数字电子技术第10章 波形发生

3. 主要参数的计算 (1) 输出脉冲宽度tw
R(0+) = 0 R() =VDD =RC R(t)=VR()＋[VR(0+)－VR()]
vI ` tpi
e
-t
τ
vDD
vR
vO1
t t
vth
tw
VDD tw RC ln VDD Vth
vDD+ vth vDD
vO2
tw≈0.7RC
功能： （1）触发方式：
（2）定时元件接法：
图(a)：外接电阻 图(b)：用内部电阻 R=Rext（1.4~40kΩ）。 R＝Rint (约为2kΩ)。 74121应用电路
输出脉冲uO的宽度：tw ≈ 0.7RCext 外接电容 Cext 一般取值范围为 10pF ～ 10μF ，在 要求不高的情况下最大值可达1000μF。
电路会迅速转换为 G1 导通、 G2 截止，输出为 UOH，即 uO=VDD 的状态（第二稳态）。此时的 uI值 称为施密特触发器的上限触发转换电平 UT+ 。显然， uI继续上升，电路的状态不会改变。
如果 uI下降， uI1也会下降。当 uI1下降到 UTH时， 电路又会产生以下的正反馈过程：
3. TTL集成单稳态触发器电路74121的功能及其应用 74121是一种不可重复触发的单稳态触发器，它 外接定时 既可采用上升沿触发，又可采用下降沿触发，其内 触发输 元件引脚 部还设有定时电阻 R ( 约为 2 kΩ) 。 内部电 int 入端 输出端 阻引脚 74121电路的功能表
74121的电路符号
C vO1 G1
0
0v
t VT+(VOH-VOL) v I1 VT t VT-(VOH-VOL)
I3
vI2
vO2 R
G2
RS
vI3
vO
G3
0
RC环形振荡器
RC环形振荡器理想工作波形
Байду номын сангаас
tw1≈0.98(R∥R1)C tw2≈1.26RC T=tw1+tw2 ≈ 0.98(R∥R1)C+1.26RC
式中的R、C是外接，R1是TTL与非门中的R1。 当R1>>R时， 振荡周期为：
10.2.3 单稳态触发器的应用
单稳态触发器的主要应用是整形、定时和延时。
（1）. 脉冲延时 如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳
电路来实现。
uO的下降沿比uI单稳电路的延时作用 的下降沿延迟了tw的时间。
10.2.3 单稳态触发器的应用
（2）. 脉冲定时 单稳态触发器能够产生一定宽度tw的矩形脉冲， 利用这个脉冲去控制某一电路，则可使它在tw时间 内动作(或者不动作)。
脉冲定时
10.3 施密特触发器
10.3.1 用门电路构成的施密特触发器 10.3.2 集成施密特触发器及其应用
10.3 施密特触发器
主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿 陡峭的矩形波。 特点： ⑴电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持和 转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平触发。 ⑵电压传输特性特殊，电路有两个转换电平（上 限触发转换电平UT+和下限触发转换电平UT－）。 ⑶状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭 的矩形脉冲。
1.最简单的环形振荡器
0 vI1 vI2 vI3 G2
vO(vI1)
tpd
vO1 (vI2)
t
G1
vO1
vO2
vO G3
0
vO2(vI3) 0 (b)图工作波形图 t t
(a)电路原理图
简单的环形振荡器
2. RC环形多谐振荡器
在简单环形振荡电路中引进RC电路作为延时环 节，形成RC环形多谐振荡器。
由稳压电路：VO VZ 10V
R2vO 由虚短、虚断：vI vN vP R1 R2 Rv Vth vI 2 O 5V R1 R2
(c)
vI VT+= +5V O VT– = –5V t1 t3 t
vO +10V
(d)
（2）传输特性
（3）输出电压波形 反相迟滞比较器
vO1
1
vO2
0
微分型单稳态触发器 2. 工作原理
vI
`
1
1
vR
tpi
vDD vDD+ vth vDD
vO2 vR
vO1
t
vI
0

