数字电路基础_第7章脉冲波形的产生与整形

1、第七章第七章 脉冲波形的产生与整形脉冲波形的产生与整形7.1 集成555定时器7.2 施密特触发器7.4 单稳态触发器7.3 多谐振荡器7.1 集成集成555定时器定时器电压比较器的功能： v+ v-，vO=1 v+ v-，vO=0由以下几部分组成：由以下几部分组成：（1）三个）三个5k电阻组电阻组成的分压器。成的分压器。（2）两个电压比较器）两个电压比较器 C1和和C2。C1v+vvOCC&1RSG5k5k5k12VRvvvCCDICI1I2O(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v阈值输入控制电压触发输入O(7)vT,放电端(1)一、一、555定时器的电路结构定时器的电路结构

2、（3）基本RS触发器，（4）放电三极管T及缓冲器G。CC&1RSG5k5k5k12VRvvvCCDICI1I2O(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v阈值输入控制电压触发输入O(7)vT,放电端(1)12658437Ov,vI2I1vvICVCCvO555DR电路符号电平触发端电平触发端电压控制端复位端电平有效放电端4.516V二二工作原理工作原理CC&1RSG5k5k5k12VRvvvCCDICI1I2O(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v阈值输入控制电压触发输入O(7)vT,放电端(1)1/3VCC2/3VCC（1）当）当RD为低电平时，为低电平时，不管其

3、他输入端的状不管其他输入端的状态如何，输出态如何，输出vo为低为低电平。正常工作时，电平。正常工作时，应将其接高电平。应将其接高电平。（2 2）当其悬空时，比较当其悬空时，比较器器C1和和C2的比较电压的比较电压分别为分别为2/3VCC 和和1/3VCC 。（3）2脚、脚、6脚两端的电位脚两端的电位高低控制比较器高低控制比较器C1和和C2的输出，从而控制的输出，从而控制RS触触发器，决定输出状态。发器，决定输出状态。CC&1RSG5k5k5k12VRvvvCCDICI1I2O(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v阈值输入控制电压触发输入O(7)vT,放电端(1)2VCC/3VC

4、C/3a.RD=1、UI12VCC/3、UI2VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。CC&1RSG5k5k5k12VRvvvCCDICI1I2O(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v阈值输入控制电压触发输入O(7)vT,放电端(1)11b. RD=1、UI12VCC/3、UI2VCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。12VCC/3VCC/3CC&1RSG5k5k5k12VRvvvCCDICI1I2O(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v阈值输入控制电压触发输入O(7)vT,放电端(1)10b. RD=

5、1、UI12VCC/3、UI2 VCC/3时，C1=1、C2=0，Q=0，Q=1不变，uo=1，T截止。2VCC/3 VCC/3CC&1RSG5k5k5k12VRvvvCCDICI1I2O(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位v阈值输入控制电压触发输入O(7)vT,放电端(1)1/3VCC2/3VCC阈值输入阈值输入复位输出vI1vI2RDvo2/3VCC2/3VCC2/3VCC1/3VCC1/3VCC1/3VCC0111010不变功能表功能表7.2 施密特触发器施密特触发器1265VCCRDO5553Ov7vvI2I1vIC8412IvCCVVCC 2RvvItO1vt1/3V

6、CC2/3VCC施密特触发器施密特触发器具有回差电压特性，具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。一一. 用用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1. 电路组成及工作原理电路组成及工作原理OVIV电路符号电路符号Cv5kS1(2)2/3V(7)(6)v&放电端I1(3)GV&vO 1CC(4)TC CCI2(8)5k5k2RC C(1)&11/3VVO 21RvIvCC22. 电压滞回特性和主要参数电压滞回特性和主要参数（1）电压滞回特性）电压滞回特性1/3VCCVoVi

7、0传输特性传输特性VOHVOL2/3VCCvItO1vt1/3VCC2/3VCCVT+VT VTVT+VT VT（2）主要静态参数）主要静态参数 （a）上限阈值电压）上限阈值电压VT+ vI上升过程中，输出电压上升过程中，输出电压vO由高由高电平电平VOH跳变到低电平跳变到低电平VOL时，所对时，所对应的输入电压值。应的输入电压值。VT+=2/3VCC。 （b）下限阈值电压）下限阈值电压VT vI下降过程中，下降过程中，vO由低电平由低电平VOL跳跳变到高电平变到高电平VOH时，所对应的输入时，所对应的输入电压值。电压值。VT=1 /3VCC。（3）回差电压）回差电压VT VT= VT+VT=

