《数字电子技术》课程电子教案（PPT教学课件）第6章 脉冲信号的产生与整形

SINGHUA 第6章脉冲信号的产生与整形 6.1多谐振荡器 6.2施密特触发器 6.3单稳态触发器 清华大学画

http://www.wenyuan.com.cn/webnew/ 第6章 脉冲信号的产生与整形 6.1 多谐振荡器 6.2 施密特触发器 6.3 单稳态触发器

在时序逻辑电路中,为了控制各触发器同步协调一致的工作, 通常需要一个稳定精确的时钟脉冲信号。获得这种脉冲信号的方 法有两种,一种是通过多谐振荡器直接产生脉冲信号;另一种是 通过脉冲整形电路如单稳态触发器、施密特触发器等,将已有的 波形进行整形,获得稳定、精确、规则的矩形时钟脉冲。 在脉冲信号产生、整形电路中,常采用55时基集成电路, 只要在其外部配接少量阻容元件就可构成多谐振荡器、施密特触 发器和单稳态触发器。本章将重点介绍55时基集成电路的应用。 6.1多谐振荡 多谐振荡器是一种自激振荡电路,无需外加输入信号,其状 态转换完全由电路自行完成,电源接通后就可自动的产生矩形脉 冲。产生的矩形脉冲含有丰富的高次谐波分量,因此习惯上称其 为多谐振荡器。多谐振荡器不存在稳定状态,只有两个暂稳态, 故又称无稳态电路。 清华大学画

http://www.wenyuan.com.cn/webnew/ 在时序逻辑电路中，为了控制各触发器同步协调一致的工作， 通常需要一个稳定精确的时钟脉冲信号。获得这种脉冲信号的方 法有两种，一种是通过多谐振荡器直接产生脉冲信号；另一种是 通过脉冲整形电路如单稳态触发器、施密特触发器等，将已有的 波形进行整形，获得稳定、精确、规则的矩形时钟脉冲。 在脉冲信号产生、整形电路中，常采用555时基集成电路， 只要在其外部配接少量阻容元件就可构成多谐振荡器、施密特触 发器和单稳态触发器。本章将重点介绍555时基集成电路的应用。 6.1 多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡电路，无需外加输入信号，其状 态转换完全由电路自行完成，电源接通后就可自动的产生矩形脉 冲。产生的矩形脉冲含有丰富的高次谐波分量，因此习惯上称其 为多谐振荡器。多谐振荡器不存在稳定状态，只有两个暂稳态， 故又称无稳态电路

SJ61由门电路构成的多谐振荡器 UNIVE 101011011010 设每个门电路的传输延迟时间均为m, 选取其工作循环中的一个周期进行分析:假定某一时刻ln 为高电平1,经G延迟时间t后,使得u2为0;又经G2延迟 时间t后,输出v3为高电平1;再经G3延迟时间后,使输 出端u为0,同时反馈到G输入端使得vn1翻转为0。全过程 用时为3t。以此类推,再经过3tu,uo(un)又将变回高 电位1,完成一个周期。 0(41y) (a)a(41)的波形图 (b)a2的波形图 振荡周期为T=2Ntu c)u2的波形图

http://www.wenyuan.com.cn/webnew/ 6.1.1 由门电路构成的多谐振荡器 1. 环形振荡器 设每个门电路的传输延迟时间均为tpd， 选取其工作循环中的一个周期进行分析：假定某一时刻ui1 为高电平1，经G1延迟时间tpd后，使得ui2为0；又经G2延迟 时间tpd后，输出ui3为高电平1；再经G3延迟时间tpd后，使输 出端uo为0，同时反馈到G1输入端使得ui1翻转为0。全过程 用时为3tpd。以此类推，再经过3tpd，uo（ui1）又将变回高 电位1，完成一个周期。 振荡周期为T=2N tpd

ISINGHUA 0010010101011010 在两个反相器之间插入RC延时电路实现的。利 用电容C的充放电,实现延时并改变输出电平,形成 电路两暂稳态的交替变换,产生矩形脉冲信号。加入 RC电路,既降低了振荡频率,又可通过改变R、C的 数值来实现对振荡频率的调节。图中Rs为限流电阻。 R Rs Lu/I

http://www.wenyuan.com.cn/webnew/ 2. 带RC延迟电路的环形振荡器 在两个反相器之间插入RC延时电路实现的。利 用电容C的充放电，实现延时并改变输出电平，形成 电路两暂稳态的交替变换，产生矩形脉冲信号。加入 RC电路，既降低了振荡频率，又可通过改变R、C的 数值来实现对振荡频率的调节。图中RS为限流电阻

SJNG612CMOS多谐振荡器 UNIVERSITY PRESS 00101011011010 为便于电路分析,假定图中CMOS反相器开门 电平与关门电平相等,统称为阈值电平,记为Ur 并设U7r=0.5VDD

http://www.wenyuan.com.cn/webnew/ 6.1.2 CMOS多谐振荡器 为便于电路分析，假定图中CMOS反相器开门 电平与关门电平相等，统称为阈值电平，记为UT 并设UT=0.5VDD

