数字电子技术基础 第十章

1、Pan Pan HongbingHongbingVLSI Design InstituteVLSI Design Institute of Nanjing University of Nanjing University数字电子技术基础第十章 脉冲波形的产生和整形10.1 概述概述n获取矩形脉冲波形的途径：获取矩形脉冲波形的途径：n1、利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所、利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲。需要的矩形脉冲。n2、通过各种整形电路将已有的周期性变化波形、通过各种整形电路将已有的周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。变换为符合要求的矩形脉冲。描述矩形脉冲的主

2、要参数描述矩形脉冲的主要参数图图10.1.1 描述矩形脉冲特性的主要参数描述矩形脉冲特性的主要参数脉冲周期脉冲周期T脉冲幅度脉冲幅度Vm脉冲宽度脉冲宽度tw上升时间上升时间tr下降时间下降时间tf占空比占空比q还有些特殊参数：还有些特殊参数：如脉冲周期和幅度如脉冲周期和幅度的稳定性等。的稳定性等。10.2 施密特触发器施密特触发器l特点：特点：l1、输入信号从低电平上升的过程中电路状态转、输入信号从低电平上升的过程中电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。过程中对应的输入转换电平不同。l2、在电路状态转换时，通

3、过电路内部的正反馈、在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。过程使输出电压波形的边沿变得很陡。l以上两特点能将边沿变化缓慢的信号波形整为边以上两特点能将边沿变化缓慢的信号波形整为边沿陡峭的矩形拨，还可以将叠加在矩形脉冲高、沿陡峭的矩形拨，还可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效清除。低电平上的噪声有效清除。10.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器图图10.2.1 用用CMOS反相器构成的施密特触发器反相器构成的施密特触发器（a）电路电路 （b）图形符号图形符号VT+=(1+R1/R2)VTHVT-=(1-R1/R2)VTH回差电压回

4、差电压=VT+-VT-图图10.2.2 图图6.2.1电路的电压传输特性电路的电压传输特性 （a）同相输出同相输出 （b）反相输出反相输出通过改变通过改变R1和和R2的比值可以调节的比值可以调节VT+和和VT-和回差电压的大和回差电压的大小。但小。但R1必须小于必须小于R2，否则电路将进入自锁状态，不能正，否则电路将进入自锁状态，不能正常工作。常工作。例例 10.2.1 P459-460n根据已知条件先求VTH。n然后推出VDD。n然后根据器件负载电流的最大允许值求出R2最小允许值。n最后根据R2得到R1。10.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器图图10.2.3 用用TTL门电路接成的施

5、密特触发器门电路接成的施密特触发器图图10.2.4 带与非功能的带与非功能的TTL集成施密特触发器集成施密特触发器图图10.2.5 集成施密特触发器集成施密特触发器7413的电压传输特性的电压传输特性图图10.2.6 CMOS集成施密特触发器集成施密特触发器CC40106 图图10.2.7 集成施密特触发器集成施密特触发器CC40106的特性（的特性（ a）电压电压传输特性（传输特性（b）VDD对对VT、VT的影响的影响10.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用n一、用于波形变换一、用于波形变换n利用施密特触发器状态利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作转换过程中的正反馈作用，可以将

6、边沿变化缓用，可以将边沿变化缓慢的周期性好变换为边慢的周期性好变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。沿很陡的矩形脉冲信号。（同频率）。（同频率）。图图10.2.8 用用施密特触发器实现波形变换施密特触发器实现波形变换二、用于脉冲整形二、用于脉冲整形图图10.2.9 用用施密特触发器对脉冲整形施密特触发器对脉冲整形数字系统中产生波形畸变的原数字系统中产生波形畸变的原因。因。1、传输线上、传输线上电容较大电容较大时，上时，上升沿和下降沿将明显变坏。升沿和下降沿将明显变坏。2、当、当传输线较长时，且接收传输线较长时，且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时配时，在波形的上升沿和下降，在

7、波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象。沿将产生振荡现象。3、当其他脉冲信号通过导线、当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线间的分布电容或公共电源线叠叠加加到矩形脉冲信号上时，信号到矩形脉冲信号上时，信号上将出现附加的噪声。上将出现附加的噪声。三、用于脉冲鉴幅三、用于脉冲鉴幅图图10.2.10 用用施密特触发器鉴别脉冲幅度施密特触发器鉴别脉冲幅度10.3 单稳态触发器单稳态触发器n单稳态触发器（单稳态触发器（Monostable Multivibrator,又称又称One-shot）工作特点：）工作特点：n1、有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。、有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。n2、在外

