ch6脈沖波形的產(chǎn)生與整形

6.1脈沖信號的基本參數(shù)6.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.2施密特觸發(fā)器6.5555定時器及其應(yīng)用第6章脈沖信號的產(chǎn)生和整形6.4多諧振蕩器

數(shù)字電路常常需要用到各種幅度、寬度以及具有陡峭邊沿的脈沖信號，如觸發(fā)器就需要時鐘脈沖（CP）。脈沖信號產(chǎn)生要用多諧振蕩器。

本章將介紹常用的施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，同時介紹一種多用途的定時電路——555定時器。

獲取這些脈沖信號的方法通常有兩種：①直接產(chǎn)生；②利用已有信號整形或變換得到。

脈沖信號整形則要用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器6.1概述1.脈沖信號的定義（不對稱方波）

三角波：

鋸齒波：

按非正弦規(guī)律變化的信號均可稱脈沖信號。方波：（對稱方波）6.1概述2.脈沖信號的參數(shù)

q=TW/T

占空比TwTVmv0tT

脈沖周期f=1/T

頻率Tw脈沖寬度Vm幅值6.1概述6.2.1施密特觸發(fā)器的基本概念

2.施密特觸發(fā)器特點(diǎn)：（1）輸出有兩種狀態(tài)（輸出為數(shù)字信號）；

（2）輸入采用電平觸發(fā);（3）對于正向和負(fù)向增長的輸入信號，電路有不同的閾值電平（VT+和VT-）。1.什么是施密特觸發(fā)器？

施密特觸發(fā)器是具有滯后特性的數(shù)字傳輸門。3.邏輯符號同相傳輸反相傳輸4.施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性6.2.1施密特觸發(fā)器的基本概念

6.2.1施密特觸發(fā)器的基本概念

5.施密特觸發(fā)器與電壓比較器G1、G2為CMOS門電路。電路中R1＜R2。6.2.2由CMOS門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

1.電路構(gòu)成2.工作原理分析（1）

當(dāng)vI=0V時，vO1≈

VDD，

vO≈

0V，

vI＇≈

0V；0100思考：為什么要求R1<R2？（2）當(dāng)vI升高時，vI’也升高。當(dāng)vI’達(dá)到1/2VDD時，G1、G2輸出狀態(tài)將發(fā)生翻轉(zhuǎn)。此時對應(yīng)的vI值稱為VT+。（3）當(dāng)vI大于VT+時，電路轉(zhuǎn)到另一穩(wěn)態(tài)：vO1≈0V，vO≈

VDD

。

VT+=VDD/2→0→1↑↑01006.2.2由CMOS門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

（4）當(dāng)vI由高變低時，vI’

也由高變低。當(dāng)vI’≤1/2VDD時，電路又將發(fā)生轉(zhuǎn)換。此時對應(yīng)的vI稱為VT-。（5）當(dāng)vI小于VT-時，電路轉(zhuǎn)到另一穩(wěn)態(tài)：vO1≈

VDD，vO≈

0V。

01↓↓→1→0VT-=1/2VDD6.2.2由CMOS門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

3.工作波形vIVT+VT-0t0tvO10tvO6.2.2由CMOS門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

1.用于脈沖整形6.2.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用2.用于脈沖鑒幅6.2.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用3.用于構(gòu)成多諧振蕩器6.2.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用4.用于溫控系統(tǒng)實際溫控波形方案一：采用電壓比較器構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)6.2.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用方案二：采用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)實際溫控波形6.2.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用思考題

試舉出施密特觸發(fā)器其他應(yīng)用實例，并盡可能說明其原理。6.2.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用

有兩種狀態(tài)：0態(tài)和1態(tài)，但只有一種狀態(tài)能長久保持，故名單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

例子——樓道燈控制系統(tǒng)

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(diǎn)：

（1）有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩種狀態(tài)；

（2）平時處于穩(wěn)態(tài)，在外部觸發(fā)脈沖作用下，由穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)；

（3）暫穩(wěn)態(tài)維持一定時間后自動回到穩(wěn)態(tài)。

6.3.1由CMOS門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.什么是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器？單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器主要有兩類：（1）微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（2）積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.3.1由CMOS門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器門電路+RC微分電路→微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

