(gè)下降沿有效的觸發(fā)信號(hào)輸入端，TR+是上升沿有

15、效的觸發(fā)信號(hào)輸入端。Q和是兩個(gè)狀態(tài)互補(bǔ)的輸出端。Rext/Cext、Cext是外接定時(shí)電阻和電容的連接 端 ， 外 接 定 時(shí) 電 阻 R（R=1.4k40k）接在VCC和Rext/Cext之間，外接定時(shí)電容C（C=10pF10F）接在Cext（正）和Rext/Cext之間。74121內(nèi)部已設(shè)置了一個(gè)2k的定時(shí)電阻，Rin是其引出端，使用時(shí)只需將Rin與VCC連接起來即可，不用時(shí)則應(yīng)將Rin開路。74121的輸出脈沖寬度：tp0.7RC11.2.3 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 14 13 12 11 10 9 874122 1 2 3 4 5 6 7(b) 74122 的引腳排列圖 TR

16、- TR-B TR+A TR+B RD Q GND Rext/CextVCC NC Cext NC Rin QTR-A、TR-B是兩個(gè)下降沿有效的觸發(fā)信號(hào)輸入端，TR+A、TR+B是兩個(gè)上升沿有效的觸發(fā)信號(hào)輸入端。Q和是兩個(gè)狀態(tài)互補(bǔ)的輸出端。Rext/Cext、Cext、Rin3個(gè)引出端是供外接定時(shí)元件使用的，外接定時(shí)電阻R（R=5k50k）、電容C（無限制）的接法與74121相同。RD為直接復(fù)位輸入端，低電平有效。當(dāng)定時(shí)電容C1000pF時(shí)，74122的輸出脈沖寬度：tp0.32RC11.3.1 RC環(huán)形多諧振蕩器環(huán)形多諧振蕩器能產(chǎn)生矩形脈沖的自激振蕩電路叫做多諧振蕩器。0(a) 電路圖&a

17、mp;ui1 ui2 uo2 ui3 uo R RSC uo(ui1)uo2ui3tttt(b) 波形圖000G1G2&G3 ui2(uo1)UTt1t2t30(a) 電路圖&ui1 ui2 uo2 ui3 uo R RSC uo(ui1)uo2ui3tttt(b) 波形圖000G1G2&G3 ui2(uo1)UTt1t2t3在t1時(shí)刻，ui1（uo）由0變?yōu)?，于是uo1（ui2）由1變?yōu)?，uo2由0變?yōu)?。由于電容電壓不能躍變，故ui3必定跟隨ui2發(fā)生負(fù)跳變。這個(gè)低電平保持uo為1，以維持已進(jìn)入的這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)期間，uo2（高電平）通過電阻R對(duì)電容C充

18、電，使ui3逐漸上升。在t2時(shí)刻，ui3上升到門電路的閾值電壓UT，使uo（ui1）由1變?yōu)?，uo1（ui2）由0變?yōu)?，uo2由1變?yōu)?。同樣由于電容電壓不能躍變，故ui3跟隨ui2發(fā)生正跳變。這個(gè)高電平保持uo為0。至此，第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路進(jìn)入第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。第一暫穩(wěn)態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過程0(a) 電路圖&ui1 ui2 uo2 ui3 uo R RSC uo(ui1)uo2ui3tttt(b) 波形圖000G1G2&G3 ui2(uo1)UTt1t2t3第二暫穩(wěn)態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過程在t2時(shí)刻，uo2變?yōu)榈碗娖?，電容C開始通過電阻R放電。隨著放電的進(jìn)行，ui3逐漸

19、下降。在t3時(shí)刻，ui3下降到UT，使uo（ui1）又由0變?yōu)?，第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路返回到第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，又開始重復(fù)前面的過程。造成振蕩器自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的原因是電容 C的充放電。振 蕩 周 期 為 ： T 2.2RCui1 uo1 ui2 uo0(a) 電路圖& RCuoui1ttt(b) 波形圖00G1G2 ui2(uo1)UTt1t2t3在t1時(shí)刻， uo由0變?yōu)?，由于電容電壓不能躍變，故ui1必定跟隨uo發(fā)生正跳變，于是ui2（uo1）由1變?yōu)?。這個(gè)低電平保持uo為1，以維持已進(jìn)入的這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)期間，電容C通過電阻R放電，使ui1逐漸下降。在t2時(shí)刻，ui1上升到門電

