數字電路脈沖波形的產生2023/7/24阜師院數科院第1頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院電壓傳輸特性10.2施密特觸發器（SchmittTrigger）

它是脈沖波形變換中經常使用的一種電路具有下述特點:(1)屬于電平觸發,當輸入信號達到某一定電壓值時,輸出電壓會發生突變;（2）輸入信號增加和減少時，電路有不同的閾值電壓。V0VIVT-VT+VOH0假定電路中CMOS反相器的閾值電壓Vth=VDD/2,R1<R2,輸入信號VI為三角波,分析工作過程:根據疊加原理可寫出:Vi1=R2R1+R2VI

+R1R1+R2V0利用這兩個特點不僅能將邊沿變化緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在脈沖信號高低電平上的噪聲有效地清除。10.2.1門電路組成的施密特觸發器vi1第2頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院當Vi=0V時，G1門截止，G2門導通，輸出端V0=0V。此時Vi1=0V。輸入從0V電壓逐漸增加，只要Vi1<Vth，則電路保持V0=0V。當Vi上升使得Vi1=Vth時，電路產生如下正反饋過程：Vi1Vo1Vo結果是使V0很快變為VDD正向閾值電壓：輸入電壓Vi由小變大使電路輸出發生突變所對應的值。Vi1=Vth=R2R1+R2.VT+所以VT+=(1+R1R2)Vth當Vi1>Vth時,電路狀態維持VO=VDD不變。Vit0VT+VT-tVO0VOH工作波形第3頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院Vi繼續上升至最大值后開始下降,當Vi1=Vth時,電路產生如下正反饋過程:Vi1VO1VO結果VO迅速回0Vi1=Vth=R2R1+R2.VT-+R1R1+R2.VDD將VDD=2Vth代入可得VT-=(1-R1R2)VthVIt0VT+VT-tVO0VOH工作波形VOVI0VT+VT-傳輸特性回差電壓：△VT=VT+-VT-第4頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院*10.2.2集成施密特觸發器由于施密特觸發器的應用非常廣泛，所以無論是在TTL電路中還是在MOS電路中，都有單片集成的施密特觸發器產品。圖10.2.3帶與非功能的TTL集成施密特觸發器—7413因為在電路的輸入部分附加了與的邏輯功能，同時輸出端附加了反相器，所以它也叫施密特觸發的與非門，集成電路手冊中將其歸入與非門類。第5頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院圖10.2.4集成施密特觸發器7413的電壓傳輸特性第6頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院圖10.2.5CMOS集成施密特觸發器CC40106第7頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院圖10.2.6集成施密特觸發器CC40106的特性（a）電壓傳輸特性（b）VDD對VT＋、VT－的影響第8頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院10.2.3施密特觸發器的應用一、用于波形變換利用施密特觸發器狀態轉換過程中的正反饋作用,可以把邊沿緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。