数字电子技术脉冲波形的产生与变换

2023/5/181第7章脉冲波形的产生与变换

7.1概述7.2555定时器

7.2.1555定时器7.2.2555定时器的应用举例2023/5/182复习触发器有什么特点？请画出与非门实现的基本RS触发器的电路图。请列出基本RS触发器的功能表。什么叫现态？次态？基本RS触发器的触发方式？2023/5/183第7章脉冲波形的产生与变换

脉冲信号：指突然变化的电压或电流。脉冲电路的研究重点：波形分析。数字电路的研究重点：逻辑功能。

获得脉冲波形的方法主要有两种：

1．利用脉冲振荡电路产生；

2．是通过整形电路对已有的波形进行整形、变换，使之符合系统的要求。

2023/5/184以下主要讨论几种常用脉冲波形的产生与变换电路：（功能、特点及其主要应用简介）

1.

RC电路：对矩形波进行微分、积分变换，或作脉冲分压器；

2.

施密特触发器：主要用以将非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲；

3.

单稳态触发器：主要用以将脉冲宽度不符合要求的脉冲变换成脉冲宽度符合要求的矩形脉冲；

4.

多谐振荡器：产生矩形脉冲；

5.

555定时器。常用脉冲波形及参数1.常见的脉冲波形

脉冲波形是指突变的电流和电压的波形。

图7-1常见的脉冲波形图2023/5/1862.矩形波及其参数图7-2非周期性和周期性矩形波(a)非周期性(b)周期性数字电路中用得最多的是矩形波。矩形波有周期性与非周期性两种。2023/5/187图7-3矩形波的主要参数周期性矩形波的周期用T表示，有时也用频率f表示（f=1/T）。矩形波的另外几个主要参数：

（1）脉冲幅度Um

（2）脉冲宽度tw

（3）上升时间tr

（4）下降时间tf

（5）占空比q=tw/T

。通常q用百分比表示，如果q=50%，则称为对称方波。2023/5/188为数字—模拟混合集成电路。可产生精确的时间延迟和振荡，内部有3个5KΩ的电阻分压器，故称555。在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。7.1555定时器及其应用2023/5/189各公司生产的555定时器的逻辑功能与外引线排列都完全相同。

双极型产品CMOS产品单555型号的最后几位数码5557555双555型号的最后几位数码5567556优点驱动能力较大低功耗、高输入阻抗电源电压工作范围5~16V3~18V负载电流可达200mA可达4mA1.电路组成图7-4555定时器(a)原理图(b)外引线排列图电阻分压器电压比较器基本RS触发器放电管T缓冲器2023/5/1811（1）

电阻分压器由3个5kΩ的电阻R组成，为电压比较器C1和C2提供基准电压。2023/5/1812

（2）

电压比较器

C1和C2。当U＋＞U－时，

UC输出高电平，反之则输出低电平。

2023/5/1813

CO为控制电压输入端。当CO悬空时，UR1＝2/3VCC，UR2＝1/3VCC。当CO＝UCO时，UR1＝UCO，UR2＝1/2UCO

2023/5/1814

TH称为高触发端，TR称为低触发端。

2023/5/1815（3）

基本RS触发器其置0和置1端为低电平有效触发。

R是低电平有效的复位输入端。正常工作时，必须使R处于高电平。

2023/5/1816（4）

放电管T

T是集电极开路的三极管。相当于一个受控电子开关。

输出为0时，T导通，输出为1时，T截止。2023/5/1817（5）缓冲器缓冲器由G3和G4构成，用于提高电路的负载能力。2023/5/1818

2.工作原理

TH接至反相输入端，当TH＞UR1时，UC1输出低电平，使触发器置0，故称为高触发端（有效时置0）；

TR接至同相输入端，当TR＜UR2时，UC2输出低电平，使触发器置1，故称为低触发端（有效时置1）。

表8-1555定时器的功能表2023/5/18197.2施密特触发器主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿陡峭的矩形波。

特点：

⑴电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持和转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平触发。⑵电压传输特性特殊，电路有两个转换电平（上限触发转换电平UT+和下限触发转换电平UT－）。⑶状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。

2023/5/1820

（4）工作波形与电压传输特性

施密特触发器将三角波uI变换成矩形波uO。图7-5施密特触发器的工作波形及电压传输特性（a）工作波形（b）电压传输特性3.重要参数上限触发转换电平UT+

下限触发转换电平UT－

回差ΔUT=UT+－UT－（通常UT+＞UT－）改变R1和R2的大小可以改变回差ΔUT

2023/5/18211.

555构成施密特触发器

图7-6555定时器构成的施密特触发器（a）电路（b）工作波形如果在UIC加上控制电压，则可以改变电路的UT+和UT－。2023/5/1822集成施密特触发器的UT+和UT－的具体数值可从集成电路手册中查到。

如CT74132的UT+＝1.7V、UT－＝0.9V，所以，ΔUT＝UT+—UT－＝1.7V—0.9V＝0.8V。

2.

