数字电路脉冲信号

&
多 谐 振 荡 器
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FF 1 C1 f0 32768Hz
Q1
FF 2 C1
Q2
FF 14 C1
Q 14
FF 15 C1
Q 15
f1 16384Hz
f2 8192Hz
f14 2Hz
f 1Hz
分 频 电 路
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
模拟声响电路
VCC R1 7 R2 6 555Ⅰ 2 C1 1 0.01μ F (a) 电路 5 C2 8 4 3
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
0
ui uo1 uA t t
ui
1 G1 0 C
≥1 uo1
VDD R uA
VDD G2 ≥1
1 uo2
0 VDD 0
t uo2 tP (b) 波形 t
(a) 电路
0
（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。
若 UT＝0.5VDD ，振荡周期为： T≈1.4RC
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
3、石英晶体多谐振荡器
X R1 & (a) C2 C1 R2 & uo 0 电 容 性 (b) f0
电 感 性
f
石英晶体多谐振荡器
石英晶体阻抗频率特性
电阻R1、R2的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性 放大区。对TTL反相器，常取R1＝R2＝R＝0.7 kΩ～2kΩ，而对 于 CMOS 门，则常取 R1 ＝ R2 ＝ R ＝ 10kΩ ～ 100kΩ ； C1 ＝ C2 ＝ C 是耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率 f0时可以忽略不 计；石英晶体构成选频环节。
TR
G2 & C2 Q T 7 D
低电平 触发端
放电端
第7章 脉冲信号的产生及波形变换 +V
8 CO TH
CC
R 4
0
G1 & Q G3 & 3
5kΩ 5 6 2 + － 5kΩ + － 5kΩ 1 C2 C1
0
uO
1
Q
TR
G2 & 7 T D
①R=0时，Q=1，uo=0，T导通。
第7章 脉冲信号的产生及波形变换 +V
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
7.2 单稳态触发器
一、 由门电路构成的单稳态触发器 二、 由555定时器构成的单稳态触发器 三、 单稳态触发器的应用
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
一、 由门电路构成的单稳态触发器
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：
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
第二暂稳态及其自 动翻转的工作过程
ui 1 G1 & uo1 ui 2 R G2 & C uo
uo ui 2 (uo1 ) 0 ui 1 UT 0 0 t1 t2 t3 t
t t (b) 波形图
(a) 电路图
在t2 时刻，uo1 变为高电平，这个高电平通过电阻 R对电容C充电。 随着放电的进行， ui1 逐渐上升。在 t3 时刻， ui1 上升到 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。
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
第二暂稳态及其自 动翻转的工作过程
G2 &
ui 1
G1 &
ui 2
uo2 R C (a) 电路图
ui 3 RS
G3 &
uo
uo (ui 1 ) 0 ui 2 (uo1 ) 0 uo2 0 ui 3 UT 0
t1
t2
t3
t t t t
(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。
振荡频率等于石英晶体的谐振频率f0。
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
二、 由555定时器构成的多谐振荡器
1、555定时器
+VCC 8 5kΩ R 4 C1 G1 & Q
4.5～16V
电压 控制端
CO TH 5 6 2
复位端 低电平有效
G3 & 3 uO
+ － 5kΩ + － 5kΩ 1
高电平 触发端
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
学习要点： • 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7章 脉冲信号的产生及波形变换
7.1 多谐振荡器
一、 由门电路构成的多谐振荡器 二、由555定时器构成的多谐振荡器 三、 多谐振荡器的应用
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
8 CO TH
CC
R 4 G1 G3 & 3
5kΩ 5 6 2 + － 5kΩ + － 5kΩ 1 C2 C1
0
&
Q
0
1
uO
＞2VCC/3 ＞VCC/3
TR
1
G2 &
Q
0
T
7
D
①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。 ②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1， Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。
第7章 脉冲信号的产生及波形变换 +V
8 CO TH
CC
R 4 G1 G3 & 3
5kΩ 5 6 2 + － 5kΩ + － 5kΩ 1 C2 C1
1
&
Q
0 1
1 0
uO
＜2VCC/3 ＞VCC/3
TR
1
G2 &
Q
0 1
T
7
D
①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。 ②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1， Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。 ③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1， Q、Q不变，uo不变，T状态不变。
uo1
R3 7 R4
8 4 3 5 1 6 555Ⅱ 2
uo2
C
uo1 uo2
0.01μ F (b) 工作波形
