數(shù)字電子技術(shù)脈沖波形的產(chǎn)生與變換

2023/5/181第7章脈沖波形的產(chǎn)生與變換

7.1概述7.2555定時器

7.2.1555定時器7.2.2555定時器的應(yīng)用舉例2023/5/182復(fù)習(xí)觸發(fā)器有什么特點？請畫出與非門實現(xiàn)的基本RS觸發(fā)器的電路圖。請列出基本RS觸發(fā)器的功能表。什么叫現(xiàn)態(tài)？次態(tài)？基本RS觸發(fā)器的觸發(fā)方式？2023/5/183第7章脈沖波形的產(chǎn)生與變換

脈沖信號：指突然變化的電壓或電流。脈沖電路的研究重點：波形分析。數(shù)字電路的研究重點：邏輯功能。

獲得脈沖波形的方法主要有兩種：

1．利用脈沖振蕩電路產(chǎn)生；

2．是通過整形電路對已有的波形進行整形、變換，使之符合系統(tǒng)的要求。

2023/5/184以下主要討論幾種常用脈沖波形的產(chǎn)生與變換電路：（功能、特點及其主要應(yīng)用簡介）

1.

RC電路：對矩形波進行微分、積分變換，或作脈沖分壓器；

2.

施密特觸發(fā)器：主要用以將非矩形脈沖變換成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脈沖；

3.

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：主要用以將脈沖寬度不符合要求的脈沖變換成脈沖寬度符合要求的矩形脈沖；

4.

多諧振蕩器：產(chǎn)生矩形脈沖；

5.

555定時器。常用脈沖波形及參數(shù)1.常見的脈沖波形

脈沖波形是指突變的電流和電壓的波形。

圖7-1常見的脈沖波形圖2023/5/1862.矩形波及其參數(shù)圖7-2非周期性和周期性矩形波(a)非周期性(b)周期性數(shù)字電路中用得最多的是矩形波。矩形波有周期性與非周期性兩種。2023/5/187圖7-3矩形波的主要參數(shù)周期性矩形波的周期用T表示，有時也用頻率f表示（f=1/T）。矩形波的另外幾個主要參數(shù)：

（1）脈沖幅度Um

（2）脈沖寬度tw

（3）上升時間tr

（4）下降時間tf

（5）占空比q=tw/T

。通常q用百分比表示，如果q=50%，則稱為對稱方波。2023/5/188為數(shù)字—模擬混合集成電路。可產(chǎn)生精確的時間延遲和振蕩，內(nèi)部有3個5KΩ的電阻分壓器，故稱555。在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。7.1555定時器及其應(yīng)用2023/5/189各公司生產(chǎn)的555定時器的邏輯功能與外引線排列都完全相同。

雙極型產(chǎn)品CMOS產(chǎn)品單555型號的最后幾位數(shù)碼5557555雙555型號的最后幾位數(shù)碼5567556優(yōu)點驅(qū)動能力較大低功耗、高輸入阻抗電源電壓工作范圍5~16V3~18V負載電流可達200mA可達4mA1.電路組成圖7-4555定時器(a)原理圖(b)外引線排列圖電阻分壓器電壓比較器基本RS觸發(fā)器放電管T緩沖器2023/5/1811（1）

電阻分壓器由3個5kΩ的電阻R組成，為電壓比較器C1和C2提供基準(zhǔn)電壓。2023/5/1812

（2）

電壓比較器

C1和C2。當(dāng)U＋＞U－時，

UC輸出高電平，反之則輸出低電平。

2023/5/1813

CO為控制電壓輸入端。當(dāng)CO懸空時，UR1＝2/3VCC，UR2＝1/3VCC。當(dāng)CO＝UCO時，UR1＝UCO，UR2＝1/2UCO

2023/5/1814

TH稱為高觸發(fā)端，TR稱為低觸發(fā)端。

2023/5/1815（3）

基本RS觸發(fā)器其置0和置1端為低電平有效觸發(fā)。

R是低電平有效的復(fù)位輸入端。正常工作時，必須使R處于高電平。

2023/5/1816（4）

放電管T

T是集電極開路的三極管。相當(dāng)于一個受控電子開關(guān)。

輸出為0時，T導(dǎo)通，輸出為1時，T截止。2023/5/1817（5）緩沖器緩沖器由G3和G4構(gòu)成，用于提高電路的負載能力。2023/5/1818

