《数字逻辑简明教程》课件第6章

第六章脉冲波形的产生与变换6.1概述6.2555定时电路6.3单稳态电路6.4多谐振荡器6.5施密特电路 6.1概述

在电路基础课程中我们知道，含有惰性元件C或L的电路存在暂态过程，即有充放电现象。脉冲波形就是利用惰性电路的充放电而形成的。由于RC电路用得较多，下面就以RC惰性电路为例讲述脉冲波形产生机理。我们用控制开关位置及时间常数RC的方法，即可得到不同的脉冲波形。如图6－1(a)所示，当时间常数RC远小于开关转换时间TS时，便组成微分电路，在电阻上可获得窄脉冲输出。图6－1(b)组成积分电路。当RC<<TS时，在电容上可得到矩形波；当RC>>TS时，在电容上又可得到线性扫描的波形。图6－1

RC暂态电路波形

由图6－1可看出，脉冲形成电路的组成应有两大部分：惰性电路和开关。开关是用来破坏稳态，使惰性电路产生暂态的。开关可用不同的电子器件来完成，如可用运算放大器，分立器件晶体三极管或场效应管，也可以用逻辑门。目前用得较多的是555定时电路。

惰性电路产生的暂态过程，对一阶问题而言，可用三要素法来描述，获得电压或电流随时间变化的方程，该方程是脉冲波形计算的重要依据。三要素即起始值X(0+)、趋向值

X(∞)和时间常数τ。若三要素已知，则得方程或本章只讲述555定时电路所构成的脉冲电路，至于其他器件构成的脉冲电路，请读者参阅有关参考书。

6.2

555定时电路

6.2.1基本组成

555集成电路主要由3个5kΩ电阻组成的分压器、两个高精度电压比较器、一个基本RS触发器、一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成，其结构框图如图6－2所示。图6－2CC7555集成定时电路

(a)逻辑图;

(b)符号表示

1.分压器

分压器由3个5kΩ电阻R组成，它为两个电压比较器提供基准电平。当5脚悬空时，电压比较器A的基准电平为2／3UDD，比较器B的基准电平为1／3UDD。改变5脚的接法可改变比较器A、B的基准电平，如5脚通过电阻10kΩ接地，则基准电平分别为和。5脚也可另接小于等于UDD的电源，如采用和，则5脚通过一个0.01～0.1μF的电容接地，以防干扰信号影响5脚电压值。

2.比较器

比较器A、B是两个结构完全相同的高精度电压比较器。A的输入端为引脚6高触发端，当时，A端输出为高电平，即逻辑“1”；当时，A输出为低电平，即逻辑“0”。B的输入端为引脚2低触发端，当时，B输出为低电平，即逻辑“0”；当时，B输出为高电平，即逻辑“1”。A、B的输出直接控制基本RS触发器的动作。

3.基本RS触发器

RS触发器由两个或非门组成，它的状态由两个比较器输出控制，根据基本RS触发器的工作原理，就可以决定触发器输出端的状态。

从图6－2可看到,UA=0，UB=0，触发器处于维持态；UA=1，UB=0，触发器为置“0”态，Q=0，Q=1；UA=0，UB=1，触发器为置“1”态；UA=1，UB=1，此时Q=Q=0,破坏了触发器的功能，正常使用555定时器时，不允许出现这种情况。

R是专门设置的可从外部进行置“0”的复位端，当R=0时，经反相后将或非门封锁，输出为0，使Q=0，输出uO=0。

4.开关放电管和输出缓冲级

放电管V是N沟道增强型的MOS管，其控制栅为0电平时截止，为1电平时导通。

两级反相器构成输出缓冲级，反相器的设计考虑了有较大的电流驱动能力，一般可驱动两个TTL门电路。同时，输出级还起隔离负载对定时器影响的作用。6.2.2工作原理及功能表

综上所述，我们根据图6－2所示电路结构图可以很容易得到CC7555定时器的功能表，如表6－1所示。表6－1

555定时器功能表CC7555定时器电路具有静态电流较小(80μA左右)，输入阻抗极高(输入电流仅为0.1μA左右)，电源电压范围较宽(在3~18V内均正常工作)等特点。其最大功耗为300mW。和所有CMOS集成电路一样，在使用时，输入电压uI应确保在安全范围之内，即满足下式条件：

555定时电路除了CMOS型之外，还有TTL型，如5G555(NE555)。它的工作原理与CC7555没有本质区别，但其驱动电流可达200mA。 6.3单稳态电路

6.3.1电路组成

图6－3(a)是用CC7555构成的单稳态电路，图6－3(b)是其工作波形。图中R、C为外接定时元件，输入触发信号uI加至低触发TR端，由OUT端给出输出信号，控制端CO不用时一般均通过0.01μF接地，以防干扰。图6－3

CC7555构成的单稳态电路6.3.2工作原理及波形计算

静止期：触发信号uI处于高电平，电路处于稳态，根据555工作原理知道uO为低电平，放电管V导通，定时电容C两端电压uC=0。

工作期：外界触发信号uI加进来，要求为负脉冲且低电平应小于，由表6－1知，输出uO为高电平，且放电管截止，电源UDD通过定时电阻R对定时电容充电。这是一个暂态问题，只要写出三要素即可。三要素如下：根据表6－1的功能表知，电路处于维持状态，uC不可能充至UDD,当uC充至大于，但小于时，uO=高电平，放电管仍处于截止状态，电容继续充电。当时，uO=0，放电管导通，电容通过放电管很快放电，进入恢复期。由于外界触发脉冲加了进来，电路uO由低电平变为高电平到再次变为低电平这段时间就是暂稳态时间。暂稳态时间TW计算如下：显然，改变定时元件R或C即可改变延迟时间TW；通过改变比较器的参考电压也可改变TW