圖10.2.7用施密特觸發器實現波形變換V0VIVT-VT+VOH0第9頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院二、用于脈沖波形的整形圖10.2.8用施密特觸發器對脈沖整形第10頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院三、用于脈沖鑒幅圖10.2.9用施密特觸發器鑒別脈沖幅度第11頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院10.3單穩態觸發器(MonostableMultivibrator)具有下述特點：1、電路有一個穩態、一個暫穩態；2、在外來觸發信號作用下，電路由穩態轉到暫穩態；經過一段時間后，電路會自動返回穩態。3、暫穩態維持時間的長短取決于電路本身的參數，與觸發脈沖的寬度無關。6.3.1門電路組成的單穩態觸發器圖為用CMOS門電路和RC微分電路構成的微分型單穩態觸發器。一、微分型單穩態觸發器CMOS門電路可以近似認為；VOH=VDD、VOL=0，Vth=（1/2）VDD。（1）在穩態下vi=0，vi2=VDD，故vO=0，vO1=1沒有觸發時，電路處于穩態，電容C上沒有電壓。第12頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院當Vi正跳變來時，在Rd、Cd組成的微分電路輸出端得到很窄的正脈沖，使G1輸出V01由高變為低電平，經電容C耦合，使Vi2為D低電平，于是G2的輸出變為高電平。即，VO1=0，VO=1。由于G2的輸出與G1的輸入端相連，這時即使觸發信號再變為低電平，G1輸出暫時也不會變回高電平。即，維持暫態。（3）電容C充電，電路由暫態自動返回穩態在暫穩期間，電源經G1的導通管及電阻R對電容充電。隨著電容兩端的電壓的增長，當Vi2上升到G2的閾值電壓Vth時，電路發生下述正反饋過程：結果使G1迅速截止，G2很快導通，電路回到穩態。C充電Vi2VOVi1VO1VO1=1，VO=0（2）當外加觸發信號時，電路由穩態翻轉到暫態暫第13頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院圖10.3.2圖10.3.1電路的電壓波形圖假設輸入波形已知，根據以上的分析可畫出圖10.3.1電路中各點的電壓波形，如下：為了定量描述單穩態觸發器的性能，經常使用輸出脈沖寬度tW、輸出脈沖幅度VM、恢復時間tre和分辨時間td等參數。第14頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院在RON＜＜R的情況下，等效電路可簡化為簡單的RC串聯電路。該電路的過度過程可用三要素法求解。主要參數的計算三要素：VC（0）=0，VC（）=VDD，=RC，VC（tw）=Vth=1/2（VDD）=VDD-VDDe-tw/RCtw=RCln2=0.7RCVC(t)=VC（）-[VC（）-VC（0）]e-t/（1）輸出脈沖寬度tw輸出脈沖寬度tw等于從電容C開始充電到vi2上升至VTH的這段時間。第15頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院(3).恢復時間tre暫穩態結束后,還需要一段恢復時間,以便電容C在暫穩期間所充的電荷釋放完,使電路恢復初始狀態。一般要經過3d（d=RONC為放電時間常數）的時間。C放電的等效電路如上。(4).分辨時間td