当时刻到来时,4由0跳变为1,由于电容C上的 电压不能跃变故1跟随化发生正跳变,瞬间达到阈值电压U 使得un由1变到。这个低电平也保证子G2的输出u稳定为1。此 时电路进入第一暂稳态。在此期间,电容C通过电阻R放电,使 i逐渐下降,在t2时刻达到阈值电压,产生如下正反馈 L;1J→>ll;p-> 反馈过程瞬间结束,经过翻转后un1、l2、u0依次为 0、1、0,电路进入第二暂稳态。此期间,un2处的高电位通过电 阻R对电容C充电,这是第一暂稳态时放电的逆过程。电容充电 使u1逐渐上升,直到时刻达到阈值电压,产生另一正反馈: L11→>; 12↓=+lL 此后电路重复上述过程,在两个 G2输出端得到矩形脉冲信号。 清华大学出⑩

http://www.wenyuan.com.cn/webnew/ 当t 1时刻到来时，uo由0跳变为1，由于电容C上的 电压不能跃变，故ui1跟随uo发生正跳变，瞬间达到阈值电压UT， 使得ui2由1变到0。这个低电平也保证了G2的输出uo稳定为1。此 时电路进入第一暂稳态。在此期间，电容C通过电阻R放电，使 ui1逐渐下降，在t 2时刻达到阈值电压，产生如下正反馈： 反馈过程瞬间结束，经过翻转后ui1 、ui2、uo依次为 0、1、0，电路进入第二暂稳态。此期间，ui2处的高电位通过电 阻R对电容C充电，这是第一暂稳态时放电的逆过程。电容充电 使ui1逐渐上升，直到t 3时刻达到阈值电压，产生另一正反馈： 此后电路重复上述过程，在两个暂稳态之间来回翻转， G2输出端得到矩形脉冲信号。 ui1↓→ui2↑→uo↓ ui1↑→ui2 ↓ →uo↑

工作波形图A 00101011011010 U振荡用期r1.4Re (a)un的波形图 t1 t2 t3 (b)∠2的波形图 (c)a1的波形图

http://www.wenyuan.com.cn/webnew/ 工作波形图 振荡周期T≈1.4RC

SINGE61.A石英晶体多谐振荡器 00101011011010 前面介绍的几例多谐振荡器,其振荡频率不仅和时间常数 RC有关,还取决于门电路的阈值电平U。但U1本身就是一个 不够稳定的参数,易受温度、电源电压及外部干扰的影响,因 此造成电路的频率稳定性和准确性较低。为获取较高的频率稳 定性,目前髙精度振荡电路中一般接入石英晶体,构成石英晶 体振荡器。 C2 R1 Rs (a)串联式 (b)并联式 L

http://www.wenyuan.com.cn/webnew/ 6.1.3 石英晶体多谐振荡器 前面介绍的几例多谐振荡器，其振荡频率不仅和时间常数 RC有关，还取决于门电路的阈值电平UT。但UT本身就是一个 不够稳定的参数，易受温度、电源电压及外部干扰的影响，因 此造成电路的频率稳定性和准确性较低。为获取较高的频率稳 定性，目前高精度振荡电路中一般接入石英晶体，构成石英晶 体振荡器

石英晶体有一个极为稳定的谐振频率,如图所示,当频率 为6时晶体自身的阻抗最小,频率为的信号最容易通过,并在 电路中形成最强的正反馈。而对于其他频率的信号均会被石英 晶体衰减,使得正反馈大大减弱而不足以形成振荡。石英晶体 的诸振频率是晶体本身的固有特性,由晶体的结晶方向和外形 尺寸所决定,而与外接电容、电阻等无关,因此精度极高。 电感性 后 电容性 (a)频率特性 b)符号 清华大学出

http://www.wenyuan.com.cn/webnew/ 石英晶体有一个极为稳定的谐振频率f0，如图所示，当频率 为f0时晶体自身的阻抗最小，频率为f0的信号最容易通过，并在 电路中形成最强的正反馈。而对于其他频率的信号均会被石英 晶体衰减，使得正反馈大大减弱而不足以形成振荡。石英晶体 的谐振频率是晶体本身的固有特性，由晶体的结晶方向和外形 尺寸所决定，而与外接电容、电阻等无关，因此精度极高

SING61集成多谐振荡器及其应用 555定时器为双列直插式8引脚封 装。1端接地。2端是低电平触发输入端,低电平触发。3端是信号 输出端。4端是复位清零端。5端是电压控制端,在5端加控制电压 时,可改变C1、C2的参考电压,该端不用时一般通过电容接地, 以旁路髙频干扰。6端是髙电平触发输入端,高电平触发。7端是 放电端。8端接电源Vc CC R 5k Q2 G G CO TH 5k Q TR & 2 5k Q i 出版社

http://www.wenyuan.com.cn/webnew/ 6.1.4 集成多谐振荡器及其应用 1. 555定时器的结构与功能 555定时器为双列直插式8引脚封 装。1端接地。2端是低电平触发输入端，低电平触发。3端是信号 输出端。4端是复位清零端。5端是电压控制端，在5端加控制电压 时，可改变C1、C2的参考电压，该端不用时一般通过电容接地， 以旁路高频干扰。6端是高电平触发输入端，高电平触发。7端是 放电端。8端接电源VCC。 1 & & & CO T H TR +VCC uo 5kΩ 5kΩ 5kΩ C1 C2 G1 G2 G3 V + + － － 2 6 5 8 4 3 7 R Q Q