。在5脚CO端外接电源或电阻即可改变比较器A、B的参考电压。

为了使电路能正常工作，要求外加触发脉冲的宽度TIW小于TW，且负脉冲的数值一定要低于。为此，常在输入信号uI和触发电路之间加一微分电路，如图6－4所示。图6－4具有微分环节的单稳态电路

恢复期：当放电管V导通时，定时电容C通过放电管迅速放电，即进入恢复期，恢复到静止期状态。恢复期TR由下式决定：其中rd为放电管导通时呈现的电阻，一般R>>rd，所以恢复期很短。利用单稳态触发器我们也可以获得线性锯齿波。由上述工作原理和输出波形可看出，在电容C两端可得到按指数规律上升的电压，为获得线性锯齿波，只要对电容C恒流充电即可。故用恒流源代替R即可组成线性锯齿波电路。

图6－5(a)为线性锯齿波电路，其中晶体三极管V及电阻Re、Rb1、Rb2组成恒流源，给定时电容提供恒定的充电电流。电容两端电压随时间线性增长其中,I0为恒定电流。电路工作波形如图6－5(b)所示。实际中为了防止负载对定时电路的影响，uC输出常常通过射极输出器输出。图6－5线性锯齿波电路

外接电阻R的范围为2kΩ~20MΩ，定时电容C为100pF~1000μF，因此其单稳态电路的延迟时间TW可由几微秒到几小时，精度可达0.1%。当然还可以增大R、C之值，使延时再增大，但这将导致精度变低。

单稳态电路的主要应用是定时、延时(对输入uI的下降沿而言)和波形变换。 6.4多谐振荡器

多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源后，不需要外加触发信号，电路状态能够自动地不断变换，产生矩形波的输出。由于矩形波中的谐波分量很多，因此这种振荡器

冠以“多谐”二字。

在数字电路中，为了定量地描述多谐振荡器所产生的矩形脉冲波形的特性，经常使用如图6－6所示的5个指标，即:

脉冲周期T：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲的时间间隔。有时也用频率f=1/T表示，f表示单位时间里脉冲重复的次数。脉冲幅度Um：脉冲电压的最大变化幅度。

脉冲宽度TW：从脉冲前沿上升到0.5Um起，到脉冲后沿下降到0.5Um止的一段时间。

上升时间tr:脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。

下降时间tf:脉冲后沿从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。

利用上述指标，就可以大体上把一个矩形脉冲的基本特性表示清楚了。图6－6描述矩形脉冲特性的指标6.4.1电路组成

图6－7(a)给出用CC7555构成的多谐振荡器。由图可见，除将高电平触发端TH和低电平触发端TR短接外，在放电回路中还串接一个电阻R2。电路中R1、R2、C均是定时元件。图6－7(b)为工作波形。图6－7自由多谐振荡器电路及工作波形6.4.2工作原理及波形计算

自由多谐振荡器不具有稳态，只具有两个暂稳态，暂稳态的时间长短由电路的定时元件确定，电路工作就在两个暂稳态之间来回转换。其具体工作过程如下：

由于接通电源前，电容器两端电压uC=0，电源刚接通时,

uO为高电平，放电管V处于截止状态。电源电压通过R1、R2对C充电，其暂态过程为电路处于维持原状态，电容C不可能充至UDD。过程如下：

当时，但当时，输出uO为低电平，放电管V导通，这段时间我们称为第一暂稳态期。

放电管V导通时，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二暂稳态期，放电过程为由于比较器A、B的存在，电容器不可能放电至0。当电容放电时，电路处于维持状态，输出也不变；但当C继续放电,时，输出uO为高电平，放电管截止，UDD再次对电容充电。如此反复，可输出矩形波形。该电路的振荡周期计算如下：而T1和T2分别为T=T1+T2

所以T=(R1+2R2)·Cln2=0.7(R1+2R2)C

输出矩形的频率f=1/T。显然，改变R1、R2和C值即可改变振荡频率。我们也可通过改变5脚电压U5来改变比较器A、B的参考电压，从而达到改变振荡频率的目的。在实际中常常需要调节T1和T2。这样就引进了占空比的概念：占空比D为图6－8占空比可调振荡器可利用自由多谐振荡器组成模拟声响电路。如图6－9(a)所示，A、B两个555电路均为多谐振荡器。如调节振荡器A振荡频率fA=1Hz，振荡器B振荡频率fB=1kHz,由于A输出接至B的R端，故只有uO1输出为高电平时，B振荡器才振荡，uO1输出为0时，B停止振荡，使扬声器发出1kHz的间歇声响。如将uO1改接至5脚，则B将产生两种频率的信号。当uO1为高电平时，uO2为较低频率信号；当uO1为低电平时，uO2为较高频率信号。这样会产生类似救护车的双频音响电路。如由振荡器A的6脚引出电容充放电波形(类似线性扫描波形)，通过运算放大器接至振荡器B的5脚，如图6－9(b)所示，则uO2波形的频率是变化的，将产生类似警车的音响效果。图6－9模拟声响电路 6.5施密特电路

6.5.1电路组成

将555时基电路2、6端连接，即构成施密特电路，如图6－10(a)所示。图6－10施密特电路6.5.2工作原理

当时，输出uO为高电平；