第 8 章脉冲波形的产生与变换

YANGTZE NORMAL UNIVERSITY


8.1 单稳态触发器

8.2 施密特触发器 8.3 多谐振荡器 8.4 555 定时器及其应用


教学基本要求教学基本要求1 、正确理解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的电路组成及工作原理。2 、掌握多谐、单稳、施密特 MSI 器件的逻辑功能及主要指标计算。3 、掌握 555 定时器的工作原理。4 、掌握由 555 定时器组成的多谐、单稳、施密特电路工作原理及外接参数及电路指标的计算。


8.1.1 门电路组成的微分型单稳态触发器

8.1.2 集成单稳态触发器

8.1.3 单稳态触发器的应用

8.1 单稳态触发器


① 电路有一个稳态，一个暂稳态。

一、单稳态触发器的工作特点：

② 在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态 ;

③ 电路中 RC 延时环节的作用，暂稳态不能长久保持 ,

经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的

持续时间仅取决于 RC 电路的参数值。

概述


二、单稳态触发器的组成：

由门电路和 R C 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。



1. 电路

vO1 vO2

vc RvI

& &

vO1 vO2

vcvI

1 1

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


`

vO1

vO2

vR

vI

vDD

vDD

vDD+ vth

t

t

t

t

tpi

vth

twt1 t2

2. 工作原理

a) 没有触发信号时，电路处于一种稳态

vO1 vO2

vcvI

1 1

RvR

vDD0

0

0

1

1



`

vO1

vO2

vR

vI

vDD

vDD

vDD+ vth

t

t

t

t

vth

tpi

twt1 t2

2. 工作原理

vo1¯ v R vO2 ¯v

I

vR vO2¯ vO1

vO1 vO2

vcvI

1

RvR

vDD11

11

0

b) 外加触发信号后，电路进入暂稳态

c) 电容放电，电路由暂稳态自动返回到稳态

1

0


3. 主要参数的计算

`

vO1

vO2

vR

vI

vDD

vDD

vDD+ vth

t

t

t

t

tpi

vth

twt1 t2

DDw

DD t

lnh

Vt RC

V V

tw≈0.7RC

(1) 输出脉冲宽度 tw

(2) 恢复时间tre

tre 3d

(3) 最高工作频率 fmax maxmin w re

1 1f

T t t

R(t)=VR() ＋ [VR(0+) － VR()] t

e

R(0+) = 0

R() =VDD

=RC


vO1 vO2

vcvI

1 1

RvR

VCC

4. 讨论

Cd

Rd

vDvI

1

vo2

如果输入端采用微分电路时， Rd 应大于 2k ，使得稳态时 D 大于 G1 的开门电平 (VON) 。

电阻 R 的取值可以是任意的吗？

采用 TTL 与非门构成单稳电路时，电阻 R 要小于 0.7k 。

在暂稳态结束 (t= t2) 瞬间，门G2 的输入电压 R 达到 VDD+VT ，可能损坏 G2 门，怎么办？

输入的触发脉冲的宽度可以是任意的吗？如触发脉冲的宽度太宽会有什么问题？


8.1.2 集成单稳态触发器

(a)

vO

vI

tw tw

(b)vO

vI

tw tw

不可重复触发

可重复触发被重复触发

不可重复触发


1. 不可重复触发的集成单稳态触发器 74121

≥1

G8

G4

G1 G2

G3

G5 G6 G7

G9

&

&

B

&

&

&1

1

1

1

Rext

Rint

Cext

RintCext/Rext

Q

Q

A1

A2

a

触发信号控制电路

微分型单稳触发器

输出缓冲电路

B Cext

Rint

Cext/Rext

Q

Q

A1

A2

GND NC

NC

NC

VCC

NC


(1) 工作原理

≥1

G8

G4

G1 G2

G3

G5 G6 G7

G9

&

&

B

&

&

&1

1

1

1

Rext

Rint

Cext

RintCext/Rext

Q

Q

A1

A2

a

电路稳态 : Q=0, 1Q

0

1

00

0

在暂稳态期间即使有触发信号输入，在 a 点不产生触发脉冲，只有等电路返回稳态后，电路才会被再次触发，电路属于不可重复触发单稳态触

发器。


电路暂稳态 :