G1、G2為CMOS或非門，vO1、vO分別為G1、G2的輸出，vI2為G2輸入。

1.電路組成RC微分電路觸發(fā)脈沖6.3.1由CMOS門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（1）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)

∴觸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)為vO1≈

VDD，vO≈

0V。此時，電容兩端的電壓相等，無充放電。2.工作原理分析

穩(wěn)態(tài)時，無觸發(fā)脈沖輸入，vI

為低電平，C沒有充放電，相當(dāng)于斷開。010016.3.1由CMOS門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作用：改善vO1、

vO邊沿。

11001暫穩(wěn)態(tài)：vO1≈0V，vO≈

VDD（2）當(dāng)vI加一正脈沖時，由穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。這里有一正反饋現(xiàn)象：01001vIvO1vI2vO6.3.1由CMOS門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（3）暫穩(wěn)態(tài)自動回到穩(wěn)態(tài)

作用：改善vO1、

vO邊沿。

隨著VDD通過電阻向電容C的充電，vI2逐漸上升，當(dāng)vI2

上升到VDD/2時，vO

≈0V

，vO1≈

VDD，電路回到穩(wěn)態(tài)。

正反饋現(xiàn)象：

010VT00110vO1vI2vO6.3.1由CMOS門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3.工作波形分析VT6.3.1由CMOS門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（1）暫穩(wěn)態(tài)維持時間Tw

電容C充電電壓方程：4.參數(shù)計算將VC（0）≈0V，VC（∞）≈VDD，τ=RC代入上式得：當(dāng)vC（t）=VT=1/2VDD時，t=Tw，代入上式可求得：VTTwTre6.3.1由CMOS門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（2）恢復(fù)時間TreTre≈（3～5）R’C

（3）最高工作頻率fmaxTd=Tw+Trefmax=

在暫穩(wěn)態(tài)期間Tw和恢復(fù)時間Tre內(nèi)，電路不得響應(yīng)觸發(fā)信號。因此，2個觸發(fā)信號之間的最小時間間隔為： 6.3.1由CMOS門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器5.思考題

（1）若觸發(fā)脈沖寬度大于Tw時，電路能否正常工作？如何解決？

（2）下圖中穩(wěn)態(tài)時a、b、d、e各點(diǎn)的電位如何？6.3.1由CMOS門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

控制電路用于產(chǎn)生窄脈沖。當(dāng)輸入滿足以下條件時，控制電路產(chǎn)生窄脈沖：（1）若A1、A2中至少有一個為0時，B由0↗1；1.74LS121的原理框圖微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出緩沖（2）若B=1，A1、A2中至少有一個由1↗0。

6.3.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2.74LS121的功能表6.3.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3.74LS121內(nèi)部結(jié)構(gòu)和邏輯符號

6.3.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4.兩種不同接法正脈沖觸發(fā)負(fù)脈沖觸發(fā)6.3.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.用于整形6.3.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用2.用于定時—樓道燈延時開關(guān)6.3.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用

多諧振蕩器就是方波發(fā)生器。由于方波中除基波外還包含了許多高次諧波，因此，又稱為多諧振蕩器。1.什么是多諧振蕩器？

多諧振蕩器不需要外加信號，只要一上電就會產(chǎn)生方波信號。6.4.1由CMOS門構(gòu)成多諧振蕩器

2.電路組成及工作原理6.4.1由CMOS門構(gòu)成多諧振蕩器

（1）設(shè)電路的初態(tài)為vO1=1,vO2=0，這種狀態(tài)下不可能持久維持；1001（2）通過vO1→R→C→vO2向C充電，使vI1不斷上升；（3）當(dāng)vI1＞VT時，G1輸出低電平，G2輸出高電平，即vO1=0，

vO2=1。此時使vI1=VT+VDD3.工作原理（4）vO1=0，

vO2=1這個狀態(tài)也不能持久；1001（5）通過vO2→C→R→vO1對電容C反向充電，vI1逐步減少；（6）當(dāng)vI1＜VDD/2時，G1輸出高電平，G2輸出低電平，即又回到vO1=1，vO2=0的狀態(tài)。（7）周而復(fù)始產(chǎn)生方波。6.4.1由CMOS門構(gòu)成多諧振蕩器

