数字电子技术 第六章 脉冲波形的产生ppt课件

1、 在数字电路中，经常要用到矩形脉冲，如时序逻辑电路中的时钟脉冲、控制过程中的定时信号等。矩形脉冲的获取，通常有两种方法：一是利用各种形式的振荡电路直接产生；二是通过各种整形电路，把已有的周期性变化波形变换成符合要求的矩形脉冲。本章主要介绍：典型的脉冲波形产生电路多谐振荡器的结构与应用，典型的脉冲整形电路集成单稳态触发器的识别与应用、施密特触发器的识别与应用，555时基电路的识别与应用。本章要点多谐振荡器的功能及应用单稳态触发器的功能及应用施密特触发器的功能及应用555时基电路及应用 多谐振荡器的功能是产生一定频率和一定幅度的矩形波信号。由于矩形波包含基波和高次谐波等较多的谐波成分，因此称为多谐

2、振荡器。多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，又称为无稳态电路，常用来作脉冲信号源。1. 按图6.1所示连接电路，检查无误后接通电源。2. 观察两只发光二极管的发光情况，记录观察到的结果。图6.1 多谐振荡器功能演示电路3. 用示波器观察输出电压uo的波形，记录观察到的结果。 操作过程中，观察到两只发光二极管轮换“亮”。图6.2所示是观察到的现象之一，图6.3a所示是用示波器观察到的输出波形。输出波形的波形图如图6.3b所示。1. 多谐振荡器的电路组成 多谐振荡器的电路形式很多，演示电路是一个由非门与电阻R、电容C构成的RC环形多谐振荡器

3、，其逻辑电路如图6.4所示。图中，R1和C组成延时环节；红色发光二极管和绿色发光二极管用于显示振荡情况，与振荡电路本身无关。图6.4 由非门组成的RC环形多谐振荡电路 在电源接通的瞬间，若G2门输出为高电平，因电容电压不能突变，G1门的输入为高电平、输出为低电平，维持G2门输出高电平，电路处于一种暂时稳定状态也叫暂稳态）。 接着G2门输出的高电平对电容进行充电，随着充电的延续，电容电压升高，G1门的输入电压降低，当低到一定值时，G1门的输出由低电平变为高电平。因G1门的输出就是G2门的输入，所以G2门的输出由高电平变为低电平，电路处于另一种暂稳态。 G2门的输出变为低电平后，电容开始放电，随着

4、放电的延续，G1门的输入电压升高，当高到一定值时，G1门的输出由高电平变为低电平，G2门的输出又回到高电平，电路返回到前一种稳定状态，又开始重复前面的过程。 综上所述，多谐振荡器的特点是电路没有稳定状态，在两个暂稳态之间不停地翻转。能够自动翻转的原因是电容C的充放电，改变充放电的时间常数，就改变了两个暂稳态持续的时间，也就改变了产生的脉冲宽度。当采用集成逻辑门时，振荡周期的估算公式为: T 2.2RC 2. 多谐振荡器的基本功能及应用 多谐振荡器能自动产生矩形脉冲输出，常作为矩形脉冲信号源，为需要矩形脉冲的电路提供矩形脉冲信号，如为时序逻辑电路提供时钟信号、为数字钟提供时基信号等。图6.4所示

5、的RC环形多谐振荡器的频率稳定性较差，只能应用于对频率稳定性要求不高的场合。如果要求产生频率稳定性很高的脉冲波形，就要采用图6.5虚线框中所示的石英晶体多谐振荡电路。 图中，CD4060内部的G1门和外接电阻R、电容C1和C2、石英晶振组成振荡电路，内部G2 门对振荡输出的信号进行整形。石英晶振在电路中起选频作用，选频特性非常好，只有频率等于石英晶振谐振频率的信号才能被选出，而其他频率的信号均被衰减。因此，石英晶体多谐振荡器的输出信号频率取决于石英晶振的频率，并且频率稳定性非常高。图6.5 秒信号发生器的电路图 图6.5所示电路实际上是一款采用CD4060 构成的秒信号发生器，它由石英晶体多谐

6、振荡电路和15次二分频电路组成。晶振的频率f = 32.768kHz，振荡电路产生的脉冲信号经过整形、15次二分频后，就可获得频率稳定的1Hz脉冲信号，即秒脉冲信号。 单稳态触发器是最常用的整形电路之一，在数字电路中一般用于定时、整形以及延时等。其特点是：电路只有一个稳态，在外来触发信号作用下由稳态翻转到暂稳态，暂稳态持续一段时间后会自动返回到稳态。1. 按图6.6a所示连接电路，检查无误后接通电源。（a） 演示电路连接 （b） 演示电路板 图6.6 单稳态触发器功能演示2. 在3脚A1端加入触发脉冲，用示波器观察输出电压uo的波形，记录观察到的结果。操作过程中用示波器观察到的输出波形如图6.

