数字电子技术基础 第章

第7章脉冲波形的产生与整形7.1概述7.2555定时器及其应用7.3集成单稳态触发器7.4石英晶体振荡器7.1概述7.1.1脉冲产生电路和整形电路的特点获得矩形脉冲的方法通常有两种：一种是用脉冲产生电路直接产生；另一种是对已有的信号进行整形，然后将它变换成所需要的脉冲信号。脉冲产生电路能够直接产生矩形脉冲或方波，它由开关元件和惰性电路组成，开关元件的通断使电路实现不同状态的转换，而惰性电路则用来控制暂态变化过程的快慢。典型的矩形脉冲产生电路有双稳态触发电路、单稳态触发电路和多谐振荡电路三种类型。双稳态触发电路具有两个稳定状态，两个稳定状态的转换都需要在外加触发脉冲的推动下才能完成。单稳态触发电路只有一个稳定状态，另一个是暂时稳定状态，从稳定状态转换到暂稳态时必须由外加触发信号触发，从暂稳态转换到稳态是由电路自身完成的，暂稳态的持续时间取决于电路本身的参数。多谐振荡电路能够自激产生脉冲波形，它的状态转换不需要外加触发信号触发，而完全由电路自身完成。因此它没有稳定状态，只有两个暂稳态。脉冲整形电路能够将其它形状的信号，如正弦波、三角波和一些不规则的波形变换成矩形脉冲。施密特触发器就是常用的整形电路，它有两个特点：①能把变化非常缓慢的输入波形整形成数字电路所需要的矩形脉冲；②有两个触发电平，当输入信号达到某一额定值时，电路状态就会转换，因此它属于电平触发的双稳态电路。7.1.2脉冲电路的基本分析方法图7.1.1RC开关电路①开关转换的一瞬间，电容器上电压不能突变，满足开关定理UC(0+)=UC(0-)。②暂态过程结束后，流过电容器的电流iC(∞)为0，即电容器相当于开路。③电路的时常数τ=RC,τ决定了暂态时间的长短。根据三要素公式，可以得到电压(或电流)随时间变化的方程为如果U(tM)=UT，它是U(0+)和U(∞）之间的某一转换值，那么从暂态过程的起始值U(0+)变到UT所经历的时间tM(见图8-2)可用下式计算：图7.1.2从U(0+)到UT所经历的时间tM7.2555定时器及其应用7.2.1555定时器的组成与功能图7.2.1555定时器图7.2.1(a)中，比较器C1的输入端U6(接引脚6)称为阈值输入端，手册上用TH标注，比较器C2的输入端U2(接引脚2)称触发输入端，手册上用TR标注。C1和C2的参考电压(电压比较的基准)UR1和UR2由电源UCC经三个5kΩ的电阻分压给出。当控制电压输入端UCO悬空时，，；若UCO外接固定电压，则。RD为异步置0端，只要在RD端加入低电平，则基本RS触发器就置0，平时RD处于高电平。定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RS触发器和放电管V1状态的控制。当时，比较器C1输出为0，C2输出为1，基本RS触发器被置0，V1导通，Uo输出为低电平。当时，C1输出为1，C2输出为0，基本RS触发器被置1，V1截止，Uo输出高电平。当时，C1和C2输出均为1，则基本RS触发器的状态保持不变，因而V1和Uo输出状态也维持不变。表7.2.1555定时器的功能表

7.2.2555定时器的典型应用1.单稳态触发器图7.2.2用555定时器构成的单稳态触发器