Q=1,1Q

输出脉冲宽度： tw≈0.7RC


（ 2 ）功能表 74121 功能表两种触发方式

B Cext

Rint

Cext/Rext

Q

Q

A1

A2

GND NC

NC

NC

VCC

NC

定时电容定时电阻——用内部 2k 电阻

——用外部电阻

HH

QA1 A2 B Q

L X H LX L H LX X L L HH H X L H

H HH H

HL XX L


（ 3 ）电路连接


2. 可重复触发的集成单稳态触发器 MC14528

G11 G12

G10

G13 G14

G15 G16

G1G2

G3 G4

G5

G6

G7G8

G9& &

& &

1 1

1 1

1 1

11

1

≥1

≥1

≥1

Rext vc

vDD

Cext

vDD

TR+

TR-

RD

Q

Q

TP

TN

v12

v10

vo4

vo7

三态门

控制电路

输出缓冲电路

(1) 电路



功能表

Q1

Q1

1Cextc

1Rext/Cext

1RD

1TR+

1TR_

Vss

VDD

2Cext

Q2

Q2

2Rext/Cext

2RD

2TR+

2TR_

DR Q

单稳单稳

H

禁止

HLL××

禁止

HL×H×

清零

HL××L

QTR －TR ＋

功能输出输入

H

H L

引脚图



G11 G12

G10

G13 G14

G15 G16

G1G2

G3 G4

G5

G6

G7G8

G9& &

& &

1 1

1 1

1 1

11

1

≥1

≥1

≥1

Rext va

vDD

Cext

vDD

TR+

TR-

RD

Q

Q

TP

TN

v12

v10

vo4

vo7

00

1

0

0

1vcc

异步清零



G11 G12

G10

G13 G14

G15 G16

G1G2

G3 G4

G5

G6

G7G8

G9& &

& &

1 1

1 1

1 1

11

1

≥1

≥1

≥1

Rext vc

vDD

Cext

vDD

TR+

TR-

RD

Q

Q

TP

TN

v12

v10

vo4

vo71

0

10

0

10

1

0

1

0

1

01

还未充电如

果为 0合上电源时， v04=1

当 TR+=1, TR_=0, 时，电路处于稳定状态



G11 G12

G10

G13 G14

G15 G16

G1G2

G3 G4

G5

G6

G7G8

G9& &

& &

1 1

1 1

1 1

11

1

≥1

≥1

≥1

Rext vc

vDD

Cext

vDD

TR+

TR-

RD

Q

Q

TP

TN

v12

v10

vo4

vo71

0

1

0

1

10

101

1

0

0

电路发生第一次翻转，进入暂稳态。

0

1

0

0

1

电路发生第二次翻转，进入稳态。

当 TR+=1, TR_ 输入正脉冲时，电路发生翻转



工作波形

Q

t

1

TR+

TR-

0

0

0

0

VCVth13

Vth9

t

2

t

3

t

4

t

5

t

6

t

7

t

w

t

w

t +t

w

t

t

t

t

(0 ) ( )ln

( ) ( )

f ft

f t f

DD 9w

DD t 13

ln th

h

V Vt RC

V V

脉冲宽度包括电容充电和放电两段。


8.1.3 单稳态触发器的应用1. 定时

与门

单稳态触发器

vA vB

vO

vI

tw

t

vI VOH

0

vB VOH

0 t

tP

o

t

vA VOH

0

t

vO VOH

0

t w


2. 延时 `

vO1

vO2

vR

vI

vDD

vDD

vDD+ vth

t

t

t

t

tpi

vth

twt1 t2


单稳Ⅰ进入暂稳态，脉宽为 0.7R1C1

vcc

B

A1

A2

vcc

S

R1 R2C1 C2

Cext Cext/Rext Cext Cext/Rext

QQ 2Q1Q

74121(Ι)

