数字电子技术第7章脉冲波形的变换和产生

1、第7章 脉冲波形的变换和产生7.1 概述7.2 集成555电路7.3 施密特触发器7.4 单稳态触发器7.5 多谐振荡器7.1 概述概述 数字电路中主要使用的数字信号主要是矩形脉冲信号，获数字电路中主要使用的数字信号主要是矩形脉冲信号，获取矩形脉冲波形的途径主要有两种：取矩形脉冲波形的途径主要有两种：一种是利用各种形式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的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲;另一种则另一种则是通过各种整形电路将已有的周期性变化波形变换为符合是通过各种整形电路将已有的周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。要求的矩形脉冲。脉冲波几个主要参数脉冲波几个主要

2、参数: :占空比占空比 Q - - 表示脉冲宽度占整个周期的百分比表示脉冲宽度占整个周期的百分比上升时间上升时间t tr r 和下降时间和下降时间t tf f -从脉冲幅值的从脉冲幅值的10%到到90% 上升上升 下降所经历的时间下降所经历的时间( ( 典型值典型值ns ) )脉冲宽度脉冲宽度 (tw )- 脉冲幅值的脉冲幅值的50%50%的两个时间所跨越的时间的两个时间所跨越的时间周期周期 (T) - - 表示两个相邻脉冲之间的时间间隔表示两个相邻脉冲之间的时间间隔 tr脉冲宽度 tw 0.5V 4.5V 2.5V 幅值=5.0V 0.0V 5.0V tf0.5V 2.5V 4.5V 7.2

3、 集成555电路7.2.1 集成555CMOS电路结构7.2.2 集成555工作原理555定时器定时器 双极型双极型: : 驱动能力较强驱动能力较强CMOS: 功耗低，最低工作电压小，功耗低，最低工作电压小，输入电阻高输入电阻高 流行的产品主要有流行的产品主要有4个，个，BJT两个：两个：555和和556（含有（含有两个两个555），），CMOS两个：两个：7555和和7556（含有两个（含有两个7555），），现以现以CMOS集成定时器集成定时器7555为例介绍其结构与功能。为例介绍其结构与功能。 555定时器外接适当的电阻、电容能方便地构成多谐定时器外接适当的电阻、电容能方便地构成多谐振荡

4、器、单稳态触发器和施密特触发器等。振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等。 555电路是美国电路是美国Signetics公司公司1972年研制的年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个输入端设计有三个5k电阻而得名。电阻而得名。 7555控制电压端控制电压端TR7.2.1 集成集成555CMOS电路结构电路结构低电平触发低电平触发 高电平触发高电平触发 复位端复位端 输出端输出端 放电端放电端 1地地 82 3 47 6 5电源电源 18VDD4R25CO6TH3OUT7DQ 1Q 1基本基本RS触发器触发器 C1、C2是两个是两个

5、电压比较器电压比较器 分压器分压器:由三由三个等值电阻个等值电阻R串联而成串联而成 G1111G2T驱动器和放电开关驱动器和放电开关C1C2RRRTR18VDD4R25CO6TH3OUT7DQ 1Q 1RRRG1111G2TC1C27.2.2 集成集成555工作原理工作原理当当 L时，时，反相器反相器G1输出高电平，输出高电平，R0110所以所以Q为低电平，为低电平，OUT=L。使使G2输入为高电平，输入为高电平，T管导通。管导通。此时此时称为称为复位复位。 假设假设D端通过端通过电阻接到正电源，电阻接到正电源，则则D端为低电平端为低电平。000TR18VDD4R25CO6TH3OUT7DQ

6、1Q 1RRRG1111G2TC1C2当当 H 时，时，R1. TH2UDD/3， 电路的输出电路的输出状态与状态与 无关，无关，所以所以 为任意为任意输入输入。 TRQ101则则C1输出为输出为1， Q=0， OUT=0。T导通。导通。01清零失效清零失效02. TH VDD/3；00 触发器保持触发器保持原状态不变。原状态不变。 C1输出为输出为0； C2输出为输出为0； TR18VDD4R25CO6TH3OUT7DQ 1Q 1RRRG1111G2TC1C2当当 H 时，时，R1清零失效清零失效Q=1，T管截止，管截止，OUT=1。C1=0；3. TH2VDD/3，TRVDD/3，C2=1