vc

1
R vDD
t0
vth
t
tw t1 t2
a)没有触发信号时， 电路处于一种稳态
t
10.2.1 门电路组成的微 分型单稳态触发器 2. 工作原理
vI vO1
vO1
电路会迅速转换为G1截止、G2导通、输出为 UOL的第一稳态。此时的uI值称为施密特触发器的下 限触发转换电平UT－。uI再下降，电路将保持状态 不变。
（2）工作波形与电压传输特性 施密特触发器将三角波uI变换成矩形波uO。 下限触发转 换电平UT－ 上限触发转 换电平UT+
施密特触发器的工作波形及电压传输特性 （a）工作波形 （b）电压传输特性
3. 回差 重要参数 ΔUT = UT+－UT－（通常UT+＞UT－） 改变R1和R2的大小可以改变回差ΔUT
vI
R3 10k vN – + A R1 20k
R4 1k
vO
vO/ V 10 VT– VT+ 5 vI / V
R2
20k
DZ VZ= 10V
–5
0 –10 (b)
(a)
解： （1）门限电压
t
t1 t2 （2） 恢复时间tre 暂稳态结束后，电路需要一段时间恢复到初始状态。一 般，恢复时间tre为（3~5）放电时间常数（通常放电时间常 数远小于RC）。
t
10.2.1 门电路组成的微分型单稳态触发器
3. 主要参数的计算
（3）最高工作频率fmax（或最小工作周期Tmin）
设触发信号的时间间隔为T，为了使单稳态触发器能够正 常工作，应当满足T＞tw +tre的条件，即Tmin= tw +tre。因此，单 稳态触发器的最高工作频率为 fmax = 1/ Tmin = 1/（tw +tre）
一、工作特点： 第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态； 第二，在外加脉冲作用下，触发器能从稳态翻 转到暂稳态； 第三，在暂稳态维持一段时间后，将自动返回 稳态，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的 参数，与外加触发信号无关。 例：楼道的路灯 。
10.2 单稳态触发器 概述
二、单稳态触发器的组成：
2. 不可重复触发型与可重复触发型
图（ b）为可重复触 发型单稳态触发器 该电路在触发进入
图（ a ）为不可重复 型触发单稳态触发器 该电路在触发进入暂
暂稳态期间如再次被
触发，则输出脉冲宽 度可在此前暂稳态时
稳态期间如再次受到触
发，对原暂稳态时间没 有影响，输出脉冲宽度
间 的 基 础 上 再 展 宽 tw 。tw 仍从第一次触发开始 因此，采用可重复触发单稳态触发器时能比较 计算。 方便地得到持续时间更长的输出脉冲宽度。
10.1 多谐振荡器
10.1.1 用门电路组成的多谐振荡器
10.1.2 石英晶体多谐振荡器
10.1 多谐振荡器
1．多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。 2．通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互 交替，从而产生自激振荡，无需外触发。 3．输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富 的谐波分量，故称作多谐振荡器。
由门电路和 RC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。
10.2.1 门电路组成的微分型单稳态触发器
1. 电路
vO1 vO2
&

