第6章脉冲波形的产生与变换

1、第6章 脉冲波形的产生与变换 l6.1 多 谐 振 荡 器l6.2 单 稳 态 触 发 器l6.3 施 密 特 触 发 器l6.4 555定时器及其应用l读图练习：ASCII码键盘编码电路l综合训练：数字钟的设计与实现 l 脉冲波形是数字电路或系统中最常用的信号。脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种是对已有的信号进行变换，使之成为能够满足电路或系统要求的标准的脉冲信号。 6.1 多 谐 振 荡 器l 多谐振荡器可以产生连续的、周期性的脉冲波形。它是一种自激振荡电路。多谐振荡器有两个暂稳态，没有稳态，工作过程中在两个暂稳态之间按照一定的周期周而复始地依次翻转

2、，从而产生连续的、周期性的脉冲波形。6.1.1 门电路组成的多谐振荡器l1.电路组成及工作原理l由门电路组成的多谐振荡器具有以下特点。l 电路中含有开关器件，用于产生高、低电平。常用的开关器件有门电路、电压比较器、BJT等。l 具有合适的反馈网络，将输出电压反馈到开关器件的输入端使之改变输出状态。l 有延时环节，以获得所需要的振荡频率。一般情况下，反馈网络兼有延时作用，由阻容元件构成，利用RC电路的充、放电特性实现延时。l 由门电路组成的多谐振荡器有多种电路形式，图6.1是一种由CMOS门电路组成的多谐振荡器。 图6.1 所示电路的原理图和波形图 图6.2CMOS门电路组成的多谐振荡器的原理图

3、和波形图 （1） 第一暂稳态及电路自动翻转的过程 （2） 第二暂稳态及电路自动翻转的过程l2.振荡周期的计算 （1） T1的计算 （2） T2的计算6.1.2 石英晶体多谐振荡器l 为得到频率稳定性很高的脉冲波形，多采用由石英晶体组成的石英晶体振荡器，石英晶体的电路符号和阻抗频率特性如图6.3所示。l 由阻抗频率特性曲线可知，石英晶体的选频特性非常好，它有一个极为稳定的串联谐振频率fS，且等效品质因数Q值很高。当频率等于fS时，石英晶体的电抗为0，而当频率偏离fS时，石英晶体的电抗急剧增大，因此，在串联谐振电路中，只有频率为fS的信号最容易通过，而其他频率的信号均会被晶体所衰减。l fP是石英

4、晶体的并联谐振频率 。l 石英晶体的串联谐振频率fS和并联谐振频率fP仅仅取决于石英晶体的几何尺寸，通过加工成不同尺寸的晶片，即可得到不同频率的石英晶体，并且串联谐振频率fS和并联谐振频率fP的值非常接近。l 用石英晶体组成的多谐振荡器分为串联型和并联型两种形式。 l 为了改善输出波形和提高负载能力，一般在石英晶体振荡器的输出端加一级反相器，如图6.4和图6.5所示。图6.4 串联型石英晶体振荡器 图6.5 并联型石英晶体振荡器 6.1.3 多谐振荡器的应用l 多谐振荡器可以产生一定频率、一定幅值的矩形波或者方波，广泛应用于音响、报警电路或系统的时钟、计时等方面，图6.6所示是一种秒信号产生电

5、路。图6.6 秒信号产生电路 6.2 单 稳 态 触 发 器l 单稳态触发器可以在外部触发信号作用下，输出一个一定宽度、一定幅值的脉冲波形。它具有以下特点。l 电路有一个稳态和一个暂稳态。l 没有触发信号时，电路始终处于稳态，在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。l 暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态持续的时间取决于电路中RC的参数。6.2.1 门电路组成的单稳态触发器l1.微分型单稳态触发器 （1） 电路组成及工作原理l 微分型单稳态触发器可由与非门或者或非门电路构成，图6.7（a）、（b）分别为由与非门和或非门

6、构成的单稳态触发器。 图6.7 微分型单稳态触发器 没有触发信号时，电路处于稳态 外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态 电容充电，电路由暂稳态自动返回至稳态l 电路各点工作波形如图6.8所示。 图6.8 微分型单稳态触发器各点工作波形 （2） 主要参数计算 输出脉冲宽度tW 恢复时间tre 最高工作频率fmaxl2.积分型单稳态触发器l 图6.10是由或非门构成的单稳态触发器及其各点的工作波形图。6.2.2 集成单稳态触发器l 集成单稳态触发器分为可重复触发和不可重复触发两种形式。 l 两种单稳态触发器的工作波形分别如图6.11（a）、（b）所示。l1.不可重复触发的集成单稳态触发器l 741

