數(shù)字電路 第6章(脈沖波形的產(chǎn)生和整形)

第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形§6-1概述§6-3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器§6-4多諧振蕩器§6-5555定時器及其應(yīng)用§6-2施密特觸發(fā)器§6-1概述獲取矩形脈沖波形（時鐘）的途徑有兩種：2、用整形電路把已有的周期性變化的波形整形產(chǎn)生1、用多諧振蕩器直接產(chǎn)生矩形脈沖波形的整形電路:施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。用門電路可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。用555定時器也可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形

上升時間脈沖寬度下降時間脈沖幅度脈沖周期占空比q=tW/T§6-2施密特觸發(fā)器

6-2-1特點和用途一、特點

2、內(nèi)部正反饋：在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部的正反饋過程是輸出電壓波形的邊沿變得很陡。

1、電壓滯后傳輸：輸入信號VI從低電平上升過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平，與VI

從高電平下降過程中電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平不同。施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路。第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形同相輸出特性：VT+VoVIVOLVOH二、輸出特性VT反相輸出特性：VT+VoVIVOLVOHVI=VT+時，Vo=VOLVI=VT-

時，Vo=VOLVI=VT-

時，Vo=VOHVTVI=VT+時，

Vo=VOH00當VI=0時，VO=VOL當VI=0時，VO=VOH正向閾值電平VT+：VI

上升時，引起Vo

突變時對應(yīng)的VI

值。負向閾值電平VT-

：VI

下降時，引起Vo

突變時對應(yīng)的VI值。第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形VO1VI’VIVO11R2R1G1G26-2-2用門電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器一、構(gòu)成（用CMOS非門）第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形二、計算回差電壓ΔVT1、求VT+在VI從0開始上升時，VO=VOL。VOH1VI，G1R1R2VIG21VOVOLVTHVT+從求VI

,入手求VT+：VI

,=VTH=VR2=R2R1+R2VT+∴VT+=R2R1+R2VTH=（1+R2R1）VTH在VIVT+，VI

,VTH，G1、G2門要翻轉(zhuǎn)前的瞬間，=>=>電路中電流流向和電位情況見圖。電路中有正反饋第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形2、求VT-VOL1VI，G1R1R2VIG21VO在VI從最大值開始下降時，VO=VOH。VOHVTHVT-從求VI

,入手求VT-

：VI

,=VTH=VOH–

VR2=∴VT-

=R2R1+R2VTH

–

R2R1VOHR2R1+R2VOH–[（VOH–

VT

–

）]又：故：VOH=VDD；VTH=VDD12VT-=（1

–

）VTHR1R2電路中電流流向和電位情況見圖。在VIVT-，VI

,VTH，G1、G2門要翻轉(zhuǎn)前的瞬間，=>=>電路中有正反饋第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形3、求回差電壓ΔVTΔVT

=VT+-

VT-=2VTH

R1R2=R1R2VDD當VDD一定時，調(diào)R1、R2，可調(diào)ΔVT

，即可調(diào)VT+VT-，可調(diào)VO脈寬。三、邏輯符號11&≥1R1必須小于R2，否則電路進入自鎖狀態(tài)，不能正常工作00110111110001100011下限閾值電壓上限閾值電壓回差電壓（滯回電壓）：ΔVT＝

VT＋－VT－前面介紹的施密特觸發(fā)器的回差電壓為：ΔV＝VT＋－VT－＝VT－(VT－VD)＝VD＝0.7V缺點是回差太小，且不能調(diào)整。四、舉例設(shè)VI為緩慢變化的三角波：VItVTHVT+VT-VOtVOLVOHG1門的閾值電平第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形一、用于波形變換例：已知VI為半波，VIm=9V，電路的VT+=6V，