74121(Ⅱ)

vo

vcc

vcc

B

A1

A2

vcc

3. 组成多谐振荡器

0 0HH

QA1 A2 B Q

L X H LX L H LX X L L HH H X L H

H HH H

HL XX L

01

10 10

单稳Ⅱ进入暂稳态，脉宽为 0.7R2C2

10

单稳Ⅰ进入暂稳态，脉宽为 0.7R1C1 单稳Ⅱ进入暂稳态，脉宽为 0.7R2C2

T=0.7(R1C1+R2C2)


4. 组成噪声消除电路

噪声

(a) 逻辑图

RC

Cext Cext/Rext

Q

74121vo

vcc

B

A1

A2

vI

QC1

D

R

(b) 波形图

Q

vo

vID

CP

(R)

(b) 波形图

Q

vo

vI

噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号的宽度较宽。

注意：单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度而小于信号脉宽，才可消除噪声。


8.2.1 门电路组成的施密特触发器

8.2.2 集成施密特触发器－ CC40146

8.2 施密特触发器

电路的组成及工作原理振荡周期的计算

8.2.3 施密特触发器的应用


施密特触发器的工作特点：

① 施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。

② 电路有两个阈值电压。输入信号增加和减少时，电路的阈值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性。

o vI

vO

VOH

VOL

(a) VT+

VT_

o vI

vO1

VOH

VOL

(b) VT+

VT_

1 vovI

1 vovI


8.2.1 门电路组成的施密特触发器

1 1

G1 G2

vI vO

R2

R1

vO1

v I1

1 vovI

2 1I1 I O

1 2 1 2

R R

R R R R

DDT 2

VV R1< R2 I 为三角波作如下假定：


2 1I

1 2 1 2

0th

R R

R R R R

1 1

G1 G2

vI vO

R2

R1

vO1 vI1

O21

1I

21

21I

RR

R

RR

R

0 0

只要 vI1<Vth ，则保持 vO=0V

当 vI1=Vth ，电路发生正反馈：

1

2I1 T+

1 2

RV

R R

v I ↑ v I1 ↑ v O1

v O ↑

1T+ th

2

(1 )R

V VR

当 vI1=0 ， vO=0V

当 vI 上升， vI1 也上升

vth =


2 1

1 2 1 2th T DD

R RV V

R R R R

1 1

G1 G2

vI vO

R2

R1

vO1 vI1

O21

1I

21

21I

RR

R

RR

R

1只要 vI1>Vth ，则保持 vO=VOH

当 vI1=Vth ，电路产生如下正反馈：

1T- th

2

(1 )R

V VR

当 vI 下降， vI1 也下降0

1T+ th

2

(1 )R

V VR

1T T+ T th

2

2R

V V V VR

回差电压

v I v I1 v O1

v O

VDD=2Vth


vI

VT+

VT_

vO

0

0

t

t0 vI

vO

VT+VT_

VDD

(a) 工作波形 (b) 传输特性曲线

1 1

G1 G2

vI vO

R2

R1

vO1 vI1


8.2.2 集成施密特触发器 ----CC40146

vo

vDD

vI

TP1

TN4

TP2

TP3

TP7

TP11

TN5

TN6

TN8

TN10

TP9

TN12

v'O

施密特触发器整形级输出缓冲级

o vI

vO1

VOH

VOL

(b) VT+

VT_

1 vovI

YANGTZE NORMAL UNIVERSITY8.2.3 施密特触发器的应用

vI

VT+

VT–

0 t

vO

VOH

VOL

0 t

tpo

vOvI1

1. 波形的整形及变换

vo

vI

vo

vT2

vT1

t

t

t

合理选择回差电压，可消除干扰信号。

为去掉干扰信号回差电压应如何选择？


2. 幅度鉴别

vo

vI

0

0

t

t

Vth(VT+)


3. 多谐振荡器

C

vovI

R

1

1 2

DD T T+

DD T T

DD T T+

DD T T--

ln ln ( )ln

T T T

V V VRC RC R

V V V

V VC

V V V V

vo

vI

VT+

VT_

VOL

VOH

T1

T2

0t

0 t


8.3.1 门电路组成的多谐振荡器

8.3.2 石英晶体振荡器

8.3 多谐振荡器

电路的组成及工作原理

振荡周期的计算

8.3.0 概述


多谐振荡器是一种自激振荡器，电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形波脉冲波或方波。

多谐振荡器

VCC

8.3.0 概述


开关电路

延时环节开关器件：产生高、低电平；

多谐振荡器电路应由哪几部分组成？

反馈延迟环节：利用 RC电路的充放电特性实现延时，将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态，以获得所需要的振荡频率。