8、1 /3VCCOVIV电路符号电路符号Cv5kS1(2)2/3V(7)(6)v&放电端I1(3)GV&vO1CC(4)TCCCI2(8)5k5k2RCC(1)&11/3VVO21RvIvCC2O2vtO1vtVCC21265VCCRDO5553Ov7vvI2I1vIC8412IvCCVVCC 2RvvO1二集成施密特触发器 2. TTL集成施密特触发器74LS14 12345678910111213141A1Y2A2Y3A3Y4A4Y5A5Y6A6YVVD DSSCC401061. CMOS集成施密特触发器集成施密特触发器CC4010612345671A1Y2A2Y3A

9、3YG N D8910111213144A4Y5A5Y6A6YVCC74LS14三三 施密特触发器的应用举例施密特触发器的应用举例2. 用作整形电路把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。正正弦弦波波振振荡荡器器1VO输入输出VT+VT-1. 用作接口电路用作接口电路将缓慢变化的输入信号，转换成为符合将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL系统系统要求的脉冲波形。要求的脉冲波形。VIOV1ItVT-T+V0VOV0t3. 用于脉冲鉴幅从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于VT+的输入脉冲。 RC微分电路微分电路 电路条件：电路条件： = RC tW tW输入脉冲宽度输入脉冲宽度tWdtvR

10、CviL17.3 多谐振荡器多谐振荡器0vctvo0t多谐振荡器多谐振荡器能产生矩形脉冲波的自激振荡器。能产生矩形脉冲波的自激振荡器。一一 用用555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器1. 电路组成及工作原理电路组成及工作原理26VCCRDO5 55 55 53vI2I1v84v7RRVCC12C150.01FC1vCP2/3VCC1/3VCC(6)放电端(2)5k1RT5k&C&1GSC25k(4)O(3)(7)v(1)(8)CCVvvC1PRRCI22vI12/3V1/3VC CC C2. 振荡频率的估算振荡频率的估算（2） 电容放电时间T2（3）电路振荡周期T

11、T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C（5）输出波形占空比q)()()0()(ln111TvvvvTCCCC CRR)(7 . 021 CCCCCCCCVVVV3231ln1 CRT227 . 0 CRRTf)2(43. 1121 212112RRRRTTq （4）电路振荡频率fTT1T20vctvo0t2/3VCC1/3VCC（1）电容充电时间T1：（用三要素法计算）二二 占空比可调的多谐振荡器电路占空比可调的多谐振荡器电路 可计算得：可计算得： T1=0.7R1C T2=0.7R2C 占空比：占空比：21121121117 . 07 . 07 . 0RRRCRCRCRTTTTTq 26V

12、CCRDO5553vI2I1v84v7VCCC150.01FC1vCDD121R2R利用二极管的单向导电性，把电容利用二极管的单向导电性，把电容C充电和放电回路隔离开，再充电和放电回路隔离开，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。三三 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器1.石英晶体的选频特性石英晶体的选频特性uu石英晶体fX感性感性0fsfp容性容性有两个谐振频率。当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0； 当f=fp时，为并联谐振，石英晶体的电抗无穷大。 由晶体本身的特性决定： fs fp f0（晶体的标称频率） 石英晶体的

13、选频特性极好，f0十分稳定，其稳定度可达10-1010-11。2. 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 R1、R2：使两个反相器都工作在转折区，成为具有高放大倍数的放大器。 对于TTL门，常取R1=R2=0.72k，对于CMOS门，常取R1=R2=10100M；C1=C2是耦合电容。 石英晶体工作在串联谐振频率f0下，只有频率为f0的信号才能通过，满足振荡条件。因此，电路的振荡频率= f0，与外接元件R、C无关，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。111RG1R12G1C2Cov（1）串联式振荡器）串联式振荡器（2）并联式振荡器）并联式振荡器CR1C112G21GF10M20pF5 50pFo

14、vRF是偏置电阻，是偏置电阻，保证在静态时使保证在静态时使G1工作转折区，构成一个反相放大器。工作转折区，构成一个反相放大器。 晶体工作在略大于晶体工作在略大于fS与与 fP之间，等效一电感，与之间，等效一电感，与C1、C2共同构成电容三点共同构成电容三点式振荡电路。式振荡电路。电路的振荡频率电路的振荡频率= f0。 反相器反相器G2起整形缓冲作用，同时起整形缓冲作用，同时G2还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。四多谐振荡器应用实例四多谐振荡器应用实例简易温控报警器简易温控报警器26VCCRD5553vI2I1v847RRVCC12C150.01C110/1