是指在保證電路正常工作的前提下，允許兩個相鄰觸發脈沖之間的最小時間間隔，td=tw+tre，即最高工作頻率fMAX=1/td1fMAX=td<1tw+tre

（2）輸出脈沖的幅度：VM=VOH-VOL≈VDD第16頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院二、積分型單穩態觸發器該電路是用TTL與非門和反相器以及RC積分電路組成的。為了保證VO1為低電平時VA在VTH以下，R的阻值不能取得太大。穩態時，由于VI=0，所以VO=VOH，VA=VO1=VOH。當輸入正脈沖以后，VO1跳變為低電平，但由于電容C上的電壓不能突變，所以在一段時間里VA仍在VTH以上。G2兩個輸入為1，使vO跳變為0，電路進入暫態。電路進入暫態后，電容C開始放電，VA電位開始下降，當下降到VTH時，VO回到高電平。待VI返回低電平以后，VO1又重新變成高電平，并向C充電，VA恢復為高電平，電路回到穩態。第17頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院圖10.3.7圖10.3.5電路中電容C的放電回路和vA的波形

（a）放電回路（b）vA的波形暫穩時間tW為從電容開始放電到VA下降至VTH所需的時間。所以有：VC（0）=VOH，VC（∞）=VOL，=（R+RO）CVC(t)=VC（）-[VC（）-VC（0）]e-t/VC（tw）=VTH=VOL-（VOL-VOH）e-t/輸出脈沖幅度：Vm=VOH-VOL恢復時間是從VO1跳變為高電平后電容C充電至VOH所經過的時間。若取充電時間常數的3~5倍，則得tre=（3~5）（R+RO1）C第18頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院這個電路的分辨時間為：td=tTR+tre與微分型單穩態觸發器相比，積分型單穩態觸發器具有抗干擾能力強的優點。同時這也是這種電路的缺點，因為它不適應窄脈沖觸發。窄脈沖輸入的情況說明，當輸入脈沖窄于電路暫穩時間時，電路輸出將隨輸入脈沖變，已失去了單穩態的意義。另外，該電路與微分型單穩態觸發器相比存在的缺點是輸出波形的邊沿比較差，這是因為該電路沒有正反饋作用。第19頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院改進的積分型單穩態觸發器——窄脈沖觸發的積分型單穩G3G1G2RCVo1Vo3VoVI由圖可以看出這個電路就是在原積分型單穩態觸發器的基礎上加了一個與非門G3和輸出至G3的反饋線而形成的。該電路為負脈沖觸發，即平時VI為高電平。穩態時，Vo3=0，Vo1=1，Vo=1。當負脈沖來時，Vo3跳變為1，Vo1跳變為0，VO跳變為0，電路進入暫態，電容C開始通過G1放電。由于VO反饋到了輸入端，所以即使這時負觸發脈沖消失了，在暫穩態期間vO3的高電平也將繼續維持。直到RC電路放電到Vc=VTH以后，VO才返回高電平，電路回到穩態。可見這一電路可以實現窄脈沖觸發。第20頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院10.3.2集成單穩態觸發器一、TTL集成單穩態觸發器圖10.3.9集成單穩態觸發器74121簡化的邏輯圖微分型單穩態觸發器輸出緩沖電路輸入控制電路如果把G5和G6合在一起視為一個具有施密特觸發特性的或非門，則這個電路與前面所討論的微分型單穩態觸發器基本相同。它用門G4給出的正脈沖觸發，暫穩時間由Rext和Cext決定。第21頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院門G1~G4組成的輸入控制電路用于實現上升沿觸發或下降沿觸發的控制。輸入輸出A1A2BvOvO’0X101X0101XX00111X011↓1↓11↓↓10X↑X0↑表10.3.1集成單穩態觸發器74121的功能電路處于穩定狀態電路由下降沿觸發電路由上升沿觸發第22頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院圖10.3.10集成單穩態觸發器74121的工作波形圖輸出脈沖寬度：tW=RextCextln2=0.69RextCext通常Rext的取值在2~30K之間，Cext的取值在10pF~10μF之間，得到tW可達20ns~200ms。內置電阻Rint=2K。第23頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院圖10.3.11集成單穩態觸發器74121的外部連接方法（a）使用外接電阻Rext（下降沿觸發）

（b）使用內部電阻Rint（上升沿觸發）74121、74221、74LS221都是不可重復觸發的單穩態觸發器。74122、74123等是可重復觸發的單穩態觸發器。*二、CMOS集成單穩態觸發器第24頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院

