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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 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：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将已有的周期性变化波形变换为符合 要求的矩形脉冲。 脉冲波几个主要参数: 占空比 Q - 表示脉冲宽度占整个周期的百分比 上升时间tr 和下降时间tf -从脉冲幅值的10%到90% 上升 下降所经历的时间( 典型值ns ) 脉冲宽度 (tw )- 脉冲幅值的50%的两个时间所跨
2、越的时间 周期 (T) - 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 tf 0.5V 2.5V 4.5V 7.2 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 双极型: 驱动能力较强 CMOS: 功耗低，最低工作电压小， 输入电阻高 流行的产品主要有4个，BJT两个：555和556（含有 两个555），CMOS两个：7555和7556（含有两个7555） ，现以CMOS集成定时器7555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
3、振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等。 555电路是美国Signetics公司1972年研制的 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5k电阻而得名。 7555 控制电压端 TR 7.2.1 集成555CMOS电路结构 低电平触发 高电平触发 复位端 输出端 放电端 1 地 8 2 3 4 7 6 5 电源 1 8 VDD 4 R 2 5 CO 6 TH 3 OUT 7 D Q 1 Q 1 基本RS触发器 C1、C2是两个 电压比较器 分压器:由三 个等值电阻 R串联而成 G1 1 11 G2 T 驱动器和放电开关 C1 C2 R R R TR 1 8 VDD 4 R 2
4、5 CO 6 TH 3 OUT 7 D Q 1 Q 1 R R R G1 1 11 G2 T C1 C2 7.2.2 集成555工作原理 当 L时时， 反相器G1输输出高电电平， 0 1 1 0 所以Q为为低电电平， OUT=L。 使G2输入为高电平， T管导导通。 此时称为为复位。 假设设D端通过过 电电阻接到正电电源， 则则D端为为低电电平。 0 0 0 TR 1 8 VDD 4 R 2 5 CO 6 TH 3 OUT 7 D Q 1 Q 1 R R R G1 1 11 G2 T C1 C2 当 H 时时， 1. TH2UDD/3， 电路的输出 状态与 无关， 所以 为任意 输入。 1 0
5、 1 则C1输出为1， Q=0， OUT=0。 T导通。 0 1 清零失效 0 2. TH VDD/3； 0 0 触发器保持 原状态不变。 C1输出为0； C2输出为0； TR 1 8 VDD 4 R 2 5 CO 6 TH 3 OUT 7 D Q 1 Q 1 R R R G1 1 11 G2 T C1 C2 当 H 时时， 1 清零失效 Q=1，T管截止， OUT=1。 C1=0； 3. TH2VDD/3， VDD/3， C2=1， OUT=1称为电 路置位或置“1” 0 1 1 01 7555功能表 2VDD/3 2VDD/3 UDD/3 H H HHH截止 导通 导通 不变不变不变 LL
6、 L L L 集成定时器7555的主要参数： 电源电压： VDD= 318V 触发电流： 2VDD/3，vOl=vO2=L保持不变。显然VT+2VDD/3。 vI由最大值 下降到VDD/3以前，电路输出一直为低电平。当vI下降到VDD/3时 ，电路再次翻转，输出由L跳变为H。vI继续下降，vOl=vO2=H保 持不变，显然VT-=VDD/3，回差VT=VDD/3。 集成555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 单稳态电单稳态电 路具有以下几个特点： 1.电电路只有以一个稳稳
7、定状态态（稳态稳态 ），另一个是暂稳暂稳 定状态态 （暂稳态暂稳态 ）。 2.在外加触发发脉冲的作用下，电电路从稳态进稳态进 入暂稳态暂稳态 ，经过经过 一定的时间时间 ，电电路状态态自动进动进 入稳态稳态 。 3.暂稳态维暂稳态维 持的时间时间 决定于单稳态电单稳态电 路自身的参数（如电电路 中相关电电阻和电电容的参数），与外加触发发信号无关。 7.4.1 集成555定时器构成单稳态触发器 外加触发发信号，电电路转换转换 到暂态暂态 ，输输出为为1 触发发信号消除后，电电容充电电电电 路自动转换动转换 到稳态输稳态输 出为为0 没有触发发信号时时( i )电电路处处于稳态稳态 ，输输出为为0
