数字电子技术基础 第7章

第7章脉冲波形的产生与整形第7章脉冲波形的产生与整形7.1概述7.2555定时器及其应用7.3集成单稳态触发器7.4石英晶体振荡器第7章脉冲波形的产生与整形7.1概述7.1.1脉冲产生电路和整形电路的特点获得矩形脉冲的方法通常有两种：一种是用脉冲产生电路直接产生；另一种是对已有的信号进行整形，然后将它变换成所需要的脉冲信号。脉冲产生电路能够直接产生矩形脉冲或方波，它由开关元件和惰性电路组成，开关元件的通断使电路实现不同状态的转换，而惰性电路则用来控制暂态变化过程的快慢。典型的矩形脉冲产生电路有双稳态触发电路、单稳态触发电路和多谐振荡电路三种类型。第7章脉冲波形的产生与整形双稳态触发电路具有两个稳定状态，两个稳定状态的转换都需要在外加触发脉冲的推动下才能完成。单稳态触发电路只有一个稳定状态，另一个是暂时稳定状态，从稳定状态转换到暂稳态时必须由外加触发信号触发，从暂稳态转换到稳态是由电路自身完成的，暂稳态的持续时间取决于电路本身的参数。多谐振荡电路能够自激产生脉冲波形，它的状态转换不需要外加触发信号触发，而完全由电路自身完成。因此它没有稳定状态，只有两个暂稳态。第7章脉冲波形的产生与整形脉冲整形电路能够将其它形状的信号，如正弦波、三角波和一些不规则的波形变换成矩形脉冲。施密特触发器就是常用的整形电路，它有两个特点：①能把变化非常缓慢的输入波形整形成数字电路所需要的矩形脉冲；②有两个触发电平，当输入信号达到某一额定值时，电路状态就会转换，因此它属于电平触发的双稳态电路。第7章脉冲波形的产生与整形7.1.2脉冲电路的基本分析方法图7.1.1RC开关电路第7章脉冲波形的产生与整形①开关转换的一瞬间，电容器上电压不能突变，满足开关定理UC(0+)=UC(0-)。②暂态过程结束后，流过电容器的电流iC(∞)为0，即电容器相当于开路。③电路的时常数τ=RC,τ决定了暂态时间的长短。根据三要素公式，可以得到电压(或电流)随时间变化的方程为/)]()0([)()(texxxtx如果U(tM)=UT，它是U(0+)和U(∞）之间的某一转换值，那么从暂态过程的起始值U(0+)变到UT所经历的时间tM(见图8-2)可用下式计算：TMUUUUnRCt)()0()(1第7章脉冲波形的产生与整形图7.1.2从U(0+)到UT所经历的时间tM第7章脉冲波形的产生与整形7.2555定时器及其应用7.2.1555定时器的组成与功能图7.2.1555定时器第7章脉冲波形的产生与整形图7.2.1(a)中，比较器C1的输入端U6(接引脚6)称为阈值输入端，手册上用TH标注，比较器C2的输入端U2(接引脚2)称触发输入端，手册上用TR标注。C1和C2的参考电压(电压比较的基准)UR1和UR2由电源UCC经三个5kΩ的电阻分压给出。当控制电压输入端UCO悬空时，，若UCO外接固定电压，则。RD为异步置0端，只要在RD端加入低电平，则基本RS触发器就置0，平时RD处于高电平。CCRUU321CCRUU312CORCORUUUU21,21第7章脉冲波形的产生与整形定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RS触发器和放电管V1状态的控制。时，比较器C1输出为0，C2输出为1，基本RS触发器被置0，V1导通，Uo输出为低电平。时，C1输出为1，C2输出为0，基本RS触发器被置1，V1截止，Uo输出高电平。当时，C1和C2输出均为1，则基本RS触发器的状态保持不变，因而V1和Uo输出状态也维持不变。CCCCUUUU313226、CCCCUUUU313226、CCCCUUUU313226、第7章脉冲波形的产生与整形表7.2.1555定时器的功能表第7章脉冲波形的产生与整形7.2.2555定时器的典型应用1.单稳态触发器图7.2.2用555定时器构成的单稳态触发器第7章脉冲波形的产生与整形1)①静止期：触发信号没有来到，Ui为高电平。电源刚接通时，电路有一个暂态过程，即电源通过电阻R向电容C充电，当UC上升到时，RS触发器置0，Uo=0，V1导通，因此电容C又通过导电管V1迅速放电，直到UC=0，电路进入稳态。