第八章 脈沖波形的變換與產(chǎn)生

半導(dǎo)體存儲器是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)尤其是計算機中的重要組成部分，包括有只讀存儲器ROM和隨機存取存儲器RAM兩大類。掌握ROM和RAM各自的特點與區(qū)別，以及它們所包含的各種類型存儲器。掌握存儲器中字、位、存儲容量、地址等概念。目前可編程邏輯器件的使用越來越廣泛，用戶可自行設(shè)計該類器件的邏輯功能，具有集成度高、可靠性強、處理速度快和保密性好等特點。復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)是在PAL、GAL的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，了解其結(jié)構(gòu)及可編程單元。第七章回顧8.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器8.2施密特觸發(fā)器8.3多諧振蕩器8.4555定時器及其應(yīng)用8脈沖波形的變換與產(chǎn)生前言脈沖：在短時間內(nèi)突變，而后又迅速返回到其初始值的物理量。將已有的非脈沖波形通過波形變換電路獲得；(單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器)

采用脈沖信號產(chǎn)生電路直接獲得；(多諧振蕩器、555定時器)計算機內(nèi)的信號為脈沖信號，又稱為數(shù)字信號。脈沖具有間隔性特征(脈沖寬度tw)脈沖波形如何獲得？4、掌握由555定時器組成的多諧、單穩(wěn)、施密特觸發(fā)器的電路、工作原理及外接參數(shù)、電路指標的計算。1、正確理解單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器的電路組成及工作原理。2、掌握單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器和多諧振蕩器的邏輯功能及主要指標計算。3、掌握555定時器的工作原理。本章的基本要求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①電路在沒有觸發(fā)信號作用時處于一種穩(wěn)定狀態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特點：②在外來觸發(fā)信號作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。③由于電路中RC延時環(huán)節(jié)的作用，暫穩(wěn)態(tài)不能長期保持,經(jīng)過一段時間后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間僅與所選取的RC參數(shù)值有關(guān)。④由于觸發(fā)器只有一種穩(wěn)定狀態(tài)，因此稱為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(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)器的分類按工作特點劃分8.1.1用CMOS門電路組成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器積分電路(integratingcircuit)：輸出信號與輸入信號的時間積分成正比的電路。8.1.1用CMOS門電路組成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器微分電路(differentialcircuit)：輸出信號與輸入信號的微分成正比的電路。微分是積分的逆運算，從電路形式上看，將積分電路中的R1與電容C的位置對調(diào)，便可得到微分電路。8.1.1用CMOS門電路組成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

RC電路(電阻電容電路)：是一個包含利用電壓源、電流源驅(qū)使電阻器、電容器運作的電路。RC電路是微分電路、積分電路的一種。8.1.1用CMOS門電路組成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.電路結(jié)構(gòu)CMOS與非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CMOS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負脈沖觸發(fā)穩(wěn)態(tài)為0正脈沖觸發(fā)

電路處于穩(wěn)態(tài)000110d=0a)、沒有觸發(fā)信號，即I=0時設(shè)CMOS反相器的閾值電壓為2.工作原理：CMOS或非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器正脈沖觸發(fā)穩(wěn)態(tài)為0I2=1o=0o1=1b)、外加觸發(fā)信號↑dd=VTH產(chǎn)生如下正反饋過程：迅速使o1=

0o=1電路進入暫穩(wěn)態(tài)

10

-

+

31

vO1

vO

G2

G1

C

D

R

VDD

vI

vI2

vC

1

Rd

Cd

vd

當vI2上升到一定程度時？此后VDD對電容充電I2c)、電容充電電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返回到穩(wěn)態(tài)01I2I2=VTH產(chǎn)生如下正反饋過程：迅速使o1=

1o=0此后電容開始放電vo2ˉ-vO1-vR-

vO11

vO

vI2

0

t

t

t

0

VTH

VDD

t1

t2

0

tw

tw≈0.7RC

只取決于RC(1)輸出脈沖寬度tw(暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間)(2)恢復(fù)時間tretre≈3

(3)最高工作頻率fmax

3.主要參數(shù)的計算(根據(jù)RC電路過渡過程的分析)

