《数字电子技术》课件第七章

第七章脉冲波形的产生与变换7.1概述7.2

555定时电路7.3单稳态电路7.4多谐振荡器7.5施密特电路7.1概述

在电路基础课程中我们知道，含有惰性元件C或L的电路存在暂态过程，即有充放电现象。脉冲波形就是利用惰性电路的充放电而形成的。由于RC电路用得较多，下面就以RC惰性电路为例讲述脉冲波形产生机理。我们用控制开关位置及时间常数RC的方法，即可得到不同的脉冲波形。如图7-1(a)所示，当时间常数RC远小于开关转换时间TS时，便组成微分电路，在电阻上可获得窄脉冲输出。图7-1(b)组成积分电路。当RC<<TS时，在电容上可得到矩形波；当RC<<TS时，在电容上又可得到线性扫描的波形。图7-1RC暂态电路波形由图7-1可看出，脉冲形成电路的组成应有两大部分：惰性电路和开关。开关是用来破坏稳态，使惰性电路产生暂态的。开关可用不同的电子器件来完成，如可用运算放大器，分立器件晶体三极管或场效应管，也可以用逻辑门。目前用得较多的是555定时电路。

惰性电路产生的暂态过程，对一阶问题而言，可用三要素法来描述，获得电压或电流随时间变化的方程，该方程是脉冲波形计算的重要依据。三要素即起始值X(0+)、趋向值X(∞)和时间常数τ，若三要素已知，则得方程或7.2555定时电路7.2.1基本组成

555集成电路主要由3个5kΩ电阻组成的分压器、两个高精度电压比较器、一个基本RS触发器、一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成，其结构框图如图7-2所示。图7-2CC7555集成定时电路(a)逻辑图;(b)符号表示1.分压器

分压器由3个5kΩ电阻R组成，它为两个电压比较器提供基准电平。当5脚悬空时，电压比较器A的基准电平为，比较器B的基准电平为。改变5脚的接法可改变比较器A、B的基准电平，如5脚通过电阻10kΩ接地，则基准电平分别为和。5脚也可另接小于等于UDD的电源，如采用和，则5脚通过一个电容0.01～0.1μF电容接地，以防干扰信号影响5脚电压值。2.比较器比较器A、B是两个结构完全相同的高精度电压比较器。A的输入端为引脚6高触发端，当时，A端输出为高电平，即逻辑“1”；当时，A输出为低电平，即逻辑“0”。B的输入端为引脚2低触发端，当时，B输出为低电平，即逻辑“0”；当时，B输出为高电平，即逻辑“1”。A、B的输出直接控制基本RS触发器的动作。RS触发器由两个或非门组成，它的状态由两个比较器输出控制，根据基本RS触发器的工作原理，就可以决定触发器输出端的状态。3.基本RS触发器4.开关放电管和输出缓冲级

放电管V是N沟道增强型的MOS管，其控制栅为0电平时截止，为1电平时导通。两级反相器构成输出缓冲级，反相器的设计考虑了有较大的电流驱动能力，一般可驱动两个TTL门电路。同时，输出级还起隔离负载对定时器影响的作用。7.2.2工作原理及特点综上所述，我们根据图7-2所示电路结构图可以很容易得到CC7555定时器的功能表，如表7-1所示。CC7555定时器电路具有静态电流较小(80μA左右)，输入阻抗极高(输入电流仅为0.1μA左右)，电源电压范围较宽(在3~18V内均正常工作)等特点。其最大功耗为300mW。和所有CMOS集成电路一样，在使用时，输入电压uI应确保在安全范围之内，即满足下式条件：USS-0.5V≤uI≤UDD+0.5V555定时电路除了CMOS型之外，还有TTL型，如5G555(NE555)。它的工作原理与CC7555没有本质区别，但其驱动电流可达200mA。7.3单稳态电路7.3.1电路组成图7－3(a)是用CC7555构成的单稳态电路，图7－3(b)是其工作波形。图中R、C为外接定时元件，输入触发信号uI加至低触发TR端，由OUT端给出输出信号，控制端CO不用时一般均通过0.01μF接地，以防干扰。图7-3CC7555构成的单稳态电路7.3.2工作原理

静止期：触发信号uI处于高电平，电路处于稳态，根据555工作原理知道uO为低电平，放电管V导通，定时电容C两端电压uC=0。工作期：外界触发信号uI加进来，要求为负脉冲且低电平应小于，比较器输出UB为高电平，UA为低电平，使uO为高电平，且放电管截止，电源UDD通过定时电阻R对定时电容充电，这是一个暂态问题，只要写出三要素即可。

由于比较器A、B的存在，uC不可能充至UDD。当uC充至大于，但小于时，UA=UB均为低电平，RS触发器处于保持态，即Q=1,，电路仍处于uO=高电平，放电管仍处于截止，电容继续充电。当时，UA=1，UB=0，则Q=0，Q=1，uO=0，放电管导通，电容通过放电管很快放电，进入恢复期。三要素如下：由于外界触发脉冲加了进来，电路uO由低电平变为高电平到再次变为低电平这段时间就是暂稳态时间。暂稳态时间TW计算如下：显然，改变定时元件R或C即可改变延迟时间TW；通