集成施密特触发器(1).

施密特反相器

TTL的74LS14和CMOS的CC40106均为六施密特触发的反相器。下面以CC40106为例说明其功能。

2023/5/1823图7-7施密特触发反相器(a)原理框图(b)电压传输特性(c)逻辑符号

为了提高电路的性能，电路在施密特触发器的基础上，增加了整形级和输出级。

整形级可以使输出波形的边沿更加陡峭，

输出级可以提高电路的负载能力。2023/5/1824(2).施密特触发与非门电路

为了对输入波形进行整形，许多集成门电路采用了施密特触发形式。比如CMOS的CC4093和TTL的74LS13就是施密特触发的与非门电路。

图7-8施密特触发与非门的逻辑符号2023/5/1825(1).波形变换将变化缓慢的波形变换成矩形波（如将三角波或正弦波变换成同周期的矩形波）。图7-9波形变换

3.

施密特触发器的应用2023/5/1826(2).脉冲整形在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，或者边沿产生振荡等。通过施密特触发器整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。

图7-10脉冲整形

波形畸变边沿振荡2023/5/1827(3)．脉冲鉴幅将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些幅度大于UT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。可见，施密特触发器具有脉冲鉴幅能力。

图7-11脉冲鉴幅2023/5/1828工作特点：第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；第二，在外加脉冲作用下，触发器能从稳态翻转到暂稳态；第三，在暂稳态维持一段时间后，将自动返回稳态，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外加触发信号无关。1.555构成单稳态触发器7.3单稳态触发器2023/5/1829（1）得到负脉冲

外触发：使高触发置0端TH有效→暂稳态0自动返回：通过电容C的充放电使低触发置1端TR有效→稳态1

思路：外触发→自动返回

（2）得到正脉冲外触发：使低触发置1端TR有效→暂稳态1

自动返回：通过电容C的充放电使高触发置0端TH有效→稳态02023/5/1830图7-12555定时器构成的单稳态触发器（a）电路（b）工作波形工作原理：稳态为0低触发有效置1T截止，C充电自动高触发返0提高基准电压稳定性的滤波电容输出脉冲的宽度tw≈1.1RC。当触发脉冲uI为高电平时，VCC通过R对C充电，当TH=uC≥2/3VCC时，高触发端TH有效置0；此时，放电管导通，C放电，TH=uC=0。稳态为0状态。此时放电管T截止，VCC通过R对C充电。当TH=uC≥2/3VCC时，使高触发端TH有效，置0状态，电路自动返回稳态，此时放电管T导通。电路返回稳态后，C通过导通的放电管T放电，使电路迅速恢复到初始状态。2023/5/1831工作原理：当触发脉冲uI下降沿到来时，低触发端TR有效置1状态，电路进入暂稳态。当触发脉冲uI为高电平时，VCC通过R对C充电，当TH=uC≥2/3VCC时，高触发端TH有效置0；此时，放电管导通，C放电，TH=uC=0。稳态为0状态。此时放电管T截止，VCC通过R对C充电。当TH=uC≥2/3VCC时，使高触发端TH有效，置0状态，电路自动返回稳态，此时放电管T导通。电路返回稳态后，C通过导通的放电管T放电，使电路迅速恢复到初始状态。2023/5/18322.

集成单稳态触发器用集成门电路构成的单稳态触发器虽然电路简单，但输出脉冲宽度的稳定性较差，调节范围小，而且触发方式单一。因此实际应用中常采用集成单稳态触发器。1.输入脉冲触发方式上升沿触发下降沿触发

2023/5/18332.不可重复触发型与可重复触发型

图（a）为不可重复型触发单稳态触发器该电路在触发进入暂稳态期间如再次受到触发，对原暂稳态时间没有影响，输出脉冲宽度tw仍从第一次触发开始计算。

图（b）为可重复触发型单稳态触发器该电路在触发进入暂稳态期间如再次被触发，则输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽tw。

因此，采用可重复触发单稳态触发器时能比较方便地得到持续时间更长的输出脉冲宽度。2023/5/18343.TTL集成单稳态触发器电路74121的功能及其应用

74121是一种不可重复触发的单稳态触发器，它既可采用上升沿触发，又可采用下降沿触发，其内部还设有定时电阻Rint(约为2kΩ)。

表6-174121电路的功能表

图7-13

74121的电路符号触发输入端输出端外接定时元件引脚内部电阻引脚2023/5/1835功能：

（1）触发方式：

2023/5/1836图8-1474121应用电路（2）定时元件接法：输出脉冲uO的宽度：tw≈0.7RCext外接电容Cext一般取值范围为10pF～10μF，在要求不高的情况下最大值可达1000μF。图(a)：外接电阻R=Rext（1.4~40kΩ）。图(b)：用内部电阻R＝Rint(约为2kΩ)。2023/5/18373.