将振荡器Ⅰ的输出电压uo1，接到振荡器Ⅱ中555定时器的复 位端（4脚），当uo1为高电平时振荡器Ⅱ振荡，为低电平时 555定时器复位，振荡器Ⅱ停止震荡。
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
多谐振荡器小结： 多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输 入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。 多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由555定时 器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本RS触发器 在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。 RS触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以 又称为无稳电路。 在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂 稳态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电 提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡 周期与电路的阻容元件有关。 555定时器是一种应用广泛、使用灵活的集成器件， 多用于脉冲产生、整形及定时等。
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
2、由555定时器构成的多谐振荡器
VCC R1 7 R2 6 555 2 1 (a) 电路 5 0.01μ F 8 4 3 2VCC/3 VCC/3 0
uc uo
t
uc
C
uo
0 tP1 tP2 (b) 工作波形
t
接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0， T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0 变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在 输出端uo产生了连续的矩形脉冲。
G3 &
uo
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
第一暂稳态及其自 动翻转的工作过程
G2 &
ui 1
G1 &
ui 2
uo2 R C (a) 电路图
ui 3 RS
G3 &
uo
uo (ui 1 ) 0 ui 2 (uo1 ) 0 uo2 0 ui 3 UT 0
t1
t2
t3
t t t t
(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。
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
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
2、CMOS多谐振荡器
uo ui 2 (uo1 ) 0 ui 1 UT 0 0 t1 t2 t3 t
第一暂稳态及其自 动翻转的工作过程
ui 1 G1 & uo1 ui 2 R G2 & C uo
t t (b) 波形图
(a) 电路图
在t1时刻， uo由0变为1，由于电容电压不能跃变，故ui1必定跟随 uo发生正跳变，于是ui2（uo1）由 1变为0。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，电容C通过电 阻 R 放电，使 ui1 逐渐下降。在t2 时刻， ui1 上升到门电路的开启电 压 UT ，使 uo1 （ ui2 ）由 0 变为 1 ， uo 由 1 变为 0 。同样由于电容电压 不能跃变，故ui1跟随uo发生负跳变，于是ui2（uo1）由0变为1。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。
一、 由门电路构成的多谐振荡器
能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。 1、RC环形多谐振荡器
uo (ui 1 ) 0 ui 2 (uo1 ) 0 uo2 0 ui 3 UT 0 电路图 (b) 波形图 t
t1
t2
t3
t t t
ui 1
G1 &
ui 2
G2 &
uo2 R C (a)
ui 3 RS
第7章 脉冲信号的产生及波形变换 +V
8 CO TH
CC
R 4 G1 G3 & 3
5kΩ 5 6 2 + － 5kΩ + － 5kΩ 1 C2 C1
1
&
Q
1
0
uO
＜2VCC/3 ＜VCC/3
TR
0
G2 &
Q
1
T
7
D
①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。 ②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1， Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。 ③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1， Q、Q不变，uo不变，T状态不变。 ④R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＜VCC/3时，C1=1、C2=0， Q=0、Q=1，uo=1，T截止。
第7章 脉冲信号的产生及波形变换 V
CC
uc
2VCC/3 VCC/3 0 t
R1 7 R2
8 4 3 5 1 (a) 电路 0.01μ F
uo
6 555 2
uc
C
uo
0 tP1 tP2 (b) 工作波形
t
第一个暂稳态的脉冲宽度 tp1，即 uc 从 VCC/3 充电上升到 2VCC/3 所需的时间：
（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7章 脉冲信号的产生及波形变换
1、微分型单稳态触发器
ui 0 uo1 uA t t
ui
0 G1 1 C
≥1 uo1
VDD R uA
VDD
1
G2 ≥1
0 uo2
0 VDD 0
t uo2 tP (b) 波形 t
(a) 电路
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。
tp1≈0.7(R1+R2)C
第二个暂稳态的脉冲宽度 tp2，即 uc 从 2VCC/3 放电下降到 VCC/3 所需的时间：
tp2≈0.7R2C
振荡周期：T＝tp1＋tp2≈0.7(R1＋2R2)C
第7章 脉冲信号的产生及波形变换
三、 多谐振荡器的应用
R1
秒 信 号 发 生 器
C2 C1
R2 & &