这时如果Ui一直没有触发信号来到，电路就一直处于Uo=0的稳定状态。CCU32第7章脉冲波形的产生与整形②暂稳态：外加触发信号Ui的下降沿到达时，由于，RS触发器Q端置1，因此Uo=1,V1截止，UCC开始通过电阻R向电容C充电。随着电容C充电的进行，UC不断上升，趋向值UC(∞)=UCC。Ui的触发负脉冲消失后，U2回到高电平，在期间，RS触发器状态保持不变，因此，Uo一直保持高电平不变，电路维持在暂稳态。但当电容C上的电压上升到时，RS触发器置0，电路输出Uo=0，V1导通，此时暂稳态便结束，电路将返回到初始的稳态。0)(3162CCCUUUU、、CCUU312CCUU326CCUU326第7章脉冲波形的产生与整形③恢复期：V1导通后，电容C通过V1迅速放电，使UC≈0，电路又恢复到稳态，第二个触发信号到来时，又重复上述过程。输出电压Uo和电容C上电压UC的工作波形如图7.2.2(b)所示。第7章脉冲波形的产生与整形2)输出脉冲宽度TW输出脉冲宽度TW是暂稳态的停留时间，根据电容C的充电过程可知：,,32)(,)(,0)0(RCUTUUUUUCCWCTCCCC因而代入式RCnRCUUUUnRCTTCCCW1.131)()0()(1图7.2.2(a)所示电路对输入触发脉冲的宽度有一定要求，它必须小于TW。若输入触发脉冲宽度大于TW时，应在U2输入端加RiCi微分电路。()(0)1n()MTUUtRCUU可得第7章脉冲波形的产生与整形3)(1)延时，将输入信号延迟一定时间(一般为脉宽TW)后输出。(2)定时，产生一定宽度的脉冲信号。第7章脉冲波形的产生与整形2用５５５定时器构成的多谐振荡器如图7.2.3（a）所示。其中,R1、R2、C为外接定时元件，０.０１μF为滤波电容。该电路不需要外加触发信号，加电后就能产生周期性的矩形脉冲或方波。第7章脉冲波形的产生与整形图7.2.3用555定时器构成的多谐振荡器第7章脉冲波形的产生与整形1)多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C上电压UC略低于，Uo输出高电平，V1截止，电源UCC通过R1、R2给电容C充电。随着充电的进行UC逐渐增高，但只要，输出电压Uo就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。CCCCCUUU323113CCU第7章脉冲波形的产生与整形当电容C上的电压UC略微超过时(即U6和U2均大于等于时)，RS触发器置0，使输出电压Uo从原来的高电平翻转到低电平，即Uo=0，V1导通饱和，此时电容C通过R2和V1放电。随着电容C放电，UC下降，但只要，Uo就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。当UC下降到略微低于时，RS触发器置1，电路输出又变为Uo=1，V1截止，电容C再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。其工作波形如图7.2.3(b)所示。CCCCCUUU3132CCU32CCU32CCU31第7章脉冲波形的产生与整形2)振荡周期T多谐振荡器的振荡周期为两个暂稳态的持续时间，T=T1+T2。由图7.2.3(b)UC的波形求得电容C的充电时间T1和放电时间Ｔ2各为CRRnCRRUUUUnCRRTCCCCCCCC)(7.021)(32311)(2121211CRnCRUUnCRTCCCC22227.0213103201CRRTTT)2(7.02121因而振荡周期第7章脉冲波形的产生与整形图7.2.4占空比可调的多谐振荡器第7章脉冲波形的产生与整形3)占空比可调的多谐振荡器图７.2.3（a）所示多谐振荡器的T1≠T2，而占空比（即脉冲宽度与周期之比T1／Ｔ）是固定不变的。实际应用中常常需要频率固定而占空比可调，图7.2.4所示的电路就是占空比可调的多谐振荡器。