单稳态触发器的应用1.脉冲延时单稳态触发器的主要应用是整形、定时和延时。图7-15单稳电路的延时作用

如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳电路来实现。uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间。2023/5/18382.脉冲定时单稳态触发器能够产生一定宽度tw的矩形脉冲，利用这个脉冲去控制某一电路，则可使它在tw时间内动作(或者不动作)。

图7-16脉冲定时2023/5/1839图7-17定时电路

例1：定时单稳态触发器可以构成定时电路；与继电器或驱动放大电路配合，可实现自动控制、定时开关的功能，一个典型定时电路如图8.17所示。2023/5/1840

当电路接通+6V电源后，经过一段时间进入稳定状态，定时器输出OUT为低电平，继电器KA（当继电器无电流通过时，常开接点处于断路状态）无通过电流，故形不成导电回路，灯泡HL不亮。当按下按钮SB时，低电平触发端TR（外部信号输入端Ui）由接+6V电源变为接地，相当于输入一个负脉冲，使电路由稳定状态转入暂稳状态，输出OUT为高电平，继电器KA通过电流，使常开接点闭合，形成导电回路，灯泡HL发亮；暂稳定状态的出现时刻是由按钮SB何时按下决定的，它的持续时间tW（也是灯亮时间）则是由电路参数决定，若改变电路中的电阻RW或C，均可改变tW。2023/5/1841

典型延时电路如图6.11所示，与定时电路相比，其电路的主要区别是电阻和电容连接的位置不同。电路中的继电器KA为常断继电器，二极管D的作用是限幅保护。当开关SA闭合，直流电源接通，555定时器开始工作，若电容初始电压为零，因电容两端电压不能突变，而UDD=UC+UR，所以UTH==UR=UDD-UC=UDD，OUT=“0”，继电器常开接点保持断开；同时电源开始向电容充电，电容两端电压不断上升，而电阻两端电压对应下降，当

UC≥，2023/5/1842图7-18延时电路

即UTH==UR≤时，OUT=“1”，继电器常开接点闭合；电容充电至UC=UDD时结束，此时电阻两端电压为零，电路输出OUT保持为“1”，从开关SA按下到继电器KA闭合这段时间称为延时时间。2023/5/1843

2)分频当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳状态，在此脉冲以后时间tW内，如果再输入其他触发脉冲，则对触发器的状态不再起作用；只有当触发器处于稳定状态时，输入的触发脉冲才起作用，分频电路正是利用这个特性将高频率信号变换为低频率信号，电路如图8.19所示。2023/5/1844图7-19分频电路2023/5/1845

1．多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。

2．通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，无需外触发。

3．输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的谐波分量，故称作多谐振荡器。7.4多谐振荡器

2023/5/18461.555构成多谐振荡器

设计思想：是无稳态电路，两个暂稳态不断地交替。利用放电管T作为一个受控电子开关，使电容充电、放电而改变TH=TR，则交替置0、置1。

图7-20555定时器构成的多谐振荡器（a）电路（b）工作波形电容C充电τ充=(R1+R2)C电容C放电τ放=R2C振荡器输出脉冲uO的工作周期为：

T≈0.7(R1+2R2)C2023/5/1847

2.改进电路图8.20（a）所示电路只能产生占空比大于0.5的矩形波，而图8.21所示电路可以产生占空比处于0和1之间的矩形波。这是因为它的充放电的路径不同，图7-21可调占空比的多谐振荡器2023/5/18482.

石英晶体振荡器前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC参数误差的影响。而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号频率不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。2023/5/1849石英晶体的阻抗频率特性图

石英晶体具有很好的选频特性。当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率fo相同时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易通过，而其它频率的信号则被衰减掉。2023/5/1850因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率fo，而与RC无关。图7-27石英晶体振荡器电路在对称式多谐振荡器的基础上，串接一块石英晶体，就可以构成一个石英晶体振荡器电路。该电路将产生稳定度极高的矩形脉冲，其振荡频率由石英晶体的串联谐振频率fo决定。

2023/5/1851目前，家用电子钟几乎都采用具有石英晶体振荡器的矩形波发生器。由于它的频率稳定度很高，所以走时很准。通常选用振荡频率为32768HZ的石英晶体谐振器，因为32768＝215，将32768HZ经过15次二分频，即可得到1HZ的时钟脉冲作为计时标准。2023/5/18526.5555定时器的应用例1：用双CC7555组成间歇振荡器

方法：低频振荡器输出控制高频振荡器。

2023/5/1853例2：温度、亮度报警器：

原理:

在给定的温度(或亮度)范围内,晶体管截止,输出低电平(射极跟随),利用4脚复位端,使555所组成的多谐振荡器停止工作。