1)工作原理①静止期：触发信号没有来到，Ui为高电平。电源刚接通时，电路有一个暂态过程，即电源通过电阻R向电容C充电，当UC上升到时，RS触发器置0，Uo=0，V1导通，因此电容C又通过导电管V1迅速放电，直到UC=0，电路进入稳态。这时如果Ui一直没有触发信号来到，电路就一直处于Uo=0的稳定状态。②暂稳态：外加触发信号Ui的下降沿到达时，由于，RS触发器Q端置1，因此Uo=1,V1截止，UCC开始通过电阻R向电容C充电。随着电容C充电的进行，UC不断上升，趋向值UC(∞)=UCC。Ui的触发负脉冲消失后，U2回到高电平，在期间，RS触发器状态保持不变，因此，Uo一直保持高电平不变，电路维持在暂稳态。但当电容C上的电压上升到时，RS触发器置0，电路输出Uo=0，V1导通，此时暂稳态便结束，电路将返回到初始的稳态。③恢复期：V1导通后，电容C通过V1迅速放电，使UC≈0，电路又恢复到稳态，第二个触发信号到来时，又重复上述过程。输出电压Uo和电容C上电压UC的工作波形如图7.2.2(b)所示。2)输出脉冲宽度TW输出脉冲宽度TW是暂稳态的停留时间，根据电容C的充电过程可知：因而代入式图7.2.2(a)所示电路对输入触发脉冲的宽度有一定要求，它必须小于TW。若输入触发脉冲宽度大于TW时，应在U2输入端加RiCi微分电路。可得3)单稳触发电路的用途(1)延时，将输入信号延迟一定时间(一般为脉宽TW)后输出。(2)定时，产生一定宽度的脉冲信号。

2．多谐振荡器用５５５定时器构成的多谐振荡器如图7.2.3（a）所示。其中,R1、R2、C为外接定时元件，０.０１μF为滤波电容。该电路不需要外加触发信号，加电后就能产生周期性的矩形脉冲或方波。图7.2.3用555定时器构成的多谐振荡器

1)工作原理多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C上电压UC略低于，Uo输出高电平，V1截止，电源UCC通过R1、R2给电容C充电。随着充电的进行UC逐渐增高，但只要，输出电压Uo就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。当电容C上的电压UC略微超过时(即U6和U2均大于等于时)，RS触发器置0，使输出电压Uo从原来的高电平翻转到低电平，即Uo=0，V1导通饱和，此时电容C通过R2和V1放电。随着电容C放电，UC下降，但只要，Uo就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。当UC下降到略微低于时，RS触发器置1，电路输出又变为Uo=1，V1截止，电容C再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。其工作波形如图7.2.3(b)所示。2)拖振荡周只期T的计算婚多谐振眉荡器的安振荡周慢期为两问个暂稳续态的持挑续时间辟，T=T1+T2。由图7锅.2.3稀(b)UC的波形求弓得电容C的充电义时间T1和放电饱时间Ｔ2各为因而振纽奉荡周期图7.婶2.4嘴占空哪比可调彩的多谐撑振荡器3)占挡空比可调扣的多谐振应荡器图７.2仪.3（a塌）所示多搂谐振荡器耕的T1≠T2，而占空坛比（即脉齿冲宽度与器周期之比T1／Ｔ）是固定袄不变的。映实际应用汗中常常需涉要频率固牌定而占空何比可调，学图7.2爪.4所示保的电路就旋是占空比队可调的多合谐振荡器刻。电容Ｃ桥的充放电饱通路分别奇用二极管死V1和V2隔离。RP为可调电军位器。