第6章脉冲信号的产生与变换.

1、第第6章章 脉冲信号的产生与变换脉冲信号的产生与变换6.1 概述概述6.2 555定时器定时器6.3 单稳态触发器（单稳态触发器（Monostable Multivibrator）6.4 施密特触发器（施密特触发器（Schmitt trigger）6.5 多谐振荡器（多谐振荡器（Multividrator）6.1 概述概述v数字电路中的信号大多数是矩形脉冲信号。将在较短时间间隔内作用于电路的电压或电流信号，称为脉冲信号。这个时间间隔可以和电路过渡过程持续时间（35）相比拟。v数字电路中常见的脉冲信号波形 如下 v上图中所示的矩形脉冲信号波形是理想的，即波形的上升沿与下降沿均是跳变的且波形幅度保

2、持不变，一直保持幅度为。而实际的矩形脉冲信号波形无理想跳变、顶部也不平坦。 具体波形如下v为衡量实际矩形脉冲信号的优劣，经常使用以下参数对其进行描述。 1.脉冲幅度 2.上升时间（Rise Time） 3.下降时间（Fall Time） 4.脉冲宽度 5.脉冲周期T 6.脉宽比，也称为占空比。 数字电路中，获得矩形脉冲信号的方法主要有两种：一种是利用各种形式的多谐振荡电路，直接产生所需要的周期性矩形脉冲信号；另一种是利用脉冲信号的变换电路，将现有的脉冲信号变换成所需要的矩形脉冲信号。在这种方法中，电路本身不产生脉冲信号，而仅仅起脉冲波形的变换作用。 6.2 555定时器定时器v6.2.1 55

3、5电路结构电路结构 555电路的逻辑图、外引线功能图、内部等效电路图如下电路的逻辑图、外引线功能图、内部等效电路图如下 v555电路主要由以下几部分构成： 1.一个RS触发器 2.两个电压比较电路 3.放电开关与反相输出6.2.2 555定时器功能描述定时器功能描述555集成电路端口介绍集成电路端口介绍 管脚 表示方法 作用2触发输入端 决定电压比较器C2的反相输入电压 5电压控制端CO 决定电压比较器C1的反相输入电压 6阈值输入端TH 决定电压比较器C1的同相输入电压7放电端口D 作为VT的集电极开路输出，并提供放电通路 TR 555定时器功能表定时器功能表 阈值电压TH 触发输入 复位

4、放电管VT 输出OUT 0导通01导通01原状态原状态1截止1CC32VCC31VCC32VCC31VCC31V6.3 单稳态触发器（单稳态触发器（Monostable Multivibrator）v单稳态触发器是具有一个稳态的触发器。它具有两种状态：一个稳态和一个暂稳态。 v电路暂稳态持续时间的长短，与外加触发脉冲信号的宽度没有关系，仅取决于电路本身定时元件的参数值。 v单稳态触发器可以由分立元件构成；也可以通过门电路和RC元件构成；或通过集成单稳态电路外接RC元件来实现；也可以使用555定时器电路构成单稳态触发器。其中，RC元件组成的电路部分称为定时电路，由电容的充放电时间决定单稳态触发器

5、暂稳态持续时间的长短。v根据RC电路连接方式的不同，单稳态电路分为微分型单稳和积分型单稳。v若根据电路及工作状态的不同，单稳态电路又分为非可重触发电路和可重触发电路两种。6.3.1 555电路构成单稳态触发器电路构成单稳态触发器v电路接通后，触发输入信号为高电平（ ），这时没有有效触发输入信号，电路工作于稳态。v触发输入信号 由高电平变为低电平时，电路进入暂稳态。v随着放电管VT的导通，电路恢复稳态。 CCV31iv6.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器v集成单稳态触发器具有温度特性好、抗干扰能力强、电源稳定性好、输出脉宽调节范围大、外围元件少等优点。集成单稳态触发器分为两大类：可重触发

6、单稳电路和不可重触发单稳电路。 v1.电路介绍 74121是一种典型的TTL集成不可重触发单稳态触发器 74121功能表功能表 输入输出A1A2BQ0101010100111011111100Qv该电路触发方式可以概括为以下三种： 在A1或A2端使用触发脉冲信号的下降沿触发。此时，另外两个触发输入端必须为高电平；在A1、A2端同时使用触发脉冲信号的下降沿触发。要求B端为高电平；在B端用触发脉冲信号的上升沿触发，且A1、A2所加信号中至少有一个是低电平。74121的工作波形如下：v2.电路连接方式电路连接方式 74121的输出脉冲宽度取决于电路中定时元件RC值。根据想要获得脉冲宽度的不同，可以外

