数字电路2-第9章脉冲信号

由于vo2上跳，电容电 压不能突变，所以vA
0
vA
t
上跳，然后放电开 始,vA开始下降
VT 0V
t
vo1
v1
vo1
vo2
0
t
R
vo2
C
A
0
t
uo2
输出信号的周
0
t
期近似为:
vA
VT
T = 1.4 RC
0V
t
T
多谐振荡器CMOS电路图
若 VT＝0.5VDD，振荡周期为： T=T1+T2≈1.4RC
74121 的 输 出 脉 冲 宽 度 ：
tp≈0.7RC
可重复触发式单稳态触发器的输出波形：
B Q
tW tW
这种单稳可以通过加重复触发脉冲增大 输出脉冲的宽度,所以,可用于检测失落脉冲。
3 . 单稳态触发器的应用
单稳的应用多种多样,如:整形、延 时控制、定时顺序控制等等。
1).定时
单稳态触发器
当vA=VT时，vo1翻转，
路进入第一暂稳态。
0
t
vo2也翻转。
vA
VT
0
t
vo1
v1
vo1
vo2
1 0
1
1 0
0
t
R
vo2
C
A
由于电容电压不能
突变,当vo2 发生下跳
时,vA有一突变。
0
t
vo2
第一暂稳态。
0
t
vA
VT
0V
t
vo1
v1
vo1
vo2
01 1
1 0
0
t
R
vo2
C
A
0
t
vo2
vo1>vo2，电容充
造成振荡器自动翻转的原因是电容 C 的充放电。
振荡周期为：T≈2.2RC
4、石英晶体多谐振荡器
振荡频率等于石英晶体的谐振频率 f0。
R：使反相器工作在线性放大区，取值：TTL门电路，0.7~2k； 对CMOS门则在10~100M之间；C1用于两个反相器间的耦合； C2：抵制高次谐波，保证稳定的频率输出，C2选择：使RC2并 联网络在fs处产生极点，减少谐振信号损失。
单稳态触发器简称单稳。
它的特点是: 输出端只有一个稳定状态, 另 一个状态是暂稳态.外加触发信号后,它可以由 稳定状态跳入暂稳态,但是 , 经过一定时间后, 它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?
1、微分型单稳态触发器
1
74 LS194 (1)
CLR R
S0 S1
+ 5V
移位输入
R2 C2
DW2
Q2
A
7 4 L S 1 9 4---四位双向移位寄存器
EFG H
CP QA QB QC QD
74 LS194 (2)
CLR R
S0 S1
R1 C1
Q1
B
DW1
A
用波形图表示如下:
CP A B C D E F G
H t0
Q1 Q2
第二暂稳态及其自
uo (ui1)
动翻转的工作过程
0 ui2
t1 t2 t3
t
(uo1)
G1
G2
ui1 & ui2 & uo2
G3 ui3 &
0 uo uo2
t
R
RS
0
t
ui3
C (a) 电路图
UT
t
0
(b) 波形图
在t2时刻，uo2变为低电平，电容C开始通过电阻R放电。随着放 电的进行，ui3逐渐下降。在t3时刻，ui3下降到UT，使uo（ui1） 又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态， 又开始重复前面的过程。
t1 t2 t3
用波形图表示如下:
CP A B C D E F G
H t0
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
§ 9.3 施密特触发器
Vi 0 1
Vo2 1。起始Vi=0，Vo2=1 1 0 Vi2=0， Vo1=0 ，
0
1
0 1
（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。
1
0
1 0
脉冲宽度：tw=0.7RC
（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态 在暂稳态期间，VDD经R和G1对C充电，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。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。使电路退出暂稳态而进入稳态，此时uo1＝1，uo2＝0。
3、RC环形多谐振荡器
uo (ui1)
0 ui2
t1 t2 t3
t
(uo1)
G1
G2
ui1 & ui2 & uo2
G3 ui3 &
0 uo uo2
t
R RS
0
t
ui3
C
UT
t
0
(a) 电路图
(b) 波形图
第一暂稳态及其自
uo (ui1)
动翻转的工作过程
0 ui2
t1 t2 t3
t
(uo1)
G1
G2
脉冲信号的产生与整形电路: 单稳态触发器 多谐振荡器 施密特触发器
§ 9.1 多谐振荡 器
能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。
1. 环形多谐振荡器
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:
& vo1 & vo2 &
vo3
1
2
3
1. 环形多谐振荡器 设 vo3 的初始状态为0:
v1
vo1
vo2
R C
下面将结合它的工作波形说明其工作原理:
