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1、第第7章章 脉冲波形的产生与变换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。1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
2、皆为5 k的电阻R组成对电源Vcc的分压器，形成 (2/3)Vcc、（1/3) 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(2/3)Vcc，另一端（脚）是阈值输入（TH），C2的比较电平为（1/3) Vcc，另一端（脚）是触发输入端（ ）。 (1)THVcc RD&C1C2&1VcoDISTR(4)(8)(7)(2)(6)(5)(3)RSGT5 k5 k5 k图7.1 555定时器 555 62 18
3、45732 当阈值端电压V6 (2/3)Vcc ，触发端电压V2 （1/3) Vcc 时，比较器C1=1，比较器C2 = 0，触发器置1，T截止；当V6 (2/3)Vcc ，V2 （1/3) Vcc时，C1 = 0，C2 = 1，触发器置0，T饱和导通。由此得到555定时器的功能表如表7.1所示。 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Vco和（1/2) Vco。37.2 施密特触发器施密特触发器 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V。当输入信号增加和减少时，电路
4、有不同的阈值电压，其电压传输特性和逻辑符号如图7.2所示。 VoViVT+VT-VOHVOL1 (a) 电压传输特性 (b) 逻辑符号图7.2 施密特触发器传输特性和逻辑符号47.2.1 555定时器构成的施密特触发器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。VCCVDD 555 62 Vi184573VoVCOVoRLtViVccVotV
5、OHVOL00 (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 5下面分析电路的工作过程。 6 TTL集成施密特触发器74LS132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。下图为集成施密特触发器74LS132的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。 &YAB图7.6 TTL集成施密特触发器74LS1327.2.3 集成施密特触发器集成施密特触发器77.2.4 施密特触发器的应用施
6、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。图7.7为用施密特触发器对畸变的矩形波进行整形的效果。 图7.7 施密特触发器对 畸变的矩形波整形 82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，如图7.8所示。图7.8 施密特触发器进行波形变换 93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。图7.9示出的输入波形Vi为一串视频信号，视频信号在传输中，
7、会有干扰信号（一般幅度较小）叠加在视频信号上，如图7.9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。 图7.9 施密特触发器 用于幅度鉴别 10【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为续流二极管，H中有电流，K 吸合，灯L亮，否则L不亮。解：有光照时，Ri (2/3)Vcc, Q =
8、 0，H中无电流，K不吸合，灯L不亮; 无光照时，RiRT，Vi (1/3)Vcc 。假定电路稳态 Q(Vo) = 1，则Q = 0，555定时器的放电管T截止，7脚悬空，此时Vcc向电容充电，充电路径：VccRC地，电容的电压Vc指数上升。当Vc (2/3)Vcc时，555定时器Q = 0， Q = 1，T饱和，7脚接地，此时C放电，当Vc (1/3)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。14 在t = t1时，输入信号为下降沿（10），Vi (2/3)Vcc时（t = t2），Vi已于t2之前回到高电平，即Vi (1/3)Vcc
9、，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15167.3.3 集成单稳态触发器集成单稳态触发器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。 图7.15示出了非重复触发单稳态触发器74121的国际标准符号和惯用符号. 图7.15 非重复触发单稳态触发器74121 17图7.16为74121的工作波形图，74121的功能表见
10、表7.2。 图7.16 74121工作波形图 电路的稳态为Q = 0， Q = 1。被触发后Q由0到1，进入暂稳态，持续Tw时间重新回到稳态。18触发方式有两种：（1）A1、A2中至少有一个低电平0，B由0到1正跳变；（2）B = 1，A1、A2中至少有一个由1到0负跳变，另一端为高电平1。 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 1.440 k之间选择。若利用内部定时电阻Rint（2 k），需将芯片的脚接至 脚。定时电容C（无论用外接电阻R还是用内定时电阻R
11、int）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 197.3.4 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用利用单稳态触发器被触发后由稳态进入了暂稳态，暂稳态持续Tw时间后自动回到稳态的特性，在脉冲整形、定时或延时方面得到了广泛应用。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，如图7.20(a)所示；也可以将脉冲波形变窄，如图7.20(b)所示；还可以将不规则波形变成矩形脉冲，如图7.20(c)所示。 (a) 波形展宽 (b) 波形变窄图7.20 单