电容Ｃ的鸡充电路径桌为UCC→R1→V1→C→地肿，因而T1＝０.剑７R1C。电容C的词放电路径类为C→V2→R2→7端放炮电管→地本，因而T2＝０.７R2C。振荡周弃期为占空比为4)多辟谐振荡器沙应用举例身用两个多励谐振荡器跃可以组成赌如图7.裤2.5角(a)所剂示的模拟逮声响电路泳。适当选惯择定时元恨件，使振碗荡器A的剥振荡频率fA=1H旬z，前振荡器想B的振伪荡频率fB=1各kHz朽。由于帽低频振往荡器A扯的输出誉接至高咸频振荡旱器B的舍复位端钩(4脚麻)，当Uo1输出高电痰平时，B息振荡器才驳能振荡，Uo1输出低电宝平时，倒B振荡器陕被复位，伞停止振荡修，因此使丢扬声器发逗出1k斤Hz的间阔歇声响。说其工作波亩形如图7蝴.2.5酬(b)所示孟。图7.尺2.5钞用麦555盗定时怨器构成桂的模拟住声响发稠生器(a)电绸路图；尘(b)波形图3.施密特触发器1）施密特触发器的构成与工作原理用555定时器构成的施密特触发器如图7.2.6（a）所示，图中,U6(TH)和U2(TR)直接连接在一起作为触发电平输入端。若在输入端Ui加三角波，则可在输出端得到如图7.2.6（b）所示的矩形脉冲。其工作过程如下：图7.决2.6诱用5危55定繁时器构盲成的施横密特触滋发器当时，Uo=UoL不变；当Ui下降，且时，由于RS触发器的RS=11，故Uo=UoL保持不变；只有当Ui下降到小于等于时，RS触发器置1，电路发生翻转，Uo从UoL变为UoH，此时相应的Ui幅值()称为下触发电平U-。从以上分析可以看出，电路在Ui上升和下降时，输出电压Uo翻转时所对应的输入电压值是不同的，一个为U+，另一个为U-。这是施密特电路所具有的滞后特性，称为回差。回差电压。电路的电压传输特性如图7.2.6(c)所示。改变电压控制端UCO(5脚)的电压值便可改变回差电压，一般UCO越高，ΔU越大，抗干扰能力越强，但灵敏度相应降低。2)洗施密特携触发器愁的应用泡施密特洒触发器道应用很骂广，叉主要有寨以下几班方面：被①波形迈变换。可糊以将边沿摊变化缓慢丑的周期性而信号变换捐成矩形脉掀冲。②脉冲滚整形。将景不规则的暴电压波形居整形为矩文形波。若湾适当增大翠回差电压窗，可提高行电路的抗惊干扰能力碧。图7.济2.7(谷a)为顶忆部有干扰溜的输入信为号，图7洋.2.7糊(b)为真回差电压榜较小的输亮出波形，喂图7.2监.7(c短)为回差弄电压大于串顶部干扰娱时的输出痒波形。(3)尘脉冲围鉴幅。昌图7.袄2.8宾是将一蓬系列幅洗度不同杀的脉冲丝式信号加队到施密隙特触发涝器输入励端的波恶形，只茧有那些骆幅度大孩于上触慕发电平U+的脉冲才板在输出端哭产生输出院信号。因碰此，通过莲这一方法菊可以选出挠幅度大于U+的脉冲筑，即惊对幅度志可以进馒行鉴别难。此外，沙施密特轻触发器蜜还可以撇构成多投谐振荡穿器等，烈是应用回较广泛找的脉冲殃电路。图7.2果.7波辫形整形图7.2反.8幅快度鉴别7.3王集查成单稳善态触发预器1.7遮4LS驻121抗非重触坏发单稳慰态触发若器74LS远121单僻稳态触发闲器的引脚炎图和逻辑岗符号如图教7.3.赔1（a）猾、(b)匙所示，其权功能表如塔表7.3欺.1所示咳。该集成扯电路内部原采用了施摸密特触发榨器的输入挂结构，因丹此，对于枕边沿较差暗的输入信铅号也能输达出一个宽些度和幅度疏恒定的矩蛙形脉冲。足输出脉宽蓝为图7.3孙.1集著成触发器贤74LS弃121表7.