15、0VC220k100k0.013R2k（ +6V）T3AX31C1R1uo18 47 3 6 5552 5 10.01Fuo1VCCR2(a) 电路(b) 工作波形C2R3uo28 47 3 6 5552 5 10.01Fuo2R4C将振荡器的输出电压uo1，接到振荡器中555定时器的复位端（4脚），当uo1为高电平时振荡器振荡，为低电平时555定时器复位，振荡器停止震荡。秒脉冲发生器秒脉冲发生器11CQCQCQCQ112214141515FFFFFFFF121415RCC12fffff1214032768Hz16384Hz8192Hz2Hz1Hz秒脉冲T 触发器CMOS石英晶体多谐振荡器产生

16、石英晶体多谐振荡器产生f=32768Hz的基准信号，经的基准信号，经T/触发器构成的触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒信号。秒信号。 这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源。源。单稳态触发器在数字电路中一般用于（产生一定宽度的矩形波）、（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及（把输入信号延迟一定时间后输出）等。单稳态触发器具有下列特点：（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。（2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。（3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间

17、后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。7.4 单稳态触发器单稳态触发器（1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态 当vI=1时，电路工作在稳定状态，即vO=0，vC=0。一一 用用555定时器组成单稳态触发器定时器组成单稳态触发器1. 电路组成及工作原理电路组成及工作原理26VCCRDO5553vI2I1v84v7VCCC15vCvIRC0.011FT饱和导通，7脚电位几乎为026VCCRDO5553vI2I1v84v7VCCC15vCvIRC0.011F（2）vI下降沿触发 当vI下降沿到达时，vO由0跳变为1，电路由稳态转入暂稳态。2Ov3CCOt

18、VOtCvOItv(3)vV1/3VCCSC C(8)&C&I2C(7)I5k放电端5k(1)C2/3VGR5kvv1CR2v(6)C C1I1T&(2)v(4)O（3）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，三极管T截止，VCC经R向C充电。时间常数1=RC，vC由0V开始增大，在vC上升到2/3VCC之前，电路保持暂稳态不变。26VCCRDO5553vI2I1v84v7VCCC15vCvIRC0.011F2Ov3CCOtVOtCvOItv（4）自动返回时间当vC上升至2/3VCC时，vO变0，电路由暂稳态重新转入稳态。（5）恢复过程）恢复过程当暂稳态结束后，当暂稳态结束后，C

19、通过饱和导通的通过饱和导通的T放电，时间常数放电，时间常数 2= =RCESC，由于，由于RCES很小，所以放电很快。很小，所以放电很快。C放电完毕，恢复过程结束。放电完毕，恢复过程结束。2Ov3CCOtVOtCvOItv2. 主要参数估算主要参数估算reWttTf 11minmaxCRVVVtvvvvtCCCCCCWCCCCW1 . 1320ln)()()0()(ln11 （2）恢复时间tre tre=（35）2（3）最高工作频率fmax vI周期的最小值： Tmin= tWtre 最高工作频率:TTW(1) 输出脉冲宽度Tw（用三要素法计算）二集成单稳态触发器二集成单稳态触发器741217

20、4121AABvovoextCRintCextextRVCCGND10111491634512774121保持稳态0 10 10 10 10 1 0 1 01 1 下沿触发1 1 1 1 1上沿触发工作特征vO vO输 出0 0 A1 A2 B输 入74121功能表功能表A1、A2是下沿有效的触发信号输入端，是下沿有效的触发信号输入端，B是上沿有效的触发信号输入端。是上沿有效的触发信号输入端。AABovovextCintRextextCRCCVGND10111491634512774121CCVextR1vICext(a)AABovovextCintRextextCRCCVGND1011149

21、1634512774121vICextCCV(b)（a a）使用外部电阻）使用外部电阻Rext且电路为下降沿触发的连接方式。且电路为下降沿触发的连接方式。集成单稳态触发器集成单稳态触发器7412174121的外部元件连接方法的外部元件连接方法: :（b b）使用内部电阻）使用内部电阻Rint且电路为上升沿触发的连接方式。且电路为上升沿触发的连接方式。74121的主要参数的主要参数(1) 输出脉冲宽度输出脉冲宽度tW 使用外接电阻：使用外接电阻： tW 0.7RextC 使用内部电阻：使用内部电阻： tW 0.7RintC 74121内部内部电阻电阻=2k，外接电阻外接电阻Rext可在可在1.4

