数字电子技术第7章 脉冲波形的产生与变换

1、数 字 电 子 技 术第7章 脉冲波形的产生与变换范立南范立南 田丹田丹 李雪飞李雪飞 张明张明 编著编著清华大学出版社清华大学出版社第第7 7章章 脉冲波形的产生与变换脉冲波形的产生与变换l7.1 7.1 概述概述l7.2 7.2 单稳态触发器单稳态触发器l7.3 7.3 施密特触发器施密特触发器 l7.4 7.4 多谐振荡器多谐振荡器l7.5 5557.5 555定时器及其应用定时器及其应用l7.6 7.6 实例电路分析实例电路分析 7.1 概述 在数字系统中，不仅需要研究各单元电路之间的逻辑关系，还需要产生脉冲信号源作为系统的时钟。矩形脉冲常常用作数字系统的命令信号或同步时钟信号，作用于

2、系统的各个部分，因此波形的好坏将关系到电路能否正常工作。 理想的脉冲波形一般只要用3个参数便可以描述清楚，这3个参数是：脉冲幅度Um，脉冲周期T和脉冲宽度tw，理想脉冲波形如下图所示。 而实际的脉冲波形的电压上升与下降都要经历一段时间，也就是说波形存在上升时间tr和下降时间tf 。实际的脉冲波形如下图所示。图中所示各参数定义如下：(1) 脉冲幅度Um：脉冲电压的最大变化幅度。(2) 上升时间tr：脉冲上升沿从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。(3) 下降时间tf：脉冲下降沿从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。(4) 脉冲宽度tw：从脉冲上升沿到达0.5Um起，到脉冲下降沿到达0.5Um

3、为止的一段时间。 (5) 脉冲周期T：在周期性脉冲信号中，两个相邻脉冲的前沿之间或后沿之间的时间间隔称为脉冲周期，用T表示。(6) 脉冲频率f：在单位时间内（1秒）脉冲信号重复出现的次数，用f表示，f1T。(7) 占空比q：脉冲的宽度tw与脉冲周期T的比值，即q = tw /T。 获取矩形脉冲波形的途径主要有两种：一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲；另一种则是通过各种整形电路把已有的周期性变化的波形变换为符合要求的矩形脉冲，如施密特触发器、单稳态触发器波形变换电路。当然，在采用变换的方法获取矩形脉冲时，是以能够找到频率和幅度都符合要求的一种已有的电压信号为前提的。7.2

4、 单稳态触发器 单稳态触发器具有如下特点： (1) 它有一个稳定状态和一个暂时稳定状态(简称暂稳态)； (2) 在外来触发脉冲的作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态； (3) 暂稳态维持时间的长短，仅取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。 正是因为具有上述特点，单稳态触发器被广泛地应用于脉冲变换、延时(产生滞后于触发脉冲的输出脉冲)以及定时(产生固定时间宽度的脉冲信号)的脉冲电路。7.2.1 用门电路组成的单稳态触发器 单稳态触发器的暂稳态通常都是靠RC电路的充、放电过程来维持的。RC电路的接法不同，单稳态触发器的结构和工作过程也不一样。把R

5、C电路接成积分电路形式的单稳态触发器称为积分型单稳态触发器，把RC电路接成微分电路形式的单稳态触发器称为微分型单稳态触发器。1积分型单稳态触发器(1) 电路结构(2) 工作原理 稳态。稳态时，由于 =0，所以 ， 。IvOHOVvOHO1CV vv外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态。当输入正脉冲以后， 跳变为低电平。但是由于电容C上的电压不能跃变，所以在一段时间内 仍然在 以上。因此，在这段时间内 的两个输入端电压同时高于 ，使 ，电路进入暂稳态。同时电容C开始放电， 开始下降。O1vCvTHV2GTHVOLOVvCv暂稳态维持一段时间后自行回到稳态。当 下降到略低于 后(此时 仍然为高电平