其中vC(0+)=0；vC()=VDD

=RC,VTH

=VDD/2

=RCln2

8.1.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器vOvItwtwvOvItwtw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)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。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)信號控制電路微分型單穩(wěn)觸發(fā)器電路的連接：(R與C)R：外接電阻或采用內(nèi)部電阻C：外接電容輸出脈沖寬度：tw≈0.7RC工作原理：分析電路的不可重復(fù)觸發(fā)特性在暫穩(wěn)態(tài)期間即使有觸發(fā)信號輸入,但由于G4門在此期間關(guān)閉，不會被再次觸發(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=1Q=0100074121功能表HHA1A2BQLHLLHLLLHHHLHHHHHHLL邏輯功能表不可觸發(fā)，保持穩(wěn)態(tài)不變A1、A2中有一個或兩個為低電平，在B端輸入上升沿時，電路被觸發(fā)B

為高電平，A1和A2中有一個或兩個是下降沿時，電路被觸發(fā)，即產(chǎn)生正脈沖輸出2、可重復(fù)觸發(fā)的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MC14528可重復(fù)觸發(fā)的集成單穩(wěn)MC14528邏輯圖MC14528功能表RD

TR+TR-輸出輸入LHLHLH

L×××H

×××

LHH↑H↓LQ

Q功能清除禁止禁止單穩(wěn)單穩(wěn)可重復(fù)觸發(fā)的集成單穩(wěn)MC14528時序波形8.1.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用1.定時單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的RC取值不同，tw的時間寬度就不同，從而通過與門的脈沖個數(shù)隨之改變。電路可用于頻率計。

2.延時vo脈沖的上升沿相對于vI的上升沿延遲了tw1，tw1由R1C1決定，tw2由R2C2決定。3.組成噪聲消除電路

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度應(yīng)大于噪聲寬度而小于信號脈寬，才可消除噪聲。如用I作為下降沿觸發(fā)的計數(shù)器觸發(fā)脈沖，若加入了干擾(如圖)，將會造成計數(shù)錯誤。應(yīng)該消除干擾(噪聲)。如何獲得vo8.2.1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)器施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性及工作特點：

②施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)器件，當輸入信號達到一定電壓值時，輸出電壓會發(fā)生突變。

③電路有兩個閾值電壓。輸入信號增加和減少時，電路的閾值電壓分別是正向閾值電壓（VT+）和負向閾值電壓（VT-）。同相輸出施密特觸發(fā)器反相輸出施密特觸發(fā)器

oVT+

vO

VOH

VOL

VT-

vI

①施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要觸發(fā)信號觸發(fā)；1、電路組成2、工作原理I18.2.1用門電路組成的施密特觸發(fā)器R1<R2I為三角波假定：疊加原理vI1001(1)I上升，

I1上升。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)生跳變時所對應(yīng)I的值。只要

I1

<VTH，則保持=0VO(2)當=VTH，電路發(fā)生正反饋：υI1三角波輸入信號，一開始vI1(3)

υI1VTH時，電路維持不變

,只要υI1>VTH，υI1(4)當υI下降,

也下降則保持=VOHυo當=VTH，電路產(chǎn)生如下正反饋：

υI1負向閾值電壓(VT-)：I值在減小過程中，使輸出電壓產(chǎn)生跳變時所對應(yīng)的I的值。狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變0

回差電壓(觸發(fā)窗)△VT：正向閾值電壓與負向閾值電壓之差。同相輸出施密特觸發(fā)器

oVT+

vO

VOH

VOL

VT-

vI

正向閾值電壓：負向閾值電壓：定義：通過調(diào)節(jié)R1和R2的比值可以調(diào)節(jié)回差電壓的大小則施密特觸發(fā)器的閾值電壓為：例：若VDD=10V，R1=50k，R2=100k，VTH=5V回差電壓(觸發(fā)窗)決定了施密特觸發(fā)器輸出波形的脈沖寬度。因此可通過調(diào)節(jié)R1和R2的比值控制脈沖波形的輸出。vI1vovI邏輯符號8.2.2集成施密特觸發(fā)器CC40106