过改变比较器的参考电压也可改变TW。在5脚CO端外接电源或电阻即可改变比较器A、B的参考电压。

为了使电路能正常工作，要求外加触发脉冲的宽度TIW小于TW，且负脉冲的数值一定要低于(1／3)UDD。为此，常在输入信号uI和触发电路之间加一微分电路，如图7-4

所示。图7-4具有微分环节的单稳态电路恢复期TR由下式决定：

其中rd为放电管导通时呈现的电阻，一般R>>rd，所以恢复期很短。图7-5线性锯齿波电路图7－5(a)为线性锯齿波电路，其中晶体三极管V及电阻Re、Rb1、Rb2组成恒流源，给定时电容提供恒定的充电电流。电容两端电压随时间线性增长7.4多谐振荡器

在数字电路中，为了定量地描述多谐振荡器所产生的矩形脉冲波形的特性，经常使用如图7-6所示的5个指标，即:

脉冲周期T：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲的时间间隔。有时也用频率f=1/T表示，f表示单位时间里脉冲重复的次数。

脉冲幅度Um：脉冲电压的最大变化幅度。脉冲宽度TW：从脉冲前沿上升到0.5Um起，到脉冲后沿下降到0.5Um止的一段时间。

上升时间tr:脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。下降时间tf:脉冲后沿从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。利用上述指标，就可以大体上把一个矩形脉冲的基本特性表示清楚了。图7-6描述矩形脉冲特性的指标7.4.1电路组成图7－7(a)给出用CC7555构成的多谐振荡器。由图可见，除将A的高电平触发端TH和B的低电平触发端TR短接外，在放电回路中还串接一个电阻R2。电路中R1、R2、C均是定时元件。图7－7(b)为工作波形。图7-7自由多谐振荡器电路及工作波形7.4.2工作原理

由于接通电源前，电容器两端电压uC=0，电源刚接通时UB=1，UA=0，因而Q=1，Q=0，经输出缓冲级后uO为高电平，放电管V处于截止。电源电压通过R1、R2对C充电，其暂态过程为由于比较器A、B的存在，电容C不可能充至UDD。过程如下：当时，UB、UA均为低电平，RS触发器状态不变；但当时，UA=1，UB=0，RS触发器状态变为Q=0,Q=1，输出uO为低电平，放电管V导通，这段时间我们称为第一暂稳态期。

放电管V导通时，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二暂稳态期，放电过程为由于比较器A、B的存在，电容器不可能放电至0。当电容放电,时，UA=UB=0，RS触发器处于维持状态，输出也不变；但当C继续放电,时，UB=1,UA=0，这时Q=1,Q=0，输出uO为高电平，放电管截止，UDD再次对电容充电。如此反复，可输出矩形波形。该电路的振荡周期计算如下：而T1和T2分别为输出矩形的频率f=1/T。显然，改变R1、R2和C值即可改变振荡频率。我们也可通过改变5脚电压U5来改变比较器A、B的参考电压，而达到改变振荡频率的目的。在实际中常常需要调节T1和T2。这样就引进了占空比的概念：图7-8占空比可调振荡器改变P点（调节电位器RP）但不改变R1+R2值。所以该电路振荡周期为占空比D为可利用自由多谐振荡器组成模拟声响电路。如图7-9(a)所示，A、B两个555电路均为多谐振荡器。如调节振荡器A振荡频率fA=1Hz，振荡器B振荡频率fB=1kHz,由于A输出接至B的R端，故只有uO1输出为高电平时，B振荡器才振荡，uO1输出为0时，B停止振荡，使扬声器发出1kHz的间歇声响。如将uO1改接至5脚，则B将产生两种频率的信号。

当uO1为高电平时，uO2为较低频率信号；当uO1为低电平时，uO2为较高频率信号。这样会产生类似救护车的双频音响电路。

如由振荡器A的6脚引出电容充放电波形(类似线性扫描波形)，通过运算放大器接至振荡器B的5脚，如图7-9(b)

所示，则uO2波形的频率是变化的，将产生类似警车的音响效果。图7-9模拟声响电路7.5施密特电路7.5.1

电路组成将555时基电路2、6端连接，即构成施密特电路，如图7－10(a)所示。图7-10施密特电路

当时，UA=0，UB=1,输出uO为高电平；uI增加，满足时，UA=UB=0，电路维持不变，即uO=1;uI继续增加，满足时，UA=1,UB=0，输出uO由高电平变为低电平；之后uI再增加，只要满足，电路不变。如uI下降，只要满足，由于UA=UB=0，电路状态仍维持不变。只有当时，电路才再次翻转,uO为高电平，波形如图7-10(b)所示。7.5.2工作原理由上可看出，当uI上升时，引起电路状态改变，由高电平变为低电平的输入电压为