數(shù)字邏輯電路第9章脈沖信號的產生與整形-2

1、第9章脈沖信號的產生與整形 第第9章脈沖信號的產生與整形章脈沖信號的產生與整形9.1概述概述 9.2555定時器定時器 9.3施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器 9.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 9.5多諧振蕩器多諧振蕩器 第9章脈沖信號的產生與整形 9.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器9.4.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特性和符號單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特性和符號 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特性具有如下的顯著特點：（1）有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(tài)（雙穩(wěn)態(tài)有兩個穩(wěn)態(tài)）。（2）在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持時間tW以后再自動返回穩(wěn)態(tài)，并在其輸出端產生一個寬度為tW的矩形脈沖。（3）暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取

2、決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關。 第9章脈沖信號的產生與整形 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可分為不可重復觸發(fā)型和可重復觸發(fā)型。暫穩(wěn)態(tài)期間如再次被觸發(fā)，對原暫穩(wěn)時間無影響，輸出脈沖寬度仍從第一次觸發(fā)開始計算的稱為不可重復觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；而可重復觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫穩(wěn)態(tài)期間再次被觸發(fā)時，輸出脈沖寬度在此前暫穩(wěn)態(tài)時間的基礎上再展寬tW。圖9-10和圖9-11所示分別為兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的邏輯符號和波形圖。其中，Q1是不可重復觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形；Q2是可重復觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形。 由于具備這些特點，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被廣泛應用于脈沖整形（把不規(guī)則的波形轉換成寬度、幅度都符合要求的脈沖）、延

3、時（產生滯后于觸發(fā)脈沖的輸出脈沖）以及定時（產生固定時間寬度的脈沖信號）等場合。 第9章脈沖信號的產生與整形 圖9-10兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器邏輯符號(a)不可重復觸發(fā)型;(b)可重復觸發(fā)型 圖9-11兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖 第9章脈沖信號的產生與整形 9.4.2用用555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的方法定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的方法 在555定時器的外部加接幾個阻容元件，就可構成單穩(wěn)態(tài)電路。它所形成的單脈沖持續(xù)寬度可以從幾微秒到幾個小時。圖9-12所示是由555定時器所構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其中，R、C是定時元件。 圖9-12由555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 第9章脈沖信號的產生與整形 當?shù)碗娖接|發(fā)信號

4、UI到來時，TR端的電壓低于CCV31， 從 555定時器功能表可以看出，此時不管高觸發(fā)端電壓為何值，定時器輸出 UO為高電平，同時 DIS 和地之間的放電管截止，電源通過 R 對C 充電，在電容 C 充電期間，輸出 UO保持為高電平，此為暫穩(wěn)態(tài)。 隨著充電的不斷進行，TH端電位逐漸上升。當 TH端電位上升到CCV32時，即觸發(fā)端 TH 電壓高于CCV32，從 555 定時器功能表可以看出，555 定時器輸出 UO由高電平變?yōu)榈碗娖?，放電管導通，電?C 通過放電管放電，電路返回到穩(wěn)態(tài)。 第9章脈沖信號的產生與整形 圖9-13由555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)電路波形圖 第9章脈沖信號的產生與整形 從

5、上面的分析可以知道，電路保持一種穩(wěn)定狀態(tài) （低電平狀態(tài)）不變，當觸發(fā)信號到來時，電路馬上轉變成另一種狀態(tài)（高電平狀態(tài)） ， 但這種狀態(tài)不穩(wěn)定， 一段時間后， 電路又自動返回到原狀態(tài) （低電平狀態(tài)） ，這就是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。忽略三極管的飽和壓降，則 UC從零電平上升到CCV32的時間，即為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度Wt： RC1 . 13lnRCtW 由以上分析可知，這種單穩(wěn)態(tài)電路為不可重復觸發(fā)器，要求輸入觸發(fā)脈沖寬度一定要小于tW。當輸入觸發(fā)脈沖寬度大于tW時，要在輸入端加RC微分電路。若觸發(fā)脈沖是周期性的，則其周期應大于tW。 第9章脈沖信號的產生與整形 9.4.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應用舉例單穩(wěn)態(tài)觸

