西安電子科大【數(shù)字電路與邏輯設計】第9章

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 9.1概述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)器主要用以將緩慢變化或快速變化的非矩形脈沖變換成陡峭的矩

2、形脈沖；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器主要用以將寬度不符合要求的脈沖變換成符合要求的矩形脈沖。第9章脈沖信號的產生與整形 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，因而在定時、控制、檢測、報警等方面得到了廣泛的應用。 第9章脈沖信號的產生與整形 9.2555定時器定時器555定時器因輸入端設計有三個5k電阻而得名，它的電源電壓范圍寬(雙極型555定時器為516V，CMOS555定時器為318V)，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，驅動微電機、指示燈、揚聲器等。555定時器的產品型號繁多，但所有雙極型產品型號最后三位數(shù)

3、碼都是555，所有CMOS產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。下面以雙極型555定時器為例介紹555定時器的電路組成。第9章脈沖信號的產生與整形 9.2.1 555 定時器電路組成定時器電路組成 555定時器由電壓比較器、電阻分壓器、基本 RS 觸發(fā)器、放電管四個基本單元組成。圖 9-1 為其電路結構，其中三個 5k 電阻構成電阻分壓器， 為兩個電壓比較器C1和C2提供參考電壓UR1和UR2，在不加控制電壓時，UR1=CCV32，UR2=CCV31。如果在電壓控制端CO 加輸入電壓 UCO ，則 UR1 = UCO，UR2 = UCO /2。電壓比較器 C1

4、和 C2通過比較 TH 與 UR1和TR與 UR2的大小輸出為高電平或低電平，作為基本 RS 觸發(fā)器的輸入信號。 基本 RS 觸發(fā)器的輸出控制放電三極管V，并決定輸出信號。 第9章脈沖信號的產生與整形 圖91雙極型555定時器電路結構圖 第9章脈沖信號的產生與整形 圖92是555定時器引腳圖。其中，RD為復位端，只要在RD端加上低電平，輸出端OUT便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響，正常工作時必須使RD處于高電平狀態(tài)。TR是觸發(fā)輸入端，TH是閾值輸入端。如果在控制電壓端（CO端）施加一個外加電壓，比較器的參考電壓將隨之改變，從而影響電路的定時參數(shù)。當不用控制電壓端時，一般都通過一個0

5、.01F電容接地，以旁路高頻干擾，提高電路的工作穩(wěn)定性。OUT為輸出端。 第9章脈沖信號的產生與整形 圖圖92 555定時器引腳圖定時器引腳圖 第9章脈沖信號的產生與整形 第9章脈沖信號的產生與整形 (2) 當1RUTH ，2RUTR時，0S, 1R，RS觸發(fā)器被置 1，G1輸出低電平，OUT 輸出高電平，V 管截止。 (3) 當1RUTH ，2RUTR 時，1S, 1R，觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，因此 V 管的狀態(tài)維持不變，OUT 輸出也不變。這樣我們就得到了表9-1 所示的 555定時器的功能表。 第9章脈沖信號的產生與整形 表9-1555定時器功能表 輸入 輸出 TH TR DR OUT=Q

6、 V 狀態(tài) 0 0 導通 CCV32 CCV31 1 0 導通 CCV32 CCV31 1 1 截止 CCV31 1 不變 不變 第9章脈沖信號的產生與整形 9.3施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器 9.3.1施密特觸發(fā)器的特性和符號施密特觸發(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)轉換時對應的輸入電平與輸入信號從高電平下降過程中對應的輸入轉換電平不同。（2）在電路狀態(tài)轉換時，通過電路內部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡峭。 第9章脈沖信號的產生與整形 利用這兩個特性不僅能將邊沿變換緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形脈沖高、

7、低電平上的噪聲有效地清除。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UT表示,即有UT=UT+-UT-。在圖9-3(a)中，當UI從低電平上升到UT+時，UO從高電平變?yōu)榈碗娖?；當UI從高電平下降到UT-時，UO從低電平變?yōu)楦唠娖?。由于UI和UO始終為反相關系，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-

8、3(d)所示。 第9章脈沖信號的產生與整形 圖9-3施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性及邏輯符號 第9章脈沖信號的產生與整形 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。 第9章脈沖信號的產生與整形 9.3.2用用555定時器構成施密特觸發(fā)器的方法定時器構成施密特觸發(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

9、，作為觸發(fā)信號的輸入端，就可構成施密特觸發(fā)器，如圖9-4所示。 第9章脈沖信號的產生與整形 圖9-4555定時器構成的施密特觸發(fā)器 第9章脈沖信號的產生與整形 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。 第9章脈沖信號的產生與整形 圖9-5555定時器構成的施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性曲線 第9章脈沖信號的產生與整形 (1)IU處于上升期間，當IUCCV31時，根據(jù) 555 定時器功能表可知電路輸出OU為高電平； (2)當CCV31IUCCV32時，輸出OU不變，仍為高電平； (3)當IU增大到CCV32時，電路輸出OU變?yōu)?/p>

10、低電平。此刻對應的IU值稱為正向閾值電平。 (4)在IU由高電平逐漸下降且CCV31IUCCV32時，輸出OU不變； (5)當IUCCV31時，電路輸出OU變?yōu)楦唠娖健?第9章脈沖信號的產生與整形 【例【例9.1】用555定時器將輸入三角波轉換成矩形波。解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第9章脈沖信號的產生與整形 9.3.3施密特觸發(fā)器應用舉例施密特觸發(fā)器應用舉例1.用于脈沖整形用于脈沖整形 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，脈沖信號經過遠距離傳輸后，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。

11、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。 第9章脈沖信號的產生與整形 圖9-7脈沖整形 第9章脈沖信號的產生與整形 2.用于波形變換用于波形變換 利用施密特觸發(fā)器在狀態(tài)轉換過程中的正反饋作用，施密特電路可以把變化比較緩慢的正弦波、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。 第9章脈沖信號的產生與整形 圖9-8正弦波脈沖變換波形圖 第9章脈沖信

12、號的產生與整形 3.用于脈沖鑒幅電路用于脈沖鑒幅電路 由于施密特觸發(fā)器輸出狀態(tài)取決于輸入信號UI的幅值，即只有當輸入信號UI的幅值大于UT+時，才會在輸出端產生輸出信號，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。 第9章脈沖信號的產生與整形 圖9-9鑒幅電路波形圖 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

13、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 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 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

14、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。 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 第9章脈沖信號的產生與整形 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

15、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。 第9章脈沖信號的產生與整形 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 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，55

16、5 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，

17、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。 第9章脈沖信號的產生與

18、整形 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，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 第9章脈沖信號的產生與整形 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

19、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 1.1R2C2 第9章脈沖信號的產生與整形 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 第9章脈沖信號的產生與整形 【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 .

20、 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

21、： 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

22、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成的，石英晶體可將振蕩器的頻率穩(wěn)定性提高到10-610-8。 第9章脈沖信號的產生與整形 高質量的石英晶體振蕩

23、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