电容Ｃ的充放电通路分别用二极管V1和V2隔离。RP电容Ｃ的充电路径为UCC→R1→V1→C→地，因而T1＝０.７R1C电容C的放电路径为C→V2→R2→7端放电管→地，因而T2＝０.７R2C第7章脉冲波形的产生与整形振荡周期为CRRTTT)(7.02121占空比为2111RRRTTD第7章脉冲波形的产生与整形4)用两个多谐振荡器可以组成如图7.2.5(a)所示的模拟声响电路。适当选择定时元件，使振荡器A的振荡频率fA=1Hz，振荡器B的振荡频率fB=1kHz。由于低频振荡器A的输出接至高频振荡器B的复位端(4脚)，当Uo1输出高电平时，B振荡器才能振荡，Uo1输出低电平时，B振荡器被复位，停止振荡，因此使扬声器发出1kHz的间歇声响。其工作波形如图7.2.5(b)所示。第7章脉冲波形的产生与整形图7.2.5用555(a)电路图；(b)波形图第7章脉冲波形的产生与整形3.1用555定时器构成的施密特触发器如图7.2.6（a）所示，图中,U6(TH)和U2(TR)直接连接在一起作为触发电平输入端。若在输入端Ui加三角波，则可在输出端得到如图7.2.6（b）所示的矩形脉冲。其工作过程如下：iU从0开始升高，当CCiUU31时，RS触发器置1，故OU=HU0；当CCiCCUUU3231时，故OU=HU0保持不变；当CCiUU32时，电路发生翻转，RS触发器置0，0U从HU0变为OLU，此时相应的iU幅值(CCU32)称之为上触发电平U。第7章脉冲波形的产生与整形图7.2.6用555定时器构成的施密特触发器第7章脉冲波形的产生与整形当时，Uo=UoL不变；当Ui下降，且时，由于RS触发器的RS=11，故Uo=UoL保持不变；只有当Ui下降到小于等于时，RS触发器置1，电路发生翻转，Uo从UoL变为UoH，此时相应的Ui幅值()称为下触发电平U-。从以上分析可以看出，电路在Ui上升和下降时，输出电压Uo翻转时所对应的输入电压值是不同的，一个为U+，另一个为U-。这是施密特电路所具有的滞后特性，称为回差。。电路的电压传输特性如图7.2.6(c)所示。改变电压控制端UCO(5脚)的电压值便可改变回差电压，一般UCO越高，ΔU越大，抗干扰能力越强，但灵敏度相应降低。CCiUU32CCiCCUUU3231CCU31CCU31CCUUUU31第7章脉冲波形的产生与整形2)施密特触发器应用很广，①波形变换。可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换成矩形脉冲。②脉冲整形。将不规则的电压波形整形为矩形波。若适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。图7.2.7(a)为顶部有干扰的输入信号，图7.2.7(b)为回差电压较小的输出波形，图7.2.7(c)为回差电压大于顶部干扰时的输出波形。第7章脉冲波形的产生与整形(3)脉冲鉴幅。图7.2.8是将一系列幅度不同的脉冲信号加到施密特触发器输入端的波形，只有那些幅度大于上触发电平U+的脉冲才在输出端产生输出信号。因此，通过这一方法可以选出幅度大于U+的脉冲，即对幅度可以进行鉴别。此外，施密特触发器还可以构成多谐振荡器等，是应用较广泛的脉冲电路。第7章脉冲波形的产生与整形图7.2.7波形整形第7章脉冲波形的产生与整形图7.2.8幅度鉴别第7章脉冲波形的产生与整形7.3集成单稳态触发器TTWCRT7.01.74LS121非重触发单稳态触发器74LS121单稳态触发器的引脚图和逻辑符号如图7.3.1（a）、(b)所示，其功能表如表7.3.1所示。该集成电路内部采用了施密特触发器的输入结构，因此，对于边沿较差的输入信号也能输出一个宽度和幅度恒定的矩形脉冲。输出脉宽为第7章脉冲波形的产生与整形图7.3.1集成触发器74LS121第7章脉冲波形的产生与整形表7.3.1集成单稳态触发器74LS121的功能表第7章脉冲波形的产生与整形式中，RT和CT是外接定时元件，RT(Rext)范围为2kΩ~40kΩ,CT(Cext)为10pF~