6、發(fā)器應用舉例利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在觸發(fā)信號作用下由穩(wěn)態(tài)進入暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)一定的時間后自動返回穩(wěn)態(tài)的特點，可將單穩(wěn)態(tài)電路用于對脈沖信號的寬度進行波形變換、脈沖整形、定時、延時等場合。 1.用于脈沖整形用于脈沖整形 在圖9-14所示例子中，將波形不規(guī)則的UI加到單穩(wěn)態(tài)電路的輸入端，輸出端就得到了規(guī)則的脈沖信號UO，輸出脈沖寬度即為暫穩(wěn)態(tài)維持時間，主要取決于充、放電元件R和C。 2.用于定時用于定時 利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖寬度取決于電路元件R和C，且輸出脈沖寬度一定的特點，可以實現(xiàn)電路定時。圖9-15所示是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的定時電路和其相應的工作波形。UC是與門G開通與否的控制信號。當UC為高電平時，

7、門G開通，信號UB通過門G輸入；當UC為低電平時，門G關閉，UB不能輸出。通過計算在tW時間內與門輸出脈沖的個數(shù)可得到定時時間。 第9章脈沖信號的產生與整形 圖9-14脈沖整形 圖9-15單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的定時電路和工作波形 第9章脈沖信號的產生與整形 3.用于脈沖延遲用于脈沖延遲 在數(shù)字系統(tǒng)中，有時要求將某個脈沖寬度為T0的信號延遲一段時間T1后再輸出。利用兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以很方便地實現(xiàn)這種脈沖延時，其電路圖和波形圖如圖9-16和圖9-17所示。從波形圖可以看出，UO脈沖的下降沿相對輸入信號UI的上升沿延遲了TW1時間。圖中： 1T = 1WT 1.1R1C1 ，0T = 2WT 1.1R

8、2C2 圖9-16單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的脈沖延時電路 第9章脈沖信號的產生與整形 圖9-17脈沖延時波形圖 【例【例9.2】用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出定時時間為1 s的正脈沖，設R=27k，試確定定時元件C的取值。 解解因為tW1.1RC，故 F7 .33k271 . 111 . 1RtCW從而可取標稱值為33F。 第9章脈沖信號的產生與整形 9.5多諧振蕩器多諧振蕩器 9.5.1多諧振蕩器的工作原理多諧振蕩器的工作原理圖9-18所示電路是對稱式多諧振蕩器的典型電路，它是由兩個反相器G1和G2經耦合電容C1、C2連接起來的正反饋振蕩回路。為了產生自激振蕩，電路不能有穩(wěn)定狀態(tài)。也就是說，在

9、靜態(tài)下（電路沒有振蕩時），它的狀態(tài)必須是不穩(wěn)定的。下面以圖9-18所示電路為例分析多諧振蕩器的工作原理。 第9章脈沖信號的產生與整形 圖9-18對稱式多諧振蕩器電路第9章脈沖信號的產生與整形 假定由于某種原因（例如電源波動或外界干擾）使UI1有微小的正跳變，則必然會引起如下的正反饋過程： 1 IU 1OU 2IU 2OU 使UO1迅速跳變?yōu)榈碗娖?，UO2迅速跳變?yōu)楦唠娖剑娐愤M入第一個暫穩(wěn)態(tài)。同時，電容C1開始充電而C2開始放電。因為C1同時經RF1和RF2兩條支路充電，所以充電速度較快，UI2首先上升到G2的閾值電壓UTH，并引起如下的正反饋過程： 2IU 2OU 1 IU 1OU 第9章脈