丈3.1脂集成孝单稳态垃触发器孔74L歼S12硬1的功霸能表式中，RT和CT是外接擦定时元娘件，RT(Rext)范围尼为2k页Ω~4稠0k夫Ω,CT(Cext)为脉10p竿F~1高000μF。CT接在戏10、爹11脚跌之间，RT接在丢11、矮14炊脚之间乱。如果枪不外接RT，也可以部直接使用枝阻值为2掩kΩ的内旬部定时电想阻Rin，则将Rin接UCC，即9、考14脚子相接。外教接RT时9滚脚开路。踏74L当S121瓜的主要性铲能如下：岸①电路迁在输入信府号A1、A2、B的所有芹静态组泉合下均显处于稳完态Q=0，Q=1。谨②有践两种边岛沿触发料方式。池输入A1或A2是下降喜沿触发鄙，输入B是上升沿谢触发。从干功能表可抖见，当A1、A2或B中的任一印端输入相益应的触发画脉冲，则隐在Q端可以输开出一个正没向定时脉匹冲，Q端输出久一个负漆向脉冲傻。例如觉当A1或A2为低，B端有上腔升沿触宫发时，绘其输出霉波形如址图7蠢.3.造2(a)所示常。④电路份工作中存雷在死区时痛间。在定教时时间TW结束之活后，定毙时电容CT有一段充核电恢复时踏间，如果夕在此恢复幼时间内又款输入触发付脉冲，则伙输出脉冲尝宽度就会冷小于规定和的定时时录间TW。因此CT的恢复时优间就是死环区时间，然记作TD。若要得忧到精确的隙定时，则潜两个触发缩慧脉冲之间序的最小间踏隔应大于TW+TD，如图忆7.3技.2(c)所示易。死区赴时间TD的存在，萄限制了这尸种单稳的晶应用场合菌。图7.3基.27暖4LS1犬21的工韵作波形2.绝74L畜S12大3可重跃触发单尝稳态触闲发器74L灿S12劳3是具败有复位傻、可重郑触发的轻集成单腾稳态触险发器，读而且在动同一芯佳片上集盲成了两等个相同讲的单稳墙电路。巡寿其引脚夏图和逻劝辑符号澡如图7踪蝶.3.脾3(a社)、（构b）所耍示，功别能表如届表7.桃3.2凝所示。图7.柴3.3贡集成好触发器碎74L撞S12筐3表7.3坐.2集码成单稳态虚触发器7它4LS1睛23的功济能表74L资S12富3对于赌输入触钞发脉冲既的要求还和74摘LS1纪21基叔本相同昌。其外锯接定时备电阻RT(即Rext)取值范胃围为5信kΩ~5颠0kΩ未，对外接捷定时电容CT(即Cext)通常棋没有限给制。输牢出脉宽当CT≤100胡0pF连时，TW可通过查之找有关图世表求得。单稳态麦触发器净74L酒S12猪3具有阵可重触圈发功能疾，并带冒有复位弊输入端RD。所谓可槐重触发，卧是指该电蹲路在输出蠢定时时间TW内，着可被输竭入脉冲疫重新触中发。图7.3曾.47找4LS1骡23的工逐作波形7.4墓石英晶体请振荡器7.4.向1石英津晶体石英晶体鸡是利用石抬英晶体（桃二氧化硅魂的结晶体朴）的压电麻效应制成脑的一种谐载振器件，维因此也称恭石英晶体获谐振器。晴石英晶体矿的固有谐负振频率十找分稳定，蓬在外加电南压的作用透下，它会猪产生压电桶效应，并摸产生机械级振动。当兰外加电压疤的频率与毕晶体固有铁振荡频率钻相同时，未晶体的机公械振幅最买大，产生湾的交变电始场也最大塘，形成压常电谐振。坛石英晶体利的符号及海电抗频率腊特性分别绩如图7.日4.1(诊a）、（亿b）所示翠。从图（头b）所压示的电屯抗频率速特性可缓以看出夺，它有餐两个相拌当接近予的谐振膨额率，让一个为俘串联谐条振频率fs，另一吊个为并脸联谐振度频率fp，当处杆于这两母个频率梅范围之克间时，驳石英晶雁体呈电范感性，态当游离搂这两个每频率之叶外时，邪石英晶货体呈容笼性。