7、， OUT=1称为电称为电路路置位置位或或置置“1 1”011017555功能表功能表TR2VDD/32VDD/3UDD/3HHHHH截止截止导通导通导通导通不变不变不变不变不变不变LLLLL 集成定时器集成定时器75557555的主要参数：的主要参数：电源电压：电源电压： VDD= 3= 31818V 触发电流：触发电流： 2VDD/3，vOl=vO2=L保持不变。显然保持不变。显然VT+2VDD/3。 vI由最大值由最大值下降到下降到VDD/3以前，电路输出一直为低电平。当以前，电路输出一直为低电平。当vI下降到下降到VDD/3时，时，电路再次翻转，输出由电路再次翻转，输出由L跳变为跳变为

8、H。vI继续下降，继续下降，vOl=vO2=H保持保持不变，显然不变，显然VT-=VDD/3，回差，回差VT=VDD/3。 集成集成555电路构成施密特触发器电路构成施密特触发器 7.4 单稳态触发器7.4.1 集成555定时器构成单稳态触发器7.4.2 集成单稳态触发器7.4.3 单稳态触发器应用单稳态电路具有以下几个特点：单稳态电路具有以下几个特点：1.电路只有以一个稳定状态（稳态），另一个是暂稳定状态电路只有以一个稳定状态（稳态），另一个是暂稳定状态（暂稳态）。（暂稳态）。2.在外加触发脉冲的作用下，电路从稳态进入暂稳态，经过一在外加触发脉冲的作用下，电路从稳态进入暂稳态，经过一定的时间

9、，电路状态自动进入稳态。定的时间，电路状态自动进入稳态。3.暂稳态维持的时间决定于单稳态电路自身的参数（如电路中暂稳态维持的时间决定于单稳态电路自身的参数（如电路中相关电阻和电容的参数），与外加触发信号无关。相关电阻和电容的参数），与外加触发信号无关。7.4.1 集成集成555定时器构成单稳态触发器定时器构成单稳态触发器 VCC vI R vO 0.01 F C vC 8 4 555 7 6 2 3 5 1 外加触发信号，电路转换到暂态，输出为外加触发信号，电路转换到暂态，输出为1触发信号消除后，电容充电电路自动转换到稳态输出为触发信号消除后，电容充电电路自动转换到稳态输出为0没有触发信号时没

10、有触发信号时( i )电路处于稳态，电路处于稳态，输出为输出为0 13VCC vI O vC O vO O 2 3 VCC tW t t t tw=RC1n31.1RC TR18VDD4R25CO6THOUTDQ 1Q 1RRRG1111G2TC1C2清零失效清零失效555电路构成单稳态触发器电路构成单稳态触发器 触发前触发前00R1C0.01uF1010放电放电TR18VDD4R25CO6THOUTDQ 1Q 1RRRG1111G2TC1C200R1C0.01uF1010触发触发t00vCt001011vI(TR)vC(D)vO(OUT) 当当D端端vC电压充电电压充电到到2VDD/3时，比

11、较器时，比较器C1输出为高电平，输出为高电平，Q端端为低电平，为低电平，T管输入为管输入为高电平，输出高电平，输出OUT翻翻转，转，T管导通。管导通。暂稳态结束暂稳态结束2UDD/3t12VDD/3010暂稳态结束暂稳态结束tw=1.1RCtre恢复时间恢复时间单稳态触发器的主要参数单稳态触发器的主要参数 1. 输出脉冲宽度输出脉冲宽度tW=1.1RC,Vc(t)=2Vdd/3时，经由下式计算得时，经由下式计算得到到2. 恢复时间恢复时间tre/CDD( )(1e)tvt = V C通过通过T管导通电阻管导通电阻R放电，经过放电，经过(35)放放基本结束，基本结束，所以所以tre=(35) R