7、接定时电阻，以获得较宽输出脉冲信号；也可以使用电路内部固定的定时电阻。如下图所示。 6.3.3 单稳态电路的应用单稳态电路的应用v1.脉冲信号整形v2.脉冲信号延时v3.脉冲信号定时6.3.4 门电路构成的单稳态电路门电路构成的单稳态电路v利用门电路和RC定时元件构成的。根据RC元件的接法不同，可以分为微分型与积分型两类。 6.4 施密特触发器（施密特触发器（Schmitt trigger）v6.4.1 555电路构成施密特触发器工作过程v电路接通电源后，由于TH ， ，放电管VT截止，触发器置1，电路输出高电平。v随着输入电压vi的上升，当输入电压在 vi 时，VT导通，触发器置0，电路输出

8、变为低电平，状态发生翻转。v随着输入电压的变化，在其由高电平向下变化的过程中， 当 vi 时，电路维持原态，仍然输出低电平。v随输入电压下降，当 vi 时，会引起电路状态的变化，将此时的输入电压称为上限触发电平，用 表示(也可以称为正向阈值电压或高电平阈值电压)。所以，该电路的 。v输入电压由高电平向低电平变化的过程中，当vi ，电路状态并不发生变化，只有当vi 时，电路的状态才会再次发生变化。将此时的输入电压称为下限触发电平，用 表示(也可以称为负向阈值电压或低电平阈值电压)。所以，该电路的 。v可见，对施密特触发器电路而言，上限触发电平不等于下限触发电平，即导致电路状态发生变化的输入信号的

9、值大小不相等。将该电路的 定义为施密特触发器电路的回差电压。施密特触发器所具有的 的特性，称为回差特性或者回滞特性。CCV32TVCCTVV32CCV32CCV31TVCCTVV31TTVVVTVTVv施密特触发器电路的电压传输特性曲线，也称为回差特性曲线，如下图所示。v带有施密特触发器的反相器和与非门电路符号如下。 6.4.2 集成施密特触发器集成施密特触发器v施密特触发器应用比较广泛，在数字集成电路中，多种产品带有施密特触发器。下图为带施密特触发器的四2输入与非门电路74LS132。6.4.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用v1.波形变换v2.波形整形v3.信号鉴幅v4.构成单稳态触

10、发器6.4.4 门电路构成的施密特触发器门电路构成的施密特触发器v图（a）为由TTL门电路构成的施密特触发器电路。v该电路 ； 。其中， 为二极管VD的正向导通电压， 为门电路的阈值电压。所以，该电路的 回差电压为 。通过改变电阻的值，可 以方便的调节回差电压的大小。图（b）为利用CMOS反相器构成的施密特触发器。THDTVRRVV)1 (21THTVVDVTHVTHDTTVRRVVVV216.5 多谐振荡器（多谐振荡器（Multividrator）v6.5.1 555定时器构成多谐振荡器定时器构成多谐振荡器v电路接通电源后，由于电容C两端电压较低，放电管VT截止，555电路输出高电平，处于第

11、一暂稳态。v随着电源电压对C充电的进行，当 时，放电管VT导通，触发器置0，输出变为低电平，电路进入第二暂稳态。v此时，电容C开始通过电阻 和导通的放电管VT放电，vc下降，当 时，触发器又被置1，VT重新截止，电路输出翻转为高电平，回到第一暂稳态。 又开始对电容C充电，重复以上过程。v通过上述分析可知，电路稳定工作时，两种暂稳态持续的时间分别是电容C充电和放电持续的时间。v电容C充电的时间；v电容C放电的时间：v电路输出矩形脉冲信号的周期为 。CCcVv322RCCcVv31CCVCRRt)(7 . 0211CRt227 . 021ttTv若要输出方波信号，需要对上述电路进行改进，组成输出脉

12、冲信号的占空比可以调整的多谐振荡器。v555定时器电路构成的多谐振荡器，优点是电路简单，但存在振荡频率较低、振荡频率稳定性不高、容易受到温度等外界因素的干扰等缺点。而在许多场合对电路振荡频率的稳定性都有严格的要求，如在数字时钟电路中，脉冲基准信号来源的频率稳定性直接关系到计时的准确性。这时就应该使用石英晶体多谐振荡器。 6.5.2 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器v在一片薄石英晶片的两侧镀上两个电极就可以制成石英晶体谐振器。 v当信号频率f等于石英晶体本身的固有谐振频率 时，信号容易通过石英晶体，石英晶体阻抗最小。当 时，石英晶体呈现感性阻抗； 时，石英晶体呈现容性阻抗。0f0ff 0ff v由CMOS门电路和石英晶体共同组成的石英晶体多谐振荡器电路如下。v上图中，反相器G1产生振荡，G2用于整形，以获得较理想的矩形脉冲信号。电阻R为反相器G1提供适当的静态工作点，电容C1用于频率微调，C2为温度校正电容。v石英晶体振荡器的优点是频率稳定度非常高，一般用于高精度时基的数字系统中。6.5.3 施密特触发器组成的多谐振荡器施密特触发器组成的多谐振荡器v利用施密特触发器特有的电压回滞特性也可以组成多谐振荡器。 6.5.4 环型振荡器环型振荡器v环形振荡器利用门电路的传输延迟时间，将奇数个反相器首尾相连而构成的。最简单的环形振荡器