数字电路第10章脉冲波形产生

3、暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参 数，与触发脉冲的宽度无关。
6.3.1门电路组成的单稳态触发器
一、微分型单稳态触发器
图为用CMOS门电路和RC微分电 路构成的微分型单稳态触发器。
（1）在稳态下 vi=0，vi2= VDD， 故vO=0， vO1= 1
CMOS门电路可 以近似认为； VOH=VDD、 VOL=0，Vth= （12/0220）/7/13VDD 。没有触发时，阜电师院路数处科院于稳态，电容C上没有电压。
由于VO反馈到了输入端，所以即使这时负触发脉冲消 失了，在暂稳态期间vO3的高电平也将继续维持。直到 RC电路放电到Vc=VTH以后，VO才返回高电平，电路回 到稳态。可见这一电路可以实现窄脉冲触发。
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10.3.2 集成单稳态触发器 一、TTL集成单稳态触发器
微分型单稳 态触发器
为了v产I1生2↑→自激vO振2↓→荡，vI1电↓→路不vO能1↑ 有稳定状态。也就是说要保证 环 转 这 大从进路路折样而而入的放区只引使第对大）要起二称vO倍。振G个性21迅数为荡或暂，速大此。G稳这跳2于，的态一变在1输。过，至反入同程即低相端时与使电器有上反C平的2及面相开而两小的器始v端的O分工充1接迅扰析作电入速动完在而了跳，全放C反变就1一大开馈至会致状始电高被。态放阻电正（电R平反传。F1，馈和输由电回R特于F路路性2电。放的
1 tw+tre
二、积分型单稳态触发器
电路进入暂态后，电容C开始放 电，VA电位开始下降，当下降到 VTH时，VO回到高电平。待VI返 回低电平以后，VO1又重新变成 高电平，并向C充电，VA恢复为 高电平，电路回到稳态。
该电路是用TTL与非门和反相
器以及RC积分电路组成的。
为了保证VO1为低电平时VA在VTH 以下，R的阻值不能取得太大。
VI G3
G1
C
G2 Vo
由图可以看出这个电路就是在原积分型单稳态触发器的
基础上加了一个与非门G3和输出至G3的反馈线而形成的。 该电路为负脉冲触发，即平时VI为高电平。稳态时，Vo3=0， Vo1=1，Vo=1。当负脉冲来时，Vo3跳变为1，Vo1跳变为0， VO跳变为0，电路进入暂态，电容C开始通过G1放电。
C充电 Vi2
VO
Vi1
VO1
结果使G1迅速截止，G2很快导通，电路回到稳态。
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VO1=1，VO=0 阜师院数科院
假设输入波形已知，根据以上的分析可画出图10.3.1电路 中各点的电压波形，如下：
为了定量描述单稳态触发器 的性能，经常使用输出脉冲 宽度tW 、输出脉冲幅度VM、 恢复时间tre和分辨时间td等 参数。
假定电路中CMOS反相器的阈值电压Vth=VDD/2,R1<R2,输入信 号VI为三角波,分析工作过程:
根据叠加原 理可写出:
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Vi1=
பைடு நூலகம்R2
VI + R1 V0
R1+R2
R1+R2
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当Vi=0V时，G1门截止，G2门导通，输出端V0=0V。此时 Vi1=0V。输入从0V电压逐渐增加，只要Vi1<Vth，则电路保持 V0=0V。当Vi上升使得Vi1=Vth时，电路产生如下正反馈过程：
（ a）电压传输特性（b）VDD对VT＋、VT－的影响
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10.2.3施密特触发器的应用
一、用于波形变换 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用,可
以把边沿缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉 冲信号。
V0 VOH
0 VT- VT+ VI
图10.2.7 用 施密特触发器实 现波形变换
t
回差电压：△VT=VT+-VT-
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0
VT传输特性
VT+
VI
*10.2.2 集成施密特触发器
由于施密特触发器的应用非常广泛，所以无论是在TTL电路 中还是在MOS电路中，都有单片集成的施密特触发器产品。
图10.2.3 带与非功能的TTL集成施密特触发器—7413
因为在电路的输入部分附加了与的逻辑功能，同时
第十章脉冲波形的产生与脉整冲形周期T——周期性重复
10.1 概述
的脉冲序列中，两个相邻 脉冲之间的时间间隔。