8、界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，、在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态。在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态。n3、暂稳态维持时间的长短取决与电路本身的参数，与、暂稳态维持时间的长短取决与电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。触发脉冲的宽度和幅度无关。n被广泛应用于脉冲整形、延时（产生滞后于触发脉冲的被广泛应用于脉冲整形、延时（产生滞后于触发脉冲的输出脉冲）以及定时（产生固定时间宽度的脉冲信号）输出脉冲）以及定时（产生固定时间宽度的脉冲信号）等。等。10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器用门电路组成的单稳态触发器n一、微分型单

9、稳态触发器一、微分型单稳态触发器n电容上的电压电容上的电压Vc从充、放电开始至某一数值从充、放电开始至某一数值VTH所经过的所经过的时间可以用下式计算：时间可以用下式计算：nT=RCln(Vc(X)-Vc(0)/(Vc(X)-VTH)图图10.3.1 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器图图10.3.2 图图6.3.1电路的电压波形图电路的电压波形图tw=RCln2=0.69RC，电容，电容电压从电压从0充至充至VTH的时间。的时间。 Vm=VOH-VOL，输出脉冲的，输出脉冲的幅度。幅度。tre=(35)RONC,恢复时间。恢复时间。td= tw+tre,分辨时间，在保分辨时间，在保证电路能

10、正常工作的前提证电路能正常工作的前提下，允许两个相邻触发脉下，允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔。冲之间的最小时间间隔。图图10.3.3 图图6.3.1电路中电容电路中电容C充电的等效电路充电的等效电路图图10.3.4 图图6.3.1电路中电容电路中电容C放电的等效电路放电的等效电路二、积分型单稳态触发器二、积分型单稳态触发器图图10.3.5 积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器R的阻值不能取得很大。的阻值不能取得很大。此电路用正脉冲触发。此电路用正脉冲触发。图图10.3.6 图图6.3.5电路的电压波形图电路的电压波形图tw=（R+Ro）Cln(VoL-VoH)/(VoL-VTH)，电容

11、开始，电容开始放电到放电到VTH的时间。的时间。 Vm=VOH-VOL，输出脉冲的，输出脉冲的幅度。幅度。tre=(35) (R+Ro )C,恢复恢复时间。时间。td= ttr+tre,分辨时间分辨时间, 触发触发脉冲宽度和恢复时间之和。脉冲宽度和恢复时间之和。图图10.3.7 图图6.3.5电路中电容电路中电容C的放电回路和的放电回路和vA的波形的波形 （a）放电回路放电回路 （b） vA的波形的波形积分型单稳态触发器的特点积分型单稳态触发器的特点n优点：抗干扰能力较强。优点：抗干扰能力较强。数字电路中的干扰多为尖峰脉冲（幅度较大而宽度极数字电路中的干扰多为尖峰脉冲（幅度较大而宽度极窄）。窄

12、）。n缺点：输出波形的边沿比较差。缺点：输出波形的边沿比较差。由于电路的状态转换过程中没有正反馈作用。由于电路的状态转换过程中没有正反馈作用。必须在触发脉冲的宽度大于输出脉冲宽度时方能工作。必须在触发脉冲的宽度大于输出脉冲宽度时方能工作。改进电路：改进电路：P471 输入部分增加与非门和输出至此与非门的反馈线。输入部分增加与非门和输出至此与非门的反馈线。 此电路由负脉冲触发。此电路由负脉冲触发。10.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器n一、一、TTL集成单稳态触发器集成单稳态触发器图图10.3.9 集成单稳态触发器集成单稳态触发器74121的逻辑图（微分型）的逻辑图（微分型）一般还采用了

13、温漂补偿电路。一般还采用了温漂补偿电路。图图10.3.10 集成单稳态触发器集成单稳态触发器74121的工作波形图的工作波形图图图10.3.11 集成单稳态触发器集成单稳态触发器74121的外部连接方法的外部连接方法（a）使用外使用外接电阻接电阻Rext （下降沿触发）下降沿触发） （b）使用内部电阻使用内部电阻Rint （上升沿触发）上升沿触发）图图10.3.12 不可重复触发型与可重复触发型单不可重复触发型与可重复触发型单 稳态触发器的工作波形稳态触发器的工作波形（a）不可重复触发型不可重复触发型（b）可重复触发型可重复触发型二、二、CMOS集成单稳态触发器集成单稳态触发器图图10.3.1