2.工作原理

TH接至反相輸入端，當(dāng)TH＞UR1時，UC1輸出低電平，使觸發(fā)器置0，故稱為高觸發(fā)端（有效時置0）；

TR接至同相輸入端，當(dāng)TR＜UR2時，UC2輸出低電平，使觸發(fā)器置1，故稱為低觸發(fā)端（有效時置1）。

表8-1555定時器的功能表2023/5/18197.2施密特觸發(fā)器主要用途：把變化緩慢的信號波形變換為邊沿陡峭的矩形波。

特點：

⑴電路有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。兩種穩(wěn)定狀態(tài)的維持和轉(zhuǎn)換完全取決于外加觸發(fā)信號。觸發(fā)方式：電平觸發(fā)。⑵電壓傳輸特性特殊，電路有兩個轉(zhuǎn)換電平（上限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT+和下限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT－）。⑶狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時有正反饋過程，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。

2023/5/1820

（4）工作波形與電壓傳輸特性

施密特觸發(fā)器將三角波uI變換成矩形波uO。圖7-5施密特觸發(fā)器的工作波形及電壓傳輸特性（a）工作波形（b）電壓傳輸特性3.重要參數(shù)上限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT+

下限觸發(fā)轉(zhuǎn)換電平UT－

回差ΔUT=UT+－UT－（通常UT+＞UT－）改變R1和R2的大小可以改變回差ΔUT

2023/5/18211.

555構(gòu)成施密特觸發(fā)器

圖7-6555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器（a）電路（b）工作波形如果在UIC加上控制電壓，則可以改變電路的UT+和UT－。2023/5/1822集成施密特觸發(fā)器的UT+和UT－的具體數(shù)值可從集成電路手冊中查到。

如CT74132的UT+＝1.7V、UT－＝0.9V，所以，ΔUT＝UT+—UT－＝1.7V—0.9V＝0.8V。

2.

集成施密特觸發(fā)器(1).

施密特反相器

TTL的74LS14和CMOS的CC40106均為六施密特觸發(fā)的反相器。下面以CC40106為例說明其功能。

2023/5/1823圖7-7施密特觸發(fā)反相器(a)原理框圖(b)電壓傳輸特性(c)邏輯符號

為了提高電路的性能，電路在施密特觸發(fā)器的基礎(chǔ)上，增加了整形級和輸出級。

整形級可以使輸出波形的邊沿更加陡峭，

輸出級可以提高電路的負載能力。2023/5/1824(2).施密特觸發(fā)與非門電路

為了對輸入波形進行整形，許多集成門電路采用了施密特觸發(fā)形式。比如CMOS的CC4093和TTL的74LS13就是施密特觸發(fā)的與非門電路。

圖7-8施密特觸發(fā)與非門的邏輯符號2023/5/1825(1).波形變換將變化緩慢的波形變換成矩形波（如將三角波或正弦波變換成同周期的矩形波）。圖7-9波形變換

3.

施密特觸發(fā)器的應(yīng)用2023/5/1826(2).脈沖整形在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變，或者邊沿產(chǎn)生振蕩等。通過施密特觸發(fā)器整形，可以獲得比較理想的矩形脈沖波形。

圖7-10脈沖整形

波形畸變邊沿振蕩2023/5/1827(3)．脈沖鑒幅將一系列幅度各異的脈沖信號加到施密特觸發(fā)器的輸入端，只有那些幅度大于UT+的脈沖才會在輸出端產(chǎn)生輸出信號?？梢姡┟芴赜|發(fā)器具有脈沖鑒幅能力。

圖7-11脈沖鑒幅2023/5/1828工作特點：第一，它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(tài)；第二，在外加脈沖作用下，觸發(fā)器能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)；第三，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，將自動返回穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與外加觸發(fā)信號無關(guān)。1.555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2023/5/1829（1）得到負脈沖

外觸發(fā)：使高觸發(fā)置0端TH有效→暫穩(wěn)態(tài)0自動返回：通過電容C的充放電使低觸發(fā)置1端TR有效→穩(wěn)態(tài)1