6、)， 又回到高电平。待 返回低电平以后， 又重新变为高电平 ，并向电容C充电， 开始上升，直至 ，电路恢复到稳态。 CvTHVIvOvIvO1vOHVCvOHO1CV vv 根据以上分析，电路中各点电压的波形如图所示。(3) 主要参数计算输出脉冲的宽度： OLTHOLOHOWVVVVln)(CRRt 式中 为反相器 输出为低电平时的输出电阻。OR1G输出脉冲的幅度：OLOHmVVV 积分型单稳态触发器的优点是抗干扰能力较强。它的缺点是输出波形的边沿比较差。此外，积分型单稳态触发器必须在触发脉冲的宽度大于输出脉冲的宽度时才能正常工作。2.微分型单稳态触发器(1) 电路结构(2) 工作原理 对于C

7、MOS门电路，可以认为 ， ，而且通常 。该电路采用正脉冲触发。DDOHVV0VOLDDTHV21V稳态。在稳态下 、 ，故 、 ，电容C上的电压为0。0IvDDI2Vv0OvDDO1Vv| _ OI2O1dvvvv外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态。当触发脉冲加到输入端时，在 和 组成的微分电路输出端得到很窄的正、负脉冲 。当 上升到 以后，将引发如下的正反馈过程dRdCdvTHVdv使 迅速跳变为低电平。由于电容上的电压不能跃变，所以 也同时跳变到低电平，并使 跳变为高电平，电路进入暂稳态。这时即使 回到低电平， 的高电平仍将维持。与此同时，电容C开始充电。O1vI2vOvdvOv暂稳态

8、维持一段时间后自行回到稳态。随着充电过程的进行， 逐渐上升，当上升到略高于 时，又引发另外一个正反馈过程I2vTHV|_O1OI2vvv如果这时 已经回到低电平，则 、 迅速跳变为高电平，并使输出 返回到低电平。同时电容C通过电阻R和门 的输入保护电路向 放电，直至电容上的电压为0，电路恢复到稳定状态。 IvO1vI2vOv2GDDV根据以上分析，电路中各点电压波形如图所示。(3) 主要参数计算输出脉冲的宽度： RCRCRCt69. 02lnVV0VlnTHDDDDW输出脉冲的幅度：DDOLOHmVVVV 微分型单稳态触发器可以用窄脉冲触发。在 的脉冲宽度大于输出脉冲宽度的情况下，电路仍能正常

9、工作，但是输出脉冲的下降沿较差。Iv7.2.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器有不可重复触发的单稳态触发器和可重复触发的单稳态触发器两种。 1不可重复触发的单稳态触发器74121 不可重复触发的单稳态触发器，是指触发器在触发信号作用下进入暂稳态后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束以后，它才能接受下一个触发脉冲而转入暂稳态。(1) 电路结构逻辑符号 (2) 电路功能不可重复触发的单稳态触发器74121的功能表 74121在触发脉冲作用下的波形图: 输出脉冲宽度的计算公式为 extextextextW69. 02lnCRCRt通常 的取值在2K30 K之间， 的取值在10p

10、F10F之间，得到的 的范围可达20ns200ms。extRextCWt2带清除端的可重复触发的单稳态触发器74123 可重复触发单稳态触发器是指触发器在触发信号作用下进入暂稳态后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个 宽度。 Wt74123为带有清除端的双可重复触发的单稳态触发器，其逻辑符号如图 其中A1、A2为下降沿触发端，B1、B2为上升沿触发端，Q1、Q2为正脉冲输出端， 、 为负脉冲输出端， 、 为直接清除端，低电平有效， 、 为外接电容端， 、 外接电阻端。 1Q2QD1RD2Rext1C2extC1extR2extR带有清除端的双可重复触发的单稳态触发

