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(shí)器

7.2.1555定時(shí)器7.2.2555定時(shí)器的應(yīng)用舉例2023/5/182復(fù)習(xí)觸發(fā)器有什么特點(diǎn)？請(qǐng)畫出與非門實(shí)現(xiàn)的基本RS觸發(fā)器的電路圖。請(qǐng)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(hào)：指突然變化的電壓或電流。脈沖電路的研究重點(diǎn)：波形分析。數(shù)字電路的研究重點(diǎn)：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(guò)整形電路對(duì)已有的波形進(jìn)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(diǎn)及其主要應(yīng)用簡(jiǎn)介）

1.

RC電路：對(duì)矩形波進(jìn)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(shí)器。常用脈沖波形及參數(shù)1.常見(jiàn)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(jiàn)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(shí)也用頻率f表示（f=1/T）。矩形波的另外幾個(gè)主要參數(shù)：

（1）脈沖幅度Um

（2）脈沖寬度tw

（3）上升時(shí)間tr

（4）下降時(shí)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(duì)稱方波。2023/5/188為數(shù)字—模擬混合集成電路?？僧a(chǎn)生精確的時(shí)間延遲和振蕩，內(nèi)部有3個(gè)5KΩ的電阻分壓器，故稱555。在波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)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(shí)器及其應(yīng)用2023/5/189各公司生產(chǎn)的555定時(shí)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(hào)的最后幾位數(shù)碼5557555雙555型號(hào)的最后幾位數(shù)碼5567556優(yōu)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)能力較大低功耗、高輸入阻抗電源電壓工作范圍5~16V3~18V負(fù)載電流可達(dá)200mA可達(dá)4mA1.電路組成圖7-4555定時(shí)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(gè)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(shí)，

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(shí)，UR1＝2/3VCC，UR2＝1/3VCC。當(dāng)CO＝UCO時(shí)，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(shí)，必須使R處于高電平。

2023/5/1816（4）

放電管T

T是集電極開(kāi)路的三極管。相當(dāng)于一個(gè)受控電子開(kāi)關(guān)。

輸出為0時(shí)，T導(dǎo)通，輸出為1時(shí)，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(fù)載能力。2023/5/1818

2.工作原理

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

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

表8-1555定時(shí)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(hào)波形變換為邊沿陡峭的矩形波。

特點(diǎn)：

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(hào)。觸發(fā)方式：電平觸發(fā)。⑵電壓傳輸特性特殊，電路有兩個(gè)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(shí)有正反饋過(guò)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(shí)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(cè)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(shuō)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(hào)

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(jí)和輸出級(jí)。

整形級(jí)可以使輸出波形的邊沿更加陡峭，

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

為了對(duì)輸入波形進(jìn)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(hào)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(guò)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(hào)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(huì)在輸出端產(chǎn)生輸出信號(hào)。可見(jiàn)，施密特觸發(fā)器具有脈沖鑒幅能力。

圖7-11脈沖鑒幅2023/5/1828工作特點(diǎn)：第一，它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)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(shí)間后，將自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路本身的參數(shù)，與外加觸發(fā)信號(hào)無(wú)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(fù)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(dòng)返回：通過(guò)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(dòng)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(dòng)返回：通過(guò)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(shí)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(dòng)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(shí)，VCC通過(guò)R對(duì)C充電，當(dāng)TH=uC≥2/3VCC時(shí)，高觸發(fā)端TH有效置0；此時(shí)，放電管導(dǎo)通，C放電，TH=uC=0。穩(wěn)態(tài)為0狀態(tài)。此時(shí)放電管T截止，VCC通過(guò)R對(duì)C充電。當(dāng)TH=uC≥2/3VCC時(shí)，使高觸發(fā)端TH有效，置0狀態(tài)，電路自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)，此時(shí)放電管T導(dǎo)通。電路返回穩(wěn)態(tài)后，C通過(guò)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(lái)時(shí)，低觸發(fā)端TR有效置1狀態(tài)，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)觸發(fā)脈沖uI為高電平時(shí)，VCC通過(guò)R對(duì)C充電，當(dāng)TH=uC≥2/3VCC時(shí)，高觸發(fā)端TH有效置0；此時(shí)，放電管導(dǎo)通，C放電，TH=uC=0。穩(wěn)態(tài)為0狀態(tài)。此時(shí)放電管T截止，VCC通過(guò)R對(duì)C充電。當(dāng)TH=uC≥2/3VCC時(shí)，使高觸發(fā)端TH有效，置0狀態(tài)，電路自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)，此時(shí)放電管T導(dǎo)通。電路返回穩(wěn)態(tài)后，C通過(guò)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(jiǎn)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(shí)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(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)期間如再次受到觸發(fā)，對(duì)原暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間沒(méi)有影響，輸出脈沖寬度tw仍從第一次觸發(fā)開(kāi)始計(jì)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(jìn)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(shí)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(shí)能比較方便地得到持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)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(shí)電阻Rint(約為2kΩ)。