VT-=3VVOH=VDD，試畫VO波形。963VT+VT-VDDVDD11VI（V）totVOo6-2-3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形二、用于脈沖整形VItOVOtOVItOVOtOVT+VT-VT+VT-1第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形VItOVT+VT-1三、用于脈沖鑒幅第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形§6-3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6-3-1特點和用途一、特點1、電路有一個穩(wěn)態(tài)一個暫穩(wěn)態(tài)。2、外加觸發(fā)信號，電路翻轉(zhuǎn)為暫態(tài)。暫態(tài)維持一段時間，自動返回穩(wěn)態(tài)3、暫態(tài)維持時間的長短，只和電路參數(shù)有關(guān)，與觸發(fā)信號的幅度、電源電壓的高低無關(guān)。二、用途1、整形→輸出矩形波。2、定時→輸出一定寬度的矩形波。3、延時→將輸入信號延長一定時間后輸出。（1）沒有觸發(fā)信號時電路工作在穩(wěn)態(tài)當沒有觸發(fā)信號時，ui為低電平。因為門G2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)信號到來之前，電路一直處于這個狀態(tài)：uo1＝1，uo2＝0。0011(CMOS)110（2）外加觸發(fā)信號使電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)當正觸發(fā)脈沖ui到來時，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變?yōu)?。這個高電平反饋到門G1的輸入端，此時即使ui的觸發(fā)信號撤除，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，uo1＝0，uo2＝1。0011（3）電容充電使電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返回到穩(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C充電，隨著充電的進行，使uA升高。當uA上升到閾值電壓VTH時，G2的輸出uo2由1變?yōu)?。由于這時G1輸入觸發(fā)信號已經(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。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)而進入穩(wěn)態(tài)，此時uo1＝1，uo2＝0。脈沖寬度：tp=0.7RC電路的改進當ui的寬度很寬時，可在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端加一個RC微分電路。tVdtVOtVITR-A、TR-B是兩個下降沿有效的觸發(fā)信號輸入端，TR+是上升沿有效的觸發(fā)信號輸入端。Q和Q是兩個狀態(tài)互補的輸出端。Rext/Cext、Cext是外接定時電阻和電容的連接端，外接定時電阻R（R=1.4kΩ～40kΩ）接在VCC和Rext/Cext之間，外接定時電容C（C=10pF～10μF）接在Cext（正）和Rext/Cext之間。74121內(nèi)部已設(shè)置了一個2kΩ的定時電阻，Rin是其引出端，使用時只需將Rin與VCC連接起來即可，不用時則應(yīng)將Rin開路。74121的輸出脈沖寬度：tp≈0.7RC第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形3、應(yīng)用舉例1）脈沖整形tVItVOTW=0.69RC第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形2）輸出脈沖延時tVItVOtVOTW觸發(fā)后，電路延時TW時間再輸出。TW=0.69RC

第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形3）定時輸出只在觸發(fā)之后的TW時間內(nèi)有VA輸出。tVItVAtVOTWVO2t§6-4多諧振蕩器用途：產(chǎn)生脈沖波形。第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形

多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源以后，不需要外加觸發(fā)信號就能自動的產(chǎn)生矩形脈沖。

特點：在多諧振蕩器中，由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到另一個暫穩(wěn)態(tài)，其“觸發(fā)”信號是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，因此無需外加觸發(fā)脈沖。多諧振蕩器的振蕩周期與電路的阻容元件有關(guān)。第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形6-4-1

用門電路構(gòu)成多諧振蕩器一、環(huán)形振蕩器1、組成利用門電路的傳輸延遲時間tpd，將奇數(shù)個反相器首尾相接。VO1VO2VO31G11G21G3

電路沒有穩(wěn)定狀態(tài)。因為在靜態(tài)（假定沒有振蕩）下任何一個反相器的輸入和輸出都不可能穩(wěn)定在高電平或低電平。第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形2、工作波形tVO1tVO2tVO3tpdTWTW=ntpd；n是門的數(shù)目。一般，tpd=TTL類幾十nsCMOS類幾百ns（所以，環(huán)形振蕩器的振蕩頻率f特別高）VO1VO2VO31G11G21G3二、RC環(huán)形多諧振蕩器(a)電路圖&&ui1

ui2uo2ui3uo

R

RSCG1G2&G30

uo(ui1)uo2ui3tttt(b)波形圖000

ui2(uo1)VTHt1t2t3在t1時刻，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)生負跳變。這個低電平保持uo為1，以維持已進入的這個暫穩(wěn)態(tài)。在這個暫穩(wěn)態(tài)期間，uo2（高電平）通過電阻R對電容C充電，使ui3逐漸上升。在t2時刻，ui3上升到門電路的閾值電壓VTH，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。這個高電平保持uo為0。至此，第一個暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路進入第二個暫穩(wěn)態(tài)。第一暫穩(wěn)態(tài)及其自動翻轉(zhuǎn)的工作過程(a)電路圖&&ui1

ui2uo2ui3uo

R

RSCG1G2&G30

uo(ui1)uo2ui3tttt(b)波形圖000

ui2(uo1)VTHt1t2t3第二暫穩(wěn)態(tài)及其自動翻轉(zhuǎn)的工作過程在t2時刻，uo2變?yōu)榈碗娖剑娙軨開始通過電阻R放電。隨著放電的進行，ui3逐漸下降。在t3時刻，ui3下降到VTH，使uo（ui1）又由0變?yōu)?，第二個暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路返回到第一個暫穩(wěn)態(tài)，又開始重復(fù)前面的過程。(a)電路圖&&ui1

ui2uo2ui3uo

R

RSCG1G2&G30

uo(ui1)uo2ui3tttt(b)波形圖000

ui2(uo1)VTHt1t2t3(a)電路圖&&ui1

ui2uo2ui3uo

R

RSCG1G2&G30

uo(ui1)uo2ui3tttt(b)波形圖000

ui2(uo1)VTHt1t2t3第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形6-4-2

用施密特觸發(fā)器構(gòu)成多諧振蕩器1、組成VIVO1RC+施密特觸發(fā)器的反相輸出端經(jīng)過RC積分電路接回輸入端。第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形2、工作原理接通VCC瞬間，C中無電荷，所以：1）VC=0→