思路：外觸發(fā)→自動返回

（2）得到正脈沖外觸發(fā)：使低觸發(fā)置1端TR有效→暫穩(wěn)態(tài)1

自動返回：通過電容C的充放電使高觸發(fā)置0端TH有效→穩(wěn)態(tài)02023/5/1830圖7-12555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（a）電路（b）工作波形工作原理：穩(wěn)態(tài)為0低觸發(fā)有效置1T截止，C充電自動高觸發(fā)返0提高基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性的濾波電容輸出脈沖的寬度tw≈1.1RC。當(dāng)觸發(fā)脈沖uI為高電平時，VCC通過R對C充電，當(dāng)TH=uC≥2/3VCC時，高觸發(fā)端TH有效置0；此時，放電管導(dǎo)通，C放電，TH=uC=0。穩(wěn)態(tài)為0狀態(tài)。此時放電管T截止，VCC通過R對C充電。當(dāng)TH=uC≥2/3VCC時，使高觸發(fā)端TH有效，置0狀態(tài)，電路自動返回穩(wěn)態(tài)，此時放電管T導(dǎo)通。電路返回穩(wěn)態(tài)后，C通過導(dǎo)通的放電管T放電，使電路迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)。2023/5/1831工作原理：當(dāng)觸發(fā)脈沖uI下降沿到來時，低觸發(fā)端TR有效置1狀態(tài)，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)觸發(fā)脈沖uI為高電平時，VCC通過R對C充電，當(dāng)TH=uC≥2/3VCC時，高觸發(fā)端TH有效置0；此時，放電管導(dǎo)通，C放電，TH=uC=0。穩(wěn)態(tài)為0狀態(tài)。此時放電管T截止，VCC通過R對C充電。當(dāng)TH=uC≥2/3VCC時，使高觸發(fā)端TH有效，置0狀態(tài)，電路自動返回穩(wěn)態(tài)，此時放電管T導(dǎo)通。電路返回穩(wěn)態(tài)后，C通過導(dǎo)通的放電管T放電，使電路迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)。2023/5/18322.

集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用集成門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雖然電路簡單，但輸出脈沖寬度的穩(wěn)定性較差，調(diào)節(jié)范圍小，而且觸發(fā)方式單一。因此實際應(yīng)用中常采用集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。1.輸入脈沖觸發(fā)方式上升沿觸發(fā)下降沿觸發(fā)

2023/5/18332.不可重復(fù)觸發(fā)型與可重復(fù)觸發(fā)型

圖（a）為不可重復(fù)型觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器該電路在觸發(fā)進入暫穩(wěn)態(tài)期間如再次受到觸發(fā)，對原暫穩(wěn)態(tài)時間沒有影響，輸出脈沖寬度tw仍從第一次觸發(fā)開始計算。

圖（b）為可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器該電路在觸發(fā)進入暫穩(wěn)態(tài)期間如再次被觸發(fā)，則輸出脈沖寬度可在此前暫穩(wěn)態(tài)時間的基礎(chǔ)上再展寬tw。

因此，采用可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器時能比較方便地得到持續(xù)時間更長的輸出脈沖寬度。2023/5/18343.TTL集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路74121的功能及其應(yīng)用

74121是一種不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它既可采用上升沿觸發(fā)，又可采用下降沿觸發(fā)，其內(nèi)部還設(shè)有定時電阻Rint(約為2kΩ)。

表6-174121電路的功能表

圖7-13

74121的電路符號觸發(fā)輸入端輸出端外接定時元件引腳內(nèi)部電阻引腳2023/5/1835功能：

（1）觸發(fā)方式：

2023/5/1836圖8-1474121應(yīng)用電路（2）定時元件接法：輸出脈沖uO的寬度：tw≈0.7RCext外接電容Cext一般取值范圍為10pF～10μF，在要求不高的情況下最大值可達1000μF。圖(a)：外接電阻R=Rext（1.4~40kΩ）。圖(b)：用內(nèi)部電阻R＝Rint(約為2kΩ)。2023/5/18373.

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用1.脈沖延時單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要應(yīng)用是整形、定時和延時。圖7-15單穩(wěn)電路的延時作用

如果需要延遲脈沖的觸發(fā)時間，可利用單穩(wěn)電路來實現(xiàn)。uO的下降沿比uI的下降沿延遲了tw的時間。2023/5/18382.脈沖定時單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠產(chǎn)生一定寬度tw的矩形脈沖，利用這個脈沖去控制某一電路，則可使它在tw時間內(nèi)動作(或者不動作)。

圖7-16脈沖定時2023/5/1839圖7-17定時電路

例1：定時單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以構(gòu)成定時電路；與繼電器或驅(qū)動放大電路配合，可實現(xiàn)自動控制、定時開關(guān)的功能，一個典型定時電路如圖8.17所示。2023/5/1840

當(dāng)電路接通+6V電源后，經(jīng)過一段時間進入穩(wěn)定狀態(tài)，定時器輸出OUT為低電平，繼電器KA（當(dāng)繼電器無電流通過時，常開接點處于斷路狀態(tài)）無通過電流，故形不成導(dǎo)電回路，燈泡HL不亮。當(dāng)按下按鈕SB時，低電平觸發(fā)端TR（外部信號輸入端Ui）由接+6V電源變?yōu)榻拥兀喈?dāng)于輸入一個負脈沖，使電路由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)狀態(tài)，輸出OUT為高電平，繼電器KA通過電流，使常開接點閉合，形成導(dǎo)電回路，燈泡HL發(fā)亮；暫穩(wěn)定狀態(tài)的出現(xiàn)時刻是由按鈕SB何時按下決定的，它的持續(xù)時間tW（也是燈亮?xí)r間）則是由電路參數(shù)決定，若改變電路中的電阻RW或C，均可改變tW。2023/5/1841

