數(shù)字邏輯電路第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形-1

1、第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形 第第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形9.1概述概述 9.2555定時(shí)器定時(shí)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(hào)的產(chǎn)生與整形 9.1概述概述脈沖信號(hào)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(gè)系統(tǒng)的工作，常常需要脈沖信號(hào)。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(guò)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(hào)的產(chǎn)生與整形 555定時(shí)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，因而在定時(shí)、控制、檢測(cè)、報(bào)警等方面得到了廣泛的應(yīng)用。 第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形 9.2555定時(shí)器定時(shí)器555定時(shí)器因輸入端設(shè)計(jì)有三個(gè)5k電阻而得名，它的電源電壓范圍寬(雙極型555定時(shí)器為516V，CMOS555定時(shí)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(qū)動(dòng)微電機(jī)、指示燈、揚(yáng)聲器等。555定時(shí)器的產(chǎn)品型號(hào)繁多，但所有雙極型產(chǎn)品型號(hào)最后三位數(shù)

3、碼都是555，所有CMOS產(chǎn)品型號(hào)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(shí)器為例介紹555定時(shí)器的電路組成。第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形 9.2.1 555 定時(shí)器電路組成定時(shí)器電路組成 555定時(shí)器由電壓比較器、電阻分壓器、基本 RS 觸發(fā)器、放電管四個(gè)基本單元組成。圖 9-1 為其電路結(jié)構(gòu)，其中三個(gè) 5k 電阻構(gòu)成電阻分壓器， 為兩個(gè)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(shí)，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(guò)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(hào)。 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(hào)。 第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形 圖91雙極型555定時(shí)器電路結(jié)構(gòu)圖 第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形 圖92是555定時(shí)器引腳圖。其中，RD為復(fù)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(shí)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(gè)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(shí)參數(shù)。當(dāng)不用控制電壓端時(shí)，一般都通過(guò)一個(gè)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(hào)的產(chǎn)生與整形 圖圖92 555定時(shí)器引腳圖定時(shí)器引腳圖 第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形 第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形 (2) 當(dāng)1RUTH ，2RUTR時(shí)，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(dāng)1RUTH ，2RUTR 時(shí)，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(shí)器的功能表。 第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形 表9-1555定時(shí)器功能表 輸入 輸出 TH TR DR OUT=Q

6、 V 狀態(tài) 0 0 導(dǎo)通 CCV32 CCV31 1 0 導(dǎo)通 CCV32 CCV31 1 1 截止 CCV31 1 不變 不變 第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)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(hào)施密特觸發(fā)器的特性和符號(hào) 施密特觸發(fā)器有兩個(gè)重要特性：（1）輸入信號(hào)從低電平上升的過(guò)程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平與輸入信號(hào)從高電平下降過(guò)程中對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。（2）在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)電路內(nèi)部的正反饋過(guò)程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡峭。 第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形 利用這兩個(gè)特性不僅能將邊沿變換緩慢的信號(hào)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(yīng)的電壓傳輸特性和邏輯符號(hào)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UT表示,即有UT=UT+-UT-。在圖9-3(a)中，當(dāng)UI從低電平上升到UT+時(shí)，UO從高電平變?yōu)榈碗娖?；?dāng)UI從高電平下降到UT-時(shí)，UO從低電平變?yōu)楦唠娖?。由于UI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(hào)見(jiàn)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(hào)如圖9-

8、3(d)所示。 第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)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(hào) 第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形 可以看出，施密特觸發(fā)器是一種受輸入信號(hào)電平直接控制的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。它有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，只要輸入信號(hào)電平達(dá)到觸發(fā)電平，輸出信號(hào)就會(huì)發(fā)生突變，從一個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)，并根據(jù)外加觸發(fā)信號(hào)來(lái)決定穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)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(duì)正向和負(fù)向增長(zhǎng)的輸入信號(hào)，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(hào)的產(chǎn)生與整形 9.3.2用用555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器的方法定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器的方法 將555定時(shí)器的高電平觸發(fā)端和低電平觸發(fā)端連接起來(lái)

9、，作為觸發(fā)信號(hào)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(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器 第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形 對(duì)照555定時(shí)器的功能表，可知圖9-4所示電路的工作過(guò)程形成了一個(gè)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(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性曲線 第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形 (1)IU處于上升期間，當(dāng)IUCCV31時(shí)，根據(jù) 555 定時(shí)器功能表可知電路輸出OU為高電平； (2)當(dāng)CCV31IUCCV32時(shí)，輸出OU不變，仍為高電平； (3)當(dāng)IU增大到CCV32時(shí)，電路輸出OU變?yōu)榈碗娖?。此刻?duì)應(yīng)的IU值稱為正向閾值電平。 (4)在IU

10、由高電平逐漸下降且CCV31IUCCV32時(shí)，輸出OU不變； (5)當(dāng)IUCCV31時(shí)，電路輸出OU變?yōu)楦唠娖健?第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形 【例【例9.1】用555定時(shí)器將輸入三角波轉(zhuǎn)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(hào)的產(chǎn)生與整形 9.3.3施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例1.用于脈沖整形用于脈沖整形 在數(shù)字測(cè)量和控制系統(tǒng)中，由傳感器送來(lái)的信號(hào)波形邊沿較差，此外，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離傳輸后，往往會(huì)發(fā)生各種各樣的畸變，整形電路可以把這些脈沖信號(hào)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 第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)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(zhuǎn)換過(guò)程中的正反饋?zhàn)饔?，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(hào)。 在圖9-8所示的例子中，輸入信號(hào)是由直流分量和正弦分量疊加而成的，只要輸入信號(hào)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(hào)。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(hào)相同。 第9章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形 圖