ch6脈沖波形的產(chǎn)生與整形

6.1脈沖信號(hào)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(shí)器及其應(yīng)用第6章脈沖信號(hào)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(hào)，如觸發(fā)器就需要時(shí)鐘脈沖（CP）。脈沖信號(hào)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(shí)介紹一種多用途的定時(shí)電路——555定時(shí)器。

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

脈沖信號(hào)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(hào)的定義（不對(duì)稱(chēng)方波）

三角波：

鋸齒波：

按非正弦規(guī)律變化的信號(hào)均可稱(chēng)脈沖信號(hào)。方波：（對(duì)稱(chēng)方波）6.1概述2.脈沖信號(hào)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(hào)）；

（2）輸入采用電平觸發(fā);（3）對(duì)于正向和負(fù)向增長(zhǎng)的輸入信號(hào)，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(mén)。3.邏輯符號(hào)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(mén)電路。電路中R1＜R2。6.2.2由CMOS門(mén)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(shí)，vO1≈

VDD，

vO≈

0V，

vI＇≈

0V；0100思考：為什么要求R1<R2？（2）當(dāng)vI升高時(shí)，vI’也升高。當(dāng)vI’達(dá)到1/2VDD時(shí)，G1、G2輸出狀態(tài)將發(fā)生翻轉(zhuǎn)。此時(shí)對(duì)應(yīng)的vI值稱(chēng)為VT+。（3）當(dāng)vI大于VT+時(shí)，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(mén)構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

（4）當(dāng)vI由高變低時(shí)，vI’

也由高變低。當(dāng)vI’≤1/2VDD時(shí)，電路又將發(fā)生轉(zhuǎn)換。此時(shí)對(duì)應(yīng)的vI稱(chēng)為VT-。（5）當(dāng)vI小于VT-時(shí)，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(mén)構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

3.工作波形vIVT+VT-0t0tvO10tvO6.2.2由CMOS門(mén)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(shí)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(shí)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(shí)例，并盡可能說(shuō)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(zhǎng)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(shí)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(shí)間后自動(dòng)回到穩(wěn)態(tài)。

6.3.1由CMOS門(mén)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(lèi)：（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(mén)構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器門(mén)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(mén)，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(mén)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(shí)，電容兩端的電壓相等，無(wú)充放電。2.工作原理分析

穩(wěn)態(tài)時(shí)，無(wú)觸發(fā)脈沖輸入，vI

為低電平，C沒(méi)有充放電，相當(dāng)于斷開(kāi)。010016.3.1由CMOS門(mén)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(shí)，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(mén)構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（3）暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)回到穩(wěn)態(tài)

作用：改善vO1、

vO邊沿。

隨著VDD通過(guò)電阻向電容C的充電，vI2逐漸上升，當(dāng)vI2

上升到VDD/2時(shí)，vO

≈0V

，vO1≈

VDD，電路回到穩(wěn)態(tài)。

正反饋現(xiàn)象：

010VT00110vO1vI2vO6.3.1由CMOS門(mén)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(mén)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(shí)間Tw

電容C充電電壓方程：4.參數(shù)計(jì)算將VC（0）≈0V，VC（∞）≈VDD，τ=RC代入上式得：當(dāng)vC（t）=VT=1/2VDD時(shí)，t=Tw，代入上式可求得：VTTwTre6.3.1由CMOS門(mén)構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（2）恢復(fù)時(shí)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(shí)間Tre內(nèi)，電路不得響應(yīng)觸發(fā)信號(hào)。因此，2個(gè)觸發(fā)信號(hào)之間的最小時(shí)間間隔為： 6.3.1由CMOS門(mén)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(shí)，電路能否正常工作？如何解決？

（2）下圖中穩(wěn)態(tài)時(shí)a、b、d、e各點(diǎn)的電位如何？6.3.1由CMOS門(mén)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(mǎn)足以下條件時(shí)，控制電路產(chǎn)生窄脈沖：（1）若A1、A2中至少有一個(gè)為0時(shí)，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(gè)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(hào)

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(shí)—樓道燈延時(shí)開(kāi)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(chēng)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(hào)，只要一上電就會(huì)產(chǎn)生方波信號(hào)。6.4.1由CMOS門(mén)構(gòu)成多諧振蕩器

2.電路組成及工作原理6.4.1由CMOS門(mén)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(guò)vO1→R→C→vO2向C充電，使vI1不斷上升；（3）當(dāng)vI1＞VT時(shí)，G1輸出低電平，G2輸出高電平，即vO1=0，

vO2=1。此時(shí)使vI1=VT+VDD3.工作原理（4）vO1=0，

vO2=1這個(gè)狀態(tài)也不能持久；1001（5）通過(guò)vO2→C→R→vO1對(duì)電容C反向充電，vI1逐步減少；（6）當(dāng)vI1＜VDD/2時(shí)，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(mén)構(gòu)成多諧振蕩器

4.工作波形T1、T2的計(jì)算公式推導(dǎo)參考教材P2466.4.1由CMOS門(mén)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(shí)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及邏輯符號(hào)6.5.1555定時(shí)器的工作原理

基本SR鎖存器比較器2VDD/3VDD/32.555定時(shí)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(shí)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(shí)，R=0，S=1，Q=1，vO=1；（2）當(dāng)VDD/3＜vI＜2VDD/3時(shí)，R=0，S=0，Q=1，vO=1；（3）當(dāng)vI＞2VDD/3時(shí)，R=1，S=0，Q=0，vO=0；（4）當(dāng)VDD/3＜vI＜2VDD/3時(shí)，R=0，S=0，Q=0，vO=0；（5）當(dāng)vI＜VDD/3時(shí)，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(shí)，vC=0，得R=0，S=1，Q=1，N1管截止,vO=1。（3）當(dāng)vC

＞2VDD/3時(shí)，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(guò)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(shí)，R=0，S=1，SR鎖存器置成1態(tài)，Q=1，T1管截止，vO=1。對(duì)電容C充電又重新開(kāi)始。（4）電容C將通過(guò)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(jì)算從占空比q

的表達(dá)式可知，占空比始終大于50﹪

。通過(guò)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(gè)由555定時(shí)器構(gòu)成的防盜報(bào)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(bào)警聲。說(shuō)明本報(bào)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(shí)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：