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1、第 12 章 脉冲波形的产生和整形,数字系统中，经常用到脉冲信号。这些信号来自于脉冲波形的产生与整形电路。而这些电路可以分为如下三种基本种类：,施密特触发器（Schmitt Trigger）,单稳态触发器（Monostable Trigger）,多谐振荡器（Multivibrator）,12.1 多谐振荡器,主要要求：,理解多谐振荡器的概念和特点。,了解多谐振荡器的多种构成电路。,12.1.1 RC环形振荡器,多谐振荡器是能产生矩形脉冲的自激振荡器，它产生的脉冲具有高、低两种状态并交替转换，称为两个暂态。故又称为无稳态电路。由于矩形脉冲波形是由基波和许多高次谐波组成的，故称为多谐振荡器。,不同
2、于触发器，多谐振荡器没有信号输入端，只要接上直流电源，就有如下图的波形信号输出。,注意,构成电路：,其周期可以用下面公式计算,其振荡周期可以用下面公式计算,12.1.2 RC基本多谐振荡器,石英晶体的选频特性非常好，只有在频率为f0的信号最容易通过，而其他频率的信号均会被晶体所衰减。 石英晶体的谐振频率是由它的大小、几何形状及材料所决定的。,12.1.3 石英晶体振荡器,12.2 单稳态触发器,主要要求：,理解单稳态触发器的概念和特点。,掌握单稳态触发器的应用。,12.2.1 微分型单稳态触发器,单稳态触发器有一个稳定工作状态和一个暂稳态，无外加触发信号时处于稳态。在外加触发输入信号作用下，它
3、由稳态进入暂稳态，维持一段时间后，有自动返回到稳态。暂稳态维持时间长短之于电路中阻容元件参数决定，与外加触发脉冲信号无关。,微分型单稳态触发器由G1的输出到G2的输入将其耦合，RC为定时电路，其中R数值小于G2的关门电阻，以保证G2关门（静态时）。,微分型单稳态触发器的暂稳态时间可以用以下公式估算,RO为与非门的输出电阻,12.2.2 集成单稳态触发器,单稳态触发器可以分为不可重复触发型和可重复触发型。,不可重复触发型,可重复触发型,74121、74221、74LS221都是不可重复触发的集成单稳态触发器，而74122、74LS122、74123、74LS123等属于可重复触发的集成单稳态触发
4、器。,在tw时间内再次触发将持续暂稳态。,74121集成单稳态触发器逻辑符号,74121集成单稳态触发器内部简化逻辑图,其输出脉冲宽度为,单稳态触发器74121的工作波形,1.不可重复触发的单稳态触发器74121,74121集成单稳态触发器功能表,2. 可重复触发的单稳态触发器74HC123,逻辑符号,工作波形,74HC123功能表,12.2.3 单稳态触发器的应用,1.脉冲定时,上图是单稳态触发器的模块逻辑表达。用较小的宽度的脉冲去触发，可以获得确定宽度的脉冲输出，实现定时控制（如下图）。,2.脉冲延迟,某些电路中，要求输入信号出现后电路不立即工作，而应延迟一段时间后再工作。将输入信号uI1
5、加入第一级单稳态电路，再级联一级单稳态就获得了延迟tw时间的脉冲输出。,3.脉冲整形,将外形不规则的脉冲作触发脉冲，经单稳输出，可获得规则的脉冲波形输出。,12.3 施密特触发器,主要要求：,理解施密特触发器的概念和特点,掌握施密特触发器的传输特性和应用,施密特触发器有两个稳定的工作状态，所以是双稳态触发器的一种。但是又不同于一般的双稳态触发器，其两个稳态互相翻转所需的输入信号电平不相同，具有滞后电压传输特性，即回差特性。如图12.1.1所示其输出信号与输入信号关系的电压传输特性曲线图。,其中UT+为正向阈值电压，UT-为负向阈值电压，UH为滞后电压或回差电压。,12.3.1 用门电路组成的施
6、密特触发器,可以用CMOS基本门电路组成施密特触发器：,输入信号上升时按照UT+阈值翻转,输出信号由高（High）翻转为低（Low）,输入信号下降时按照UT-阈值翻转,输出信号由低（Low）翻转为高（High）,12.3.2 集成施密特触发器,CT1014电路原理图,集成施密特触发器逻辑符号,集成单稳态触发器74HC14逻辑符号,集成六单稳态触发器74HC14引脚图,其基本逻辑功能仍是输入低电平输出为高电平，输入高电平输出为低电平，但具有回差，其负压传输特性同前所述。,12.3.3 施密特触发器的应用,1.波形变换,施密特触发器利用其迟滞翻转的传输特性可以将三角波、正弦波、锯齿波等变换为矩形波
