數(shù)字電路與邏輯設(shè)計（第四版）課件 第9章 脈沖信號的產(chǎn)生與整形

第9章脈沖信號的產(chǎn)生與整形9.1概述9.2555定

時

器9.3施密特觸發(fā)器9.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器9.5多諧振蕩器

9.1概述

脈沖信號是指突然變化的電壓或電流。在數(shù)字電路中，為了控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作，常常需要脈沖信號。獲得矩形脈沖的方法有兩種：一種是利用多諧振蕩器直接產(chǎn)生所需要的矩形脈沖；另一種是通過整形電路把已有的周期性變化波形變換成符合要求的矩形脈沖。

常用的整形電路有施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器主要用于將緩慢變化或快速變化的非矩形脈沖變換成陡峭的矩形脈沖；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器主要用于將寬度不符合要求的脈沖變換成符合要求的矩形脈沖。

555定時器是一種多用途的數(shù)字—模擬混合集成電路，利用它能方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，因而555定時器在定時、控制、檢測、報警等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

9.2555定

時

器

555定時器因輸入端設(shè)計有三個5kΩ電阻而得名，它的電源電壓范圍寬(雙極型555定時器為5~16V，CMOS555定時器為3~18V)，可提供與TTL及CMOS數(shù)字電路兼容的接口電平，還可輸出一定功率，驅(qū)動微電機(jī)、指示燈、揚(yáng)聲器等。555定時器的產(chǎn)品型號繁多，但所有雙極型產(chǎn)品型號最后的三位數(shù)碼都是555，所有CMOS產(chǎn)品型號最后的四位數(shù)碼都是7555。它們的功能和外部引腳的排列完全相同。

9.2.1555定時器的電路組成

圖9-1雙極型555定時器電路結(jié)構(gòu)圖

圖9-2555定時器引腳圖

9.3施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，利用它可以將正弦波、三角波以及其他一些周期性的脈沖波形變換成邊沿陡峭的矩形波。另外，它還可以用作脈沖鑒幅器、比較器等。

9.3.1施密特觸發(fā)器的特性和符號

施密特觸發(fā)器有兩個重要特性：

(1)輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平與輸入信號從高電平下降過程中對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。

(2)在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡峭。

施密特觸發(fā)器分為反相施密特觸發(fā)器和同相施密特觸發(fā)器，其相應(yīng)的電壓傳輸特性和邏輯符號如圖9-3所示。圖中，UT+

稱為正向閾值電平或上限觸發(fā)電平；UT-

稱為負(fù)向閾值電平或下限觸發(fā)電平；其差值稱為回差電壓(滯后電壓)，用ΔUT

表示，即有ΔUT=UT+-UT-

。在圖9-3(a)中，當(dāng)UI

從低電平上升到UT+

時，UO

從高電平變?yōu)榈碗娖?；?dāng)UI

從高電平下降到UT-

時，UO從低電平變?yōu)楦唠娖健Ｓ捎赨I

和UO

始終為反相關(guān)系，因此稱這類施密特觸發(fā)器為反相施密特觸發(fā)器，其邏輯符號見圖9-3(c)。反之，若UI

和UO

為同相關(guān)系，如圖9-3(b)所示，則稱為同相施密特觸發(fā)器，其邏輯符號如圖9-3(d)所示。

可以看出，施密特觸發(fā)器是一種受輸入信號電平直接控制的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。它有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，只要輸入信號電平達(dá)到觸發(fā)電平，輸出信號就會發(fā)生突變，從一個穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個穩(wěn)態(tài)，并根據(jù)外加觸發(fā)信號來決定穩(wěn)態(tài)的維持時間。另外，由于施密特觸發(fā)器具有滯后特性或回差特性，即對正向和負(fù)向增長的輸入信號，電路有不同的閾值電平，因此提高了抗干擾能力。

9.3.2用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器的方法

將555定時器的高電平觸發(fā)端和低電平觸發(fā)端連接起來，作為觸發(fā)信號的輸入端，就可構(gòu)成施密特觸發(fā)器，如圖9-4所示。

圖9-4555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

對照555定時器的功能表，可知圖9-4所示電路的工作過程形成了一個反相施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性曲線，如圖9-5所示。圖9-5555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性曲線