12、稳态触发器波形整形作用(c) 波形整形202定时利用单稳态触发器可以产生一个宽度为Tw的矩形脉冲来实现定时作用。图7.21为一个定时应用的电路，若单稳态电路处于稳态，Vo = 0，则不允许与门另一信号A通过与门。当触发信号Vi由10，Vo = 1，与门开，A通过与门，Q = A.若Q端接一加法计数器，即可计算出在Tw时间内输出得脉冲个数，即输入A的脉冲信号频率。 (a) 电路(b) 工作波形图7.21 单稳态触发器的定时应用21223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7.23所示。 (a) 电路 (b) 波形图
13、图7.23 单稳态触发器的延时作用23【例7.4】 图7.24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。解：Tw1 = 0.7R1C1 = 0.7 0.13 10-6 22 103 s = 2 msTw2= 0.7R2C2 = 0.7 0.13 10-6 11 103 s = 1 msQ1，Q2对应Vi的波形如图7.25所示。 图7.24 例7.4电路及输入Vi的波形 图7.25 例7.4的输入、输出波形
14、 247.4 多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡电路，其特点为：1）多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态； 2）多谐振荡器不需外加触发信号，接通电源后就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲输出。本节介绍555定时器构成的多谐振荡器、TTL与非门构成的环形振荡器、石英晶体振荡器以及用施密特触发器构成的多谐振荡器。多谐振荡器的符号图如图所示。 257.4.1 555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器1工作原理 (a) 电路 (b) 工作波形图7.29 555定时器构成的多谐振荡器 555定时器构成的多谐振荡器及工作波形分别如图7.29(a)和图7.29(b)所示。555定时器阈值端（脚
15、）和触发端（脚）接在一起，外接电阻R1、R2及电容C。26 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 (2/3)Vcc时，Q= 0， Q =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(1/3)Vcc时，Q = 1， Q = 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7.29(b)所示的矩形脉冲输出。2参数计算（1）高电平宽度：27（2）低电平宽度： T = T1+T2 = 0.7(R1 + 2R2)C （3）振荡
16、周期：（4）振荡频率： f = （5）占空比：由此可见，定时元件R1、R2、C决定了以上各参数值。调整定时元件，可改变T、f、q的大小。283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7.30。与图7.29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7.30 占空比可调的多谐振荡器 29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
17、，输出端Vo(Q)就得到占空比可调的矩形脉冲。高电平宽度： T1 = 0.7R1C T2 = 0.7R2C 低电平宽度： T = T1 + T2 = 0.7(R1 + R2)C 振荡周期：振荡频率： f = 占空比：当移动电位器触头使R1 = R2时，q = 1/2 ，即T1 = T2（方波）。307.4.3 石英晶体振荡器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
18、、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。31 目前普遍采用的一种稳频方法时在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。图7.33(a)和图7.33(b)分别示出了石英晶体的符号和电抗频率特性。把石英晶体与对称式多谐振荡
19、器的耦合电容串联起来，就组成了如图7.34所示的石英晶体多谐振荡器。 (a) 符号 (b) 电抗频率特性 图7.33 石英晶体图7.34 石英晶体振荡器电路32 从石英晶体的电抗频率特性得知，当外加电压的频率为f0时，它的阻抗最小，所以把它接入多谐振荡器的正反馈环路中以后，频率为f0的电压信号最容易通过它，并在电路中形成正反馈，而其他频率信号经过石英晶体时被衰减。因此，振荡器的工作频率一定等于石英晶体的谐振频率f0。由此可见，石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率f0，而与外接电阻、电容无关。石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。它的频率稳定度（ ）可达10-1110-10，足以满足大多数数字系统对频率稳定度的要求。具有各种多谐振荡频率的石英晶体已被制成标准化和系列化的产品出售。在图7.34电路中，若取TTL电路7404用做两个反相器G1和G2，R = 1 k，C = 0.05 F，则其工作频率可达几十MHz。337.4.5 多谐振荡器的应用多谐振荡器的应用【例7.7】 多谐振荡器可以为数字系统提供时钟信号，图7.37为一个两相时钟产生电路及工作波形。 (a) 电路 (b) 工作波形图7.37 两相时钟产生电路及工作波形 3435
