數(shù)字電路域邏輯設(shè)計9-1

第9章

脈沖單元電路9.1脈沖信號9.2脈沖電路本章要求：1了解脈沖信號了解雙穩(wěn)電路，單穩(wěn)電路，多諧振蕩器了解脈沖電路的應(yīng)用了解555電路(a)(b)(c)(d)(e)脈沖波形脈沖信號狹義地說，脈沖波形是指一種持續(xù)時間極短的電壓或電流波形；廣義上，凡不具有連續(xù)正弦波形狀的信號，幾乎都可以通稱為脈沖波形。trtfVmtwT0.9Vm0.5Vm0.1Vm圖9-1-2實際的矩形脈沖波形脈沖休止期脈寬周期上升時間(前沿)下降時間(后沿)脈沖電路

脈沖電路是用來產(chǎn)生和處理脈沖信號的電路。脈沖電路可以用分立晶體管、場效應(yīng)管作為開關(guān)和RC或RL電路構(gòu)成，也可以由集成門電路或集成運算放大器和RC充、放電電路構(gòu)成。脈沖電路包括脈沖波形的產(chǎn)生、變換、整形等電路，如雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、自激多諧振蕩器、射極耦合雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,及鋸齒波電路。集成門構(gòu)成的脈沖單元電路9.2.1施密特觸發(fā)器9.2.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器9.2.3多諧振蕩器施密特觸發(fā)器(雙穩(wěn)態(tài)電路)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有二個穩(wěn)定狀態(tài)。只有在外界觸發(fā)脈沖作用下，才能從一個穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)為另一個穩(wěn)態(tài)，如果沒有外部條件的變化,觸發(fā)器會一直保持不變。vIR111G1G2vOvOv'IR2圖兩級CMOS反相器

構(gòu)成施密特觸發(fā)器１．用兩級CMOS反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器vOvIVT－VT+VGS(th)2VGS(th)R1R2施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性從電壓傳輸特性上看,只有當輸入Vi變化以后,輸出V0才可能變化---雙穩(wěn)態(tài)電路圖9-2-4CMOS集成施密特觸發(fā)器電路TP2TN1vITP1TN2TP3vO'●TN3VDDTP4TN5TP5TN6vO''vOVDDTP6施密特觸發(fā)器整形(a)緩沖輸出vIvO(b)1３．集成施密特觸發(fā)器圖中TP4、TP5及TN4、TN5構(gòu)成兩個首尾相連的反相器，用來改善輸出波形(整形)；TP6和TN6組成輸出緩沖級，以提高電路的帶負載能力，同時起隔離作用。vItOvOtOVT－VT＋圖9-2-6用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)波形變換４．施密特觸發(fā)器的應(yīng)用(1)波形變換(將其它類型的波轉(zhuǎn)為矩形波)將輸入的正弦波、三角波、鋸齒波等變換成矩形波輸出。vItOvOtOVT－VT＋圖9-2-7用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)波形整形(a)vItOvOtOVT－VT＋(b)vItOvOtOVT－VT＋(c)(2)脈沖整形(將變形的矩形波整回標準矩形波)當矩形脈沖經(jīng)過傳輸后因以下原因發(fā)生畸變，可通過施密特觸發(fā)器的整形獲得滿意的矩形脈沖波形。圖9-2-8用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)脈沖鑒幅vItOvOtOVT－VT＋(3)脈沖鑒幅(將大于某一幅度的波形挑出)只有當輸入脈沖信號的幅度大于施密特觸發(fā)器上限觸發(fā)電平時，在輸出端才產(chǎn)生輸出信號。9.2.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩個不同的工作狀態(tài)。在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)態(tài)，維持一段時間后，電路又能自動地翻轉(zhuǎn)為穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與外界觸發(fā)脈沖無關(guān)。１．集成門構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器根據(jù)維持暫態(tài)的RC定時電路的不同接法，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以分為微分型和積分型兩大類。(1)微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(vI下降沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài))&&(a)G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF圖9-2-9微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

及其工作波形反饋線輸入端微分電路微分型定時電路&&G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF圖9-2-9微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