11、器74123的功能表 不可重复触发单稳态触发器与可重复触发单稳态触发器的工作波形对照：不可重复触发的单稳态触发器工作波形 可重复触发的单稳态触发器工作波形 7.2.3 单稳态触发器的应用1脉冲变换展宽脉冲 缩短脉冲 阻塞不符合要求的脉冲 2定时 若 为单稳态触发器的输出端，当单稳态触发器处于稳定状态时，其输出 ，将输入信号 封锁。当单稳态触发器有触发信号作用时，单稳态触发器进入暂稳态，其输出为 ，与门被打开，允许输入信号 通过。若与门输出端接一个计数器，则可以知道在 时间内输出的脉冲个数(即可求得脉冲的频率)。O1v0O1vFv1O1vFvWt3延时 第1个单稳态触发器输出脉冲的宽度为 ，第2

12、个单稳态触发器输出脉冲的宽度为 。当第1个74121接收触发信号 后，其 端输出 宽度的脉冲，2ms后第2个74121接收其触发信号 ，其 端输出 宽度的脉冲。这里第1个74121就起到延时的作用，而第2个74121可以用作定时信号。 ms269. 0extextW1CRtms169. 0extextW2CRtIvO1vO1vOvms1ms2利用74121连接的延时电路 工作波形图 【例题7.1】图7-16(a)是用两个集成单稳态触发器74LS121组成的脉冲变换电路，外接电阻和电容的参数如图中所示。试计算在图中所示的输入触发信号 的作用下 、 输出脉冲的宽度，并画出与图7-16(b)中 波形

13、相对应的 、 的电压波形。IvO1vO2vIvO1vO2v(a) 逻辑图 (b) 电压波形图图7-16 例题7.1的图 解：由式 可得 和 输出脉冲的宽度 、 分别为extextextextW69. 02lnCRCRtO1vO2v1Wt2Wt)ms(21013. 0102269. 069. 02ln63extextextextW1CRCRt)ms( 11013. 0101169. 069. 02ln63extextextextW2CRCRt由逻辑图可知，当第1个74LS121接收触发信号 后，其 端输出 宽度的脉冲，2ms后第2个74LS121接收其触发信号 ，其 端输出1ms宽度的脉冲。Iv

14、O1vms2O1vOv7.3 施密特触发器 施密特触发器是一种经常使用的脉冲波形变换电路，它有两个稳定状态，是双稳态触发器的一个特例。它具有如下特点： (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(如正弦被、三角波及各种周期性变化的不规则波形)变换为边沿陡峭的矩形波。 (2) 施密特触发器具有两个门限电压。输入电压信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入信号电压值，与输入信号从高电平下降的过程中对应的输入信号电压值是不同的，即电路具有回差特性。7.3.1 用门电路组成的施密特触发器1电路结构 (a)电路结构 (b)逻辑符号2.电路的工作原理 假设反相器G1和G2是CMO

15、S电路，它们的阈值电压为 ，且R1R2。DDTHV21V(1) 从0开始上升的过程Iv 当 时， 。这时G1的输入 。0Iv0VOLOv0Iv当 从0开始逐渐升高并到达 以后， 再增加将引发如下的正反馈过程 THIVvIvIv|_OO1Ivvv于是电路的状态迅速转换为 。DDOHOVVv 由此可知，输入信号 上升的过程中电路的状态发生转换是在 时，把此时对应的输入电压值称为上限阈值电压，用 表示。 IvTHIVvTV因为此时有 T212THIVVRRRv所以TH21TH221TV1VVRRRRR(2) 从 开始下降的过程 IvDDV当 从高电平 逐渐下降并到达 以后， 再下降将会引发如下的正反

16、馈过程IvDDVTHIVvIv|_OO1Ivvv使电路的状态迅速转换为 。 0VOLOv 由此可知，输入信号 下降的过程中电路的状态发生转换也是在 时，把此时对应的输入电压值称为下限阈值电压，用 表示。IvTHIVvTV由于此时有212-TDDDDTHI)VV(VVRRRv所以DD21TH221-TVVVRRRRR将 代入上式后得到THDDV2VTH21-TV1VRR将 与 的差定义为回差电压 ，即TVTVTV-TTTVVV (a)同相输出 (b)反相输出上述施密特触发器电压传输特性如下图所示。因为 和 的高低电平是同相的，所以把这种形式的电压传输特性叫做同相输出的施密特触发特性。如果以 作输