2. 多谐振荡器
vo1
假设：开始时v1=1
0
t
vo2
v1
vo1
vo2
1 1
0
11
R
0
t
C
vo2
A
第二暂稳态。
0
t
vA
电容上的放电
VT
电流，vA下降
0
t
vA>VT时，vo1不翻转。
vo1
v1
vo1
vo2
011
wk.baidu.com10
0
t
R
vo2
C
A
0
t
vo2 第二暂稳态结束，电
0
t
电,vA上升。
vA
VT
只要vA<VT，vo1
0V
t
就不翻转。
vo1
v1
vo1
vo2
1
0
1
R
C
A
当vA=VT 时，vo1、 vo2翻转
0
t
vo2
0
t
vo2第一暂稳态结束，电路返
回到第二暂稳态，又开始
重0 复前面的过程。
t
vA
VT
0V
t
vo1
v1
vo1
vo2
1
0 R
1
0
vo2
t
C
A
0
t
放电
uo2
R1
2. Vi=VT时,由于 Vo1 Vo1=0 ,所以状态不变.
Vi2
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时间的脉冲信号。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。
•脉冲波形的获取： •1）利用脉冲信号产生器直接产生； •2）对已有的信号进行变换，使之满足系统的要求。
•脉冲波形的获取： •1）利用脉冲信号产生器直接产生； •2）对已有的信号进行变换，使之满足系统的要求。
主要参数的计算：
1）输出脉冲宽度tw = 0.7RC (暂稳态的维持时间）：
2）恢复时间tre=3d， d为放电时间常数。
T 3）最高工作频率fmax=
间隔）。
1 1 min tw tre
（最小时间
讨论：
1）为保护（MOS管），在CMOS器件内加有保 护二极管。
2）为避免VI的脉冲宽度tpi>tw时，V02的输出边沿 变缓，可在其输入端加入微分电路。
当定时电容C＞1000pF时， 74122的输出脉冲宽度：
tp≈0.32RC
§2．集成单稳态触发器
Rext/Cext、Cext是 外接定时电阻和
电容的连接端， （R=1.4kΩ～ 40kΩ）接在VCC 和Rext/Cext之间， （C=10pF～ 10μF）接在Cext （正）和Rext/Cext 之间。74121内
ui1 & ui2 & uo2
G3 ui3 &
0 uo uo2
t
R
RS
0
t
ui3
C (a) 电路图
UT
t
0
(b) 波形图
在t1时刻，ui1（uo）由0变为1，于是uo1（ui2）由1变为0，uo2由0 变为1。由于电容电压不能跃变，故ui3必定跟随ui2发生负跳变。 这个低电平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。 在这个暂稳态期间，uo2（高电平）通过电阻R对电容C充电，使 ui3 逐 渐 上 升 。 在 t2 时 刻 ， ui3 上 升 到 门 电 路 的 阈 值 电 压 UT ， 使 uo （ui1）由1变为0，uo1（ui2）由0变为1，uo2由1变为0。同样由于 电容电压不能跃变，故ui3跟随ui2发生正跳变。这个高电平保持uo 为0。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。
A1 、 A2 是 两 个 下 降 沿 有效的触发信号输入 端，B是上升沿有效 的触发信号输入端。 Q和是两个状态互补 的输出端。
74121 的 输 出 脉 冲 宽 度 ：
tp≈0.7RC
A1、A2是两个下降沿有效 的触发信号输入端，B是 上升沿有效的触发信号输 入端。Q和是两个状态互 补的输出端。 该电路属于不可重复触发 的触发器。
& vo1 & vo2 &
vo3
1 1 02 0
3
1
0
1
用波形图来表示,则为:
vo3
vo1 0
t
0 vo2
t
0 tpd
t T=6tpd
优点: 电路结构简单,所用元件少。
缺点: 频率太高, 且不可调整。f=(1/6)tpd
vo1
vo2
vo3
1
2
3
在该电路的基础上添加RC延时电路, 便可以克服上述不足:
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。
Rext /C ext
VCC
NC Cext NC Rin Q
14 13 12 11 10 9 8 74122
5. 多谐振荡器的应用
R1
C2
R2
多
秒
&
信
C1 &
谐
&
振 荡
器
号
发
生
器
FF1 Q1 FF2 Q2 FF14 Q14 FF15 Q15
C1
C1
C1
C1
分 频
电
f0
f1
f2
f14
f路
32768Hz 16384Hz 8192Hz 2Hz
1Hz
石英晶体振荡器常用 作数字系统的基准信号.
§ 9.2 由门电路构成的单稳态触发器
ui
u'o
&
uA
(a) 电路示意图
ui
u'o
uo uA
uo
tp (b) 波形图
3 . 单稳态触发器的应用 2).延时 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。 3).方波发生器（多谐振荡）P362 4).消噪声 P363 5).整形 ui
uo
tp
时钟
ABCD
CP
QA QB QC QD
0
1 0
（1）没有触发信号时电路工作在稳态 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：uo1＝1，uo2＝0。
1234567
TR-Ａ TR-B TR+A TR+B RD Q GND (b) 74122 的引脚排列图
TR-A、TR-B是两个下降沿有 效的触发信号输入端，TR+A、 TR+B是两个上升沿有效的触 发信号输入端。Q和是两个
状态互补的输出端。 Rext/Cext 、 Cext 、 Rin3 个 引 出 端是供外接定时元件使用的， 外 接 定 时 电 阻 R （ R=5kΩ ～ 50kΩ）、电容C（无限制） 的 接 法 与 74121 相 同 。 RD 为 直接复位输入端，低电平有 效。
部已设置了一个
2kΩ的定时电阻， Rin是其引出端， 使用时只需将Rin 与VCC连接起来 即可，不用时则 应将Rin开路。
Rext/Cext
VCC NC NC
Cext Rin NC
14 13 12 11 10 9 8 74121
1234567
Q NC A1 A2 B Q GND (a) 74121 的引脚排列图
单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定 宽度的矩形波）、整形（把不规则的波形转换成宽度、幅 度都相等的波形）以及延时（把输入信号延迟一定时间后 输出）等。单稳态触发器具有下列特点：
（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。 （2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳 态。 （3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时 间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与 触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。
第9章 脉冲信号的 产生与整形
学习要点： • 多谐振荡器、单稳态触 发器、施密特触 发器 的工作原理及逻辑功能。 • 555定时器的工作原理及逻辑功能。 • 由555定时器构成单稳、多谐、施密特触 发器 的方法。
第六章 脉冲波形的产生和整形 概述 §6.1 多谐振荡器 §6.2 单稳态触发器 §6.3 施密特触发器 §6.4 555定时器的原理和应用