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第 8 章 脉冲波形的产生与变换

第 8 章 脉冲波形的产生与变换. 第 8 章 脉冲波形的产生与变换. 8.1 单稳态触发器. 8.2 施密特触发器. 8.3 多谐振荡器. 8.4 555 定时器及其应用. 教学基本要求 1 、正确理解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的电路组成及工作原理。 2 、掌握多谐、单稳、施密特 MSI 器件的逻辑功能及主要指标计算。 3 、掌握 555 定时器的工作原理。 4 、掌握由 555 定时器组成的多谐、单稳、施密特电路工作原理及外接参数及电路指标的计算。. 8.1 单稳态触发器.

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第 8 章 脉冲波形的产生与变换

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  1. 第8章 脉冲波形的产生与变换

  2. 第8章 脉冲波形的产生与变换 8.1 单稳态触发器 8.2 施密特触发器 8.3 多谐振荡器 8.4 555定时器及其应用

  3. 教学基本要求 1、正确理解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的电路组成及工作原理。 2、掌握多谐、单稳、施密特MSI器件的逻辑功能及主要指标计算。 3、掌握555定时器的工作原理。 4、掌握由555定时器组成的多谐、单稳、施密特电路工作原理及外接参数及电路指标的计算。

  4. 8.1 单稳态触发器 8.1.1 门电路组成的微分型单稳态触发器 8.1.2 集成单稳态触发器 8.1.3 单稳态触发器的应用

  5. 概 述 一、单稳态触发器的工作特点： ① 电路有一个稳态，一个暂稳态。 ② 在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态; ③ 电路中RC延时环节的作用，暂稳态不能长久保持, 经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的 持续时间仅取决于RC电路的参数值。

  6. 二、单稳态触发器的组成： 由门电路和 R C电路组成 三、单稳态触发器的分类 根据RC电路的不同接法单稳态触发器分为 微分型和积分型两大类。

  7. vO1 vO2 vO1 vO2 & & vc vI R vc R vI 8.1.1 门电路组成的微分型单稳态触发器 1. 电路 CMOS或非门构成的微分型 单稳态触发器 CMOS与非门构成的微分型 单稳态触发器

  8. vI tpi t vO1 vDD t vR vDD+vth vDD vth t vO2 tw t t1 t2 2. 工作原理 8.1.1 门电路组成的 微分型单稳态触发器 vO1 vO2 1 0 vR 1 0 vc R vI 0 vDD a)没有触发信号时， 电路处于一种稳态

  9. vI tpi t vO1 vDD t vR vDD+vth vDD ¯ ­ ­ ¯ vI v v v R O2 vth o1 t vO2 ­ ¯ ­ v v v R O 2 O1 tw t t1 t2 2. 工作原理 vO1 vO2 1 1 0 vR 0 1 vc R vI vDD 1 b)外加触发信号后，电路进入暂稳态 c)电容放电，电路由暂稳态自动返回到稳态

  10. vI tpi t vO1 vDD t vR vDD+vth vDD vth t vO2 tre 3d tw t t1 t2 3. 主要参数的计算 (1) 输出脉冲宽度tw R(t)=VR()＋[VR(0+)－VR()] R(0+) = 0 R() =VDD  =RC tw≈0.7RC (2) 恢复时间tre (3) 最高工作频率 fmax

  11. vO1 vO2 vR vc R vI VCC vo2 Cd 1 vI vD Rd 4. 讨论 在暂稳态结束(t= t2)瞬间，门G2的输入电压R达到VDD+VT，可能损坏G2门，怎么办？ 输入的触发脉冲的宽度可以是任意的吗？如触发脉冲的宽度太宽会有什么问题？ 电阻R的取值可以是任意的吗？ 采用TTL与非门构成单稳电路时，电阻R要小于0.7k。 如果输入端采用微分电路时，Rd应大于2k，使得稳态时D大于G1的开门电平(VON) 。

  12. 不可重复触发 vI vI tw tw tw tw vO vO 8.1.2 集成单稳态触发器 不可重复触发 被重复触发 可重复触发

  13. Cext Rext Cext/Rext Rint G4 G5 Rint B & G6 G7 & ≥1 1 a 1 G1 G2 G8 A1 & & 1 A2 G3 1 VCC & NC NC G9 NC A1 Cext/Rext A2 B Cext Rint NC GND 1. 不可重复触发的集成单稳态触发器 74121 触发信号控制电路 微分型单稳触发器 输出缓冲电路

  14. 电路稳态 : Q=0, 电路暂稳态 : Q=1, Cext Rext Cext/Rext Rint G4 G5 Rint B & G6 G7 & ≥1 1 a 1 G1 G2 G8 A1 & & 1 A2 G3 1 & G9 (1)工作原理 1. 不可重复触发的集成单稳态触发器 74121 0 1 0 0 0 在暂稳态期间即使有触发信号输入，在a点不产生触发脉冲，只有等电路返回稳态后，电路才会被再次触发，电路属于不可重复触发单稳态触发器。 输出脉冲宽度： tw≈0.7RC