20、路的開啟電壓UT，使uo1（ui2）由0變?yōu)?，uo由1變?yōu)?。同樣由于電容電壓不能躍變，故ui1跟隨uo發(fā)生負(fù)跳變，于是ui2（uo1）由0變?yōu)?。這個(gè)高電平保持uo為0。至此，第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路進(jìn)入第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。第一暫穩(wěn)態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過程11.3.2 CMOS多諧振蕩器多諧振蕩器ui1 uo1 ui2 uo0(a) 電路圖& RCuoui1ttt(b) 波形圖00G1G2 ui2(uo1)UTt1t2t3第二暫穩(wěn)態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過程在t2時(shí)刻，uo1變?yōu)楦唠娖剑@個(gè)高電平通過電阻R對(duì)電容C充電。隨著放電的進(jìn)行，ui1逐漸上升。在t3時(shí)刻，ui1上升到UT，使uo（ui

21、1）又由0變?yōu)?，第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路返回到第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，又開始重復(fù)前面的過程。若 UT0.5VDD，振蕩周期為：T1.4RC& R1 C2 R2C1uof(a) 石英晶體多諧振蕩器(b) 石英晶體阻抗頻率特性0Xf0電容性電感性電阻R1、R2的作用是保證兩個(gè)反相器在靜態(tài)時(shí)都能工作在線性放大區(qū)。對(duì)TTL反相器，常取R1R2R0.7 k2k，而對(duì)于CMOS門，則常取R1R2R10k100k；C1C2C是耦合電容，它們的容抗在石英晶體諧振頻率f0時(shí)可以忽略不計(jì)；石英晶體構(gòu)成選頻環(huán)節(jié)。振蕩頻率等于石英晶體的諧振頻率f0。11.3.3 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器& R1 C

22、2 R2C1& f0 f1 f2 f14 f32768Hz 16384Hz 8192Hz 2Hz 1HzC1C1C1C1 FF1 FF2 FF14 FF15 Q1 Q2 Q14 Q15多諧振蕩器分頻電路施密特觸發(fā)器是一種能夠把輸入波形整形成為適合于數(shù)字電路需要的矩形脈沖的電路。1&DuiuoRS(a) 電路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G3（1）ui0時(shí)，R1，S0，uo為高電平，這是第一種穩(wěn)態(tài)。00111&DuiuoRS(a) 電路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G30111（2）uiUD=0.

23、7V 時(shí)，R1，S1，RS 觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)，uo仍為高電平，電路仍維持在第一種穩(wěn)態(tài)。（1）ui0時(shí)，R1，S0，uo為高電平，這是第一種穩(wěn)態(tài)。1&DuiuoRS(a) 電路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G31100（2）ui上升到 UD=0.7V 時(shí)，R1，S1，RS 觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)，uo仍為高電平，電路仍維持在第一種穩(wěn)態(tài)。（3）ui繼續(xù)上升到 UT+=UT=1.4V 時(shí)，R0，S1，RS 觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，uo為低電平，這是第二種穩(wěn)態(tài)。電路翻轉(zhuǎn)后 ui再上升，電路狀態(tài)不變。（1）ui0時(shí)，R1，S0，uo為高電平，這是第一種穩(wěn)態(tài)。1&DuiuoRS(a) 電路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G30110（2）ui上升到 UD=0.7V 時(shí)，R1，S1，RS 觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)，uo仍為高電平，電路仍維持在第一種穩(wěn)態(tài)。（3）ui繼續(xù)上升到 UT+=UT=1.4V 時(shí)，R0，S1，RS 觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，uo為低電平，這是第二種穩(wěn)態(tài)。電路翻轉(zhuǎn)后 ui再上升，電路狀態(tài)不變。（4）ui上升到最大值后下降時(shí)，若 ui下降到 UT，R1。S=1，RS 觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)，電路仍維持在第二種穩(wěn)態(tài)。（1）ui0時(shí)，R1，S0，uo為高電平，這是第一種穩(wěn)態(tài)。1&DuiuoRS(a) 電路(b) 工作波形uoui