7、。,2.脉冲整形,数字系统中矩形波经传输后可能发生畸变。左图是当传输线上电容较大时，产生消尖波形的整形过程,左图是当传输线较长且接受段阻抗与传输线的阻抗不匹配时，产生自激波形的整形过程,左图是当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形信号上时，产生附加噪声干扰的整形过程,3.脉冲鉴幅,将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端时，只有那些幅度大于UT+的脉冲才会在输出端产生输出信号，即将幅度大于UT+的脉冲选出，叫做鉴幅。,4.方波产生,利用电容的充放电，施密特触发器可以用来组成方波产生电路。,12.4 555集成定时器及应用,主要要求：,理解555定时器的工作原理。,掌
8、握555定时器的三种基本应用及其外围电路构成。,12.4.1 555电路组成,555集成定时器，是一种模拟和数字电路相结合的集成电路。应用555电路可以构成极简约的多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器，其工作电压范围宽，输出具有一定的负载能力，因而应用广泛。以下是其结构图。,555定时器分为：,三个5K电阻分压器,A1A2组成的电压比较器,基本RS触发器（1有效）,放电管VT,倒相缓冲输出门G,共五个部分，右图为引脚图。,2/3 UCC,1/3 UCC,12.4.2 工作原理,综合555集成定时器内部五个基本部分的功能可以得到以下的功能表，也就是555集成定时器的具体功能描述。,当5脚URE
9、F端作用时，上表中的参考电位应相应换为UREF和1/2 UREF。此时，门限值可自由设定，由此拓展了555芯片的使用范围。,12.4.3 555定时器的典型应用,1.多谐振荡器,555芯片外围如图接入电阻和电容即可构成多谐振荡器。,起初由于其内部集成运放的“虚断”性质而对电容充电。,当充电到uI1=uI2=2/3UCC =uC时，对照上表，输出Q应翻转为低电平，与此同时VT管导通，电容C经由7脚向接地的1脚放电。,对应以上过程，在电容C上的电压uC波形对应输出uo波形如下图。,起初对电容充电时，uC从0V充到2/3UCC，输出为高。时间为：,uC充电到2/3UCC时，电容开始放电，输出为低。时
10、间为：,而放电使uC减少到1/3UCC时，由功能表输出再次为高，由此充电与放电过程交替循环，形成输出高低交替的矩形波形。,由上，矩形波的周期即：,上述多谐振荡电路搭好之后占空比固定，而实际中往往需要波形占空比可调。可利用滑动变阻器（电位器）来组成555外部电路，如图，如需q大些只需向右移动滑动变阻器即可。,2.施密特触发器,波形变换,将555的uI1（2脚）与uI2（ 6脚）连接在一起作输入uI，UREF（4脚）与 （5脚）都不起作用时，就构成了一个施密特触发器。其中3脚为输出。,可以构成波形变换、波形整形、鉴幅等多种电路。,工作原理：,综上，正向阈值UT+为2UCC/3，负向阈值UT-为UC
11、C/3，滞后电压或回差电压UH为UCC/3 。,保持 状态,第I稳态,第II稳态,3.单稳态触发器,555芯片外围如图接入电阻R和电容C即可构成单稳态触发器。R一般几百到几M，C一般几百pF到几百F，使得单稳态触发器的暂稳态一般可以达到几S到几分钟。,稳态时，UCC通过R给C充电，会使得6脚电压高于正向阈值，而由555功能表会将放电管VT导通，使得7脚向接地（1脚）放电，输出为低，而2脚独立作输入，使得放电过程无负向阈值，所以稳态输出为低，只要uI（2脚）输入低于UCC/3就会有翻转，从而出现暂稳态（输出高）。,当uI接到触发信号（短暂低电平），单稳态触发器进入暂稳态，此时输出为高，放电管VT
12、截止，充电过程开始，一直充电到正向阈值2UCC/3为止，此段暂稳态时间长度只与R和C的数值有关，与触发电平时间长短无直接关系。有暂稳态时间：,暂稳态完成后，由于放电通路中无电阻，放电过程迅速，立即又恢复到稳态，等待下一次触发电平的来到。,本章小结,波形产生和变换主要应用三种基本电路：单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器。这些电路都可以用555集成定时器来组成。因此555的应用电路是本章重点。,一个稳态，一个暂稳态,两个稳态,两个暂稳态,触发出1，自动回0,输入上升趋势门限UT+，下降趋势门限UT-,自动翻转,2脚输入，2、6脚分开,2、6相联作输入,2、6相联，外接RC充放电回路,延时（门铃），定时，整形,波形变换，整形，鉴幅，方波产生,产生矩形波，驱动时序电路,三种基本电路的特点,555集成定时器针对输入端（2、6脚）相当于集成运放输入端，只接收电压信号，无任何电流流进或流出。输出（3脚）既有电压又有电流，且有一定驱动能力。,区分555应用电路为三种中的哪一个，主要看2、6脚关系和有无输入信号。两种触发器必有信号输入端；只有多谐振荡器无信号输入端。信号输入是外界变化的物理信息。555芯片电路中2、6脚如若分开，必是单稳态触发器。,结束,The End,