12、C。 td指为保证单稳正常工作允许触发脉冲最小的时间指为保证单稳正常工作允许触发脉冲最小的时间间隔。显然间隔。显然 td= tWtre3. 分辨时间分辨时间td4. 输出脉冲幅度输出脉冲幅度VmVm决定于输出信号高低电平之差决定于输出信号高低电平之差 7.4.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 集成单稳态触发器根据工作状态不同可分为不可重复触发和集成单稳态触发器根据工作状态不同可分为不可重复触发和可重复触发两种。其主要区别在于：可重复触发两种。其主要区别在于：不可重复触发单稳态触发不可重复触发单稳态触发器在暂稳态期间不受触发脉冲影响，只有暂稳态结束触发脉冲器在暂稳态期间不受触发脉冲影响，只有

13、暂稳态结束触发脉冲才会再起作用。才会再起作用。可重复触发单稳态触发器在暂稳态期间还可接可重复触发单稳态触发器在暂稳态期间还可接收触发信号，电路被重新触发，暂稳态时间也会顺延。收触发信号，电路被重新触发，暂稳态时间也会顺延。1.TTL双单稳态电路双单稳态电路7422174221的功能表的功能表 2CMOS双单稳态电路双单稳态电路45384538的功能表的功能表 7.4.3 单稳态触发器应用单稳态触发器应用1定时定时2脉冲延迟脉冲延迟3脉冲整形脉冲整形7.5 多谐振荡器7.5.1 用门电路组成的多谐振荡器7.5.2 石英晶体多谐振荡器7.5.3 集成555定时器构成多谐振荡器 多谐振荡器也称无稳态

14、触发器，它没有稳定状态，同时无多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时无需外加触发脉冲，就能输出具有一定频率的矩形波。需外加触发脉冲，就能输出具有一定频率的矩形波。 但非门的平均传输延迟时间过短，且不稳定，故实用但非门的平均传输延迟时间过短，且不稳定，故实用中常中常加入加入RC电路电路。 奇数个非门接成环形，可形成各点电平高低的交替变化。奇数个非门接成环形，可形成各点电平高低的交替变化。环形振荡器环形振荡器 RRC1C1CMOSCMOS环形振荡器环形振荡器改进的环形振荡器改进的环形振荡器 对于含有对于含有RC元件的元件的脉冲电路，关键是电容脉冲电路，关键是电容的充放电，而关键连接的充放

15、电，而关键连接点就是与电容相连的门点就是与电容相连的门电路的输入端。电路的输入端。 7.5.1 用门电路组成的多谐振荡器用门电路组成的多谐振荡器QQC1C2R2G1G2R1AB电路有两种工作过程：电路有两种工作过程：正反馈过程正反馈过程 和和暂稳态过程暂稳态过程正反馈过程：正反馈过程：uQuAuBuQuA正反馈过程正反馈过程 QQC1C2R2G1G2R1ABQQBA暂稳态过程暂稳态过程 暂稳态过程暂稳态过程:C1C2充放电充放电正反馈过程正反馈过程达到阈值电压达到阈值电压一、石英晶体一、石英晶体 石英晶体谐振器具有极高的稳定性，用它作为谐振元石英晶体谐振器具有极高的稳定性，用它作为谐振元件做成

16、的晶体振荡器的频率稳定度可优于件做成的晶体振荡器的频率稳定度可优于109。电路符号电路符号等效电路等效电路CPCLR频率特性频率特性fPfSf0X7.5.2 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器二、晶体振荡器二、晶体振荡器 多谐振荡器电路多谐振荡器电路石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器QQC1C2R2G1G2R1ABQQC1C2R2G1G2R1AB C1只起耦合作用，只起耦合作用，其值应取得大一些。其值应取得大一些。工作在串联谐振频率工作在串联谐振频率第一状态：电容第一状态：电容C上开始没有电上开始没有电荷，荷，TR=vC=0V，由功能表知：，由功能表知：TH=TR VDD /3，vO=高电平，高电平，T截止，截止，VDD经经R1、R2对对C充电，充电，使使TH逐渐升高。逐渐升高。vCvO0VVDDVDD/32VDD/3 tW1 0.7(R1 + R2)C tW2 0.7R2CvO5558 45137260.01uFCOR1COUTRVDDR2DTRTHvC向向C充电充电第二状态：第二状态： TH和和TR的电压逐步