17、出端， 与 的高低电平是反相的，所以把这种形式的电压传输特性叫做反相输出的施密特触发特性。 OvIvOvOvIv7.3.2 施密特触发器的应用1脉冲整形 波形的上升沿、下降沿明显变坏 波形的上升沿和下降沿产生振荡 信号有附加噪声2波形变换3脉冲鉴幅7.4 多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号就可以自动地产生矩形波。由于矩形波含有丰富的高次谐波成分，所以矩形波振荡器又称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳定的状态，只有两个暂稳态，所以又称为无稳态电路。因为多谐振荡器产生矩形波的幅度和宽度都是一定的，所以它常用来作为脉冲信号源。7.4.1 用门电路组成的多谐振荡器1电

18、路结构2电路的工作原理(1) 第一暂稳态 假定在t0时刻接通电源，电容C还未充电，初始状态为 ， ，此时称为电路的第一暂稳态。 1O1v0O2I1 vv(2) 由第一暂稳态翻转到第二暂稳态 的高电平通过电阻R对电容C进行充电， 的电位逐渐升高，在t1时刻， 达到阈值电压 时，必然引起下列的正反馈过程O1vI1vI1vTHV|_ O2O1I1vvv最后使得 ， ，电路进入到第二暂稳态。0O1v1O2v(3) 电路由第二暂稳态再返回到第一暂稳态 在第二暂稳态 时，由于电容电压不能跃变，所以 也随着正跳变到高电平，上升到 。然后电容C又经电阻R放电，使 逐渐下降。在t2时刻， 下降到阈值电压 时又产

19、生下列正反馈过程1O2vI1vTHDDVVI1vI1vTHV|_ O2O1I1vvv最后使 由1变为0，由于电容电压不能跃变，故 跟随 发生负跳变，下降到 ，于是 由0变为1。即 ， ，电路又回到第一暂稳态。 O2vI1vO2vDDTHVVO1v1O1v0O2v 此后开始重复前面的过程，周而复始，在 端出现一系列的脉冲波形。O2v电路中各点的波形如下图所示。3主要参数的计算 (1)T1的计算 3lnVVVlnTHTHDD1RCRCT(2)T2 的计算3lnVVVV2lnTHDDTHDD2RCRCT(3)T的计算 RCRCTTT2 . 23ln2217.4.2 用施密特触发器构成的多谐振荡器电路

20、中各点波形如下图所示。 7.4.3 石英晶体振荡器 1石英晶体的频率特性 (a) 符号 (b)电抗的频率特性2石英晶体振荡器的电路结构石英晶体多谐振荡器 3电路的工作原理 设电路接通电源时，门电路G1的输出为高电平，门电路G2的输出为低电平，在不考虑石英晶体作用的情况下，G1的高电平输出通过电阻R1对电容C2充电，使门电路G1输入端的电压增大为高电平，输出跳变成低电平，与此同时，电容C1在门电路G2输入端的高电平，通过电阻R2放电，使门电路G2输入端的电压减少为低电平，输出跳变成高电平，实现门电路Gl的输出从高电平跳变成低电平，门电路G2的输出从低电平跳变成高电平的一次翻转，电路周而复始地翻转

21、产生方波信号输出。 晶振在电路中的作用是选频网络，当电路的振荡频率等于晶振的固有振荡频率 时，频率 的信号最容易通过晶振和C2所在的支路形成正反馈，促进电路产生振荡，输出方波信号。0f0f7.5 555定时器及其应用 555定时器最早是由美国的Signetics公司在1972年开发出来的，又被称作“555时基集成电路”。555定时器能在很宽的电压范围内工作，并可承受较大的负载电流。双极型555定时器的电源电压范围为516V，最大的负载电流可达到200mA，CMOS型7555定时器的电源电压范围为318V，但最大负载电流在4mA以下。另外，555定时器还能提供与TTL、MOS电路相兼容的逻辑电平