【例9.1】

用555定時器將三角波轉(zhuǎn)換成矩形波。

解

變換后的波形如圖9-6所示。圖9-6三角波變換矩形波波形圖

9.3.3施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例

1.用于脈沖整形

在數(shù)字測量和控制系統(tǒng)中，由傳感器送來的信號波形邊沿較差，此外，脈沖信號經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸后，往往會發(fā)生各種各樣的畸變，整形電路可以把這些脈沖信號變換成具有一定幅度和寬度的矩形波形。圖9-7是利用施密特觸發(fā)器獲得的比較理想的矩形脈沖波形。

圖9-7脈沖整形

2.用于波形變換

利用施密特觸發(fā)器在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋?zhàn)饔茫┟芴仉娐房梢园炎兓容^緩慢的正弦波、三角波等變換成邊沿很陡峭的矩形脈沖信號。

在圖9-8所示的例子中，輸入信號是由直流分量和正弦分量疊加而成的，只要輸入信號的幅度大于UT+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同頻率的矩形脈沖信號。即施密特觸發(fā)器能把不規(guī)則波形變換成前后沿陡峭的矩形波，且輸出波形的周期和頻率與輸入信號相同。

圖9-8正弦波脈沖變換波形圖

3.用于脈沖鑒幅電路

由于施密特觸發(fā)器的輸出狀態(tài)取決于輸入信號UI

的幅值，即只有當(dāng)輸入信號UI

的幅值大于UT+

時，才會在輸出端產(chǎn)生輸出信號，因此，施密特觸發(fā)器能將幅度大于UT+

的脈沖選出，具有脈沖鑒幅能力。圖9-9給出了一個典型的鑒幅電路波形圖。

圖9-8正弦波脈沖變換波形圖

9.4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)器的工作特性具有如下的顯著特點(diǎn)：

(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(zhuǎn)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(chǎn)生一個寬度為tW

的矩形脈沖。

(3)暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可分為不可重復(fù)觸發(fā)型和可重復(fù)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(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；而可重復(fù)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(chǔ)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(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形；Q2

是可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形。

圖9-10兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器邏輯符號

圖9-11兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖

9.4.2用555定時器構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

圖9-13所示為555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形。圖9-13由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路波形圖

由以上分析可知，這種單穩(wěn)態(tài)電路為不可重復(fù)觸發(fā)器，要求輸入觸發(fā)脈沖寬度一定要小于tW

。當(dāng)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(yīng)大于tW

。

9.4.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)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(jìn)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(diǎn)，可將單穩(wěn)態(tài)電路用于對脈沖信號的寬度進(jìn)行波形變換、脈沖整形、定時、延時等場合。

1.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。

圖9-14脈沖整形

2.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(diǎn)，可以實(shí)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(yīng)的工作波形。UC

是與門G開通與否的控制信號。當(dāng)UC

為高電平時，門G開通，信號UB

通過門G輸入；當(dāng)UC為低電平時，門G關(guān)閉，UB

不能輸出。通過計算在tW

時間內(nèi)與門輸出脈沖的個數(shù)可得到定時時間。

圖9-15單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的定時電路和工作波形

3.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(shí)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：

圖9-16單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的脈沖延時電路

圖9-17脈沖延時波形圖

【例9.2】

用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出定時時間為1s的正脈沖，設(shè)R=27kΩ，試確定定時元件C的取值。

解

因為tW≈1.1RC，故

從而可取標(biāo)稱值為33μF。

9.5多

諧

振

蕩

器

9.5.1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(jīng)耦合電容C1、C2

連接起來的正反饋振蕩回路。為了產(chǎn)生自激振蕩，電路不能有穩(wěn)定狀態(tài)。也就是說，在靜態(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。

圖9-18對稱式多諧振蕩器電路

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：

使UO1迅速跳變?yōu)榈碗娖剑琔O2迅速跳變?yōu)楦唠娖?，電路進(jìn)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(jīng)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：

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(jìn)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(yīng)，當(dāng)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(fù)振蕩，在輸出端產(chǎn)生矩形輸出脈沖。

圖9-19所示為電路中各點(diǎn)電壓的波形。

圖9-18對稱式多諧振蕩器電路

9.5.2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UTH

，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(gòu)成的，石英晶體可將振蕩器的頻率穩(wěn)定性提高到10-6~10-8。

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)諧振頻率決定。

圖9