2）VO=1→C充電→VI，3）VO=0→C放電→VI，VI=VT+→VO=0VI=VT-→VO=1VI=0→VO=13、電壓波形tVotVI00VT+VT-T1T2T若是CMOS電路，T1=RCln————VDD-VDD-T=T1+T2；f=1/T；q=T1/TVT-VT+T2=RCln———0-0-VT+VT-則：VIVO1RC+第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形4、電路改進占空比可調(diào)電路如圖：1CVIVOR2R1+充電經(jīng)過R2，放電經(jīng)過R1，T1=R2Cln————VDD-VT-VDD-VT+T2=R1Cln——VT+VT-q=T1/TT=T1+T2調(diào)節(jié)R1或R2，即可調(diào)節(jié)q第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形6-4-3

石英晶體多諧振蕩器一、石英晶體許多應(yīng)用場合。要求多諧振蕩器的振蕩頻率f十分穩(wěn)定，（如數(shù)字鐘的秒脈沖頻率）。上述電路的f都達不到要求。最簡便的穩(wěn)頻方法是在多諧振蕩器中接入石英晶體，構(gòu)成石英晶體多諧振蕩器。石英晶體的固有振蕩頻率fo

由結(jié)晶方向、外形尺寸決定；頻率穩(wěn)定度（Δfo/fo)可達10-10~10-11。第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形符號二、石英晶體振蕩器1、組成將石英晶體接到多諧振蕩器的正反饋回路中。VI1VOVO1VI211C1C2G1G2RF1RF22、工作原理當VO的頻率f=fo時，反饋最強，電路才起振。fo的穩(wěn)定度極高，這就解決了多諧振蕩器的穩(wěn)頻問題。石英晶體多諧振蕩器的振蕩頻率取決于石英晶體的固有頻率f0,而與外接電阻，電容無關(guān)。第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形3、參數(shù)選擇各種固有振蕩頻率fo的石英晶體已做成成品，可根據(jù)所購晶體的fo選擇電路的外接RF和C，fo一般都很高，應(yīng)利用分頻器將fo分頻為所需頻率。例如，需要頻率為1Hz的秒脈沖，可選購fo=32768Hz的晶振，通過15次二分頻獲得1Hz。多諧振蕩器分頻電路秒信號發(fā)生器第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形§6-5555定時器及其應(yīng)用555集成定時器是一種將模擬和數(shù)字電路集成于一體的電子器件,通過外加少量的阻容元件,能構(gòu)成多種用途的電路.

555定時器電路的結(jié)構(gòu)及工作原理1.電路結(jié)構(gòu)國產(chǎn)雙極型定時器CB555的電路結(jié)構(gòu):它由三個5KΩ電阻、比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器和放電管TD組成。第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形第六章脈沖波形的產(chǎn)生和整形當ic端不接控制電壓Vic時：VR2=VCC，13VR1=VCC231）Vi1>2/3VCC

Vi2>1/3VCCVo=02）Vi1<2/3VCC

Vi2<1/3VCCVo=13）Vi1<2/3VCC

Vi2>1/3VCCVo不變當RD=1時：*Q的高低確定TD

管是否導(dǎo)通。2、由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器2、由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器接通VCC后瞬間，VCC通過R對C充電，當uc上升到2VCC/3時，比較器C1輸出為0，將觸發(fā)器置0，uo＝0。這時Q=1，放電管T導(dǎo)通，C通過T放電，電路進入穩(wěn)態(tài)。

ui到來時，因為ui＜VCC/3，使C2＝0，觸發(fā)器置1，uo又由0變?yōu)?，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。由于此時Q=0，放電管T截止，VCC經(jīng)R對C充電。雖然此時觸發(fā)脈沖已消失，比較器C2的輸出變?yōu)?，但充電繼續(xù)進行，直到uc上升到2VCC/3時，比較器C1輸出為0，將觸發(fā)器置0，電路輸出uo＝0，T導(dǎo)通，C放電，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。4、由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器接通VCC后，VCC經(jīng)R1和R2對C充電。當uc上升到2VCC/3時，uo=0，T導(dǎo)通，C通過R2和T放電，uc下降。當uc下降到VCC/3時，uo又由0變?yōu)?，T截止，VCC又經(jīng)R1和R2對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。接通VCC后，VCC經(jīng)R1和R2對C充電。當uc上升到2VCC/3時，uo=0，T導(dǎo)通，C通過R2和T放電，uc下降。當uc下降到VCC/3時，uo又由0變?yōu)?，T截止，VCC又經(jīng)R1和R2對C充電。如此重復(fù)上述過程，在輸