当奇频率为秃串联谐绘振频率fs时，石英树晶体的等顷效阻抗最亡小，信号六最容易通起过;当频衫率偏离串蹄联谐振频盈率fs时，石英约晶体的等边效阻抗接添近无穷大棍，其他频盲率信号均蛙被衰减掉溉。因此振耳荡电路的旋工作频率额仅取决于霉石英晶体尚的谐振频辨率fs，而与电迫路中的R桃、C数哥值无关。鸦它的频率烂稳定度（葬Δfs/fs）可达特10-10～10-11，足以满双足大多数希数字系统馒对频率稳辣定度的要里求。现已距有标准化闪和系列化参的各种谐画振频率的孟石英晶体奸产品出售偷。图7.宪4.2（帽a）、（华b）是石祝英晶体的掏两种封装圣实物图片喇。图7.4居.1石第英晶体图7.4塑.2石续英晶体的鸽两种封装将实物图片7.4.越2石英价晶体多谐烂振荡器1.晶助体串联写振荡电且路工作于晶婆体串联谐鲁振状态的混门电路振陶荡器如图储7.4.辅3（a）隆所示。当郊电路频率俊为串联谐扛振频率时仆，晶体的灶等效电抗帽接近零（股发生串联缝谐振），估串联谐振响频率信号关最容易通摄过反相器烟G1、G2组成的闭茅环回路，室其等效电好路如图7页.4.3担(b)所缺示，信号韵通过两级女反相后形山成正反馈蜻振荡，晶离体同时也奥起着选频漆作用，串保联振荡电软路的频率蹦取决于晶狠体本身的桥参数。为溉了改善输确出波形和赏增强带负耐载能力，浅实际应用午中通常在Uo′输出劈燕端再加呼一级反姐相器G3。图7.抢4.3诉晶体尺串联振异荡电路图7.4咱.4晶呜体串联振捡荡电路的屈工作波形2．晶体杀并联谐振误电路工作于粉晶体并劈燕联谐振赖状态的绢门电路药振荡器诞如图7虎.4.然5（a兔）所示现。该电嗓路常用治于微处策理器的垂时钟产字生电路困。晶体本可等效坐为电感蜘（晶体普工作于站串联谐睡振频率丸与并联煎谐振频貌率之间底时呈电丝式感性）目与外接闷的电容悠构成三于点式LC振荡器根，通过省外接的午电容可圣对频率康进行微错调。电粒阻R接在反相着器G1的输入闷与输出索端，其宵目的是清将G1偏置在商线性放古大区，取构成放馅大器。图7.4遵.5晶滋体并联谐肥振电路图7.抚4.6维为常用誉的几种升石英晶袜体振荡驻器，其胖中图(a)是将图钟8-18另(b)对称多辛谐振荡器咳中的耦合厘电容C与晶体串承接构成的惯晶体多谐授振荡器。饶图(b)是将奖图(a)中的号耦合电斯容改换尝成耦合巧电阻，拦晶体混振荡频宴率可在茧1M讽Hz~亩20孔MHz累内选择励。图(c)、(d)为两经种实用吼晶体多译谐振荡肃器。图凳7.4誓.6爹(c)中C2的作用是蛇防止寄生亡振荡，R1、R2可在肿0.7撒kΩ~估2k恶Ω之间堂选择。图7.巾4.6微几种周常见的功石英晶似体振荡犁电路7.4.役3石英勤晶体振荡两器石英晶册体振荡娘器是集剪成了晶仿体和振沸荡电路鱼的产品充，使用南时只需爬外接电户源就可碌产生振饺荡。它恒的特点塞是电气身性能规昨范,产鞭品种类鸽多，用趟户可根皱据要求医选择不捎同的石鼓英晶体盼振荡器诉。国际改电工委祖员会（冰IEC苍）将石丙英晶体去谐振器戒分为4逃类：普火通晶体妙振荡器次（SP键XO）团、电压句控制式贪晶体振臂荡器（屡VCX邮O）、拌温度补鼓偿式晶临体振荡忆器（T艘CXO课）和恒辅温控制娃式晶体吧振荡器掏（OC活XO）撒。目前健发展中堆的还有卫数字补贡偿式晶散体振荡先器（D缺CXO眠）等品殿种。普通晶筑体振荡昨器（