14、3 集成单稳态触发器集成单稳态触发器CC14528的逻辑图的逻辑图图图10.3.13 集成单稳态触发器集成单稳态触发器CC14528的工作波形的工作波形10.4 多谐振荡器（多谐振荡器（Astable Multivibrator）n是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲。信号，便能自动产生矩形脉冲。n10.4.1 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器图图10.4.1 对称式多谐振荡器电路对称式多谐振荡器电路 为了产生自激为了产生自激振荡，电路不能有振荡，电路不能有稳定状态。稳定状态。 设法使设法使G1，G2工作在电压传

15、输特工作在电压传输特性的转折区或线性性的转折区或线性区。区。图图10.4.2 TTL反相器（反相器（7404）的电压传输特性）的电压传输特性图图10.4.3 计算计算TTL反相器静态工作点的等效电路反相器静态工作点的等效电路求得求得Vo与与VI的关系，是线性关的关系，是线性关系。系。其斜率为（其斜率为（R1+RF1）/R1当当Vo=0时与横轴相交的时与横轴相交的VI值为值为VI=RF1(Vcc-VBE)/(R1+RF1)就是反相器的静态工作点。恰就是反相器的静态工作点。恰当选取当选取RF1值，使静态工作点位值，使静态工作点位于电压传输特性的转折区。于电压传输特性的转折区。对对74系列门电路，系

16、列门电路，RF1的阻值在的阻值在0.51.9k欧之间。欧之间。图图10.4.4 图图6.4.1电路中电容的充、电路中电容的充、放电等效电路放电等效电路（a）C1充电的充电的等效电路等效电路 （b） C2放放电的电的等效电路等效电路图图10.4.5 图图6.4.1电路中各点电压的波形电路中各点电压的波形根据戴维宁定理求得等效电根据戴维宁定理求得等效电阻和等效电压源。阻和等效电压源。RE1=R1RF2/(R1+RF2)VE1=VOH+RF2(Vcc-VOH-VBE)/(R1+RF2)振荡周期为振荡周期为T=2T1=2RECln(VE-V1k)/(VE-VTH)例例 10.4.1 P480n先根据已

17、知条件求出RE和VE值。n再将条件代入计算得到振荡周期T。n最后得到振荡频率。10.4.2 非对称多谐振动器非对称多谐振动器图图10.4.6 非对称式多谐振荡器电路非对称式多谐振荡器电路将对称式多谐振荡器电路简化后的到。将对称式多谐振荡器电路简化后的到。图图10.4.7 图图6.4.6电路中电路中CMOS反相器静态工作点的确定反相器静态工作点的确定图图10.4.8 图图6.4.6电路中电容的充、电路中电容的充、放电等效电路放电等效电路 （a）放放电的电的等效电路（等效电路（b）充电的充电的等效电路等效电路图图10.4.9 图图6.4.6电路的工作波形图电路的工作波形图电容电容C的充电时间：的充

18、电时间：T1约等于约等于RFCln(VDD-(VTH_VDD)/(VDD-VTH)=RFCln3电容电容C的放电时间：的放电时间：T2约等于约等于RFCln(0-(VTH+VDD)/(0-VTH)=RFCln3振荡周期为：振荡周期为：T=T1+T2约等于约等于2RFCln3=2.2RFC输出电压的占空比不等于输出电压的占空比不等于50%。10.4.3 环形振荡器环形振荡器图图10.4.10 最简单的环形振荡器最简单的环形振荡器利用延迟负反馈产生振荡。利用延迟负反馈产生振荡。利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成。利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成。图图10.4.

19、11 图图6.4.10电路的工作波形图电路的工作波形图振荡周期为振荡周期为T=2ntpd其中其中n为串联反相器为串联反相器的个数。的个数。图图10.4.12 带带RC延迟电路的延迟电路的环形振荡器环形振荡器 （a）原理性电路（原理性电路（b）实用的改进电路实用的改进电路 由于门电路传输时间短，由上述方法很难获得频率较由于门电路传输时间短，由上述方法很难获得频率较低的振荡频率。而且频率不易调节。低的振荡频率。而且频率不易调节。 按下图，电路上附加按下图，电路上附加RC延迟环节。组成带延迟环节。组成带RC延迟电延迟电路的环形振荡器。路的环形振荡器。1()lnETHOHOLEETHVVVVTR CV