8.3.0 概述


1. 电路组成

1 1 vI vO1

vO

C R

G1 G2

开关器件：反馈延迟环节：

由 CMOS 门电路组成的多谐振荡器

逻辑门电路R 、 C 电路

8.3.1 8.3.1 门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器


2. 工作原理假定 vO1 = 1 ， vO2 = 0

Vth=VON=VOFF=VDD/2

vI

D1

D2

TP

TN

vO1

R

C

D4

D3

TP

TN

vO2

G1 G2 +VDD

VC

进入第二暂稳态

vI vO1¯ vO2

t

t1 t2

t

t

vO1

VDD

0

vI

VDD

Vth0

vO2

VDD

0

(1) 第一暂稳态及电路自动翻转过程

01


vI

D1

D2

TP

TN

vO1

R

C

D4

D3

TP

TN

vO2

G1 G2 +VDD

VC

vO1 = 0 ， vO2 = 1

Vth=VON=VOFF=VDD/2

(2) 第二暂稳态及电路自动翻转过程

t

t1 t2

t

t

vO1

VDD

0

vI

VDD

Vth0

vO2

VDD

0 T1 T2

vI¯ vO1 vO2¯

10

2. 工作原理


3. 振荡周期 T 的计算

t

t1 t2

t

t

vO1

VDD

0

vI

VDD

Vth0

vO2

VDD

0 T1 T2

thDD

DD1 ln

VV

VRCT

th

DD2 ln

V

VRCT

ththDD

2

21 )(ln

VVV

VRCTTT DD

T ＝ RC1n4≈1.4RC

T = T1( 充 ) + T2

( 放 )( ) ( ) (0 ) ( ) e

tt v v vv

(0 ) ( )ln

( ) ( )

v vt

v t v


4 、加补偿电阻的 CMOS 多谐振荡器

1 1 vI vO1

vO

C R

G1 G2

R RON(P)+RON(N)

电源电压波动时，会使振荡频率不稳定。

R

S

C C 分布（分布电容）

， Rs>>R ( 一般取 Rs=10R )。当2DD

th

VV


8.3.2 8.3.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器

由门电路组成的多谐振荡器，周期 T 取决于R C 和 Vth ，频率稳定性较差。

X

0

fs fp

电感

性

电容

性

f

电路符号阻抗频率特性

1 1

G1 G2 C1

R R C2

R ：使反相器工作在线性放大区 C1 ：两个反相器间的耦合 C2 ：抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出。

石英晶体振荡器

优点：振荡频率稳定性高，常用作基准信号源

1 、石英晶体振荡器电路


2 、石英晶体振荡器应用

1

2

1 &

石英晶体

振荡器

＞

1J

1K

VCC

CP vO

Q

Q

& C1

CP

Q

1

2


8.4.1 555 定时器

8.4.2 定时器应用举例

8.4 555 定时器及其应用

电路的组成

用 555 定时器组成单稳态触发器用 555 定时器组成多谐振荡器

用 555 定时器组成施密特触发器

工作原理


555 定时器是一种应用方便的中规模集成电路 , 只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。

8.4.1 555 定时器

电阻分压器

电压比较器

基本 RS 触发器

复位输入端 (0)

输出缓冲反相器

集电极开路输出三极管

T

vo

vIC

vI1

vI2

vo’

C1

C2

+-

-+

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

R

S

&

5 k

5 k

5 k

& & 1

RDVCC

(8)

G

1 、电路组成


0

1 0

8.4.1 555 定时器

T

vo

vIC

vI1

vI2

vo’

C1

C2

+-

-+

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

R

S

&

5 k

5 k

5 k

& & 1

RDVCC

(8)

G

CC3

2V

CC3

1V

如果悬空

CC3

2V

CC3

1V

0

10

1 0CC3

2V

CC3

1V

1

01

1

0 1CC3

2V

CC3

1V

1

1

保持

保持

2 、工作原理


555 定时器功能表

不变不变1

导通01

截止11

导通00××

放电管

T输出

(VO)复位 (RD)触发输入

(VI2)阈值输入

(VI1)