及其工作波形vIv1vO1vO2v2(b)0.3V0.3V1.4V3.6V0.3V3.6V0.3V1.4V-1.5V3.6V0.3Vtw反饋線(a)t2～

t3為穩(wěn)定狀態(tài)。

觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)（vO1=VOL，vO2=VOH）。0t1t2

當輸入端vI下跳變，v1產(chǎn)生一個負尖峰脈沖，vO1上跳至高電平，v2隨之跳變?yōu)楦唠娖?，使vO2為低電平，觸發(fā)器受觸發(fā)發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，進入暫穩(wěn)態(tài)（vO1=VOH，vO2=VOL）。t3電容特性:電容上的電壓不能突變.暫穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)Cv2RvO1圖9-2-10電容充電等效電路RO3.6Vi(b)t1～t2暫態(tài)過程。

觸發(fā)器進入暫穩(wěn)態(tài)后，電容C充電，V2值呈指數(shù)下降，當下降到閾值電壓時，輸出vO2上跳至高電平，觸發(fā)器自動翻轉(zhuǎn)，回到初始穩(wěn)定狀態(tài)。G1的輸出電阻

t1至t2的時間tW稱為暫態(tài)時間，其長短取決于RC的充電速度.暫態(tài)時間通常近似估計為單穩(wěn)態(tài)電路在外界負脈沖作用下，進入暫穩(wěn)態(tài)，然后在電路自身作用下，經(jīng)過一個時間tw，能夠自動回到穩(wěn)態(tài)。&&G2G1Cv2RvO1vO2vIvIvO1vO2v21.4Vtw(a)圖9-2-13積分型單穩(wěn)態(tài)

觸發(fā)器及其工作波形0.3V3.6V3.6V0.3V3.6V0.3Vt1t2(b)(2)積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(電阻在前)0

(a)t2～t3穩(wěn)定狀態(tài)。輸入vI為低電平，兩個門的輸出均為高電平。電容C充電結(jié)束，觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)。當t=t1時，vI上跳變，兩個門的狀態(tài)同時改變，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)一次，進入暫穩(wěn)態(tài)。

(b)t1～t2暫穩(wěn)定狀態(tài)。輸入vI為高電平，vO1,v02輸出均為低電平，電容C放電。當t=t2時，電壓v2下降至Vth，G2狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，vO2上跳至高電平，觸發(fā)器狀態(tài)自動翻轉(zhuǎn)一次。t3

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器通用邏輯符號1圖9-2-17非可重觸發(fā)單穩(wěn)

態(tài)觸發(fā)器波形vItOvOtOtWtWABCD２．集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為非可重觸發(fā)和可重觸發(fā)兩種類型。

非可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，是指在暫穩(wěn)態(tài)定時時間tW之內(nèi)，若有新的觸發(fā)脈沖輸入，電路不會產(chǎn)生任何響應(yīng)。只有在電路返回到穩(wěn)態(tài)后，電路才受輸入脈沖信號作用。輸出信號脈沖的寬度為tW。輸入脈沖暫穩(wěn)態(tài)定時時間OtTR-twOTR+OvAOQttttwtwt1t2t3t4t5t6圖9-2-23CC14528可重觸發(fā)

單穩(wěn)態(tài)工作波形tΔt7工作波形：可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路:在暫穩(wěn)態(tài)定時時間tW之內(nèi)，若有新的觸發(fā)脈沖輸入，電路隨時可進入暫穩(wěn)態(tài)。輸出的脈寬是不定的。9.2.3多諧振蕩器多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號，能自動地產(chǎn)生矩形脈沖，優(yōu)于矩形波形中含有豐富的高次諧波，故習(xí)慣稱為多諧振蕩器。它是常用的矩形脈沖產(chǎn)生電路。１．電容正反饋多諧振蕩器&G1CRd電容正反饋多諧振蕩器&G2abtw1t1t2t3tw2充電放電ΔV1.4V0.3V0.3V3.6Vvdvbva(a)(b)設(shè)某時刻d為低電平,a為高電平，G1關(guān)態(tài)，G2開態(tài)，電容C充電。這段時間稱為暫態(tài)Ⅱ。當vd上升至vd≥Vth時，G1由關(guān)態(tài)變?yōu)殚_態(tài)，G2由開態(tài)變?yōu)殛P(guān)態(tài)。以后電容C放電，vd電位逐漸下降，在vd下降至Vth之前，這段時間稱為暫態(tài)Ⅰ，即圖中t1～t2期間的波形。當vd下降至Vth時，G1由開態(tài)變?yōu)殛P(guān)態(tài)，G2由關(guān)態(tài)變?yōu)殚_態(tài)，電路又一次自動翻轉(zhuǎn)到暫態(tài)Ⅱ。以后不斷重復(fù)上述過程，從而形成周期振蕩，在輸出端獲得矩形波vb。

