第6章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與變換

1、第第6章章 脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與變換脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與變換6.1 概述概述6.2 555定時(shí)器定時(shí)器6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（Monostable Multivibrator）6.4 施密特觸發(fā)器（施密特觸發(fā)器（Schmitt trigger）6.5 多諧振蕩器（多諧振蕩器（Multividrator）6.1 概述概述v數(shù)字電路中的信號(hào)大多數(shù)是矩形脈沖信號(hào)。將在較短時(shí)間間隔內(nèi)作用于電路的電壓或電流信號(hào)，稱為脈沖信號(hào)。這個(gè)時(shí)間間隔可以和電路過(guò)渡過(guò)程持續(xù)時(shí)間（35）相比擬。v數(shù)字電路中常見(jiàn)的脈沖信號(hào)波形 如下 v上圖中所示的矩形脈沖信號(hào)波形是理想的，即波形的上升沿與下降沿均是跳變的且波形幅度保

2、持不變，一直保持幅度為。而實(shí)際的矩形脈沖信號(hào)波形無(wú)理想跳變、頂部也不平坦。 具體波形如下v為衡量實(shí)際矩形脈沖信號(hào)的優(yōu)劣，經(jīng)常使用以下參數(shù)對(duì)其進(jìn)行描述。 1.脈沖幅度 2.上升時(shí)間（Rise Time） 3.下降時(shí)間（Fall Time） 4.脈沖寬度 5.脈沖周期T 6.脈寬比，也稱為占空比。 數(shù)字電路中，獲得矩形脈沖信號(hào)的方法主要有兩種：一種是利用各種形式的多諧振蕩電路，直接產(chǎn)生所需要的周期性矩形脈沖信號(hào)；另一種是利用脈沖信號(hào)的變換電路，將現(xiàn)有的脈沖信號(hào)變換成所需要的矩形脈沖信號(hào)。在這種方法中，電路本身不產(chǎn)生脈沖信號(hào)，而僅僅起脈沖波形的變換作用。 6.2 555定時(shí)器定時(shí)器v6.2.1 55

3、5電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) 555電路的邏輯圖、外引線功能圖、內(nèi)部等效電路圖如下電路的邏輯圖、外引線功能圖、內(nèi)部等效電路圖如下 v555電路主要由以下幾部分構(gòu)成： 1.一個(gè)RS觸發(fā)器 2.兩個(gè)電壓比較電路 3.放電開(kāi)關(guān)與反相輸出6.2.2 555定時(shí)器功能描述定時(shí)器功能描述555集成電路端口介紹集成電路端口介紹 管腳 表示方法 作用2觸發(fā)輸入端 決定電壓比較器C2的反相輸入電壓 5電壓控制端CO 決定電壓比較器C1的反相輸入電壓 6閾值輸入端TH 決定電壓比較器C1的同相輸入電壓7放電端口D 作為VT的集電極開(kāi)路輸出，并提供放電通路 TR 555定時(shí)器功能表定時(shí)器功能表 閾值電壓TH 觸發(fā)輸入 復(fù)位

4、放電管VT 輸出OUT 0導(dǎo)通01導(dǎo)通01原狀態(tài)原狀態(tài)1截止1CC32VCC31VCC32VCC31VCC31V6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（Monostable Multivibrator）v單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是具有一個(gè)穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器。它具有兩種狀態(tài)：一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。 v電路暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，與外加觸發(fā)脈沖信號(hào)的寬度沒(méi)有關(guān)系，僅取決于電路本身定時(shí)元件的參數(shù)值。 v單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以由分立元件構(gòu)成；也可以通過(guò)門(mén)電路和RC元件構(gòu)成；或通過(guò)集成單穩(wěn)態(tài)電路外接RC元件來(lái)實(shí)現(xiàn)；也可以使用555定時(shí)器電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其中，RC元件組成的電路部分稱為定時(shí)電路，由電容的充放電時(shí)間決定單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

