脉冲波形的变换与产生(1)

9
2、用与非门组成：
ui
ui 1
0C uo1
&
0
1
A 1 uo2
uo10
t1
t
R较小 R
t 在ui负脉冲到来以前（稳态）：uA0
uo1=0，uo2=1
t
当 ui 发生负跳变后： uo1 和uA跟着正跳变，
uo20
uo2 立即下跳（暂稳态）。
t
0
ui
C uo1
&
1
A
R
uo2
ui uo10
t1
t
Uo1向C充电，uA下降。
tW
vA (tW ) VT VIHe RC
tW
RC ln VIH VT
33
§8.3 多谐振荡器
矩形波发生器又称多谐振荡器。它可以由分立 元件构成，也可以由集成电路构成。
一、 门电路组成的多谐振荡器：
利用逻辑门电路的传输延迟时间，将奇数个与非 门首尾相接，就可以构成一个简单的环形振荡器:
1 uo1 1 uo2 1
uA
UT
只要uA<UT，uo就
0U
t
不反转。
40
uo
0
uo1
t2
t
uo1
uo2
1
1
A RS
1
0
t
100 R
u uo o2
C
0
t
uA
当uA=UT 时(t2) ，uo、 uo1、uo2再次反转。
UT 0U
t
B
5
Q
6
GND
7
14
VDD
NC 13
12
NC
11
Rext / Cext
10
Cext
9
Rint
8
NC
14
A1 A2 xx x0 0x 11
1 1
0x x0
74LS121功能表
B
Q
0
0
1
0
1
0
x
0
1 1 1
Q
说明
1 1
1 稳态
1
触发
15
74LS121的使用方法（P393):
定时电容接在10、11脚之间，定时电阻有两种选择： 1. 采用内部定时电阻（2K ）：9脚接到14脚。 2. 采用外部定时电阻（1.4~40K ）：9脚悬空， 电阻接到11、14脚之间。
(b) 74132 的引脚排列图
28
三、施密特触发器应用举例：
1、波形变换：
29
2、脉冲整形与抗干扰：
30
3、脉冲鉴幅：
4、组成的单稳态触发器
vi C vA
vo
R
32
t
vA (t) vA () [vA (0) vA ()]e
vA(0) VIH , vA() 0, RC
t
vA (t) VIH e RC
18
三、 单稳态触发器的应用
单稳的应用多种多样，如：定时、延时控 制、整形（消噪）、多谐振荡器等等。 1、 延时控制 ：
利用单稳可以取得延时作用，延长的时间 可以通过 R、C调节。
19
ABC D
时钟
CP QA QB QC QD
74 LS194 (1)
CLR R
+ 5V
移位输入
S0 S1
R2 C2
t
uA=UT时：uo2上跳。
uA0
之后uA继续下降。
UT
Ui负脉冲过后，uo2保持高电平。uo20
t
CMOS门电路：
tW
RC ln VDD UT
t 0
tW
（补充）积分型单稳态触发器：
ui VDD
0
t
VGDDND
uo1
ui
G1
C G2
≥1
R
uo1
uA
≥1
uo2
0 uA
VT 0
t t
uo2
(a) 电路
开始T1饱和T2截止
vi’↓→ ic1↓→ vc1↑→ ic2↑
vbe↓←vE↑ 迅速导致T1截止 T2饱和 由于R2>R3，所以T1饱和时的vE低于所以T1饱和时的vE， 使转变时的输入电压VT+高于VT-，两者差称回差电压∆VT
2、CMOS集成施密特触发器
vi=0： T1 、 T2导通， T4 、 T5截止， vo ’ 高电平， vo 高电平
tW
vA (tW ) Vth VDD (1 e RC )
t
vA (t) VDD (1 e RC )
tW
RC ln VDD VDD Vth
当Vth=VDD/2时，tw=RCln2
电路的改进
VDD
ui C1
G1
R
G2
≥1 C
≥1
uo2
R1
uo1
uA
当ui的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个RC微分电路， 否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门G1被ui封住了，会使uo2的 下降沿变缓。
12
二、集成单稳态触发器
1、不可重复触发的集成单稳态触发器： 74 121是一种不可重复触发的集成化单
稳态触发器。包括触发信号控制电路、微分 型单稳态触发器及输出缓冲电路。单稳输出 脉冲的宽度，主要由外接的定时电阻( R )和定 时电容( C )决定。
13
74 121管脚图
Q
1
NC
2
A1
3
A2
4
VDD 3A 3B 3Y 4Y 4B 4A
14 13 12 11 10 9 8 4093
1234567
1A 1B 1Y 2Y 2B 2A VSS (b) 4093 的引脚排列图
VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y
14 13 12 11 10 9 8 74132
1234567
1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND
uo1＝1，uo2＝0。
ui
0
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t
VDD
VDD uo1
ui 1
G1 ≥1
0C
R
G2 ≥1
1 uo2
0 VDD uA
t
uo1
uA
0
t
uo2
tP
(a) 电路
0
t
(b) 波形
（2）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态 当正触发脉冲ui到来时，门G1输出uo1由1变为0。由于电容电压不能跃变，
uA也随之跳变到低电平，使门G2的输出uO2变为1。这个高电平反馈到门G1的 输入端，此时即使ui的触发信号撤除，仍能维持门G1的低电平输出。但是电路 的这种状态是不能长久保持的，所以称为暂稳态。暂稳态时，uo1＝0，uo2＝1。
7
VDD
ui
ui
G1
≥1
CR
G2 ≥1
uo1
uA
uo2
0 VDD uo1
t
0
t
(a) 电路
VDD uA
t
vA (t) VDD (1 e RC )
0
uo2 tP
t
0
t
脉冲宽度：tp=0.7RC
(b) 波形
t
vA (t) vA () [vA (0) vA ()]e
vA(0) 0, vA() VDD, RC
B1 74121(2)
A1
Q2
A2
E FG H
CP QA QB QC QD
74 LS194 (2)
CLR R
S0 S1
R1 C1
Q1
B
74121(1)A1 A2
用波形图表示如下:
CP A B C D E F G
H t0
Q1 Q2
t1 t2 t3
用波形图表示如下:
CP A B C D E F G
H t0
数字电子电路
第八章 脉冲波形的变换与产生
授课人：庄友谊
1
第八章 脉冲波形的变换与产生
概述 §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定时器的原理和应用
2
概述
数字电路区别于模拟电路的主要特 点之一是：它的工作信号是离散的脉冲 信号。最常用的脉冲信号是方波 ( 矩形 波)。如何产生方波以及对不理想的方波 如何整形，是本章讨论的重点。
uo3
34
设 uo3 的初始状态为0:
1 uo1 1 uo2 1
uo3
1 1 02 0
3
1
0
1
用波形图来表示,则为:
uo3
t
0
优点: 电路结构简单,所用元件少。 缺点: 频率太高,并且不可调整。
1 uo1 1 uo2 1
uo3
在原电路的基础上添加RC延时电路,便可以 克服上图的不足:
uo1
uo2
uo1、uo2也一起反转。 UT
0
t
38
uo
0
t
uo1
uo1
uo2
A RS
1
1
100 R
1
uo
0
t
C
uo2
0
t
由于电容电压不能
uA
突变,当uo1 发生下跳
UT
时,uA有一突变。
0
U
t
39
uo
0
t1
t
uo1
uo1
uo2
1
1
A RS
1
0
t
100 R
u uo o2
C
0
t
t1 后，uo2>uo1，电容反向充 电,uA上升。
6
VDD
ui
ui 0
G1 ≥1
1C
uo1
R 1 G2
≥1 uA
0 uo2
0 VDD uo1
t
0
t
(a) 电路
VDD uA
0
t
uo2
tP
0
t
（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态
(b) 波形
在暂稳态期间，VDD经R和G1的导通工作管对C充电，随着充电的进行，C上 的电荷逐渐增多，使uA升高。当uA上升到阈值电压UT时，G2的输出uo2由1变为0。 由于这时G1输入触发信号已经过去，G1的输出状态只由uo2决定，所以G1又返回 到稳定的高电平输出。uA随之向正方向跳变，加速了G2的输出向低电平变化。 最后使电路退出暂稳态而进入稳态，此时uo1＝1，uo2＝0。
A RS
1
1
100 R
1
uo
C
36
假设：开始时uo=0
uo
0
t
uo1
uo2
1
1
A RS
1
uo1
1
0 100 R
uo
0
C
0
t
uo2
电容上的电流，
uA下降
0
t
uA
UT
uA>UT时，uo不反转。 0
t
uo
0
t
uo1
uo1
uo2
A RS
1
1
1
100 R
uo
0
t
C
uo2
0
t
当uA=UT时，uo反转， uA
0
tP
t
(b) 波形