振蕩周期２．帶有RC定時電路的環(huán)形振蕩器&G2CR圖9-2-26帶RC電路的環(huán)形多諧

振蕩器及工作原理&G3vOt1t2t3tw2(a)(b)&G1RS●●●v3v2v1OvOtOv1tOv2tOv3tVmVmVtht4tw1

基本工作原理是利用電容C的充、放電過程，控制電壓v3，從而控制與非門的自動開閉。根據(jù)分析，可求得（忽略TTL門輸出電阻的影響）可見，通過調(diào)節(jié)電容C和電阻R可以調(diào)節(jié)振蕩器的頻率。&G2R圖9-2-28晶體穩(wěn)頻的多諧振蕩器&G1R●&G3vO３．晶體穩(wěn)頻的多諧振蕩器晶體穩(wěn)頻多諧振蕩器是在耦合支路中串接了石英晶體構(gòu)成的。石英晶體具有一個極其穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率fs，在該頻率的兩側(cè)，晶體的阻抗迅速增大。在反饋支路中串入石英晶體，振蕩器只有在頻率滿足fs的起振條件時才起振。振蕩的波形經(jīng)過G3整形后即輸出矩形脈沖波。所以，多諧振蕩器的振蕩頻率決定于晶體的振蕩頻率，這就是晶體的穩(wěn)頻作用。CRvOvC圖9-2-29施密特觸發(fā)器構(gòu)成

的多諧振蕩器1vCtO(a)(b)tOvOtw1tw2４．由施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器若采用CMOS施密特觸發(fā)器，則振蕩周期為9.3

555定時器及其應(yīng)用9.3.1555定時器的電路結(jié)構(gòu)9.3.2用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器9.3.4用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器9.3.3用555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器555定時器的作用是可以通過不同的接法，實現(xiàn)三種電路。+-+-&&1VCCRvCOvI1vI2vO'vO8456271TDG2G1G33R2VREF2VREF1●R1C2C1圖9-3-1555定時器電路結(jié)構(gòu)9.3.1555定時器的電路結(jié)構(gòu)電壓比較器，若v+>v-，則輸出為高電平，反之輸出為低電平。基本觸發(fā)器置0端，低電平有效泄放三極管，為外接電容提供充、放電回路。輸出緩沖器，起整形和提高負載的作用。REF1，REF2為VCC(8)R(4)vco(5)vI1(6)vI2(2)v'O(7)vO圖9-3-2用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器(1)(3)vIVCC用555定時器構(gòu)成施密特雙穩(wěn)觸發(fā)器vIOtvOOt圖9-3-3圖10-3-2所示電路工作波形由分析可知，該電路可以完成波形變換等功能，其上限觸發(fā)電平為下限觸發(fā)電平為回差為VCC(8)R(4)vco(5)vI1(6)vI2(2)v'O(7)vO圖9-3-4用555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(1)(3)vIVCCRC●用555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器TD三極管的集電極輸出v'O(7)端通過電阻R接VCC，構(gòu)成反相器。TD反相器輸出端v'O(7)接電容C到地，同時v'O(7)和vI1(6)端連接在一起，構(gòu)成積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。vCOtvOOt圖9-3-5單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形vIOt

當vI下降沿到達時，vI=0，vC2輸出低電平，使得輸出vO為高電平。電路受觸發(fā)發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)。

由于G1輸出低電平，使TD截止，VCC通過R對C充電，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。電容充電使得vC(vI1)電位上升。

當vC(vI1)≥(2/3)VCC時