获取矩形脉冲波形的途径不外脉乎冲幅有度两V种M—:用—多脉谐冲电振压 荡器产生;通过整形电路把已有的的最周大期变性化幅变度化。的波
形变换为符合要求的矩形脉冲。脉冲宽度tw——从脉冲前沿
到达0.5VM起，到脉冲后沿 到达0.5VM为止的一段时间。 占空比q——脉冲宽度与脉
三要素：VC（0）=0，VC（）=VDD，=RC， VC（tw）=Vth=1/2（VDD）=VDD -VDDe-tw/RC
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tw=RCln2=0.7RC 阜师院数科院
（2）输出脉冲的幅度： VM=VOH- VOL≈VDD
(3).恢复时间tre
暂稳态结束后,还需要一段恢复时间,以便电容C在暂稳期间
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二、用于脉冲波形的整形 2020图/7/1310.2.8 用施密特触阜师发院数器科院对脉冲整形
三、用于脉冲鉴幅
图10.2.9 用施密特触发器鉴别脉冲幅度
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10.3单稳态触发器 (Monostable Multivibrator)
具有下述特点：1、电路有一个稳态、一个暂稳态； 2、在外来触发信号作用下，电路由稳态转到暂 稳态；经过一段时间后，电路会自动返回稳态。
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Vi继续上升至最大值后开始下降,当Vi1=Vth时,电路产生如 下正反馈过程:
Vi1
VO1
VO
结果VO迅速回0
VI
Vi1=Vth=
R2
R1+R2
R1 .VT- + R1+R2
VT+
.VDD
VT0
VO
t
将VDD=2Vth代入可得
VOH
VT-=(1 - R1 )Vth R2
0 VO
工作波形
通常Rext的取值在2~30K之间，Cext的取值在10pF~10µF 2之020间/7/1，3 得到tW可达20ns~2阜0师0院m数s科。院内置电阻Rint=2K 。
图10.3.11 集成单稳态触发器74121的外部连接方 法（a）使用外接电阻Rext （下降沿触发）
（b）使用内部电阻Rint （上升沿触发）
Vi1
Vo1
Vo
结果是使V0很 快变为VDD
正向阈值电压：输入电压 Vi由小变大使电路输出发 生突变所对应的值。
Vi1=Vth=
R2
R1+R2
所以 VT+=(1+ R1
R2
.VT+ )Vth
Vi
VT+
VT-
VO0 VOH
t
0 工作波形 t
当Vi1>Vth时,电路状态维持
2V02O0/=7/V13 DD不变。
窄脉冲输入的情况说明，当 输入脉冲窄于电路暂稳时间 时，电路输出将随输入脉冲 变，已失去了单稳态的意义。
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另外，该电路与微分型单稳态触 发器相比存在的缺点是输出波形 的边沿比较差，这是因为该电路 没有正反馈作用。
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改进的积分型单稳态触发器——窄脉冲触发的积分型单稳
Vo3
Vo1 R
所充的电荷释放完,使电路恢复初始状态。一般要经过3d （ d=RONC为放电时间常数）的时间。C 放电的等效电路如 上。
(4).分辨时间td
是指在保证电路正常工作的前提下，允许两个相邻触发脉
冲之间的最小时间间隔，td=tw+tre ，即最高工作频率
fMAX=1/td
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fMAX=
td1阜师院数<科院
输入控 制电路
输出缓冲电路
图10.3.9 集成单稳态触发器74121简化的逻辑图
如果把G5和G6合在一起视为一个具有施密特触发特性的或非门， 则这个电路与前面所讨论的微分型单稳态触发器基本相同。它用
门2G0240给/7/13出的正脉冲触发，暂阜稳师院时数科间院由Rext和Cext决定。
门G1~G4组成的输入控制电路用于实现上升沿触发或下降沿触 发的控制。
稳态时，由于VI=0，所以 VO=VOH，VA=VO1=VOH。
当输入正脉冲以后，VO1跳变为 低电平，但由于电容C上的电压 不能突变，所以在一段时间里VA 仍在202V0/7T/1H3以上。G2两个输入为阜师1院，数科使院 vO跳变为0，电路进入暂态。
暂稳时间tW为从电容开始放电到VA下降至VTH所需的时间。 所以有：
74121、74221、74LS221都是不可重复触发的单稳态触 发器。74122、74123等是可重复触发的单稳态触发器。
202*0/二7/13、CMOS集成单稳态阜师触院发数科器院
10.4多谐振荡器 Astable Multivibrator