7、7所示。（a） 观察到的波形 （b波形图图6.7 单稳态触发器功能演示输出波形 1. 单稳态触发器的基本功能 单稳态触发器能够产生一定宽度的矩形脉冲，把不规则的信号转换成宽度、幅度都相等的脉冲信号，还能将输入信号延迟一定时间后再输出。输出脉冲的宽度或信号延迟的时间由定时电阻和定时电容决定。 单稳态触发器工作时，需要一个外加的触发信号即输入信号）。根据触发信号所起的作用不同，分为不可重触发和可重触发两种情形。 对不可重触发的单稳态触发器而言，触发后电路进入暂稳态期间，再加触发信号不起作用，触发器只有在暂稳态结束后回到稳态期间，才能对触发信号产生响应，在工作波形表现为输出脉冲的宽度固定、不受触发信

8、号的影响，如图6.8a所示。 对可重触发的单稳态触发器而言，触发后进入暂稳态期间，如果再次加入触发信号，将被重新触发，在工作波形上表现为以新的触发为起点持续一个暂稳态期间，输出脉冲的宽度为触发间隔时间与暂稳态时间的和，如图6.8b所示。（a） 不可重触发上升沿触发） （b） 可重触发下降沿触发） 图6.8 单稳态触发器的工作波形2. 集成单稳态触发器 单稳态触发器的电路构成形式很多，在实际应用中常用的是TTL或CMOS集成单稳态触发器，如74121和74122、74HC123、MC14098等。 图6.6所示演示电路中使用的74121是一款不可重触发的集成单稳态触发器，其引脚排列和逻辑符号如图

9、6.9a）、（b所示。 （a引脚排列 （b逻辑符号图6.9 集成单稳态触发器74121 图中：11脚Rext、10脚Cext是外接定时电阻和电容的连接端；9脚Rint是内部设置的2k定时电阻引出端；3脚A1、4脚A2是两个下降沿触发信号输入端，5脚B是上升沿信号输入端；1脚、6脚Q是两个状态互补的输出端。74121的逻辑功能如表6.1所示。 由表6.1可知：（1只要B端接低电平“0”，或A1、A2端同时接高电平“1时，单稳态触发器就处于保持稳定状态；当B端接高电平“1时，A1、A2端中有一个接低电平“0”，单稳态触发器也处于保持稳定状态。（2B端接高电平“1”，A1、A2端中有一个触发脉冲的下

10、降沿，单稳态触发器Q端输出一个正脉冲。（3A1、A2端中有一个接低电平“0”，B端有触发脉冲的上升沿，单稳态触发器Q端输出一个正脉冲。3. 集成单稳态触发器的应用 集成单稳态触发器74121在使用时，定时电阻可以采用外接电阻，也可以采用内部电阻。采用外接电阻时，将电阻接在11脚和14脚之间，9脚悬空，如图6.10a所示。 采用内部电阻时，只需将9脚与14脚连接起来即可，如图6.10b所示。定时电容连接在10脚与11脚之间，如图6.10所示。如果采用电解电容，电解电容的正极应接10脚，负极接11脚。通常外接电阻R的取值在230k之间，电容C的取值在10pF10F之间。（a） 采用外接电阻 （b）

11、 采用内部电阻 图6.10 74121定时电阻、定时电容的连接 74121有下降沿触发和上升沿触发两种触发方式。图6.6所示的演示电路中，采用的是下降沿触发。上升沿触发电路如图6.11a所示，其工作波形如图6.11b所示。图中，触发脉冲B的上升沿到来时，单稳态触发器的6脚输出一个正脉冲。输出脉冲宽度的估算公式为：tW 0.7RC （a） 电路连接 （b） 输出波形 图6.11 上升沿触发的单稳态触发电路 凡输出电压与输入电压之间具有滞回电压传输特性的电路均称为施密特触发器。施密特触发器能够把变化非常缓慢的输入信号，整形变换为适合数字电路需要的矩形脉冲；也可以构成多谐振荡器产生矩形脉冲。6.3.