5、暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短。v根據(jù)RC電路連接方式的不同，單穩(wěn)態(tài)電路分為微分型單穩(wěn)和積分型單穩(wěn)。v若根據(jù)電路及工作狀態(tài)的不同，單穩(wěn)態(tài)電路又分為非可重觸發(fā)電路和可重觸發(fā)電路兩種。6.3.1 555電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器v電路接通后，觸發(fā)輸入信號(hào)為高電平（ ），這時(shí)沒(méi)有有效觸發(fā)輸入信號(hào)，電路工作于穩(wěn)態(tài)。v觸發(fā)輸入信號(hào) 由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。v隨著放電管VT的導(dǎo)通，電路恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。 CCV31iv6.3.2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器v集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有溫度特性好、抗干擾能力強(qiáng)、電源穩(wěn)定性好、輸出脈寬調(diào)節(jié)范圍大、外圍元件少等優(yōu)點(diǎn)。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為兩大類(lèi)：可重觸發(fā)

6、單穩(wěn)電路和不可重觸發(fā)單穩(wěn)電路。 v1.電路介紹 74121是一種典型的TTL集成不可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74121功能表功能表 輸入輸出A1A2BQ0101010100111011111100Qv該電路觸發(fā)方式可以概括為以下三種： 在A1或A2端使用觸發(fā)脈沖信號(hào)的下降沿觸發(fā)。此時(shí)，另外兩個(gè)觸發(fā)輸入端必須為高電平；在A1、A2端同時(shí)使用觸發(fā)脈沖信號(hào)的下降沿觸發(fā)。要求B端為高電平；在B端用觸發(fā)脈沖信號(hào)的上升沿觸發(fā)，且A1、A2所加信號(hào)中至少有一個(gè)是低電平。74121的工作波形如下：v2.電路連接方式電路連接方式 74121的輸出脈沖寬度取決于電路中定時(shí)元件RC值。根據(jù)想要獲得脈沖寬度的不同，可以外

7、接定時(shí)電阻，以獲得較寬輸出脈沖信號(hào)；也可以使用電路內(nèi)部固定的定時(shí)電阻。如下圖所示。 6.3.3 單穩(wěn)態(tài)電路的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)電路的應(yīng)用v1.脈沖信號(hào)整形v2.脈沖信號(hào)延時(shí)v3.脈沖信號(hào)定時(shí)6.3.4 門(mén)電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路門(mén)電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路v利用門(mén)電路和RC定時(shí)元件構(gòu)成的。根據(jù)RC元件的接法不同，可以分為微分型與積分型兩類(lèi)。 6.4 施密特觸發(fā)器（施密特觸發(fā)器（Schmitt trigger）v6.4.1 555電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器工作過(guò)程v電路接通電源后，由于TH ， ，放電管VT截止，觸發(fā)器置1，電路輸出高電平。v隨著輸入電壓vi的上升，當(dāng)輸入電壓在 vi 時(shí)，VT導(dǎo)通，觸發(fā)器置0，電路輸出

8、變?yōu)榈碗娖?，狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。v隨著輸入電壓的變化，在其由高電平向下變化的過(guò)程中， 當(dāng) vi 時(shí)，電路維持原態(tài)，仍然輸出低電平。v隨輸入電壓下降，當(dāng) vi 時(shí)，會(huì)引起電路狀態(tài)的變化，將此時(shí)的輸入電壓稱為上限觸發(fā)電平，用 表示(也可以稱為正向閾值電壓或高電平閾值電壓)。所以，該電路的 。v輸入電壓由高電平向低電平變化的過(guò)程中，當(dāng)vi ，電路狀態(tài)并不發(fā)生變化，只有當(dāng)vi 時(shí)，電路的狀態(tài)才會(huì)再次發(fā)生變化。將此時(shí)的輸入電壓稱為下限觸發(fā)電平，用 表示(也可以稱為負(fù)向閾值電壓或低電平閾值電壓)。所以，該電路的 。v可見(jiàn)，對(duì)施密特觸發(fā)器電路而言，上限觸發(fā)電平不等于下限觸發(fā)電平，即導(dǎo)致電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入信號(hào)的

9、值大小不相等。將該電路的 定義為施密特觸發(fā)器電路的回差電壓。施密特觸發(fā)器所具有的 的特性，稱為回差特性或者回滯特性。CCV32TVCCTVV32CCV32CCV31TVCCTVV31TTVVVTVTVv施密特觸發(fā)器電路的電壓傳輸特性曲線，也稱為回差特性曲線，如下圖所示。v帶有施密特觸發(fā)器的反相器和與非門(mén)電路符號(hào)如下。 6.4.2 集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器v施密特觸發(fā)器應(yīng)用比較廣泛，在數(shù)字集成電路中，多種產(chǎn)品帶有施密特觸發(fā)器。下圖為帶施密特觸發(fā)器的四2輸入與非門(mén)電路74LS132。6.4.3 施密特觸發(fā)器的應(yīng)用施密特觸發(fā)器的應(yīng)用v1.波形變換v2.波形整形v3.信號(hào)鑒幅v4.構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸

10、發(fā)器6.4.4 門(mén)電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器門(mén)電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器v圖（a）為由TTL門(mén)電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路。v該電路 ； 。其中， 為二極管VD的正向?qū)妷海?為門(mén)電路的閾值電壓。所以，該電路的 回差電壓為 。通過(guò)改變電阻的值，可 以方便的調(diào)節(jié)回差電壓的大小。圖（b）為利用CMOS反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器。THDTVRRVV)1 (21THTVVDVTHVTHDTTVRRVVVV216.5 多諧振蕩器（多諧振蕩器（Multividrator）v6.5.1 555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器v電路接通電源后，由于電容C兩端電壓較低，放電管VT截止，555電路輸出高電平，處于第

11、一暫穩(wěn)態(tài)。v隨著電源電壓對(duì)C充電的進(jìn)行，當(dāng) 時(shí)，放電管VT導(dǎo)通，觸發(fā)器置0，輸出變?yōu)榈碗娖?，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)。v此時(shí)，電容C開(kāi)始通過(guò)電阻 和導(dǎo)通的放電管VT放電，vc下降，當(dāng) 時(shí)，觸發(fā)器又被置1，VT重新截止，電路輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，回到第一暫穩(wěn)態(tài)。 又開(kāi)始對(duì)電容C充電，重復(fù)以上過(guò)程。v通過(guò)上述分析可知，電路穩(wěn)定工作時(shí)，兩種暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時(shí)間分別是電容C充電和放電持續(xù)的時(shí)間。v電容C充電的時(shí)間；v電容C放電的時(shí)間：v電路輸出矩形脈沖信號(hào)的周期為 。CCcVv322RCCcVv31CCVCRRt)(7 . 0211CRt227 . 021ttTv若要輸出方波信號(hào)，需要對(duì)上述電路進(jìn)行改進(jìn)，組成輸出脈

12、沖信號(hào)的占空比可以調(diào)整的多諧振蕩器。v555定時(shí)器電路構(gòu)成的多諧振蕩器，優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但存在振蕩頻率較低、振蕩頻率穩(wěn)定性不高、容易受到溫度等外界因素的干擾等缺點(diǎn)。而在許多場(chǎng)合對(duì)電路振蕩頻率的穩(wěn)定性都有嚴(yán)格的要求，如在數(shù)字時(shí)鐘電路中，脈沖基準(zhǔn)信號(hào)來(lái)源的頻率穩(wěn)定性直接關(guān)系到計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。這時(shí)就應(yīng)該使用石英晶體多諧振蕩器。 6.5.2 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器v在一片薄石英晶片的兩側(cè)鍍上兩個(gè)電極就可以制成石英晶體諧振器。 v當(dāng)信號(hào)頻率f等于石英晶體本身的固有諧振頻率 時(shí)，信號(hào)容易通過(guò)石英晶體，石英晶體阻抗最小。當(dāng) 時(shí)，石英晶體呈現(xiàn)感性阻抗； 時(shí)，石英晶體呈現(xiàn)容性阻抗。0f0ff 0ff v由CMOS門(mén)電路和石英晶體共同組成的石英晶體多諧振蕩器電路如下。v上圖中，反相器G1產(chǎn)生振蕩，G2用于整形，以獲得較理想的矩形脈沖信號(hào)。電阻R為反相器G1提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，電容C1用于頻率微調(diào)，C2為溫度校正電容。v石英晶體振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度非常高，一般用于高精度時(shí)基的數(shù)字系統(tǒng)中。6.5.3 施密特觸發(fā)器組成的多諧振蕩器施密特觸發(fā)器組成的多諧振蕩器v利用施密特觸發(fā)器特有的電壓回滯特性也可以組成多諧振蕩器。 6.5.4 環(huán)型振蕩器環(huán)型振蕩器v環(huán)形振蕩器利用門(mén)電路的傳輸延遲時(shí)間，將奇數(shù)個(gè)反相器首尾相連而構(gòu)成的。最簡(jiǎn)單的環(huán)形振蕩器