第6章脈沖信號的產(chǎn)生與變換

1、第第6章章 脈沖信號的產(chǎn)生與變換脈沖信號的產(chǎn)生與變換6.1 概述概述6.2 555定時器定時器6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（Monostable Multivibrator）6.4 施密特觸發(fā)器（施密特觸發(fā)器（Schmitt trigger）6.5 多諧振蕩器（多諧振蕩器（Multividrator）6.1 概述概述v數(shù)字電路中的信號大多數(shù)是矩形脈沖信號。將在較短時間間隔內(nèi)作用于電路的電壓或電流信號，稱為脈沖信號。這個時間間隔可以和電路過渡過程持續(xù)時間（35）相比擬。v數(shù)字電路中常見的脈沖信號波形 如下 v上圖中所示的矩形脈沖信號波形是理想的，即波形的上升沿與下降沿均是跳變的且波形幅度保

2、持不變，一直保持幅度為。而實際的矩形脈沖信號波形無理想跳變、頂部也不平坦。 具體波形如下v為衡量實際矩形脈沖信號的優(yōu)劣，經(jīng)常使用以下參數(shù)對其進行描述。 1.脈沖幅度 2.上升時間（Rise Time） 3.下降時間（Fall Time） 4.脈沖寬度 5.脈沖周期T 6.脈寬比，也稱為占空比。 數(shù)字電路中，獲得矩形脈沖信號的方法主要有兩種：一種是利用各種形式的多諧振蕩電路，直接產(chǎn)生所需要的周期性矩形脈沖信號；另一種是利用脈沖信號的變換電路，將現(xiàn)有的脈沖信號變換成所需要的矩形脈沖信號。在這種方法中，電路本身不產(chǎn)生脈沖信號，而僅僅起脈沖波形的變換作用。 6.2 555定時器定時器v6.2.1 55

3、5電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) 555電路的邏輯圖、外引線功能圖、內(nèi)部等效電路圖如下電路的邏輯圖、外引線功能圖、內(nèi)部等效電路圖如下 v555電路主要由以下幾部分構(gòu)成： 1.一個RS觸發(fā)器 2.兩個電壓比較電路 3.放電開關(guān)與反相輸出6.2.2 555定時器功能描述定時器功能描述555集成電路端口介紹集成電路端口介紹 管腳 表示方法 作用2觸發(fā)輸入端 決定電壓比較器C2的反相輸入電壓 5電壓控制端CO 決定電壓比較器C1的反相輸入電壓 6閾值輸入端TH 決定電壓比較器C1的同相輸入電壓7放電端口D 作為VT的集電極開路輸出，并提供放電通路 TR 555定時器功能表定時器功能表 閾值電壓TH 觸發(fā)輸入 復(fù)位

4、放電管VT 輸出OUT 0導(dǎo)通01導(dǎo)通01原狀態(tài)原狀態(tài)1截止1CC32VCC31VCC32VCC31VCC31V6.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（Monostable Multivibrator）v單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是具有一個穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器。它具有兩種狀態(tài)：一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。 v電路暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間的長短，與外加觸發(fā)脈沖信號的寬度沒有關(guān)系，僅取決于電路本身定時元件的參數(shù)值。 v單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以由分立元件構(gòu)成；也可以通過門電路和RC元件構(gòu)成；或通過集成單穩(wěn)態(tài)電路外接RC元件來實現(xiàn)；也可以使用555定時器電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其中，RC元件組成的電路部分稱為定時電路，由電容的充放電時間決定單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

5、暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間的長短。v根據(jù)RC電路連接方式的不同，單穩(wěn)態(tài)電路分為微分型單穩(wěn)和積分型單穩(wěn)。v若根據(jù)電路及工作狀態(tài)的不同，單穩(wěn)態(tài)電路又分為非可重觸發(fā)電路和可重觸發(fā)電路兩種。6.3.1 555電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器v電路接通后，觸發(fā)輸入信號為高電平（ ），這時沒有有效觸發(fā)輸入信號，電路工作于穩(wěn)態(tài)。v觸發(fā)輸入信號 由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。v隨著放電管VT的導(dǎo)通，電路恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。 CCV31iv6.3.2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器v集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有溫度特性好、抗干擾能力強、電源穩(wěn)定性好、輸出脈寬調(diào)節(jié)范圍大、外圍元件少等優(yōu)點。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為兩大類：可重觸發(fā)