10、沖信號的產生與整形 從而使 UO2迅速跳變至低電平而UO1迅速跳變至高電平， 電路進入第二個暫穩(wěn)態(tài)。同時，C2開始充電而 C1開始放電。由于電路的對稱性，這一過程和上面所述 C1充電、C2放電的過程完全對應，當 UI1上升到 UTH時電路又將迅速地返回 UO1為低電平而 UO2為高電平的第一個暫穩(wěn)態(tài)。因此，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只能不停地在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間往復振蕩，在輸出端產生矩形輸出脈沖。 第9章脈沖信號的產生與整形 圖9-19各點電壓波形圖 第9章脈沖信號的產生與整形 9.5.2石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器由于在RC振蕩器中，決定振蕩頻率的主要因素是電路的定時元件RC以及門電路的閾值電壓UT

11、H，而它們都容易受溫度影響，因此頻率穩(wěn)定性只有約10-3或更差。因此，在對頻率穩(wěn)定性要求較高的場合，普遍采用石英晶體振蕩器。石英晶體振蕩器是將切成薄片的石英晶體置于兩平板之間構成的，石英晶體可將振蕩器的頻率穩(wěn)定性提高到10-610-8。 高質量的石英晶體振蕩器，其晶片置于恒溫盒中，其頻率穩(wěn)定性可達10-11，足以滿足大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)對頻率穩(wěn)定度的要求。目前家用電子鐘表幾乎都采用具有石英晶體諧振器的方波發(fā)生器，由于它的頻率穩(wěn)定性高，所以走時準確，在通常的氣溫條件下，很容易保證每天的精度誤差小于0.5s。 第9章脈沖信號的產生與整形 由石英晶體的電抗頻率特性可知，當外加電壓的頻率為諧振頻率f0時，石

12、英晶體的阻抗最小，所以和C1、C2構成選頻網絡，形成正反饋，振蕩頻率約等于晶體頻率，與外接電阻、電容無關，所以這種電路振蕩頻率的穩(wěn)定度很高。因此，將石英晶體接在多諧振蕩器的回路中就可組成石英晶體振蕩器，這時，振蕩頻率只取決于石英晶體的固有諧振頻率，而與RC無關。在對稱式多諧振蕩器的基礎上，串接一塊石英晶體，就可以構成一個石英晶體振蕩器電路。該電路將產生穩(wěn)定度極高的矩形脈沖，其振蕩頻率由石英晶體的串聯(lián)諧振頻率決定。 第9章脈沖信號的產生與整形 圖9-20石英晶體多諧振蕩器電路 第9章脈沖信號的產生與整形 9.5.3用用555定時器構成多諧振蕩器的方法定時器構成多諧振蕩器的方法用555定時器構成的

13、多諧振蕩器如圖9-21所示。將555與三個阻容元件如圖連接，就構成了無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩模式，它與構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的不同之處僅在于觸發(fā)器TR接在充、放電回路的電容C上，而不是受外部觸發(fā)控制。圖9-21 用555構成多諧振蕩器電路第9章脈沖信號的產生與整形 圖9-22 多諧振蕩器的波形圖第9章脈沖信號的產生與整形 電路接通電源后，由于 C端電壓不能突變，555 處于置位狀態(tài)，輸出端為高電平，內部放電管截止。通過 R1、R2對 C 充電，TR電位隨 C 端電壓上升。當 C上的電壓達到CCV32閾值電平時，比較器C1翻轉，使 RS 觸發(fā)器置位，經緩沖級 G3倒相，輸出呈低電平。此時放電管V 飽和導通，電容C 經 R2和 V管放電。電容 C 放電所需時間為： CR7 . 02lnCRt22WL 第9章脈沖信號的產生與整形 當電容 C 放電至CCV31時，比較器 C2翻轉，RS 觸發(fā)器復位，經反相后，使輸出端呈高電平，V 管截止，VCC又將通過 R1、R2對 C充電，當充電至CCV32時，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉，如此周而復始產生振蕩，在輸出端就可得到一個周期性的方波。工作波形圖見圖 9-22。電容 C 的充電時間為： C)RR(7 . 02lnC)RR(t2121