多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在电源接通后，无需 外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形波或方波。
VC（0）=VOH，VC（∞）=VOL， =（R+RO）C
VC(t)=VC （）- [VC（ ） -VC （0）]e-t/
VC（tw）=VTH=VOL-（VOL-VOH） e-t/
tW
(
R
RO
)C
ln
VOL VOL
VOH VTH
输出脉冲幅度：Vm=VOH-VOL 图10.3.7 图10.3.5电路中电容C的放电回路和vA的波形
V0 VOH
(1) 属于电平触发,当输入信号达到某一定 电压值时,输出电压会发生突变;
（2）输入信号增加和减少时，电路有不同
的v阈i1 值电压。
0
VT- VT+
利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢 VI 的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而
电压传输特性
且可以将叠加在脉冲信号高低电平上的噪
10.2.1门电路组成的施声密有特效触地发清器除。
输出端附加了反相器，所以它也叫施密特触发的与非
门，集成电路手册中将其归入与非门类。
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图10.2.4 集成施密特触发器7413的 电压传输特性
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图10.2.5 CMOS集成施密特触发器 CC40106
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图10.2.6 集成施密特触发器CC40106的特性
冲周期的比值，即q=tw/T
上升时间tr——脉冲前沿从 0.1VM上升到0.9VM所需要 的时间。
下降时间tf——脉冲后沿从
2020/7图/13 10.1.1 描述矩形阜脉师院冲数科特院0的性.9时的VM间主下。要降到参0数.1VM所需要
10.2施密特触发器（Schmitt Trigger）
它是脉冲波形变换中经常使用的一种电路具有下述特点:
10.4.1对称式多谐振荡器
1.电路组成及工作原理
RF取值 0.5~1.9K
图10.4.1 对称式多谐振荡 图10.4.2 TTL反相器
器电路 2020/7/13
阜师院数科院（7404）的电压传输特性
如下图正10反.4.馈1所过示程的：对称式多谐振荡器，是由两个反相器G1和 G2经耦合电容C1和C2连接起来的正反馈振荡电路。
（2）当外加触发信号时，电路由稳态翻转到暂态暂
当Vi正跳变来时，在Rd、Cd组成的微分电路输出端得到很窄的 正脉冲，使 G1输出V01由高变为低电平，经电容C耦合，使Vi2 为D低电平，于是G2的输出变为高电平。即，VO1=0，VO=1。 由于G2的输出与G1的输入端相连，这时即使触发信号再变为 低电平，G1输出暂时也不会变回高电平。即，维持暂态。 （3）电容C充电，电路由暂态自动返回稳态 在暂稳期间，电源经G1的导通管及电阻R对电容充电。随着电 容两端的电压的增长，当Vi2上升到G2的阈值电压Vth时，电路 发生下述正反馈过程：
（a）放电回路 （b） vA的波形
恢复时间是从VO1跳变为高电平后电容C充电至VOH所经过的时 间。2若020/取7/13充电时间常数的3~5阜倍师，院数则科院得tre=（3~5）（R+RO1）C
这个电路的分辨时间为：td=tTR+tre
与微分型单稳态触发器相比，积分型单稳态触发器具有抗干 扰能力强的优点。同时这也是这种电路的缺点，因为它不适应 窄脉冲触发。
输入
输出
电路处于 稳定状态
A1
A2
0
X
X
0
X
X
B
vO
vO’
1
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
X
0
1
电路由下 降沿触发
1
↓
1
↓
1
1
电路由 上升沿 触发
↓
↓
1
0
X
↑
X
0
↑
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表10.3阜.1师院集数成科院单稳态触发器74121的功能
图10.3.10 集成单稳态触发器74121的 工作波形图
输出脉冲宽度： tW=RextCextln2=0.69RextCext
图12002.03/7/.123 图10.3.1电路的阜师电院数压科院波形图
主要参数的计算
（1）输出脉冲宽度tw 输出脉冲宽度tw 等于从电容C开始 充电到vi2上升至 VTH的这段时间。
在RON＜＜R的情况下，等效电路可简化为简单的 RC串联电路。该电路的过度过程可用三要素法求 解。
VC(t)=VC （）- [VC（ ） -VC （0）]e-t/