7、21是一种TTL的不可重复触发集成单稳态触发器，其引脚图如图6.12所示。图6.12 74121的引脚图 （1） 触发方式l 74121集成单稳态触发器有3个触发输入端，在下列情况下，电路可由稳态翻转到暂稳态：l 在A1、A2两个输入中有一个或两个为低电平的情况下，B发生由0到1的正跳变；l 在B为高电平的情况下，A1、A2中有一个为高电平而另一个发生由1到0的负跳变，或者A1、A2同时发生负跳变。 （2）定时l 74121的定时时间取决于定时电阻和定时电容的数值。定时电容Cext连接在引脚Cext（10脚）和Rext/Cext（11脚）之间。如果使用有极性的电解电容，电容的正极应接在Cext

8、引脚（10脚）。对于定时电阻，有两种选择：l 采 用 内 部 定 时 电 阻 Ri n t（Rint=2k），此时只需将Rint引脚（9脚）接至电源VCC；l 采用外部定时电阻（阻值应在1.4k40k之间），此时Rint引脚（9脚）应悬空，外部定时电阻接在引脚Rext/Cext（11脚）和VCC之间。l 74121的输出脉冲宽度为ltW0.7RCl 通常R的取值在2k30k之间，C的取值在10pF10F之间，得到的tW在20ns200ms之间。l2.可重复触发的集成单稳态触发器l CD4528是一种CMOS的不可重复触发集成单稳态触发器，其引脚图如图6.13所示。 图6.13CD4528的引脚

9、图 6.2.3 单稳态触发器的应用l1.定时l 由于单稳态触发器能产生一定宽度的矩形脉冲输出，如果利用这个矩形脉冲作为定时信号去控制某电路，可使其在tW时间内动作。例如，利用单稳态触发器输出的矩形脉冲作为与门输入的控制信号，如图6.14所示，则只有在这个矩形波的tW时间内，信号uF才有可能通过与门。l2.延时l 单稳态触发器的延时作用不难从图6.8所示的微分型单稳态触发器的工作波形看出。图中输出端uo1的上升沿相对于输入信号ui的上升沿延迟了一个tW的时间。单稳态的延时作用常被应用于时序控制。 l3.多谐振荡器l 利用两个单稳态触发器可以构成多谐振荡器。由两片74121集成单稳态触发器组成的多

10、谐振荡器如图6.15所示。图中开关S为振荡器控制开关。l4.噪声消除电路l 利用单稳态触发器可以构成噪声消除电路（或称脉宽鉴别电路）。通常噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号都具有一定的宽度。利用单稳电路，将输出脉宽调节到大于噪声宽度而小于信号脉宽，即可消除噪声。由单稳态触发器组成的噪声消除电路及波形如图6.16所示。6.3 施 密 特 触 发 器l 施密特触发器可以将缓慢变化的输入波形整形为矩形脉冲，它具有下述特点：l 施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。l 输入信号增加或减少时，电路有不同的阈值电压。其电压传输特性如

11、图6.17所示。图6.17施密特触发器的电压传输特性 6.3.1 由门电路组成的施密特触发器l 由CMOS门电路组成的施密特触发器如图6.18所示。 6.3.2 集成施密特触发器l 集成门电路中有多种型号的施密特触发器，CC40106是其中的一种CMOS施密特反相器，图6.20是其引脚排列、逻辑符号及传输特性。6.3.3 施密特触发器的应用l1.波形的整形与变换图6.21波形的整形与变换电路 l2.信号鉴幅l3.多谐振荡器图6.23 施密特触发器构成的多谐振荡器 图6.24 图6.23的波形 6.4 555定时器及其应用l 555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只

12、需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。 6.4.1 555定时器电路的结构及工作原理l1.电路结构l 国产双极型定时器CB555的电路结构如图6.25所示 。图6.25 555定时器的电气原理图和电路符号 l2.工作原理l3. 555定时器的功能表6.4.2 555定时器的应用l1.用555定时器构成施密特触发器l 将触发器的阈值输入端ui1和触发输入端ui2连在一起，作为触发信号ui的输入端，将输出端（3端）作为信号输出端，便可构成一个反相输出的施密特触发器，电路如图6.26所示。l 图6.26中，R、VCC2构成另一输出端uo2，其高电平可以通过改变VCC2进行调节。 l2.用555定时器构成多谐振荡器 （1） 电路组成图6.27 用施密特触发器构成的多谐振荡器 （2） 工作原理lT1=0.7(R1+R2)ClT2=0.7R2Cl 电路振荡周期为lT=T1+T2=0.7