12、1 任务描述1. 按图6.12所示连接电路，检查无误后接通电源。（a） 演示电路连接 （b） 演示电路板 图6.12 施密特触发器功能演示1. 施密特触发器的基本功能 施密特触发器在电子电路中常用来完成波形变换、幅度鉴别等工作。它具有以下两个重要的特性。（1施密特触发器是一种电平触发器，它能将变化缓慢的信号如正弦波、三角波及各种周期性的不规则波形变换为边沿陡峭的矩形波，也可以构成多谐振荡器。（2在输入电压增加或减少过程中，施密特触发器的阈值电压不同，输出电压与输入电压之间呈现滞回特性，如图6.14所示。滞回量由回差电压决定。回差电压（UT为上限阈值电压UT+）与下限阈值电压UT-）之差，即UT

13、=UT+-UT-，它决定了施密特触发器的抗干扰能力。根据输入/输出相位关系的不同，施密特触发器有同相输出和反相输出两种形式，其逻辑符号如图6.15所示。2. 集成施密特触发器 施密特触发器的电路形式有很多，可以由555定时器构成，也可以用分立元件和集成门电路组成。因为这种电路应用十分广泛，所以市场上有专门的集成施密特触发器出售。集成施密特触发器性能的一致性好，触发阈值稳定，使用方便。集成施密特触发器品种很多，TTL型的有7413、7414、74132等，CMOS型的有CC4093和CC40106 等。 图6.12所示演示电路中使用的7414是一款集成6施密特触发器，内有6个施密特触发器，引脚排

14、列和逻辑符号如图6.16所示。 （a引脚排列 （b逻辑符号 图6.16 集成施密特触发器7414 7414的14个引脚中：1、3、5、9、11、13脚分别为6个施密特触发器的输入端，2、4、6、8、10、12脚分别为相应的施密特触发器的输出端。每个施密特触发器的逻辑功能相当于一个非门，即输出与输入之间具有反相关系。当输入大于上限阈值电压时输出为低电平；小于下限阈值电压时输出为高电平；介于两者之间时处于保持状态。3. 施密特触发器的应用（1用施密特触发器可构成多谐振荡器如图6.17所示，它就是图6.12所示演示电路的原理图。 图6.17 施密特触发器构成的多谐振荡器 其工作过程为：电源接通瞬间，

15、电容C上的电压为零，施密特触发器输出为高电平，通过电阻R对电容C进行充电； 随着充电时间的延续，电容C上电压逐步升高，当上升到UT+时，施密特触发器翻转，输出由高电平变为低电平，电容C随之开始放电； 随着放电时间的延续，电容C上的电压逐步降低，当下降到UT-时，施密特触发器再次翻转，输出由低电平变为高电平，又对电容C进行充电；以后不断循环，形成振荡。 （2用施密特触发器可以将不规则的输入信号整形成矩形脉冲，如图6.18所示。也可以用施密特触发器检测出幅度过高的信号，将幅值大于UT+的脉冲选出来，如图6.19所示。（a） 逻辑示意 （b） 输入、输出波形 图6.18 施密特触发器用于波形整形（a

16、） 逻辑示意 （b） 输入、输出波形图6.19 施密特触发器用于幅度鉴别 555时基电路是一种集模拟电路、数字电路于一体的中规模集成电路，应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测电路中。 1. 按图6.20所示连接电路，检查无误后接通电源。（a） 演示电路连接 （b） 演示电路板 图6.20 555时基电路功能演示2. 接通电源后，用示波器观察输出电压uo的波形，记录观察到的结果。操作过程中用示波器观察到的输出波形如图6.21所示。（a） 观察到的波形 （b） 波形图图6.21 555时基电路功能演示输出波形1. 555时基电路的基本功能 555时基电路的实物图、引脚排列如

17、图6.22所示。555时基电路的8个引脚中：1脚GND为接地端，2脚为触发输入端，3脚uo为输出端，4脚为复位端，5脚CO为电压控制端，6脚TH为高电平输入端又称阈值输入端），7脚D为放电端，8脚VCC为电源端。 （a） 实物图 （b引脚排列 图6.22 555时基电路 555时基电路的内部结构如图6.23所示，电路由5部分组成：3个5k电阻组成的分压器、2个电压比较器C1和C2、1个基本RS触发器、1个放电三极管VT、1个输出缓冲器G3。 图6.23 555时基电路内部结构图555时基电路的功能如表6.2所示。 TRU表6.2 555时基电路的功能表7脚放电端的状态0UoL导通2VCC/3V