多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，該電路在電源接通后，無需外接觸發信號就能產生一定頻率和幅值的矩形波或方波。10.4.1對稱式多諧振蕩器1.電路組成及工作原理10.4多諧振蕩器AstableMultivibrator圖10.4.1對稱式多諧振蕩器電路圖10.4.2TTL反相器（7404）的電壓傳輸特性RF取值0.5~1.9K第25頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院圖10.4.1所示的對稱式多諧振蕩器，是由兩個反相器G1和G2經耦合電容C1和C2連接起來的正反饋振蕩電路。為了產生自激振蕩，電路不能有穩定狀態。也就是說要保證環路放大倍數大于1，即使反相器工作在放大狀態（傳輸特性的轉折區）。為此，在反相器的兩端接入了反饋電阻RF1和RF2。這樣只要G1或G2的輸入端有及小的擾動，就會被正反饋回路放大而引起振蕩。下面具體分析一下接通電源后的工作情況。假定由于某種原因使vI1有微小的正跳變，則必然引起如下正反饋過程：vI1↑→vO1↓→vI2↓→vO2↑結果使vO1迅速跳變為低電平、vO2迅速跳變為高電平，電路進入第一暫穩態。同時電容C1開始充電而C2開始放電。由于TTL電路輸入端接有保護二極管，即負向電壓不大，致使vI2首先上升到G2的域值電壓VTH（此時放電的初始值較大放電速度即使與充電相同，vI1也要落后與vI2降至VTH），并引起如下正反饋過程：vI12↑→vO2↓→vI1↓→vO1↑從而使vO2迅速跳變至低電平而vO1迅速跳變至高電平，電路進入第二個暫穩態。同時C2開始充電而C1開始放電。由于電路的對稱性，這一過程與上面的分析完全一致。第26頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院圖10.4.5圖10.4.1電路中各點電壓的波形圖10.4.1對稱式多諧振蕩器電路在RF1=RF2=RF、C1=C2=C的條件下，電路的振蕩周期為：第27頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院10.4.2非對稱式多諧振蕩器分析圖10.4.1所示的對稱式多諧振蕩器電路可知，只要靜態時保證了G1工作在電壓傳輸特性的轉折區，如果把G2直接接到G1的輸出端，G2便可得到一個介于高、低電平之間的靜態偏置電壓，從而使G2的靜態工作點也處于電壓傳輸特性的轉折區上。因此，可以把C1和RF2去掉，使電路進一步簡化，就得到了圖10.4.6所示的非對稱式多諧振蕩器電路。圖10.4.6非對稱式多諧振蕩器電路圖中RP為CMOS電路的保護電阻第28頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院由于RF跨接在G1的輸入和輸出之間，又CMOS電路輸入電流在正常的輸入高、低電平范圍內幾乎等于零，所以RF上沒有壓降，G1必然工作在vo1=vI1狀態。因此，表示vo1=vI1的直線與電壓傳輸特性的交點就是G1的靜態工作點，如圖10.4.7所示。圖10.4.7圖10.4.6電路中CMOS反相器靜態工作點的確定通常CMOS門的VTH=1/2VDD，這時靜態工作點P剛好處在電壓傳輸特性的中點，即vo1=vI1=1/2VDD的地方。因為vO1=vI2，所以這時G2的靜態工作點也在電壓傳輸特性的中點。由于流過RF上靜態電流基本等于零，所以對RF阻值沒有嚴格地限制。第29頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院10.4.3環形振蕩器圖10.4.10最簡單的環形振蕩器利用閉合回路中的正反饋作用可以產生自激振蕩,其實只要負反饋足夠強,利用閉合回路中的延遲負反饋作用也能產生自激振蕩。不難看出，這個電路是沒有穩態的。因為在靜態（假定沒有振蕩）時任何一個反相器的輸入和輸出都不可能穩定在高電平或低電平，而只能處于高、低電平之間，即處于放大狀態。

假定由于某種原因使vi1產生了微小的正跳變，則經過G1的傳輸延遲時間tpd之后vi2產生一個幅度更大的負跳變，再經過G2的傳輸延遲時間tpd使vi3得到更大的正跳變。可以推想，再經過3tpd以后vi1又將跳變為高電平。如此周而復始，就產生了自激振蕩。第30頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院穩定振蕩后，可以假設各門電路的輸入、輸出電平均為高、低電平。于是可畫出上述自激振蕩的工作波形圖。圖10.4.11圖6.4.10電路的工作波形圖振蕩周期為：T=6tpd第31頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院

基于上述原理可知，將任何大于、等于3的奇數個反相器首尾相連接成環形電路，都能產生自激振蕩，而且振蕩周期為：T=2ntpd用這種方法構成的振蕩器雖然很簡單，但不實用。因為門電路的傳輸延遲時間極短，TTL電路只有幾十納秒，CMOS電路也只有一二百納秒，所以想獲得稍低一些的振蕩頻率很困難，而且頻率不易調節。圖10.4.12帶RC延遲電路的環形振蕩器