4.工作波形T1、T2的計算公式推導(dǎo)參考教材P2466.4.1由CMOS門構(gòu)成多諧振蕩器

6.4.2CMOS石英晶體振蕩器

1.石英晶體振蕩器（1）石英晶體的等效電路（2）石英晶體振蕩器原理圖6.4.2CMOS石英晶體振蕩器

1.7555定時器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及邏輯符號6.5.1555定時器的工作原理

基本SR鎖存器比較器2VDD/3VDD/32.555定時器的功能表－+C1R2VDD/3vI1⑥－+C2SVDD/3vI2②

截止111＜VDD/3＞2VDD/31不變不變00＞VDD/3＜2VDD/31導(dǎo)通010＞VDD/3＞2VDD/31截止101＜VDD/3＜2VDD/31導(dǎo)通0××××0N1狀態(tài)vORSvI2vI1RD

輸出

輸入6.5.1555定時器的工作原理

6.5.2555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

1.電路結(jié)構(gòu)－+C1R2VDD/3vI⑥－+C2SVDD/3vI

②2VDD/3VDD/3vI0tvO0t（1）當(dāng)vI＜VDD/3時，R=0，S=1，Q=1，vO=1；（2）當(dāng)VDD/3＜vI＜2VDD/3時，R=0，S=0，Q=1，vO=1；（3）當(dāng)vI＞2VDD/3時，R=1，S=0，Q=0，vO=0；（4）當(dāng)VDD/3＜vI＜2VDD/3時，R=0，S=0，Q=0，vO=0；（5）當(dāng)vI＜VDD/3時，R=0，S=1，Q=1，vO=1；2.原理分析6.5.2555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

3.主要參數(shù)1.閥值電平VT+=2VDD/3VT-=VDD/32.回差電壓=VT+－VT-=VDD/3思考：如何調(diào)節(jié)閾值電壓？6.5.2555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

6.5.3555構(gòu)成的多諧振蕩器1.電路結(jié)構(gòu)2.工作原理－+C1R2VDD/3vC⑥－+C2SVDD/3vC②（1）上電時，vC=0，得R=0，S=1，Q=1，N1管截止,vO=1。（3）當(dāng)vC

＞2VDD/3時，R=1，S=0，基本SR鎖存器被置0，Q=0，N1管導(dǎo)通，vO=0。（2）當(dāng)VDD通過R1、R2向C充電，vC

逐漸上升;6.5.3555構(gòu)成的多諧振蕩器－+C1R2VDD/3vC⑥－+C2SVDD/3vC②（5）當(dāng)vC下降到vC

＜VDD/3時，R=0，S=1，SR鎖存器置成1態(tài)，Q=1，T1管截止，vO=1。對電容C充電又重新開始。（4）電容C將通過R2和N1管放電，vC逐漸下降；6.5.3555構(gòu)成的多諧振蕩器3.工作波形

4.主要參數(shù)計算從占空比q

的表達(dá)式可知，占空比始終大于50﹪

。通過vC的暫態(tài)方程，求得：T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C

T1=0.7(R1+R2)C

T2=0.7R2C

6.5.3555構(gòu)成的多諧振蕩器5.占空比任意可調(diào)的多諧振蕩器

T1=0.7R1C

T2=0.7R2C

6.5.3555構(gòu)成的多諧振蕩器6.思考題如圖所示是一個由555定時器構(gòu)成的防盜報警電路，a、b兩端被一細(xì)銅絲接通，此銅絲置于盜竊者必經(jīng)之路，當(dāng)盜竊者闖入室內(nèi)將銅絲碰斷后，揚(yáng)聲器即發(fā)出報警聲。說明本報警電路的工作原理。6.5.3555構(gòu)成的多諧振蕩器6.5.4555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.電路結(jié)構(gòu)最后又回vO=0V

。

10導(dǎo)通2.工作原理分析

接通電源時R=0,S=0；假設(shè)SR鎖存器初態(tài)為1；

假設(shè)SR鎖存器初態(tài)為0；

結(jié)論：