表6-174121電路的功能表

圖7-13

74121的電路符號(hào)觸發(fā)輸入端輸出端外接定時(shí)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(shí)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(dá)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(shí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要應(yīng)用是整形、定時(shí)和延時(shí)。圖7-15單穩(wěn)電路的延時(shí)作用

如果需要延遲脈沖的觸發(fā)時(shí)間，可利用單穩(wěn)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。uO的下降沿比uI的下降沿延遲了tw的時(shí)間。2023/5/18382.脈沖定時(shí)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(gè)脈沖去控制某一電路，則可使它在tw時(shí)間內(nèi)動(dòng)作(或者不動(dòng)作)。

圖7-16脈沖定時(shí)2023/5/1839圖7-17定時(shí)電路

例1：定時(shí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以構(gòu)成定時(shí)電路；與繼電器或驅(qū)動(dòng)放大電路配合，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、定時(shí)開(kāi)關(guān)的功能，一個(gè)典型定時(shí)電路如圖8.17所示。2023/5/1840

當(dāng)電路接通+6V電源后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，定時(shí)器輸出OUT為低電平，繼電器KA（當(dāng)繼電器無(wú)電流通過(guò)時(shí)，常開(kāi)接點(diǎn)處于斷路狀態(tài)）無(wú)通過(guò)電流，故形不成導(dǎo)電回路，燈泡HL不亮。當(dāng)按下按鈕SB時(shí)，低電平觸發(fā)端TR（外部信號(hào)輸入端Ui）由接+6V電源變?yōu)榻拥?，相?dāng)于輸入一個(gè)負(fù)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(guò)電流，使常開(kāi)接點(diǎn)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(shí)刻是由按鈕SB何時(shí)按下決定的，它的持續(xù)時(shí)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(shí)電路如圖6.11所示，與定時(shí)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(hù)。當(dāng)開(kāi)關(guān)SA閉合，直流電源接通，555定時(shí)器開(kāi)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(kāi)接點(diǎn)保持?jǐn)嚅_(kāi)；同時(shí)電源開(kāi)始向電容充電，電容兩端電壓不斷上升，而電阻兩端電壓對(duì)應(yīng)下降，當(dāng)

UC≥，2023/5/1842圖7-18延時(shí)電路

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

2)分頻當(dāng)一個(gè)觸發(fā)脈沖使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)入暫穩(wěn)狀態(tài)，在此脈沖以后時(shí)間tW內(nèi)，如果再輸入其他觸發(fā)脈沖，則對(duì)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(shí)，輸入的觸發(fā)脈沖才起作用，分頻電路正是利用這個(gè)特性將高頻率信號(hào)變換為低頻率信號(hào)，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(méi)有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。

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

3．輸出周期性的矩形脈沖信號(hào)，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(jì)思想：是無(wú)穩(wěn)態(tài)電路，兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)不斷地交替。利用放電管T作為一個(gè)受控電子開(kāi)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(shí)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(jìn)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?yàn)樗某浞烹姷穆窂讲煌?，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(gè)共同特點(diǎn)就是振蕩頻率不穩(wěn)定，容易受溫度、電源電壓波動(dòng)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(hào)常用作時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。因此，控制信號(hào)頻率不穩(wěn)定會(huì)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(hào)的頻率和石英晶體的固有諧振頻率fo相同時(shí)，石英晶體呈現(xiàn)很低的阻抗，信號(hào)很容易通過(guò)，而其它頻率的信號(hào)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(shí)，振蕩頻率只取決于石英晶體的固有諧振頻率fo，而與RC無(wú)關(guān)。圖7-27石英晶體振蕩器電路在對(duì)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(gè)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(shí)很準(zhǔn)。通常選用振蕩頻率為32768HZ的石英晶體諧振器，因?yàn)?2768＝215，將32768HZ經(jīng)過(guò)15次二分頻，即可得到1HZ的時(shí)鐘脈沖作為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。2023/5/18526.5555定時(shí)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(bào)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。