数字电子技术及应用8

8.1脉冲信号8.2门电路构成的脉冲信号发生器及整形电路8.3集成555定时器及其应用8.1脉冲信号8.1.1脉冲信号的概念脉冲信号的种类很多，根据脉冲出现的形式可分为电脉冲和非电脉冲，在电子线路中使用的是电脉冲，简称为脉冲。广义的脉冲信号是指不连续的非正弦电压或电流，狭义的脉冲信号是指有规律的突变电压或电流。常见的脉冲有矩形波、三角波、锯齿波、阶梯波等等，图8－1－1给出了几种常见脉冲信号的波形图。图8－1-1(a)矩形波;(b)三角波;(c)锯齿波；(d)阶梯波8.1.2脉冲信号的参数矩形脉冲信号的一般波形如图8－1－2所示。图8－1-21．脉冲幅度Um脉冲电压的最大值与最小值之差。也称逻辑摆幅。2．上升时间tr脉冲由0.1Um上升到0.9Um所需要的时间。tr越短，脉冲上升越快，越接近于理想矩形脉冲。3．下降时间tf脉冲由0.9Um下降到0.1Um所需要的时间。4．脉冲宽度tw脉冲幅值为0.5Um时，同一脉冲前沿与后沿之间的时间间隔。5．脉冲周期T和频率f在周期性出现的脉冲序列中，两个相邻脉冲波形对应点之间的时间间隔。脉冲周期的倒数为脉冲频率1fT。6．占空比q脉冲宽度与周期之比，即w/qtT。当q＝1/2时的矩形波称为方波。8.1.3脉冲信号的产生方法在数字系统中，常用以下两种方法产生所需要的脉冲信号：(1)利用振荡器直接产生所需要的脉冲波形，这种电路不需要外加触发信号，只要电路参数选择合适，接通电源后电路即进入工作状态，自动产生脉冲信号（自激振荡）。能够自动产生脉冲信号的电路称为多谐振荡电路或多谐振荡器。(2)利用变换电路将已有的性能不符合要求的脉冲信号变换为符合要求的矩形脉冲信号。其变换电路本身不能产生脉冲信号，只能起到波形变换作用，变换电路也称为整形电路。这类电路包括单稳态触发器和施密特触发器。8.2门电路构成的脉冲信号发生器及整形电路8.2.1多谐振荡器1．最简单的环形振荡器将奇数个非门首尾相接，构成环形，从任何一个门的输出端可得到高、低电平交替变化的方波，这就是最简单的环形振荡器。图8－2－1(a)所示的电路就是一个由3个TTL非门构成的环形振荡器，图8－2－1(b)为该电路各点的工作波形。图8－2-1(a)简单环形振荡器;(b)工作波形设3个门的特性相同，平均传输时间均为tpd。设某时刻uO由低电平跳变为高电平，同时uI也跳变为高电平，则G1、G2、G3门将依次翻转，经过3级门的传输时间3tpd后，使输出uO由高电平跳变为低电平，同时uI也跳变为低电平，则G1、G2、G3门再次翻转，经过3tpd时间后，又使输出uO由低电平跳变为高电平。如此周而复始跳变，形成矩形波。显然，uO低电平和高电平保持时间均为3tpd，所以，其振荡周期为T＝6tpd。这种简单的环形振荡器振荡周期短，振荡频率不可调，所以，并不实用。在此基础上对电路进行改进，即可做到使振荡频率降低，振荡频率可调。2．RC环形多谐振荡器在简单环形振荡电路中引入RC电路作为延时环节，这样既可延时，又可通过调节R或C的值来调节振荡频率，电路如图8－2－2所示。RC构成延时环节，RS为限流电阻，对门G3起限流保护作用。图8－2-2RC环形振荡器的工作过程如下：当uO由低电平UOL跳变为高电平UOH时，uO1由UOH跳变为UOL，uO2由UOL跳变为UOH。同时，uI3随uO1跳变为低电平，维持uO为1，此时为暂态I。在此期间uO2通过电阻R给电容C充电，使uI3的电位逐渐上升，充电回路为uO2?R?uI3?C?uO1。当uI3上升到大于阀值电压UT时，G3导通，使uO由高电平1跳变到低电平0，到此暂态I结束，进入暂态II。在暂态II期间，uO1由0跳变为1，uO2由1跳变为0，uI3随uO1跳变为高电平，维持uO为0。在此期间uO1通过电阻R给电容C反向充电，使uI3的电位逐渐下降，充电回路为uO1?C?uI3?R?uO2。当uI3下降到小于阀值电压UT时，G3截止，uO由0跳变为1，到此暂态II结束，又进入暂态I。