典型延時電路如圖6.11所示，與定時電路相比，其電路的主要區(qū)別是電阻和電容連接的位置不同。電路中的繼電器KA為常斷繼電器，二極管D的作用是限幅保護。當(dāng)開關(guān)SA閉合，直流電源接通，555定時器開始工作，若電容初始電壓為零，因電容兩端電壓不能突變，而UDD=UC+UR，所以UTH==UR=UDD-UC=UDD，OUT=“0”，繼電器常開接點保持?jǐn)嚅_；同時電源開始向電容充電，電容兩端電壓不斷上升，而電阻兩端電壓對應(yīng)下降，當(dāng)

UC≥，2023/5/1842圖7-18延時電路

即UTH==UR≤時，OUT=“1”，繼電器常開接點閉合；電容充電至UC=UDD時結(jié)束，此時電阻兩端電壓為零，電路輸出OUT保持為“1”，從開關(guān)SA按下到繼電器KA閉合這段時間稱為延時時間。2023/5/1843

2)分頻當(dāng)一個觸發(fā)脈沖使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進入暫穩(wěn)狀態(tài)，在此脈沖以后時間tW內(nèi)，如果再輸入其他觸發(fā)脈沖，則對觸發(fā)器的狀態(tài)不再起作用；只有當(dāng)觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸入的觸發(fā)脈沖才起作用，分頻電路正是利用這個特性將高頻率信號變換為低頻率信號，電路如圖8.19所示。2023/5/1844圖7-19分頻電路2023/5/1845

1．多諧振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。

2．通過電容的充電和放電，使兩個暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，無需外觸發(fā)。

3．輸出周期性的矩形脈沖信號，由于含有豐富的諧波分量，故稱作多諧振蕩器。7.4多諧振蕩器

2023/5/18461.555構(gòu)成多諧振蕩器

設(shè)計思想：是無穩(wěn)態(tài)電路，兩個暫穩(wěn)態(tài)不斷地交替。利用放電管T作為一個受控電子開關(guān)，使電容充電、放電而改變TH=TR，則交替置0、置1。

圖7-20555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器（a）電路（b）工作波形電容C充電τ充=(R1+R2)C電容C放電τ放=R2C振蕩器輸出脈沖uO的工作周期為：

T≈0.7(R1+2R2)C2023/5/1847

2.改進電路圖8.20（a）所示電路只能產(chǎn)生占空比大于0.5的矩形波，而圖8.21所示電路可以產(chǎn)生占空比處于0和1之間的矩形波。這是因為它的充放電的路徑不同，圖7-21可調(diào)占空比的多諧振蕩器2023/5/18482.

石英晶體振蕩器前面介紹的多諧振蕩器的一個共同特點就是振蕩頻率不穩(wěn)定，容易受溫度、電源電壓波動和RC參數(shù)誤差的影響。而在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖信號常用作時鐘信號來控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。因此，控制信號頻率不穩(wěn)定會直接影響到系統(tǒng)的工作，顯然，前面討論的多諧振蕩器是不能滿足要求的，必須采用頻率穩(wěn)定度很高的石英晶體多諧振蕩器。2023/5/1849石英晶體的阻抗頻率特性圖

石英晶體具有很好的選頻特性。當(dāng)振蕩信號的頻率和石英晶體的固有諧振頻率fo相同時，石英晶體呈現(xiàn)很低的阻抗，信號很容易通過，而其它頻率的信號則被衰減掉。2023/5/1850因此，將石英晶體串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fo，而與RC無關(guān)。圖7-27石英晶體振蕩器電路在對稱式多諧振蕩器的基礎(chǔ)上，串接一塊石英晶體，就可以構(gòu)成一個石英晶體振蕩器電路。該電路將產(chǎn)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fo決定。

2023/5/1851目前，家用電子鐘幾乎都采用具有石英晶體振蕩器的矩形波發(fā)生器。由于它的頻率穩(wěn)定度很高，所以走時很準(zhǔn)。通常選用振蕩頻率為32768HZ的石英晶體諧振器，因為32768＝215，將32768HZ經(jīng)過15次二分頻，即可得到1HZ的時鐘脈沖作為計時標(biāo)準(zhǔn)。2023/5/18526.5555定時器的應(yīng)用例1：用雙CC7555組成間歇振蕩器

方法：低頻振蕩器輸出控制高頻振蕩器。

2023/5/1853例2：溫度、亮度報警器：

原理:

在給定的溫度(或亮度)范圍內(nèi),晶體管截止,輸出低電平(射極跟隨),利用4腳復(fù)位端,使555所組成的多諧振蕩器停止工作。