22、。 正因为如此，国际上各主要的电子器件公司相继生产了各自的555定时器产品。尽管产品型号繁多，但所有双极型产品型号最后的3位数码都是555，所有CMOS产品型号最后的4位数码都是7555。而且，它们的功能和外部引脚的排列完全相同。为了提高集成度，随后又生产了双定时器产品556(双极型)和7556(CMOS型)。 555定时器是一种多用途的模拟数字混合的中规模集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以555定时器广泛地应用在波形产生与变换、工业自动控制、定时、仿声、电子乐器和防盗报警等方面。 7.5.1 555定时器 1电路结构 (a) 电路结

23、构 (b) 逻辑符号2电路的工作原理 当 、 时，比较器A1的输出 =0、比较器A2的输出 =1，基本RS触发器被置成0态，TD导通，同时 为低电平。 I1vR1V2IvR2VA1vA2vOv 当 、 时， =1、 =1，基本RS触发器的状态保持不变，因而TD和输出的状态也维持不变。I1vR1V2IvR2VA1vA2v 当 、 时， =1、 =0，基本RS触发器被置成1态，由于正常工作时 =1，所 以 为高电平，同时TD截止。I1vR1V2IvR2VA1vA2vDROv 当 、 时， = 0、 =0，基本RS触发器处于Q= =1的状态，处于高电平，同时TD截止。I1vR1V2IvR2VA1vA

24、2vQOvCB555的功能表 7.5.2 用555定时器组成的单稳态触发器1电路结构2工作原理 (1) 如果没有触发信号时 处于高电平，那么稳态时电路一定处于 。 Iv0Ov (2) 在负脉冲的作用下，电路进入暂稳态。 当外加触发脉冲 的下降沿到达时，使 跳变到 以下时，使 （此时 仍然为1），触发器被置成1态，输出 也跳变为高电平，电路进入暂稳态。与此同时，三极管TD截止，电源 便经电阻R开始向电容C充电。IvI2vCC31V0A2vA1vOvCCV (3) 暂稳态维持一段时间后自行恢复到稳态。 当电容充电使 略大于 时， 变为0。如果此时输入端的触发脉冲已经消失，即 回到了高电平，则触发器

25、被置0，于是输出返回 的状态。同时三极管TD又变为导通状态，电容C经TD迅速放电，直至 =0，电路恢复稳态。CvCC32VA1vIv0OvCv以上的分析过程可以用下图所示工作波形图表示。3输出脉冲的宽度 的计算 WtRCRCVVVRCt1 . 13ln320lnCCCCCCW【例题7.2】将555定时器连接成如下图所示的电路，试问它是何种电路？图中 为+5V，若输入端外加一个电压值足够低的尖脉冲信号，计算在尖脉冲电压信号作用下，输出电压维持高电平的时间。CCV解：该电路为单稳态触发器。输出电压维持高电平的时间为： ms78. 010047. 010151 . 11 . 13ln63WRCRCt

26、7.5.3 用555定时器组成的施密特触发器1电路结构2工作原理 (1) 上升过程Iv 当 时，即 、 时，由555定时器的功能表知， 。 随着 上升，当 时，即 、 时， 保持不变。 继续上升，当 时，即 、 时， 。 因此，在 上升过程中，电路状态发生转换时对应的输入电压(上限阈值电压) 为 IvR2VI1vR1V2IvR2VOHOVvIvR2VIvR1VI1vR1V2IvR2VOHOVvIvIvR1VI1vR1VR1VR2VOLOVvIvTVTVR1V= (2) 下降过程 Iv 当 时，即 、 时， 。 随着 的下降，当 时，即 、 时， 保持不变。 继续下降，当 时，即 、 时， 。