如此反复，使G3门的输出波形为矩形脉冲，电路中各点的波形如图8-2-3所示（图中未考虑延迟时间）。图8－2-3振荡器的暂态时间和周期的近似计算公式为W110.98(//)tRRCW21.26tRCW1W210.98(//)1.26TttRRCRC(8－2－1)(8－2－2)(8－2－3)式中,R、C外接，调整其中任意一个即可调整周期T;R1TTL门电路的参数。当ＲR1时，振荡周期为T＝2.2RC(8－2－4)3．石英晶体环形多谐振荡器决定振荡频率的主要因素是电路到达阈值电压UT的时间，而TTL与非门的UT本身就不稳定。另外，当电路状态接近转换时，电容的充、放电已经比较缓慢，UT的微小变化或者干扰都会严重地影响振荡周期。因此，在对频率稳定性要求较高的场合，普遍采用具有很高频率稳定性的石英晶体振荡器。关于石英晶体的特性请参阅模拟电子技术的有关资料。带有石英晶体的环形多谐振荡器如图8－2－4所示，其工作原理与RC环形多谐振荡器基本相同。图8－2-48.2.2单稳态触发器1．TTL与非门微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器是在基本RS触发器中插入RC微分环节而构成的，电路如图8－2－5所示。其工作原理如下：电路接通电源后，无触发脉冲输入时（即uI＝1），电路处于稳态，G1门开通，uO1＝0，G2门关闭，uO＝1。图8－2－5电路接通电源后，无触发脉冲输入时（即uI＝1），电路处于稳态，G1门开通，uO1＝0，G2门关闭，uO＝1。在输入负触发脉冲后，uO1＝1。由于电容C上的电压uC不能跃变，则uI2随uO1上跳并大于UT，使G2门开通，uO＝0。电路由稳态翻转到暂态。在暂态期间，由于uO1不断给电容C电，电容电压uC上升，使uI2逐渐下降。当uI2下降到小于UT时，G2门关闭，uO＝1。此时输入负触发脉冲已经消失，uI为高电平，G1门又打开，uO1＝0，然后C放电，使uI2恢复到正常的低电平，电路进入稳态。其工作波形如图8-2-6所示。图8-2-6输出脉冲宽度的近似计算公式为W00.8()tRRC(8－2－5)式中,R0为与非门的输出电阻，R0≈100Ω。由以上分析可知，单稳态触发器有一个稳态和一个暂态，在输入负脉冲uI的作用下，输出从稳态转为暂态，而从暂态转为稳态是电路自身自动完成的。2．单稳态触发器的应用1单稳态触发器输出脉冲的宽度和幅度是确定的，利用这一特性可将宽度和幅度不规则的脉冲整形成规则脉冲，其方法是将不规则脉冲加在输入端uI，从输出端uO取出。2）脉冲定时tw的矩形脉冲，利用这个脉冲去控制某电路，可使其在tw时间内动作（或不动作），其逻辑电路如图8－2－7(a)所示，工作波形如图8－2－7(b)所示。图8－2-7(a)逻辑电路；(b)工作波形3）脉冲延时uOuI下降沿tw时间，这个时间称为延迟时间。用uO去触发其它电路，则其它电路的动作滞后uI的时间为tw。3．集成单稳态触发器由于单稳态触发器应用非常广泛，因此，在TTL电路和CMOS电路中都生产了集成单稳态触发器，74LS121就是其中的一种。1）74LS121的电路组成74LS121的逻辑电路如图8－2－8(a)所示，管脚排列及逻辑符号分别如图8－2－8(b)、(c)所示。该电路由三部分组成：G1～G4门组成触发脉冲形成电路，用来对触发脉冲上升沿触发或下降沿触发的选择；G5～G7及外接电阻Rext、外接电容Cext组成微分型单稳态触发器，工作原理与图8－2－5相同；G8、G9门组成输出缓冲级，用于提高电路的带负载能力。图8－2－8(a)逻辑电路；(b)管脚排列图；(c)逻辑符号当需要下降沿触发时，触发脉冲从A1或A2端输入（另一端接高电平1），B端接高电平1，G4门的输入端除与G1门输出端相连的端外，其余全为1。在触发脉冲到来前,G1门输出为低电平0，uI5＝0；当触发脉冲到来后，G1门跳变高电平1，uI5＝1，后面的工作过程与上升沿触发相同。74LS121的逻辑功能如表8－2－1所示。