22、40k之间选择，之间选择， 外接电容外接电容C可在可在10pF10F之间选择，之间选择，（2）输入触发脉冲最小周期）输入触发脉冲最小周期Tmin Tmin= tWtre（3）周期性输入触发脉冲占空比）周期性输入触发脉冲占空比q 定义：定义： q = tW/T 最大占空比：最大占空比： qmax= tW/ Tmin所以，当所以，当R=2k时，时， 最大占空比最大占空比qmax为为67%； 当当R=40k时，时，最大占空比最大占空比qmax可达可达90%。三单稳态触发器的应用三单稳态触发器的应用（1）延时图中，v/O的下降沿比vI的下降沿滞后了时间tW。（2）定时当v/O=1时，与门打开，vO=

23、vF。当v/O=0时，与门关闭，vO为低电平。与门打开的时间是单稳输出脉冲v/O的宽度tW。1&vIvO单稳与门vFOvvItWvOvFOv1. 延时与定时 2. 整形整形IvvOtW 单稳态触发器能够把不规则的输入信号单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI，整形成为幅度，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲和宽度都相同的标准矩形脉冲vO。vO的幅度取决于单稳态电的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度路输出的高、低电平，宽度tW决定于暂稳态时间。决定于暂稳态时间。3. 触摸定时控制开关触摸定时控制开关84762153555+VCCRLR100kC100C10.01(+6V)P5

24、55定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片P，相当于在触发，相当于在触发输入端（管脚输入端（管脚2）加入一个负）加入一个负脉冲，脉冲，555输出端输出高电平，输出端输出高电平，灯泡（灯泡（RL）发光，当暂稳态）发光，当暂稳态时间（时间（tW）结束时，）结束时，555输出输出端恢复低电平，灯泡熄灭。端恢复低电平，灯泡熄灭。该触摸开关可用于夜间定时该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由照明，定时时间可由RC参数参数调节。调节。4. 触摸、声控双功能延时灯触摸、声控双功能延时灯84762153C447C0.01555N EA220VR3R1M

25、220kSCRMCR1004.7M4.7MR4R5R6R71M10k5C0.022TT1290149013HTDC3220D1N4004C10.56/400V1R3300.01C2VD D（ +6V ）DW2CW13555和和T1、R3、R2、C4组成单稳定时电路，定时（即灯亮）时间约为组成单稳定时电路，定时（即灯亮）时间约为1分钟。分钟。当击掌声传至压电陶瓷片时，当击掌声传至压电陶瓷片时，HTD将声音信号转换成电信号，经将声音信号转换成电信号，经T2、T1放放大，触发大，触发555，使，使555输出高电平，触发导通晶闸管输出高电平，触发导通晶闸管SCR，电灯亮；，电灯亮；同样，若触摸金属片同

26、样，若触摸金属片A时，人体感应电信号经时，人体感应电信号经R4、R5加至加至T1基极，也能使基极，也能使T1导通，触发导通，触发555，达到上述效果。，达到上述效果。练习一：练习一： 图为一心律失常报警电路，图中图为一心律失常报警电路，图中vI是经过放大后的心电信号，是经过放大后的心电信号，其幅值其幅值vIm=4V。（1）对应）对应vI分别画出图中分别画出图中vo1、vo2、vo三点的电压波形；三点的电压波形；（2）说明电路的组成及工作原理）说明电路的组成及工作原理。126555Iv57VCC(+5V)843vO 183(+5V)4CCV7O 25551256vOv1RCTDD12vIVIT+VT-VVo1CV23CCVVo2oV如如图图所示，所示，555构成的施密特触发器，当输入信号为构成的施密特触发器，当输入信号为图示周期性心电波形时，试画出经施密特触发器整图示周期性心电波形时，试画出经施密特触发器整形后的输出电压波形。形后的输出电压波形。v12555I6574(+5V)CCV83vOIvvO一过压监视电路如图所示，试说明当监视电压一过压监视电路如图所示，试说明当监视电压vx超过超过一定值时，发光二极管一定值时，发光二极管D将发出闪烁的信号。将发出闪烁的信号。提示：当晶体管提示：当晶体管T饱和时，饱和时，555的管脚的管脚1端可认为处于端可认为处于地电位。地电位。43D8