27、因此， 下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电压(下限阈值电压) 为 = IvR1VI1vR1V2IvR2VOLOVvIvR2VIvR1VI1vR1V2IvR2VOLOVvIvIvR2VI1vR1V2IvR2VOHOVvIvTVTVR2V由此得到电路的回差电压为R2R1TTTVVVVV 若 悬空，则 ；若 外接固定电压，则 ，通过调整 的值可以调节回差电压的大小。COVCCT31VV COVCOT21VV COV由以上分析可以看出，它是一个典型的反相输出的施密特触发器。 【例题7.3】将555定时器接成如下图所示的电路时，它属于何种触发器？试求出当 电压值分别为9V、12V、6V三种情况下，

28、该触发器的阈值电压？CCV解：电路为施密特触发器。 因为电路没有外加控制电压，所以上限阈值电压为 ，下限阈值电压为 。 CCTV32VCCTV31V 当电压值分别为9V、12V、6V时，该施密特触发器的上限阈值电压分别为6V、8V、4V，下限阈值电压分别为3V、4V、2V。【例题7.4】电路如下图所示，若输入电压为正弦波，正弦波的幅值为8V。试画出电源电压分别为6V和12V两种情况时，输出电压的波形。 解：因为该电路为施密特触发器，且没有外加控制电压，当电源电压为6V时， ， 。当电源电压为12V时， ， 。当输入幅值为8V的正弦波时，输出波形如下图所示。V4V32CCTVV2V31CCTVV

29、8V32CCTVV4V31CCTV (a)电源电压为6V时的输出波形 (b)电源电压为12V时的输出波形7.5.4 用555定时器组成的多谐振荡器1电路结构2工作原理(1) 第一暂稳态。 当电源接通后，电容C来不及充电，所以 为低电平，输出 为高电平，三极管TD截止，这样电源 经电阻R1和R2对电容C充电。CvOvCCV(2) 由第一暂稳态翻转到第二暂稳态。 随着充电的进行， 电位升高，当升高到略大于 时，输出 变为低电平，使TD导通，此时电容C经电阻R2、三极管TD放电。CvCC32VOv(3) 由第二暂稳态又回到第一暂稳态。 随着放电的进行， 电位降低，当下降到略小于 时，输出 又变为高电

30、平，三极管TD截止，这样电源 经电阻R1和R2对电容C充电。CvCC31VOvCCV 如此循环往复下去，在输出端就得到了一系列的矩形波。 CvOv 和 的波形如下图所示。 由上图中 的波形求得电容C的充电时间T1和放电时间T2分别为Cv2lnln)(21TCCTCC211CRRVVVVCRRT）（2ln00ln2TT22RVVCRT故电路的振荡周期为2ln)2(2121CRRTTT振荡频率为2ln)2(1121CRRTf占空比为212112RRRRTTq占空比可调的多谐振荡器 电容的充电时间为 2ln11CRT 放电时间为 2ln22CRT 输出脉冲的占空比为211RRRq【例题7.5】用55

31、5定时器构成的多谐振荡器如下图所示。当电位器 滑动臂移至上、下两端时，分别计算振荡频率和相应的占空比。WR解： 当电位器 滑动臂移至上端时，输出 的频率 为WROv1fkHz26. 62ln2212W11CRRRf占空比为%2 .52222W12W12111RRRRRRTTTq 当电位器 滑动臂移至下端时，输出 的频率 为WROv2fkHz08.112ln212W12CRRRf占空比为%3 .9222W12W12112RRRRRRTTTq 7.6实例电路分析7.6.1光控路灯开关下图所示电路就是把555定时器构成的施密特触发器用作光控路灯开关。 图中555定时器用作施密特触发器。该施密特触发器的上限阈值电压为 ，下限阈值电压为 。V8V32CCTVV4V31CCTV电路的工作原理: 在白天光照比较强时光敏电阻 的阻值远小于电阻 的阻值(2M)，使得施密特触发器输入端电平较高，大于上限阈值电压 时，输出 为低电平，线圈中没有电流流过，继电器常开触点不吸合，路灯L不亮。随着夜幕的降临，天色逐渐变暗，光敏电阻 的阻值逐渐增大，施密特触发器输入端的电平也将随之降低