输出输入

CC3

1V

CC3

1V

CC3

1V

CC3

2V

CC3

2V

CC3

2V



VCC

vI

R

vO

0.01F C

vC

8 4

555

7

6

2

3

5 1

一、用 555 定时器组成单稳态触发器——不可重复触发单稳

不变不变

导通0

截止1

导通0××

T VOVI2VI1

输出输入

CC3

1V

CC3

1V

CC3

1V

CC3

2V

CC3

2V

CC3

2V

vO

vI

o

v

o

C

t

t2

t1

)( -CCV

a 、接通电源电路进入稳态 O =0

t

t

2 3 VCC

o

Vc=0

23 VCC

1

3 VCC

1 、工作原理


VCC

vI

R

vO

0.01F C

vC

8 4

555

7

6

2

3

5 1

一、用 555 定时器组成单稳态触发器——不可重复触发单稳

不变不变

导通0

截止1

导通0××

T VOVI2VI1

输出输入

CC3

1V

CC3

1V

CC3

1V

CC3

2V

CC3

2V

CC3

2V

vO

vI

o

v

o

C

t

t2

t1

)( -CCV

a 、接通电源电路进入稳态 O =0

t

t

2 3 VCC

o

Vc=0

23 VCC

1

3 VCC

1 、工作原理


t

vO

V OH

o

vI

o

t

v C

o

1 3 V CC

2 3 V CC

t

t2 t1 0

VCC

vI

R

vO

0.01F C

vC

8 4

555

7

6

2

3

5 1

C1_

C2+

一、用 555 定时器组成单稳态触发器

不变不变导通0

截止1

导通0××

T VOVI2VI1

输出输入

CC3

1V

CC3

1V

CC3

1V

CC3

2V

CC3

2V

CC3

2V

b 、当输入信号下降沿到达时 , 电路进入暂稳态

C1+

t

W

tw=RC1n3≈1.1RC

c 、电容放电 , 电路自动返回到稳态

1 、工作原理


一、用 555 定时器组成单稳态触发器2 、用 555 定时器组成可重复触发单稳

5557

6

2 1

8 4

3

5

R R1

C

T+

-

vo

vI

VCC

0.01 F

vI

vC

vO

0

0

0

t

t

t

VCC

3

1

VCC

3

2

tW


二、用 555 定时器组成多谐振荡器

VCC

vC

vO

0.01F C

8 4

555

7

6

2

3

5

1

R1

R2

v

2 3 V

CC 1 3 V

CC

vC

0 t1 t2

tP

L

tP

H

tPL=R2C1n2≈0.7R2C

tpH = (R1+R2)C1n2≈0.7(R1+R2)C

PL PH 1 2

1 1.43

( 2 )f

t t R R C

不变不变

导通0

截止1

导通0××

T VOVI2VI1

输出输入

CC3

1V

CC3

1V

CC3

1V

CC3

2V

CC3

2V

CC3

2V

截止

导通


二、用 555 定时器组成多谐振荡器

VCC

R1

vO

0.01F

C

RB

8 4

555

7

6

2

3

5

1

R2

RA

RB

R3

D2

+

–

vC

D1

tPL=RBC1n2≈0.7RBC

tpH = RAC1n2≈0.7RAC

PL PH

1 1.43

( )A B

ft t R R C

A

A B

(%) 100%R

QR R

——占空比可调


三、用 555 定时器组成施密特触发器

VCC VCC1

8 4

555 6

2

vI

R

vO2

vO1

VIC

0.01F

7

3

5

1

t

vO1

VOH

0

t

1 3 VCC

2 3 VCC

vI

0

不变不变导通0

截止1

导通0××

T VOVI2VI1

输出输入

CC3

1V

CC3

1V

CC3

1V

CC3

2V

CC3

2V

CC3

2V0 1

3 VCC23 VCC

v I

v O

VOH

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第 8 章 脉冲波形的产生与变换

第 8 章脉冲波形的产生与变换