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1、第8章 脉冲波形的 变换与产生,本章内容和要求,主要内容讨论几种脉冲波形的变换和产生电路:单稳态触发器，施密特触发器,多谐振荡器, 定时器等。教学要求掌握多谐振荡器,施密特触发器,单稳态触发器的电路构成和原理。掌握定时器的功能和具体应用。,8.1 单稳态触发器,单稳态触发器与前面介绍的触发器不同，它具有下述特点：,1、电路有一个稳态、一个暂稳态,没有触发信号作用时电路处于稳态。,2、在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态，暂稳态不能长久保持。,3、暂稳态维持一段时间后，会自动回到稳态，它的持续时间取决于延时环节RC电路的参数值。单稳态触发器的这些特点广泛应用于脉冲波形的变换、定时与延时中
2、。,8.1.1 用CMOS门电路组成的微分型单稳态触发器,1、电路组成及工作原理,微分型单稳态触发器可由逻辑门和RC电路组成，由于构成单稳态触发器的两个逻辑门是由RC微分电路耦合，故称为微分型单稳态触发器。,右图为CMOS门构成的单稳态触发器电路。(a)图有错： Rd下端应接VDD ；或不要Cd,直连VI，对TTL门，电路正确。但要求RdRON。,微分型单稳态触发器(图b)的工作过程及原理,外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态： vI vo1 vD vo,设CMOS门电路的电压传输特性理想化，且其反相器的阈值电压VTHVDD2,没有触发信号时，电路处于一种稳态。,没有触发信号时，VI为低电平，
3、 VD为高电平，电路的稳态是：vo1=VOH, vo=VOL。注意： vo即G2门输出vo2,正反馈过程达到的暂稳态是： vo=VOH, vo1 =VOL,微分型单稳态触发器(图b:或非门及非门构成)的工作过程及原理,0,0,0,1,1,1)没有触发信号时，电路处于一种稳态：vo1=VOH, vo2=VOL。 (电容端电压近似为0）,(vo),（3）电容充电，电路由暂稳态自动返回至稳态,在暂稳态期间，电源经电阻R和门G1的导通工作管对电容C充电，电路发生下述正反馈过程（设此时触发器脉冲已消失）： C充电 vD vo vo1,于是G1门迅速截止，G2门很快导通，电路由暂稳态自动返回至稳态： vo
4、1 =VOH, vo =VOL，电容将通过电阻R放电，使其上的电压恢复到初值。,微分型单稳态触发器(图b:或非门及非门构成)的工作过程及原理,1,1,1,0,0,3)电容放电，电路由暂稳态自动返回到稳态： vo1=VOH, vo2=VOL,2)外加触发信号后，电路进入暂稳态：vo2=VOH, vo1=VOL；电容开始充电。,(vo),电路各点的工作波形,图812 微分型单稳态触发器各点工作波形,(vo2),2、微分型单稳态触发器主要参数的计算,（1）输出脉冲宽度tw输出脉冲宽度tw，也就是暂稳态的维持时间，可以根据VD的波形进行计算。将触发脉冲作用的起始时刻t1作为时间起点，于是有VD(0+)
5、=0, VD()=vDD, =RC, 代人瞬态过程公式得 VD(t)= vDD 0 vDDet/, 当t = tw时， VD(tw) = Vth, 代人可求得 tw=RC,当Vth=VDD/2,则tw0.7RC, 恢复时间tre暂稳态结束后，使电路恢复到初始状态所需要的时间称为恢复时间tre。一般要经过（35）(为放电时间常数）的时间，放电才基本结束，故tre 3。 RC. 最高工作频率fmax 设触发信号的时间间隔（即周期）为T，为使电路正常工作，应满足T（tw tre）的条件，即最小时间间隔Tmin= tw tre, 因此，单稳态触发器的 最高工作频率,3. 讨论,如图8.1.2所示，在暂
6、稳态结束瞬间（t=t2),门G2的输入电压VD达到VDDVth,为避免CMOS门损坏，器件内部设有保护二极管D。当输入脉冲宽度tpi很宽时，可在单稳态触发器的输入端加入Rd 、 Cd 组成的微分电路。如在G2的输出端加入反相器G3则可改善输出波形。若采用TTL 与非门构成如图8.1.1a所示的单稳电路时， 电阻R要小于0.7 k。如果输入端采用Rd 、 Cd 微分电路时， Rd 的数值应大于2 k。以保证稳态时G2输入为低电平， G1输入为高电平。如用CMOS门，则电阻值不受此限制。,图813 宽脉冲触发的单稳电路,D,8.1.2 集成单稳态触发器两种单稳态触发器的工作波形如下图所示,图a为不
7、可重复触发的单稳态触发器的工作波形图b为可重复触发的单稳态触发器的工波形。两者的区别是：触发器在暂稳态期间，如有触发脉冲作用，前者不受影响，后者会重新被触发，暂稳态从最后触发沿起，继续延长tw时间。,图814 两种单稳电路工作波形,1. 不可重复触发的集成单稳态触发器电路,不可重复触发的集成单稳态触发器电路引脚图,TTL集成器件74121图,(1)不可重复触发的集成单稳态触发器电路连接,内部定时电阻（2k)，外接定时电阻（1.4k-40 k之间)。,（2）不可重复触发的集成单稳态触发器工作原理,电路由触发信号控制电路、微分型单稳态触发器及输出缓冲电路组成。, 74121的输出脉冲宽度tw0.7
