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1、第7章 脉冲波形的产生与变换,数字电路与系统中，有时需要一些脉冲信号，如时钟脉冲等。本章主要讨论几种脉冲波形的产生和变换电路，包括施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。首先介绍一种基本的电路单元555定时器。,7.1 555定时器,555定时器应用极为广泛，是一种模拟、数字混合式中规模集成电路。该电路使用灵活方便，只要在555定时器芯片外部某些引脚处加上适当的电阻电容定时元件，就可方便地构成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等电路，从而方便地形成脉冲波形的产生与变换电路。该器件的电压范围为318 V，常用型号为NE555、C7555或5G555，可提供与TTL、CMOS电路兼容的逻辑电平
2、。,图7.1给出了555定时器的芯片内部电路图、管脚图及符号图。图7.1(a)中，三个阻值皆为5 k的电阻R组成对电源Vcc的分压器，形成Vcc、Vcc参考电压。C1、C2是两个比较器，触发器是具有异步清零功能的、由两个与非门组成的基本RS触发器。晶体管T为放电管，G为缓冲器。在不使用控制电压输入端Vco（脚。即Vco悬空或通过电容接地）时，Vcc在三个R上分压，C1的比较电平为Vcc，另一端（脚）是阈值输入（TH），C2的比较电平为Vcc，另一端（脚）是触发输入端（ ）。,图7.1 555定时器,由图可知， 当阈值端电压V6 Vcc时，C1 = 1，C2 = 1，触发器保持原状态； 当V6
3、Vcc，V2 Vcc时，C1 = 0，C2 = 1，触发器置0，T饱和导通。,如果使用控制电压输入端Vco，则比较器C1和C2的比较电平分别为Vcc和,7.2 施密特触发器,施密特触发器（Schmitt Trigger）是脉冲波形变换中经常使用的一种电路,它具有以下几个特点： 1）具有两个稳定状态。 2）具有回差电压。当输入信号增加和减少时，电路有不同的阈值电压.,7.2.1 555定时器构成的施密特触发器,将555定时器的阈值输入端（脚）和触发输入端（脚）接在一起并作为电路输入端，放电端（脚）通过上拉电阻RL接到电源VDD，Vco（脚）悬空，即可构成如图7.3(a)所示的施密特触发器。当输入
4、Vi加入如图7.3(b)所示的三角波时，555输出端Vo就会得到整形后的矩形脉冲波形。,(a) 逻辑电路图 (b) 工作波形 图7.3 555定时器构成的施密特触发器,电路的工作过程: 当0 Vcc，V6 Vcc时，有V2 Vcc，V6 Vcc，此时Vo = 0。 若Vi从三角波顶端下降，当Vcc Vcc，V6 Vcc，Vo保持0不变； 当Vi Vcc时，有V2 Vcc，V6 Vcc，此时Vo = 1。,从以上分析可知，555定时器构成的施密特触发器,下限阈值电压,该电路的回差电压为：,上限阈值电压,若使用控制输入端Vco，则：,7.2.3 集成施密特触发器,TTL集成施密特触发器74LS13
5、2是一种典型的集成施密特触发器，其内部包括4个相互独立的两输入施密特触发器与非门。图7.6为集成施密特触发器74LS132的芯片管脚图、逻辑符号图和一个施密特与非门的电路图。电路由输入极、施密特电路极（中间极）和输出极三部分组成。输入极是两输入的二极管与门电路；中间极是具有回差特性的施密特触发器；输出极具有逻辑非的功能。,图7.6 TTL集成施密特触发器74LS132,7.2.4 施密特触发器的应用,1脉冲波形整形 脉冲信号在传输过程中经常发生畸变，例如，会在上升沿或下降沿产生振荡而使上升沿、下降沿发生畸变。利用施密特触发器，可对畸变了的波形进行整形，得到有理想上升沿、下降沿的矩形波。下图为用