稳态时，ui＝1，G1、G2均导通。uo1＝0，uA＝0，uo2＝0。 ui负跳变到0时，G1截止，uo1随之跳变到1。由于电容电压不能跃变，uA仍为0， 故门G2截止，uo2跳变到1。在G1、G2截止时，C通过R和G1的导通管放电，使uA逐渐 上升。当uA上升到管子的开启电压UT时，如果ui仍为低电平，G2导通，uo2变为0。当ui 回到高电平后，G1导通，C又通过R和G1的导通管充电，电路恢复到稳定状态。
5
1Q 6
1Q
7
VSS
8
VDD
16
15
2Cext
14
2Rext/2Cext
13
2RD
12
2TR+
11
2TR-
10 2Q
9
2Q
17
MC14528功能表
RD
TR+
TR-
0
x
x
Q
Q
说明
0
1
清零
x
1
x
x
x
0
0
1
稳态
0
1
1
1
1
0
触发
与前一种单稳态触发器的区别：
当电路处在暂稳态，再来触发信号，暂稳态
的时间将增加tw，即可重复触发。
tW = R Cln2
单位 ： RT: k、CT: Pf、tW: nS
16
2、可重复触发的集成单稳态触发器：
MC14528是一种可 重复触发的集成单稳态触 发器。包括三态门、积分 型单稳态触发器控制电路 及输出缓冲电路。
MC14528管脚图
1Cext
1
1Rext/1Cext 2
1RD
3
1TR+
4
1TR-
R2 R1 R2
(VDD VT )
VT
R1 R2 R2
VTH
R1 R2
VDD
回差电压∆VT
VT
VT
VT
2
R1 R2
VTH
二、集成施密特触发器:
1、TTL集成施密特触发器
当vi升高： 开始T1截止T2饱和 vi’↑ → ic1↑ → vc1↓→ ic2↓
vbe↑←vE↓ 迅速导致T1饱和T2截止 当vi下降：
3
§8.1 单稳态触发器
特点: 1、输出端只有一个稳定状态,
另一个状态则是暂稳态。 2、加入触发信号,电路由稳态转入暂稳态。
3、 经过一定时间以后,电路又会自动返回 原来的 稳定状态。
由外界触发
暂稳态
自动返回
稳定状态
稳定状态
学习的重点:为什么会自动返回?需多少时间? 4
一、由门电路组成的微分型单稳态触发器
14 13 12 11 10 9 8 40106
1234567
1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y VSS (a) 40106 的引脚排列图
VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y
14 13 12 11 10 9 8 7414
1234567
1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND (a) 7414 的引脚排列图
Q1 Q2
移位寄存器串 行输入为1
H灯上升沿触 发Q1
Q1的下降沿 触发Q2
循环重新 开始
t1
t2
移位寄存器 清零
t3
2、脉冲的定时
ui
o
uo
t
B
tw
&
o
t
A
A
B o t
单稳态电路
uo
o
t
ui
(b)
只有在tw时间内,与门才开门,信号A才能通过与门
§8.2 施密特触发器
vo VOH
vo VOH
0
VT-
VT+
vi
0
VT-
VT+
vi
24
一、门电路组成的施密特触发器
假设非门的阈值电压VTH=VDD/2，R1< R2
当vi由0升高：
达到阈值电压VTH
vi1 VTH
R1
R2 R2
VT
VT
R1 R2 R2
VTH
R1
1
vi
vi1
R2
1
vo1
vo
当vi由高电压下降：
达到阈值电压VTH
vi1
VTH
VDD
1、用CMOS或非门组成：
ui
0
t
VDD
VDD uo1
ui 0
G1 ≥1
1
C
R 1 G2 ≥1
0
uo2
0 VDD uA
t
uo1
uA
0
t
uo2
tP
(a) 电路
0
t
（1）没有触发信号时电路工作在稳态：
(b) 波形
当没有触发信号时，ui为低电平。因为门G2的输入端经电阻R接至VDD，VA为高 电平，因此uo2为低电平；门G1的两个输入均为0，其输出uo1为高电平，电容C两端 的电压接近为0。这是电路的稳态，在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：
vi升高： 当vi>Vth，T4 先导通，开始T5 截止，继续增大vi直到T1、T2 趋于截止，vo’ 开始减少。
当vi- vS5> Vth：
vo ’
vs5
vGS5
RON5
导致T1、T2迅速截止， vo =0
当vi由高电平下降过程是上述的逆过程
集成施密特触发器：
VDD 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y