  15. A1 A2 B Q L X H L H X L H L H X X L L H H H X L H H H H H VCC H NC NC L X NC A1 L X Cext/Rext A2 B Cext Rint NC GND （2） 功能表 1. 不可重复触发的集成单稳态触发器 74121 两种触发方式 74121功能表 （3）电路连接 定时电容 定时电阻——用内部2k电阻 ——用外部电阻

  16. vDD vDD G11 G12 v12 1 1 RD G13 G14 Rext TP vc 1 1 G10 v10 TN Cext ≥1 vo4 1 1 G3 G4 ≥1 G9 G15 G16 & & & & G1 G7 G8 1 G6 G2 vo7 TR+ 1 ≥1 1 TR- G5 2. 可重复触发的集成单稳态触发器MC14528 (1)电路 输出缓冲电路 三态门 控制电路

  17. 功能 输 入 输 出 TR＋ TR－ Q 1Cextc VDD 2Cext 1Rext/Cext L × × L H 清 零 2Rext/Cext 1RD × H × L H 禁 止 2RD 1TR+ × × L L H 禁 止 2TR+ 1TR_ 单 稳 H H 2TR_ 单 稳 H L Vss 2. 可重复触发的集成单稳态触发器MC14528 功能表 引脚图

  18. vDD vDD G11 G12 v12 1 1 RD G13 G14 Rext TP va 1 1 G10 v10 TN Cext ≥1 vo4 1 1 G3 G4 ≥1 G9 G15 G16 & & & & G1 G7 G8 1 G6 G2 vo7 TR+ 1 ≥1 1 TR- G5 2. 可重复触发的集成单稳态触发器MC14528 异步清零 0 vcc 1 0 0 0 1

  19. vDD vDD G11 G12 v12 1 1 RD G13 G14 Rext TP vc 1 1 G10 v10 TN Cext ≥1 vo4 1 1 G3 G4 ≥1 G9 G15 G16 & & & & G1 G7 G8 1 G6 G2 vo7 TR+ 1 ≥1 1 TR- G5 2. 可重复触发的集成单稳态触发器MC14528 当TR+=1, TR_=0,时，电路处于稳定状态 还未充电 1 0 1 0 如果为0 合上电源时， v04=1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0

  20. vDD vDD G11 G12 v12 1 1 RD G13 G14 Rext TP vc 1 1 G10 v10 TN Cext ≥1 vo4 1 1 G3 G4 ≥1 G9 G15 G16 & & & & G1 G7 G8 1 G6 G2 vo7 TR+ 1 ≥1 1 TR- G5 2. 可重复触发的集成单稳态触发器MC14528 当TR+=1, TR_输入正脉冲时，电路发生翻转 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 电路发生第二次翻转，进入稳态。 电路发生第一次翻转，进入暂稳态。

  21. TR+ 0 t TR- t 0 VC Vth13 Vth9 t 0 tw tw t 0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t +tw 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。

  22. t w 8.1.3 单稳态触发器的应用 1. 定时 tw

  23. vI tpi t vO1 vDD t vR vDD+vth vDD vth t vO2 tw t t1 t2 2. 延时

  24. A1 A2 B Q C1 R1 C2 R2 vcc vcc vcc L X H L H Cext Cext/Rext Cext Cext/Rext X L H L H vo 74121 (Ι) 74121 (Ⅱ) X X L L H A1 A1 A2 A2 H H X L H B B H H S H H vcc vcc H L X L X 3. 组成多谐振荡器 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 单稳Ⅰ进入暂稳态，脉宽为0.7R1C1 单稳Ⅰ进入暂稳态，脉宽为0.7R1C1 单稳Ⅱ进入暂稳态，脉宽为0.7R2C2 单稳Ⅱ进入暂稳态，脉宽为0.7R2C2 T=0.7(R1C1+R2C2)

  25. 噪声 vI vcc C R vI Cext Cext/Rext vo vo 74121 vo A1 D A2 C1 vI B R 4. 组成噪声消除电路 噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号的宽度较宽。 D (R) CP 注意：单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度 而小于信号脉宽，才可消除噪声。

  26. 8.2 施密特触发器 8.2.1 门电路组成的施密特触发器 电路的组成及工作原理 振荡周期的计算 8.2.2 集成施密特触发器－CC40146 8.2.3 施密特触发器的应用

  27. vo vI vI vo VT_ VT_ VT+ VT+ 施密特触发器的工作特点： ① 施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号， 当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。 ② 电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时，电路的阈值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性 。

  28. 作如下假定： R1< R2 I为三角波 8.2.1 门电路组成的施密特触发器 vo vI v I1

  29. vI1 v v v v ↑ ↑ ↑ O 1 I I 1 O 当vI1=0，vO=0V 0 0 1 当vI上升， vI1也上升 只要vI1<Vth，则保持vO=0V 当vI1=Vth，电路发生正反馈 ： vth =

  30. vI1 v v v v O 1 I I 1 O 当vI下降， vI1也下降 1 0 只要vI1>Vth，则保持vO=VOH 当vI1=Vth，电路产生如下正反馈 ： 回差电压 VDD=2Vth