6、施密特触发器对畸变的矩形波进行整形的效果。,2波形变换 利用施密特触发器的回差特性，可将正弦波等缓慢变化的波形变换成矩形脉冲，如下图所示。,3幅度鉴别 幅度鉴别是从一连串幅度不等的波形中，利用施密特触发器的回差特性，鉴别出幅度较大的波形来。下图的输入波形Vi为一串视频信号，视频信号在传输中，会有干扰信号（一般幅度较小）叠加在视频信号上，如图中虚线部分所示。可适当选择施密特触发器的VT-大于干扰信号幅度，VT+小于视频信号幅度，当视频信号通过施密特触发器后，即可得到矩形波形输出V。,【例7.1】 在555定时器构成的施密特触发器中，电源电压Vcc = 12 V，控制端Vco悬空，输入Vi加入如下
7、图的幅度为16 V的梯形波。试求：1）VT+、VT-及；2）对应Vi画出Vo波形，并标明Vi、Vo波形各处电压值；3）当控制端Vco = 10 V时，VT+、VT-及的值。,解：1）,2）Vo（即Q）的波形见右图。,3）Vco = 10 V，VT+ = Vco = 10 V，,= VT+-VT- = 10 V - 5 V = 5 V,【例7.2】 555定时器构成的施密特触发器用做光控路灯开关。图7.11示出了555定时器构成的施密特触发器用做光控路灯开关的电路图，图中RT为2 M的可变电阻，Ri为光敏电阻，白天有光照时，其阻值约为几十k，晚上无光照时，其阻值约为几十M。H为继电器，D为续流二
8、极管，H中有电流，K吸合，灯L亮，否则L不亮。,解：有光照时，RiRT，Vi Vcc/3 , Q = 0，H中无电流，K不吸合，灯L不亮; 无光照时，RiRT，Vi Vcc/3 , Q = 1，H中有电流，K吸合，灯L亮。施密特触发器起到了光控路灯开关的作用。,7.3 单稳态触发器,单稳态触发器的特点为： 1）两个工作状态中，一个是稳态，一个为暂稳态； 2）没有外来触发信号时，电路处于稳定状态，在外加触发信号作用下，单稳态触发器由稳态翻转到暂稳态； 3）暂稳态持续一定时间Tw后自动回到稳态，持续时间由定时元件决定。,7.3.2 555定时器构成的单稳态触发器,1电路结构及工作原理,当Vc Vc
9、c时，555定时器Q = 0， = 1，T饱和，7脚接地，此时C放电，当Vc Vcc，故Q保持不变。可见，555定时器构成的单稳态触发器电路的稳态为Q = 0，即Vo = 0。,在t = t1时，输入信号为下降沿（10），Vi Vcc时（t = t2），Vi已于t2之前回到高电平，即Vi Vcc，故Q由10，暂稳态结束，重新回到稳态。之后，电容C通过导通的T管内阻Ron放电，使Vc = 0，这段时间称为恢复时间TR。,2参数计算,（1）暂稳态时间：,（2）恢复时间： TR = (35)RonC （3）分辨时间： Tmin = Tw+TR TiTmin （4）输入信号Vi的最高工作频率：,7.3
10、.3 集成单稳态触发器,1非重复触发单稳态触发器74121 非重复触发单稳态触发器，是指单稳态触发器在触发信号作用下进入暂稳态后，不再受新的触发信号的影响。74121是一个具有施密特触发器输入的单稳态触发器，具有很强的抗干扰能力，对触发信号的沿要求不高。,(a) 国际标准符号 (b) 管脚图 (c) 惯用符号 图7.15 非重复触发单稳态触发器74121,74121暂稳态持续时间取决于定时元件R、C，定时电阻R既可外接，又可利用其内阻Rint，外接电阻R应接在芯片的 脚（RX/CX）和 脚（Vcc）之间，将脚悬空，R的阻值可在1.4 4 0 k之间选择。若利用内部定时电阻Rint（2 k），需
11、将芯片的脚接至 脚。定时电容C（无论用外接电阻R还是用内定时电阻Rint）应接在脚和 脚之间。电容C的值可在10 pF10 F之间选择。如需要较宽的脉冲，电容C应该用电解电容，其正极接在脚，负极接在 脚上。,74121的输出暂稳态脉冲宽度为： Tw 0.7RC,7.3.4 单稳态触发器的应用,1脉冲整形及变换 利用单稳态触发器可以将脉冲波形展宽, 也可以将脉冲波形变窄，还可以将不规则波形变成矩形脉冲。,(a) 波形展宽 (b) 波形变窄,(c) 波形整形,3延时,单稳态触发器还可以实现脉冲的延时作用，将输入脉冲延迟Tw后输出。两个74121单稳态触发器构成的延时电路及波形如图7.22所示。,图