&
1

1
vI
vc
R
CMOS与非门构成的微分型 单稳态触发器
CMOS或非门构成的微分型 单稳态触发器
10.2.1 门电路组成的
4. 对输入触发脉冲宽度的要求
在使用微分型单稳态触发器时，输入触发脉冲uI的宽度tw1应 小于输出脉冲的宽度tw，即tw1＜tw，否则电路不能正常工作。 如出现tw1＞tw的情况时，可在触发信号源 uI和G1输入端之 间接入一个RC微分电路。
10.2.2 集成单稳态触发器及其应用
用集成门电路构成的单稳态触发器虽然电 路简单，但输出脉冲宽度的稳定性较差，调节 范围小，而且触发方式单一。因此实际应用中 常采用集成单稳态触发器。 1. 输入脉冲触发方式 上升沿触发 下降沿触发
以下主要讨论几种常用脉冲波形的产生与变换 电路：（功能、特点及其主要应用简介）
1. 施密特触发器：主要用以将非矩形脉冲变 换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲； 2. 单稳态触发器：主要用以将脉冲宽度不符 合要求的脉冲变换成脉冲宽度符合要求的矩形脉冲； 3. 多谐振荡器：产生矩形脉冲； 4. 555定时器。
T≈2.2RC
上式可用于近似估计振荡周期.使用时应注意 它的假定条件是否满足,否则,计算结果会有较大的 误差。
3. 对称式多谐振荡器
4. 非对称式多谐振荡器
5. 用斯密特触发器构成的多谐振荡器
10.1.2 石英晶体多谐振荡器
前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是振 荡频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC 参数误差的影响。 而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信 号来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号 频率不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面 讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频 率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。
通常选用振荡频率为32768Hz的石英晶体谐
振器，因为32768＝215，将32768Hz经过15次二分
频，即可得到1Hz的时钟脉冲作为计时标准。
10.2 单稳态触发器
10.2.1 门电路组成的微分型单稳态触发器
10.2.2 集成单稳态触发器 10.2.3 单稳态触发器的应用
10.2 单稳态触发器 概述
10.1.1 用门电路组成的多谐振荡器
1.最简单的环形振荡器
环形振荡器是利用门电路固有的传输延迟时 间，将奇数个反相器首尾相接而形成的。图所示
的电路是一个最简单的环形振荡器，它由三个反
相器首尾相接组成。这个电路没有稳定状态。
vI1 G1 vI2 vO1 G2 vI3 vO2 G3
vO
电路原理图
10.1.1 用门电路组成的多谐振荡器
1 0 1
vO2
1
`
1
vR 1
tpi
t t
vth

vI 1
vc

0
R vDD
vDD vDD+ vth vDD
vO2 vR
v外加触发信号后，电路进入 v o1 v R vO2 I b) 暂稳态
t
tw t1 t2
c)电容放电，电路由暂稳态自 vR vO2 vO1 动返回到稳态
t
10.2.1 门电路组成的微分型单稳态触发器
10.3.1 用门电路构成的施密特触发器
1. 电路组成 两个CMOS反相器，
两个分压电阻。
用集成门电路构成的施密特触发器 （a） 电路 （b）逻辑符号
2. 工作原理 （1）工作过程 设CMOS反相器的阈值电压UTH=VDD/2，输入 信号uI为三角波。
当uI=0V时， G1截止、G2导通，输出为UOL， 即uO=0V。只要满足uI1＜UTH，电路就会处于这种 状态（第一稳态）。 当uI上升，使得uI1 =UTH时，电路会产生如下正 反馈过程：
石英晶体具有很好 的选频特性。当振荡信 号的频率和石英晶体的 固有谐振频率fo相同时， 石英晶体呈现很低的阻 抗，信号很容易通过， 而其它频率的信号则被 衰减掉。
石英晶体的阻抗频率特性图
因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中 就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决 于石英晶体的固有谐振频率fo，而与RC无关。
O
t1
t2
t3 t
–10V
10.3.2 集成施密特触发器及其应用
集成施密特触发器的UT+和UT－的具体数值可从 集成电路手册中查到。 如CT74132的UT+＝1.7 V、UT－＝0.9 V，所以， ΔUT＝UT+—UT－＝1.7 V—0.9 V＝0.8 V。 1. 施密特反相器 TTL的74LS14和CMOS的CC40106均为六施密 特触发的反相器。 下面以CC40106为例说明其功能。
C 石英晶体
vI1
vO1 vI2 G1
vO2
R
vI3
RS
vO
G2
G3
石英晶体环形振荡器
在对称式多谐振荡器的基础上，串接一块石 英晶体，就可以构成一个石英晶体振荡器电路。 该电路将产生稳定度极高的矩形脉冲，其振荡频 率由石英晶体的串联谐振频率fo决定。
石英晶体振荡器电路
目前，家用电子钟几乎都采用具有石英晶体 振荡器的矩形波发生器。由于它的频率稳定度很 高，所以走时很准。
图中RC构成延时环节，RS为限流电阻，对门R3 起限流保护作用。
C vI1 vO1 vI2 vO2 R vI3 RS
vO G3
G1
G2
RC环形振荡器
vO （vI1） V OH 0 vO1 （vI2） t vO2 VOL t
振荡器的暂态时间和周 期的近似计算公式为：
tw1≈0.98(R∥R1)C tw2≈1.26RC T=tw1+tw2 ≈0.98(R∥R1)C+1.26RC