  31. vI1 vI VT+ vO VT_ VDD 0 t vO 0 t VT_ VT+ vI 0 (a) 工作波形 (b) 传输特性曲线

  32. vDD TP1 TP7 TP3 TP2 TN8 TP11 v'O vI vo TP9 TN6 TN12 TN5 TN10 TN4 vo vI VT_ VT+ 8.2.2 集成施密特触发器----CC40146 整形级 施密特触发器 输出缓冲级

  33. vI t vo vT2 t vo vT1 t 8.2.3 施密特触发器的应用 1. 波形的整形及变换 为去掉干扰信号回差电压应如何选择？ 合理选择回差电压，可消除干扰信号。

  34. vI Vth t 0 vo t 0 2. 幅度鉴别 (VT+)

  35. vI VT+ R VT_ 0 t 1 vo vI vo C VOH T2 T1 VOL t 0 3. 多谐振荡器

  36. 8.3 多谐振荡器 8.3.0 概 述 8.3.1 门电路组成的多谐振荡器 电路的组成及工作原理 振荡周期的计算 8.3.2 石英晶体振荡器

  37. VCC 多谐振荡器 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波脉冲波或方波。 8.3.0 概 述

  38. 延时环节 开关电路 8.3.0 概 述 多谐振荡器电路应由哪几部分组成？ 开关器件：产生高、低电平； 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。

  39. 8.3.1 门电路组成的多谐振荡器 开关器件： 反馈延迟环节： 1. 电路组成 逻辑门电路 R、C电路 由CMOS门电路组成的多谐振荡器

  40. VC vO1 VDD 0 ­ ¯ ­ v v v I O 1 O2 vI VDD Vth 0 vO2 VDD 0 0 1 2. 工作原理 假定vO1= 1，vO2= 0 Vth=VON=VOFF=VDD/2 (1) 第一暂稳态及电路自动翻转过程 进入 第二暂稳态

  41. VC vO1 VDD 0 vI VDD Vth 0 ¯ ­ ¯ v v v I O 1 O2 vO2 VDD 0 1 0 2. 工作原理 vO1= 0，vO2= 1 Vth=VON=VOFF=VDD/2 (2) 第二暂稳态及电路自动翻转过程 T1 T2

  42. vO1 VDD 0 vI VDD Vth 0 vO2 VDD 0 3. 振荡周期T的计算 T = T1(充) + T2(放) T1 T2 T＝RC1n4≈1.4RC

  43. ，Rs>>R (一般取 Rs=10R )。 当 4、加补偿电阻的CMOS多谐振荡器 R RON(P)+RON(N) RS C C分布（分布电容） 电源电压波动时，会使振荡频率不稳定。

  44. 8.3.2 石英晶体振荡器 1、石英晶体振荡器电路 由门电路组成的多谐振荡器，周期 T 取决于R C和 Vth，频率稳定性较差。 电路符号 阻抗频率特性 石英晶体振荡器 R：使反相器工作在线性放大区 C1：两个反相器间的耦合 C2：抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出。 优点：振荡频率稳定性高，常用作基准信号源

  45. 2、石英晶体振荡器应用

  46. 8.4 555定时器及其应用 8.4.1 555定时器 电路的组成 工作原理 8.4.2 定时器应用举例 用555定时器组成单稳态触发器 用555定时器组成多谐振荡器 用555定时器组成施密特触发器

  47. VCC RD (8) (4) 5 k (5) vIC + R & vI1 (6) C1 - 5 k G (3) & 1 vo & S - (2) vI2 C2 + 5 k (7) vo’ T (1) 8.4.1 555定时器 1、电路组成 复位输入端(0) 555定时器是一种应用方便的中规模集成电路,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。 输出缓冲反相器 电阻分压器 电压比较器 基本RS触发器 集电极开路输出三极管

  48. VCC RD (8) (4) 5 k (5) vIC + R & vI1 (6) C1 - 5 k G (3) & 1 vo & S - (2) vI2 C2 + 5 k (7) vo’ T (1) 8.4.1 555定时器 2、工作原理 0 1 如果悬空 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 保持 保持 0 1

  49. 输入 输 出 阈值输入(VI1) 触发输入(VI2) 复位(RD) 输出(VO) 放电管T × × 0 0 导通 1 1 截止 1 0 导通 1 不变 不变 555定时器功能表

  50. 输 入 输 入 输 出 输 出 VI1 VI1 VI2 VI2 VO VO T T × × × × 0 0 导通 导通 1 1 截止 截止 0 0 导通 导通 v v I I 不变 不变 不变 不变 ( ( V V ) ) CC CC - - v v 2 2 C C V V 2 2 3 3 CC CC 3 3 VCC VCC VCC VCC t t 1 1 1 1 3 3 o o Vc=0 Vc=0 8.4.2 定时器应用举例 8.4.2 定时器应用举例 一、用555定时器组成单稳态触发器——不可重复触发单稳 一、用555定时器组成单稳态触发器——不可重复触发单稳 1、工作原理 1、工作原理 a、接通电源电路进入稳态O =0 a、接通电源电路进入稳态O =0 o o t t o o t t v v O O t t t t 2 2

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