12、7.22 单稳态触发器的延时作用,(a) 电路,(b) 波形图,【例7.3】 555定时器构成的单稳态触发器组成的楼梯照明灯控制电路如图7.23所示。稳态时，输入信号Vi = 1，输出Q = 0、 =1、Ve = 0，晶闸管TH不吸合，灯不亮；人上楼时，在楼下按开关K准备上楼，Vi由1变到0，电容充电：EcRC地，暂稳态开始，Vc指数上升，Q =1，T饱和，TH吸合，灯亮；Vc上升至 时，Vi已提前回到高电平1，即Vi ，Q由1变到0，暂稳态结束，T截止，TH不吸合，灯灭。Q = 1，灯亮地时间Tw = 1.1RC，以人走过楼梯的时间来确定R和C。,图7.23 例7.3电路,【例7.4】 图7
13、.24为由两个集成单稳态触发器74121组成的脉冲波形变换电路，外接电阻R1 = 22 k，R2 = 11 k，电容C1 = C2 = 0.13 F，试根据图中给定的Vi波形，对应画出Q1、Q2的电压波形，并计算输出脉冲宽度Tw1和Tw2。,Tw2= 0.7R2C2 = 0.7 0.13 10-6 11 103 s = 1 ms Q1，Q2对应Vi的波形如下图所示。,解：Tw1 = 0.7R1C1 = 0.7 0.13 10-6 22 103 s = 2 ms,7.4.1 555定时器构成的多谐振荡器,1工作原理 555定时器构成的多谐振荡器及工作波形分别如图7.27(a)和图7.27(b)所
14、示。,(a) 电路 (b) 工作波形 图7.27 555定时器构成的多谐振荡器,555定时器阈值端（脚）和触发端（脚）接在一起，外接电阻R1、R2及电容C。接通电源后，电容C被充电，充电回路为: VccR1R2C地，充电时间常数为。 充 = (R1 + R2)C。 随着充电的进行，电容上的电压Vc指数上升，当Vc 时，Q = 0， =1，放电管T导通，C开始放电，放电回路为CR2地，放电时间常数： 放 = R2C， Vc指数下降。当Vc 时，Q = 1， = 0，电源又重新开始对电容C充电。 如此循环下去，就得到了如图7.27(b)所示的矩形脉冲输出。,2参数计算,（1）高电平宽度：,（2）低
15、电平宽度：,（3）振荡周期： T = T1+T2 = 0.7(R1 + 2R2)C,（4）振荡频率：,（5）占空比：,3占空比可调的多谐振荡器 占空比可调的多谐振荡器示于图7.28。与图7.27的电路相比，多了一个电位器和两个二极管。移动电位器触头，可调整R1、R2的电阻值。利用两个二极管的单向导电特性，使电容的充电过程分开，构成占空比可调的多谐振荡器。,图7.28 占空比可调的多谐振荡器,图7.28电路中C充电回路为VccR1D1C地，时间常数为充 = R1C；放电回路为CR2D2地，时间常数为放 = R2C。随着电容C充放电的交替进行，两个暂稳态Q = 1和Q = 0交替出现，输出端Vo(
16、Q)就得到占空比可调的矩形脉冲。,7.4.3 石英晶体振荡器,在许多实际应用中，对多谐振荡器的振荡频率稳定性都有严格的要求。例如把多谐振荡器作为计数器的脉冲源使用时，它的频率稳定性直接影响着计数器的准确性。在这种情况下，前面所述的几种多谐振荡器电路难以满足要求。因为在这些多谐振荡器中，振荡频率主要取决于门电路输入电压在充、放电过程中达到转换电平所需要的时间，所以频率稳定性不可能很高。一般振荡器存在下列问题：一是这些振荡器中门电路的阈值电平Vth本身就不够稳定，容易受电源电压和温度变化的影响；二是这些电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态转换时间的提前或滞后；三是在电路状态临近转换时电容的充、放电已经比较缓慢，在这种情况下阈值电平微小的变化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。因此，在对频率稳定性有较高要求时，必须采取稳频措施。,