18、CC/31UoL导通2VCC/3VCC/31不变不变2VCC/3VCC/31UoH截止THURuo根据表6.2所示，可归纳555时基电路的功能如下。（1当4脚 0时，基本RS触发器的 1，经输出缓冲器G反相后，从3脚输出低电平UoL；同时，7脚放电端处于导通状态。正常工作时，4脚应接高电平。（2当2脚 端的输入电压低于1/3Vcc时，C2的输出为低电平0，使基本RS触发器置1，即Q=1、 0，从3脚输出高电平UoH；同时，7脚放电端处于截止状态。（3当2脚 端的输入电压高于1/3Vcc、6脚TH端输入电压低于2/3Vcc时，C2的输出为高电平1、C1的输出也为高电平1，使基本RS触发器处于保持

19、状态，3脚输出维持不变；同时，7脚放电端也维持不变。（4当2脚 端的输入电压高于1/3Vcc、6脚TH端输入电压高于2/3Vcc时，C2的输出为高电平1、C1的输出为低电平0，使基本RS触发器置0，即Q=0、 1，从3脚输出低电平UoL；同时，7脚放电端处于导通状态。RQTRQTRTRQ 在实际应用中，555时基电路分为双极型和单极型，每种类型均有单时基电路和双时基电路两种。双极型的型号为555单和556双），电源电压范围4.516V，输出电流可达200mA，可直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等。单极性的型号为7555单和7556双），电源电压范围为318V，输出电流仅为1mA，具有

20、功耗低、输入阻抗高等优点。2555时基电路的应用 555时基电路只要在外部配上适当的阻容元件，就可方便地构成脉冲产生和整形电路，在工业控制、定时、仿声、电子乐器、防盗报警及家用电器等方面广泛应用。（1555时基电路构成的多谐振荡器 555时基电路外接元件R1、R2、C即可构成多谐振荡器，如图6.24a所示，图6.24b是其输出波形。这种电路常用在电子门铃、电子琴、防盗报警器等声响装置中。（a） 电路图 （b） 输出波形 图6.24 555时基电路构成的多谐振荡器 接通电源时，电容C上电压为0，555时基电路输出为高电平电源电压5V时高电平电压为3.3V）；随后，电源通过R1、R2向C充电，充电

21、到Vcc时，555时基电路输出为低电平低电平电压最大值为0.35V），同时放电端导通；接着，电容C通过R2、放电端放电，放电到Vcc时，555时基电路输出为高电平，同时放电端截止，电源再次对电容C充电；如此重复上述过程，使电路产生振荡，输出波形如图6.24b所示。 第一个暂稳态的宽度为tw1，即电容电压uc从 Vcc充电上升到Vcc所需的时间，估算公式为 tw1 0.7(R1+R2)C 第二个暂稳态的脉冲宽度tw2，即电容电压uc从Vcc放电下降到Vcc所需要的时间，估算公式为 tw2 0.7R2C 振荡周期为: T = tw1+ tw2 0.7(R1+2R2)C 占空比: 由上式可知，无论R

22、1或R2怎么改变，q总是大于50。 （2555时基电路构成的单稳态触发器 555时基电路外接定时元件R、C可构成单稳态触发器，如图6.25a所示，图6.25b所示是其输出波形。这种电路常用在延时、定时、脉冲波形的整形电路中。 接通电源时，电源先对电容C充电，充电到Vcc时，由于2脚输入为高电平，输出uo为低电平，放电端导通，接着电容C放电，6脚为低电平，电路进入稳态。 RRRRTqtw221211（a） 电路图 （b） 输入、输出波形 图6.25 555时基电路构成的单稳态触发器 接通电源时，电源先对电容C充电，充电到2/3Vcc时，由于2脚输入为高电平，输出uo为低电平，放电端导通，接着电容

23、C放电，6脚为低电平，电路进入稳态。当有一个负脉冲输入信号经C1加到2脚，并使2脚电位瞬时低于1/3Vcc时，555时基电路输出uo为高电平，放电端截止，电容C开始充电；当充电到2/3Vcc时，555时基电路输出uo 从高电平返回到低电平，放电端重新导通，电容C很快放电结束，恢复稳态，电路也完成了一个暂稳态过程，输出波形如图6.25b所示。 该电路暂稳态的持续时间tw即为延时时间由外接元件R、C值的大小决定，估算公式为 tw 1.1RC 改变R、C值的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可以使用复位端4脚接地的方法来中止暂稳态，重新计时。此外，尚须用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。（3555时基电路构成的施密特触发器 将555时基电路的2、6脚连接在一起，作为输入端就构成了的施密特触发器，如图6.26a所示。图中，二极管VD限制输入信号的负半周进入555时基电路的输入端。该电路的输出波形如图6.26所示，常