8、RC。,表8.1.1 74121功能表,（3） 逻辑功能,触发方式74121集成单稳态触发器有3个触发输入端，由功能表可知，在下列情况下，电路可由稳态翻转到暂稳态（有正脉冲输出）：,若A1,A2两个输入中有一个或两个为低电平，B发生由0到1的正跳变。,若B和A1,A2均为高电平，A输入中有一个或两个产生由1到0的负跳变。,（4）工作波形,2、可重复触发的集成单稳态触发器电路,2、可重复触发的集成单稳态触发器电路芯片,可重复触发的集成单稳态触发器工作原理,电路主要由三态门，积分电路、控制电路组成的积分型单稳态触发器及输出缓冲电路组成。分析：,可重复触发的集成单稳态触发器工作原理,触发与定时,注意
9、： vth13 vth9,2. 可重复触发的集成单稳态触发器MC14528,工作波形,脉冲宽度包括电容充电和放电两段。,本图不含第2种触发方式,稳态,1.定时可使电路在一定脉冲宽度的时间内动作或不动作。,图8.1.10单稳态触发器作定时电路的应用,tw,t w,8.1.3 单稳态触发器的应用,(a）逻辑图,(b)波形图,2、延迟,图8.1.11 由单稳构成的延迟电路,(VO0),延迟电路工作波形：,vo脉冲的上升沿相对于输入信号vi的上升沿延迟了tw1时间。,3. 组成噪声消除电路,D,CP,(R),噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号的宽度较宽。如图b,注意：单稳触发器的输出脉宽应大于
10、噪声宽度 而小于信号脉宽，才可消除噪声。,8.2 施密特触发器,施密特触发器的电压传输特性:,1、电平触发，滞回特性,2、上限阈值电压VT+,3、下限阈值电压VT-,4、回差电压V=VT+-VT-,图821 施密特电路的传输特性,同相输出,反相输出,8.2.1 门电路组成的施密特触发器,v I1,vo,vI,R1 R2,I为三角波,作如下假定：,1.电路组成,由叠加原理得,vI1,0,0,只要vI1 Vth，则保持vO =VOH,当vI1 =Vth，电路产生如下正反馈 ：,当vI下降， vI1也下降,0,将VDD=2Vth代人可得,回差电压,图8.2.3 施密特触发器工作波形及传输特性曲线,v
11、I1,3.工作波形及电压传输特性,VOH,图8.2.3 施密特触发器工作波形及传输特性曲线,vI1,3.工作波形及电压传输特性,VOH,例8.2.1 在图8.2.2所示的电路中，电源电压VDD=10V,G1，G2选用CC4069反相器，其负载电流最大允许值IOH(max)=1.3mA,门的阈值电压VTH(12)VDD=5V,且（R1R2)=0.5。,（1）求VT+, VT-和VT。,（2）试选择R1,R2值。,vI1,解：,vI1,解：（1）,（2）,为保证反相器G2输出高电平时不过载，应,当选R215k时，R1=(12)R2=7.5 k,考虑到,vI1,8.2.2 集成施密特触发器(CC40
12、106),图8.2.4 CMOS集成施密特触发器电路,(1) 施密特电路,设P沟道MOS管的开启电压为VTP,N沟道MOS管的开启电压为VTN,输入信号VI为三角波。当VI=0时，,VO=VOH,vs5VDDVGSN6较高,当VI电位逐渐升高到VI VTN时， TN4先导通， VI电位逐渐升高,到TP1TP2趋于截止并使VI -vs5 VTN 时，TN5导通并引起如下正反馈过程：VOVS5 VGS5RON5(TN5导通电阻),于是VO为低电平，VO=0.,电路原理分析：,(1) 施密特电路,电路又转换到VO=VOH的状态。,在VDDVTN+|VTP|的条件下，VT+远大于VDD2，且随着VDD
13、增加而增加。而VT-也要比VDD2低很多。,(2) 整形级,利用两级反相器的正反馈作用使输出波形有陡直的上升沿和下降沿。,(3) 输出级反相器缓冲级,8.2.3 施密特触发器的应用,1. 波形的变换,图8.2.5 利用施密特触发器实现波形变换：正弦波变矩形波,2. 波形的整形和抗干扰,8.2.3 施密特触发器的应用,波形的整形和抗干扰,8.2.3 施密特触发器的应用,(a)具有顶部干扰的输入波形,（b) 回差电压小时的输出波形,(c)回差电压大时的输出波形,图8.2.7利用回差电压抗干扰,合理选择回差电压，可消除干扰信号。,(a),(b),(c),3. 幅度鉴别,幅度超过vth (可设置vth
14、 vT+ ）的脉冲使电路有脉冲输出；幅度小于vth的脉冲则电路没有脉冲输出。从而达到幅度鉴别的目的。,8.3.1 门电路组成的多谐振荡器,8.3.2 用施密特触发器构成波形产生电路,8.3 多谐振荡器, 电路的组成及工作原理, 振荡周期的计算,8.3.3 石英晶体振荡器,多谐振荡器是一种自激振荡器，电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲波或方波。由于多谐振荡器在工作过程中没有稳定状态，故又称为无稳态电路。,8.3多谐振荡器,概 述,8.3 多谐振荡器,开关器件：如门电路、电压比较器、BJT管；作用是产生高、低电平；,多谐振荡器电路应由哪几部分组成？,反馈延迟环节：利用RC电路的充放电特性实现延时，将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态，以获得所需要的振荡频率。,概 述,8.3.1 门电路组成的多谐振荡器,1. 电路组成,开关器件：反馈延迟环节：,由CMOS门电路组成的多谐振荡器,