表8－2－174LS121的逻辑功能表输入输出A1A2BQQ0×101×0101××00111×01111110××0输出脉冲宽度可用下式估算：Wextxet0.8tRC(8－2－6)通常Rext的取值在2kΩ~30kΩ之间，Cext的取值在10pF~10μF之间，得到的tW在20ns~200ns之间。另外，还可以用74LS121内部设置的电阻Rint取代外接电阻Rext，不过因Rint的阻值不太大（约为2kΩ），需要得到较宽的输出脉冲时仍需外接电阻。3）集成单稳态触发器的分类重复触发型；另一类是可重复触发型。不可重复触发型一旦被触发进入暂态后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂态结束后，才能接受下一个触发脉冲，其工作波形如图8－2－9(a)所示，74LS121为不可重复触发型单稳态触发器。可重复触发型在电路被触发进入暂态后，如果再加入触发脉冲电路即被重新触发，使输出脉冲再继续维持一个输出脉冲宽度tW，其工作波形如图8－2－9(b)所示，74LS122为可重复触发型单稳态触发器。图8－2-9(a)不可重复触发型；(b)可重复触发型8.2.3施密特触发器1．TTL与非门构成的施密特触发器13个与非门和1个二极管即可构成施密特触发器，其原理电路及逻辑符号如图8－2－10所示。在原理电路中，G1门为反相器，G2、G3门构成基本RS触发器，二极管VD起电平偏移作用。在逻辑符号中，输出端的小圆圈表示输出与输入反相。图8－2-10(a)原理电路；(b)逻辑符号（2）工作原理：当uI为低电平0时，G1门截止而输出高电平，1R。而二极管V导通，使S端被钳位到低电平（0.7V），0S，G3门关闭，输出为高电平，1Q。G2门导通，0Q。基本RS触发器处于1状态，该状态为第一稳态。当uI由低电平上升到G1门的阀值电压UT＋时，G1门导通，R转为低电平，0R，G2门关闭，1Q。同时，由于二极管的钳位作用，使S端的电压为UT＋＋0.7，1S，G3门导通，0Q，电路翻转到第二稳态。UT＋称为接通电平或正向阀值电压。此后uI继续上升，电路状态不变。当输入信号uI从最大值开始下降至略小于UT＋时，G1门即关闭，1R。由于二极管V的存在，S端的电平为UT＋＋0.7，仍高于阀值电压UT＋，0Q。只有当uI继续下降到uI＝UT－后，S端电压小于UT＋，G3门才转为关闭，使输出1Q，0Q。UT－称为断开电平或负向阀值电压。从以上分析可知，施密特触发器有两个稳定状态（故称双稳态电路），两个状态的转换依赖于输入触发信号uI，输入信号uI可以是各种形状的波形。需要注意的是施密特触发器稳定状态的维持必须有输入触发信号的存在，因此，它是一种电平触发方式的触发器。施密特触发器的工作波形如图8-2-12所示。图8－2-11图8－2-12（3）回差电压：由上述分析可知，当uI上升到UT＋时，电路从第一稳态翻转为第二稳态，可是，当uI下降到低于UT＋且小于等于UT－时，电路才从第二稳态翻转为第一稳态。这种两次翻转所需输入电压不同的现象称为回差特性或滞后特性。施密特触发器的正向阀值电压UT＋和负向阀值电压UT－之差称为回差电压，用ΔUT表示，即ΔUT＝UT＋－UT回差电压ΔUT产生的原因是由于G3门输入端串入了二极管V，因此，ΔUT约为0.7V。施密特触发器输出电压uO与输入电压uI之间的关系称为电压传输特性，其曲线如图8-2-13所示。由分析知，施密特触发器具有两个特点：其一，输出状态的翻转依赖于输入脉冲；其二，两个状态转换时的输入电压具有电压差（回差电压）。2．施密特触发器的应用1形波。图8－2－13是应用施密特触发器将三角波转换成矩形的波形图。2可以用施密特触发器的回差特性将受干扰的信号整形成较好的矩形脉冲，其波形图如图8－2－14所示。3且需要将幅度大于UT＋的脉冲信号挑选出来时，可用施密特触发器对输入脉冲的幅度进行幅度鉴别，简称“鉴幅”，其波形图如图8－2－15所示。图8－2