20、V22lnOHTHOLTHOLVVVTRCVV图图10.4.13 图图6.4.12 （b）电路的工作波形电路的工作波形1()EOHCCBEOHSRVVVVVRRR11()SESR RRRRRR122ln2.2RC OHTHOHTHOHTHTHVVVVTTTRCVVV图图10.4.14 图图6.4.12 （b）电路中电容电路中电容C的充的充、放电等效电路放电等效电路（a）充电时的充电时的等效电路等效电路 （b）放放电时的电时的等效电路等效电路10.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器用施密特触发器构成的多谐振荡器图图10.4.15 用施密特触发器构成的多谐振荡器用施密特触发器构成的多谐振荡器图

21、图10.4.16 图图6.4.15电路的电压波形图电路的电压波形图图图10.4.17 脉冲占空比可调的多谐振荡器脉冲占空比可调的多谐振荡器DDT-12DDV-VT=T +T =RClnlnVlnTTTDDTTDDTTVRCVVVVVRCVVV改变改变R1和和R2的比值的比值,就能改变占空比。就能改变占空比。10.4.5 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器n以上讨论的多谐振荡器频率稳定性不高。以上讨论的多谐振荡器频率稳定性不高。1、振荡器中门电路的转换电平、振荡器中门电路的转换电平VTH本身不够稳定，本身不够稳定，容易受电源电压和温度变化的影响。容易受电源电压和温度变化的影响。2、工作方式容易

22、受到干扰，造成电路状态转换时间、工作方式容易受到干扰，造成电路状态转换时间的提前或滞后。的提前或滞后。3、在电路状态临近转换时电容的充、放电很缓慢，、在电路状态临近转换时电容的充、放电很缓慢，易受干扰。易受干扰。n普遍的稳频方法是在多谐振荡器中接入石英晶体，普遍的稳频方法是在多谐振荡器中接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。组成石英晶体多谐振荡器。n石英晶体振荡器的振荡频率取决于石英晶体的石英晶体振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固固有谐振频率有谐振频率fo，与外接电阻、电容无关。，与外接电阻、电容无关。10.4.5 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器图图10.4.18 石英晶体的电抗频率特性

23、和符号石英晶体的电抗频率特性和符号图图10.4.19 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器10.5 555定时器及其应用定时器及其应用n10.5.1 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能图图10.5.1 CB555的电路结构图的电路结构图555定时器是一种多定时器是一种多用途的数字用途的数字-模拟混模拟混合集成电路。合集成电路。利用它能很方便地构利用它能很方便地构成斯密特触发器、单成斯密特触发器、单稳态触发器和多谐振稳态触发器和多谐振荡器。荡器。其应用领域广泛。其应用领域广泛。10.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器图图10.5.2 用用555定时

24、器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器图图10.5.3 图图6.5.2电路的电压传输特性电路的电压传输特性10.5.3 用用555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器图图10.5.4 用用555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器图图10.5.5 图图6.5.4电路的电压波形图电路的电压波形图0lnln31.123CCwCCCCVtRCRCRCVV10.5.4 用用555定时器接成的多谐振荡器定时器接成的多谐振荡器图图10.5.6 用用555定时器接成的多谐振荡器定时器接成的多谐振荡器112221212()ln2ln2(2)ln21/TRR CTR CTTTRR

25、CfT图图10.5.7 图图6.5.6电路的电压波形图电路的电压波形图121122RRTqTRR图图10.5.8 用用555定时器组成的占空比可调的多谐振荡器定时器组成的占空比可调的多谐振荡器1122112ln2ln2TRCTR CRqRR例例 10.5.1 P496-497图图10.5.9 例例6.5.1设计的多谐振荡器设计的多谐振荡器10.6 用用Multisim 7分析脉冲电路分析脉冲电路复习思考题复习思考题nR10.2.1 能否用施密特触发器存储能否用施密特触发器存储1位二值代码位二值代码?为什么为什么?nR10.2.2 在图在图10.2.1所示的施密特触发器电路中所示的施密特触发器电路中,为什么要求为什么要求R1R2?nR10.2.3 反相输出的施密特触发器的电压传输特反相输出的施密特触发器的电压传输特性和普通反相器的电压传输特性有什么不同性和普通反相器的电压传输特性有什么不同?nR10.3.1 单稳态触发器输出脉冲的宽度单稳态触发器输出脉冲的宽度(即暂稳即暂稳态持续时间态持续时间)由哪些因素决定由哪些因素决定?与触发脉冲的宽度与触发脉冲的宽度和幅度有无关系和幅度有无关系?复习思考题复习思考题nR10.3.2 比较一下图比较一