（a）原理性電路（b）實用的改進電路第32頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院10.4.4用施密特觸發器構成的多諧振蕩器施密特觸發器的電壓傳輸特性有一個滯回區。由此可以設想，若能使它的輸入電壓在VT+和VT-之間不停的往復變化，那么在它的輸出端就可以得到矩形脈沖，即實現了多諧振蕩的功能。實現上述設想的方法，只需在施密特觸發器的反相輸出端經RC積分電路接回輸入端即可，如圖10.4.15所示。圖10.4.15用施密特觸發器構成的多諧振蕩器第33頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院振蕩周期：

若使用的是CMOS施密特觸發器，而且VOH≈VDD，VOL≈0，則用三要素法很容易計算出振蕩周期。充電時：VC（0）=VT-，VC（∞）=VDD，=RC，VC（T1）=VT+VC(t)=VC（）-[VC（）-VC（0）]e-t/VC(T1)=VT+=VDD-[VDD–VT-]e-T1/RC[VDD–VT-]e-T1/RC=VDD-VT+eT1/RC=T1=RCln放電時：VC（0）=VT+，VC（∞）=0，=RC，VC（T1）=VT-VC(T2)=VT-=0-[0–VT+]e-T2/RC第34頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院圖10.4.17脈沖占空比可調的多諧振蕩器第35頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院石英晶體的電路符號及阻抗頻率特性感性容性0fXfSfPC用于兩個反相器的耦合.10.4.5石英晶體振蕩器圖中R的作用是使G1和G2工作在線性放大區。對TTL電路取1K~2K之間；對CMOS門取10~100M。第36頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院555定時器有雙極型和CMOS兩種類型，其型號分別有NE555（NE565雙555）和C7555等多種。雙極型定時器電源電壓范圍為5~16V，最大負載電流可達200mA；CMOS定時器電源電壓范圍為3~18V，最大負載電流在4mA以下。10.5.1555定時器結構及工作原理VCC（8）R’D（4）V0（3）（1）放電（7）觸發輸入VI2（2）閾值輸入VI1（6）控制電壓VIC（5）R&&&1+-+-C1C25k5k5kST10.5555定時器及其應用第37頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院當VI1>23VCC，VI2>13VCC時，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出低電平，基本RS觸發器被置1，放電三極管T截止，輸出端V0為高電平。當VI1<23VCC，VI2<13VCC時，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出高電平，基本RS觸發器被置0，放電三極管T導通，輸出端V0為低電平。當VI1<23VCC，VI2>13VCC時，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出高電平，基本RS觸發器狀態不變。T導通截止導通不變V0010不變RD0111VI1VI2XX<

<>><>輸出

輸入23VCC13VCC23VCC13VCC23VCC13VCC第38頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院6.5.2定時器應用舉例1.單穩態觸發器R&&&1+-+-C1C25k5k5kSTVCCRCVIV0t0twVC(0)=0,VC()=VCC,=RCVC(tw)=23VCC=VCC+(0–VCC)e-tw/RCtw=RCln3=1.1RC23VCt0VCCtVI0這種電路產生的脈沖寬度可從幾個微妙到數分鐘,精度可達0.1%。第39頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院由555定時器構成可重復觸發單穩電路tw報警847635210.01FCTVIVCCV0R放電該電路與前面的電路不同的地方就是在電容兩端并接了一個三極管T。這樣，當VI在單穩暫態期間連續觸發時，由于T導通能將電容C上的電荷放掉，使6端電壓達不到2/3VCC，從而實現重復觸發。該電路，只有兩次觸發時間大于tw時，電路才會回到穩態。t0Vt0Vt0VVIVCV0第40頁，課件共46頁，創作于2023年2月2023/7/24阜師院數科院2.由555定時器構成多諧振蕩器0.01FC84762351VcVccVoR1R2tVcOtVoOTphTpl當電源接通時，電容C上初始電壓為0，電源VCC通過R1和R2對電容C充電，VC上升，在VC<