2022年医学专题-第6章脉冲信号的产生与变换素材

第6章脉冲信号的产生(chǎnshēng)与变换6.1概述(ɡàishù)6.2555定时器6.3单稳态触发器（MonostableMultivibrator）6.4施密特触发器（Schmitttrigger）6.5多谐振荡器（Multividrator）第一页，共三十五页。6.1概述(ɡàishù)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（3τ～5τ）相比拟。数字电路中常见的脉冲信号波形(bōxínɡ)如下第二页，共三十五页。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(tiàobiàn)的且波形幅度保持不变，一直保持幅度为。而实际的矩形脉冲信号波形无理想跳变(tiàobiàn)、顶部也不平坦。具体波形如下第三页，共三十五页。为衡量实际矩形脉冲信号的优劣，经常(jīngcháng)使用以下参数对其进行描述。

1.脉冲幅度

2.上升时间（RiseTime）

3.下降时间（FallTime）

4.脉冲宽度

5.脉冲周期T6.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。第四页，共三十五页。6.2555定时器6.2.1555电路结构

555电路的逻辑图、外引线功能(gōngnéng)图、内部等效电路图如下

第五页，共三十五页。555电路主要由以下几部分构成：

1.一个(yīɡè)RS触发器

2.两个电压比较电路

3.放电开关与反相输出6.2.2555定时器功能描述555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

第六页，共三十五页。

555定时器功能表

阈值电压TH

触发输入复位放电管VT输出OUT

××0导通01导通01原状态原状态×1截止1第七页，共三十五页。6.3单稳态触发器（MonostableMultivibrator）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。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。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(bùfen)称为定时电路，由电容的充放电时间决定单稳态触发器暂稳态持续时间的长短。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。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。第八页，共三十五页。6.3.1555电路(diànlù)构成单稳态触发器电路接通后，触发输入信号(xìnhào)为高电平（），这时没有有效触发输入信号(xìnhào)，电路工作于稳态。触发输入信号由高电平变为低电平时，电路进入暂稳态。随着放电管VT的导通，电路恢复稳态。

第九页，共三十五页。6.3.2集成(jíchénɡ)单稳态触发器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(fēnwéi)两大类：可重触发单稳电路和不可重触发单稳电路。1.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第十页，共三十五页。74121功能表

输入输出A1A2BQ0×101×0101××00111×011↓1↓11↓↓10×↑×0↑第十一页，共三十五页。该电路触发方式可以概括为以下三种：①在A1或A2端使用触发脉冲信号的下降沿触发。此时，另外(lìnɡwài)两个触发输入端必须为高电平；②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；③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：第十二页，共三十五页。2.电路(diànlù)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。

第十三页，共三十五页。6.3.3单稳态电路(diànlù)的应用1.脉冲信号整形(zhěngxíng)2.脉冲信号延时3.脉冲信号定时第十四页，共三十五页。6.3.4门电路构成(gòuchéng)的单稳态电路利用门电路和RC定时元件构成的。根据RC元件的接法不同，可以(kěyǐ)分为微分型与积分型两类。第十五页，共三十五页。6.4施密特触发器（Schmitttrigger）6.4.1555电路(diànlù)构成施密特触发器第十六页，共三十五页。工作(gōngzuò)过程电路接通电源(diànyuán)后，由于TH<，<，放电管VT截止，触发器置1，电路输出高电平。随着输入电压vi的上升，当输入电压在<vi<范围内变化时，电路仍维持原状态，输出保持高电平不变。当输入电压vi>时，VT导通，触发器置0，电路输出变为低电平，状态发生翻转。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。随输入电压下降，当vi<时，VT截止，触发器再次置1，电路输出又变为高电平。

第十七页，共三十五页。输入电压vi由低电平向高电平变化的过程中，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。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。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(jùyǒu)的≠的特性，称为回差特性或者回滞特性。第十八页，共三十五页。施密特触发器电路的电压传输特性曲线(qūxiàn)，也称为回差特性曲线(qūxiàn)，如下图所示。带有施密特触发器的反相器和与非门电路符号如下。

第十九页，共三十五页。6.4.2集成(jíchénɡ)施密特触发器施密特触发器应用比较广泛(guǎngfàn)，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。第二十页，共三十五页。6.4.3施密特触发器的应用(yìngyòng)1.波形(bōxínɡ)变换2.波形整形第二十一页，共三十五页。3.信号(xìnhào)鉴幅4.构成单稳态触发器第二十二页，共三十五页。6.4.4门电路构成(gòuchéng)的施密特触发器图（a）为由TTL门电路构成的施密特触发器电路。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(tiáojié)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。第二十三页，共三十五页。6.5多谐振荡器（Multividrator）6.5.1555定时器构成(gòuchéng)多谐振荡器第二十四页，共三十五页。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，处于第一暂稳态。随着电源电压对C充电的进行(jìnxíng)，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。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。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。电容C充电的时间；电容C放电的时间：电路输出矩形脉冲信号的周期为。第二十五页，共三十五页。若要输出方波信号，需要对上述电路进行改进，组成输出脉冲信号的占空比可以调整的多谐振荡器。555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(shùzì)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。第二十六页，共三十五页。6.5.2石英(shíyīng)晶体多谐振荡器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。

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(zǔkàng)最小。当时，石英晶体呈现感性阻抗(zǔkàng)；时，石英晶体呈现容性阻抗(zǔkàng)。第二十七页，共三十五页。由CMOS门电路和石英晶体共同组成(zǔchénɡ)的石英晶体多谐振荡器电路如下。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。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。第二十八页，共三十五页。6.5.3施密特触发器组成(zǔchénɡ)的多谐振荡器利用(lìyòng)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。第二十九页，共三十五页。6.5.4环型振荡器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(jiǎndān)的环形振荡器由三个反相器首尾相连构成。

该电路振荡周期为

第三十页，共三十五页。将大（等）于3的奇数个反相器首尾相连可构成环形振荡器，产生自激振荡，且振荡周期为。n为反相器的个数。下图是在上述电路基础上改进(gǎijìn)得到的实用型环形振荡器电路。其中，组成电路的延迟环节，是保护电阻。

第三十一页，共三十五页。6.5.5门电路构成(gòuchéng)的多谐振荡器在门电路构成的多谐振荡器电路中，主要(zhǔyào)有两种形式，对称式和非对称式。