CC40106電路圖P4048.2.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用VT+VT_vT+vT-1.波形變換利用施密特觸發(fā)器可將邊沿變化緩慢的周期性信號變?yōu)檫呇囟盖偷木匦蚊}沖信號。2.對波形的整形利用施密特電路進行脈沖的整形。vovI合理選擇回差電壓，可消除干擾信號。3.消除干擾信號oυI4.幅度鑒別找到兩個波峰。通過調(diào)整閾值電壓，可鑒別不同的幅度。5.用施密特觸發(fā)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器wTVAVDD>VT+VT-6.用施密特觸發(fā)器構(gòu)成多諧震蕩器(8.3.2)8.3.1由門電路組成的多諧振蕩器8.3.2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8.3多諧振蕩器開關(guān)電路

RC延時環(huán)節(jié)多諧振蕩器的基本組成：開關(guān)器件(如MOS管)：產(chǎn)生高、低電平反饋延遲環(huán)節(jié)(RC電路)：利用RC電路的充放電特性實現(xiàn)延時，輸出電壓經(jīng)延時后，反饋到開關(guān)器件輸入端，從而改變電路的輸出狀態(tài)，以獲得脈沖波形輸出。概述多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，不需要外加觸發(fā)信號便可自動產(chǎn)生一定頻率、一定幅度的矩形脈沖輸出，常作為脈沖信號源。電路沒有穩(wěn)態(tài)(無穩(wěn)態(tài)電路)，輸出在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間自動交替變化。

1.電路組成

vID1

D2

TP

TN

vO1

R

C

D4

D3

TP

TN

vOG1

G2

+VDD

VC原理圖(含保護二極管)若υo1=1,υo=vI=0時，電容充電,υI增加;若υo1=0,υo=vI=1時，電容放電,υI下降;υo1與υo反相，電容接在υo與υI之間:8.3.1由CMOS門電路組成的多諧振蕩器CMOS門電路組成的多諧振蕩器2.工作原理(無穩(wěn)態(tài)電路)假定電路初態(tài)：=1vO1=0vO2vC=0V電容充電vCvIvI當=VTH時，迅速使G1導(dǎo)通、G2截止電路進入第二暫態(tài)vO2=1vO1=0=0vO1=1vO（1）第一暫穩(wěn)態(tài)（初態(tài)）電路將自動跳轉(zhuǎn)到第二暫穩(wěn)態(tài)vIvO1vO2vIVDDVTH0ttvOVDD0(2)第二暫穩(wěn)態(tài)，電容放電，電路自動翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)電容放電vCvIvI當=VTH時，迅速使得G1截止、G2導(dǎo)通電路返回第一暫穩(wěn)態(tài)υO(shè)2=0υO(shè)1=1

vIvO1vO2

T＝RC1n4≈1.4RC

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，容易受溫度、電源電壓及干擾的影響，頻率穩(wěn)定性較差。3.振蕩周期的計算(根據(jù)RC電路過渡過程的分析)vI(0+)0；vC()

VDD=RC,t=t2-t1T1:vI(0+)

VDD；vC()0

=RC,t=t3-t2T2:vovIVT+VT_VOLVOHT1T20t0tCvovIR18.3.2用施密特觸發(fā)器構(gòu)成波形產(chǎn)生電路將施密特觸發(fā)器的輸出端經(jīng)RC電路接回到輸入端8.4.1555定時器8.4.2用555定時器組成的施密特觸發(fā)器8.4.3用555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器8.4.4用555定時器組成的多諧振蕩器8.4555定時器及其應(yīng)用555定時器是一種應(yīng)用方便的中規(guī)模集成電路，集模擬、數(shù)字于一體。利用它可以方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，廣泛應(yīng)用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。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TvovICvI1vI2vo’C1C2+--+(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)RS&5k

5k

5k

&&1RDVCC(8)G1、電路結(jié)構(gòu)8.4.1555定時器邏輯符號2、工作原理不變不變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3、555定時器功能表不變不變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vI8.4.2用555定時器組成施密特觸發(fā)器將555定時器的閾值輸入端和觸發(fā)輸入端相接，便構(gòu)成施密特觸發(fā)器。R7ViV0C=0.01uF8462351VCC555vIVT+VT_VT+VT_1、電路結(jié)構(gòu)VCCvI8.4.3用555定時器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路簡圖②外加觸發(fā)信號，電路轉(zhuǎn)換到暫態(tài)，輸出為1③觸發(fā)信號消