8、 1 3 VCC tw=RC1n31.1RC TR 1 8 VDD 4 R 2 5 CO 6 THOUT D Q 1 Q 1 R R R G1 1 11 G2 T C1 C2 清零失效 555电电路构成单稳态单稳态 触发发器 触发前 0 0 R1 C 0.01uF 1 0 1 0 放电 TR 1 8 VDD 4 R 2 5 CO 6 THOUT D Q 1 Q 1 R R R G1 1 11 G2 T C1 C2 0 0 R1 C 0.01uF 1 0 1 0 触发 t0 0 vC t0 0 1 0 1 1 vI(TR) vC(D) vO(OUT) 当D端vC电压充电 到2VDD/3时，比较器
9、 C1输出为高电平，Q端 为低电平，T管输入为 高电平，输出OUT翻 转，T管导通。 暂稳态结束 2UDD/3 t1 2VDD/3 0 1 0 暂稳态结束 tw=1.1RC tre恢复时间 单稳态触发器的主要参数 1. 输出脉冲宽度tW=1.1RC,Vc(t)=2Vdd/3时，经由下式计算得 到 2. 恢复时间tre C通过T管导通电阻R放电，经过(35)放基本结束 ，所以tre=(35) RC。 td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 td= tWtre 3. 分辨时间td 4. 输出脉冲幅度Vm Vm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
10、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：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 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 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74221 74221的功能表 2CMOS双单稳态电路4538 4538的功能表 7.4.3 单稳态触发器应用 1定时 2脉冲延迟 3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 多谐谐振荡荡器也称无稳态稳态 触发发器
11、，它没有稳稳定状态态，同时时无 需外加触发发脉冲，就能输输出具有一定频频率的矩形波。 但非门的平均传输延迟时间过短，且不稳定，故实用 中常加入RC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。 环形振荡器 R R C1 C1 CMOS环形振荡器改进的环形振荡器 对于含有RC元件的 脉冲电路，关键是电容 的充放电，而关键连接 点就是与电容相连的门 电路的输入端。 7.5.1 用门电路组成的多谐振荡器 QQ C1 C2 R2 G1G2 R1 AB 电路有两种工作过程： 正反馈过程 和暂稳态过程 正反馈过程： uQuAuBuQ uA 正反馈过程 QQ C1 C2 R2 G1G2 R1 A
12、B Q Q B A 暂稳态过程 暂稳态过程:C1C2充放电 正反馈过程 达到阈值电压 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 件做成的晶体振荡器的频率稳定度可优于109。 电路符号等效电路 CP C L R 频率特性 fPfS f 0 X 7.5.2 石英晶体多谐振荡器 二、晶体振荡器 多谐振荡器电路石英晶体多谐振荡器 QQ C1 C2 R2 G1G2 R1 AB QQ C1 C2 R2 G1G2 R1 AB C1只起耦合作用， 其值应取得大一些。 工作在串联谐振频率 第一状态：电容C上开始没有电 荷，TR=vC=0V，由功能表知： TH=TR VDD /3，vO=高电平
13、，T 截止，VDD经R1、R2对C充电， 使TH逐渐升高。 vC vO 0V VDD VDD/3 2VDD/3 tW1 0.7(R1 + R2)C tW2 0.7R2C vO 555 8 4 5 1 3 7 2 6 0.01uF CO R1 C OUT R VDD R2 D TR TH vC 向C充电 第二状态： TH和TR的电压逐步 升高，当到达2VDD /3时， vO突 变低电平， T导通，电容C经过 R2和T管放电。 C放电 电容C经过R2和T管放电，使得 TH和TR的电压逐步下降，当降到 VDD /3时， vO又变高电平， T截止 ，重新对C充电。回到一态。 脉冲幅度 Vm VDD 振荡频率 7.5.3 集成555定时器构成多谐振荡器