6、單穩(wěn)電路和不可重觸發(fā)單穩(wěn)電路。 v1.電路介紹 74121是一種典型的TTL集成不可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74121功能表功能表 輸入輸出A1A2BQ0101010100111011111100Qv該電路觸發(fā)方式可以概括為以下三種： 在A1或A2端使用觸發(fā)脈沖信號的下降沿觸發(fā)。此時，另外兩個觸發(fā)輸入端必須為高電平；在A1、A2端同時使用觸發(fā)脈沖信號的下降沿觸發(fā)。要求B端為高電平；在B端用觸發(fā)脈沖信號的上升沿觸發(fā)，且A1、A2所加信號中至少有一個是低電平。74121的工作波形如下：v2.電路連接方式電路連接方式 74121的輸出脈沖寬度取決于電路中定時元件RC值。根據(jù)想要獲得脈沖寬度的不同，可以外

7、接定時電阻，以獲得較寬輸出脈沖信號；也可以使用電路內(nèi)部固定的定時電阻。如下圖所示。 6.3.3 單穩(wěn)態(tài)電路的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)電路的應(yīng)用v1.脈沖信號整形v2.脈沖信號延時v3.脈沖信號定時6.3.4 門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路v利用門電路和RC定時元件構(gòu)成的。根據(jù)RC元件的接法不同，可以分為微分型與積分型兩類。 6.4 施密特觸發(fā)器（施密特觸發(fā)器（Schmitt trigger）v6.4.1 555電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器工作過程v電路接通電源后，由于TH ， ，放電管VT截止，觸發(fā)器置1，電路輸出高電平。v隨著輸入電壓vi的上升，當(dāng)輸入電壓在 vi 時，VT導(dǎo)通，觸發(fā)器置0，電路輸出

8、變?yōu)榈碗娖?，狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。v隨著輸入電壓的變化，在其由高電平向下變化的過程中， 當(dāng) vi 時，電路維持原態(tài)，仍然輸出低電平。v隨輸入電壓下降，當(dāng) vi 時，會引起電路狀態(tài)的變化，將此時的輸入電壓稱為上限觸發(fā)電平，用 表示(也可以稱為正向閾值電壓或高電平閾值電壓)。所以，該電路的 。v輸入電壓由高電平向低電平變化的過程中，當(dāng)vi ，電路狀態(tài)并不發(fā)生變化，只有當(dāng)vi 時，電路的狀態(tài)才會再次發(fā)生變化。將此時的輸入電壓稱為下限觸發(fā)電平，用 表示(也可以稱為負(fù)向閾值電壓或低電平閾值電壓)。所以，該電路的 。v可見，對施密特觸發(fā)器電路而言，上限觸發(fā)電平不等于下限觸發(fā)電平，即導(dǎo)致電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入信號的

9、值大小不相等。將該電路的 定義為施密特觸發(fā)器電路的回差電壓。施密特觸發(fā)器所具有的 的特性，稱為回差特性或者回滯特性。CCV32TVCCTVV32CCV32CCV31TVCCTVV31TTVVVTVTVv施密特觸發(fā)器電路的電壓傳輸特性曲線，也稱為回差特性曲線，如下圖所示。v帶有施密特觸發(fā)器的反相器和與非門電路符號如下。 6.4.2 集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器v施密特觸發(fā)器應(yīng)用比較廣泛，在數(shù)字集成電路中，多種產(chǎn)品帶有施密特觸發(fā)器。下圖為帶施密特觸發(fā)器的四2輸入與非門電路74LS132。6.4.3 施密特觸發(fā)器的應(yīng)用施密特觸發(fā)器的應(yīng)用v1.波形變換v2.波形整形v3.信號鑒幅v4.構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸

10、發(fā)器6.4.4 門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器v圖（a）為由TTL門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路。v該電路 ； 。其中， 為二極管VD的正向?qū)妷海?為門電路的閾值電壓。所以，該電路的 回差電壓為 。通過改變電阻的值，可 以方便的調(diào)節(jié)回差電壓的大小。圖（b）為利用CMOS反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器。THDTVRRVV)1 (21THTVVDVTHVTHDTTVRRVVVV216.5 多諧振蕩器（多諧振蕩器（Multividrator）v6.5.1 555定時器構(gòu)成多諧振蕩器定時器構(gòu)成多諧振蕩器v電路接通電源后，由于電容C兩端電壓較低，放電管VT截止，555電路輸出高電平，處于第

11、一暫穩(wěn)態(tài)。v隨著電源電壓對C充電的進行，當(dāng) 時，放電管VT導(dǎo)通，觸發(fā)器置0，輸出變?yōu)榈碗娖?，電路進入第二暫穩(wěn)態(tài)。v此時，電容C開始通過電阻 和導(dǎo)通的放電管VT放電，vc下降，當(dāng) 時，觸發(fā)器又被置1，VT重新截止，電路輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，回到第一暫穩(wěn)態(tài)。 又開始對電容C充電，重復(fù)以上過程。v通過上述分析可知，電路穩(wěn)定工作時，兩種暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時間分別是電容C充電和放電持續(xù)的時間。v電容C充電的時間；v電容C放電的時間：v電路輸出矩形脈沖信號的周期為 。CCcVv322RCCcVv31CCVCRRt)(7 . 0211CRt227 . 021ttTv若要輸出方波信號，需要對上述電路進行改進，組成輸出脈

12、沖信號的占空比可以調(diào)整的多諧振蕩器。v555定時器電路構(gòu)成的多諧振蕩器，優(yōu)點是電路簡單，但存在振蕩頻率較低、振蕩頻率穩(wěn)定性不高、容易受到溫度等外界因素的干擾等缺點。而在許多場合對電路振蕩頻率的穩(wěn)定性都有嚴(yán)格的要求，如在數(shù)字時鐘電路中，脈沖基準(zhǔn)信號來源的頻率穩(wěn)定性直接關(guān)系到計時的準(zhǔn)確性。這時就應(yīng)該使用石英晶體多諧振蕩器。 6.5.2 石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器v在一片薄石英晶片的兩側(cè)鍍上兩個電極就可以制成石英晶體諧振器。 v當(dāng)信號頻率f等于石英晶體本身的固有諧振頻率 時，信號容易通過石英晶體，石英晶體阻抗最小。當(dāng) 時，石英晶體呈現(xiàn)感性阻抗； 時，石英晶體呈現(xiàn)容性阻抗。0f0ff 0ff v由CMOS門電路和石英晶體共同組成的石英晶體多諧振蕩器電路如下。v上圖中，反相器G1產(chǎn)生振蕩，G2用于整形，以獲得較理想的矩形脈沖信號。電阻R為反相器G1提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點，電容C1用于頻率微調(diào)，C2為溫度校正電容。v石英晶體振蕩器的優(yōu)點是頻率穩(wěn)定度非常高，一般用于高精度時基的數(shù)字系統(tǒng)中。6.5.3 施密特觸發(fā)器組成的多諧振蕩器施密特觸發(fā)器組成的多諧振蕩器v利用施密特觸發(fā)器特有的電壓回滯特性也可以組成多諧振蕩器。 6.5.4 環(huán)型振蕩器環(huán)型振蕩器v環(huán)形振蕩器利用門電路的傳輸延遲時間，將奇數(shù)個反相器首尾相連而構(gòu)成的。最簡單的環(huán)形振蕩器