《數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)》第7章

1、第七章 脈沖信號(hào)的產(chǎn)生和變換 7.1 概述 圖 7.1.1 常見(jiàn)脈沖波形(a) 矩形波(b)鋸齒波(c)三角波(d) 微分波 脈沖是脈動(dòng)和短促的意思，脈沖信號(hào)是指在短暫的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的電壓或電流信號(hào)。廣義講，各種非正弦信號(hào)都是脈沖信號(hào)。tr0.9Um0.5Um0.1UmtftWTUm1.脈沖幅度 Um 2.上升時(shí)間 tr 3.下降時(shí)間 tf 4.脈沖寬度 tw 5.脈沖周期T 6.脈沖頻率 f=1/T 7.占空比 q=tw/T 在數(shù)字系統(tǒng)中常常需要用到各種幅度、寬度以及具有陡峭邊沿的矩形脈沖信號(hào)，如觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖（CP）。獲取這些脈沖信號(hào)的方法通常有兩種： 脈沖產(chǎn)生電路直接產(chǎn)生，如多諧振蕩器；

2、 利用已有的周期信號(hào)整形、變換得到。如單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器；以上電路都可以通過(guò)多用途的定時(shí)電路555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)。7.2 集成定時(shí)器 555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字模擬混合集成電路，可以方便地構(gòu)成多諧振蕩器，施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 雙極型產(chǎn)品型號(hào)最后數(shù)碼為555，CMOS型產(chǎn)品型號(hào)最后數(shù)碼為7555。其功能和外部引腳排列完全相同。12348765地2oRDUCC放電端6UCO555uuu5555定時(shí)器的內(nèi)部電路包括以下幾部分 ：（1） 一個(gè)由三個(gè)相等電阻組成的分壓器;（2）兩個(gè)電壓比較器: C1、C2 ;（3）一個(gè) 基本SR 觸發(fā)器;（4）一個(gè)晶體管T。高觸發(fā)輸入端（閾值輸入）控制電

3、壓輸入端低觸發(fā)輸入端（觸發(fā)輸入）直接置0端輸出端放電端結(jié)構(gòu)原理圖1.分壓器5腳懸空時(shí)， ， ；5腳外接控制電壓UCO時(shí)， 。注：當(dāng)5腳不加控制電壓時(shí)，通常經(jīng)過(guò)一個(gè)0.01F的電容接地，以抑制干擾。高觸發(fā)輸入端（閾值輸入）控制電壓輸入端低觸發(fā)輸入端（觸發(fā)輸入）直接置0端輸出端放電端結(jié)構(gòu)原理圖控制電壓輸入端2.電壓比較器U+U-時(shí)，Ci1；U+U-時(shí)，Ci0。 R SQn+10 00 11 01 1高觸發(fā)輸入端（閾值輸入）控制電壓輸入端低觸發(fā)輸入端（觸發(fā)輸入）直接置0端輸出端放電端結(jié)構(gòu)原理圖高觸發(fā)輸入端低觸發(fā)輸入端異步清零端3.基本RS觸發(fā)器Qn+1Qn10不定4.放電三極管T是一個(gè)集電極開(kāi)路的放

4、電三極管。當(dāng)Q=0Q1時(shí)，T導(dǎo)通, 相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合，7端口對(duì)地短接。當(dāng)Q=1Q0 時(shí)，T截止, 相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，7端口懸空。 高觸發(fā)輸入端（閾值輸入）控制電壓輸入端低觸發(fā)輸入端（觸發(fā)輸入）直接置0端輸出端放電端結(jié)構(gòu)原理圖Q7高觸發(fā)輸入端（閾值輸入）控制電壓輸入端低觸發(fā)輸入端（觸發(fā)輸入）直接置0端輸出端放電端結(jié)構(gòu)原理圖二、功能分析 Q=1，T截止 1.當(dāng)RD=0時(shí)，Q=0，T導(dǎo)通 2.當(dāng)RD=1時(shí) S=1，R=0高觸發(fā)輸入端（閾值輸入）控制電壓輸入端低觸發(fā)輸入端（觸發(fā)輸入）直接置0端輸出端放電端結(jié)構(gòu)原理圖二、功能分析 Q、T保持 S=0，R=0高觸發(fā)輸入端（閾值輸入）控制電壓輸入端低觸發(fā)輸入端（

5、觸發(fā)輸入）直接置0端輸出端放電端結(jié)構(gòu)原理圖二、功能分析 Q=0，T導(dǎo)通 S=0，R=1二、功能分析 不允許 高觸發(fā)輸入端（閾值輸入）控制電壓輸入端低觸發(fā)輸入端（觸發(fā)輸入）直接置0端輸出端放電端結(jié)構(gòu)原理圖S=1，R=1RD(4端)低觸發(fā)輸入TR(u2)高觸發(fā)輸入TH(u6)SRFFS R輸出Q(u3)放電端DIS(7端)0 0導(dǎo)通11 01截止10 0不變不變10 10導(dǎo)通11 1表 7.2.1 555定時(shí)器功能表多諧振蕩器是一種常用的脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路。工作特性：1、自激在接通電源后，不需外加觸發(fā)信號(hào)，便能自動(dòng)產(chǎn)生矩形脈沖；2、多諧矩形波中除基波外，還含有豐富的高次諧波。3、具有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)；7.

6、3 555定時(shí)器應(yīng)用 一、自激多諧振蕩器 自動(dòng)觸發(fā)自動(dòng)返回暫穩(wěn)態(tài)0暫穩(wěn)態(tài)1暫穩(wěn)態(tài)0工作原理 剛接通電源時(shí)：；第一暫穩(wěn)態(tài) tVCCuC00tuO7充電階段：；第一暫穩(wěn)態(tài) ；第二暫穩(wěn)態(tài) tVCCuC00t1t2uO放電階段：；第二暫穩(wěn)態(tài) ；第一暫穩(wěn)態(tài) tVCCuCOOtt1t2t3uOTPHTPLt5tVCCuCOOtt1t2t3t4uO3.矩形波參數(shù) TPHTPLt5tVCCuCOOtt1t2t3t4uO4.占空比可變的多諧振蕩器 圖7.3.2 占空比可調(diào)的多諧振蕩器例 試用555定時(shí)器設(shè)計(jì)一個(gè)振蕩周期為1秒，輸出脈沖占空比q=2/3的多諧振蕩器。（取C=10F） 解： 由于C=10F， 電路圖

7、如下所示。 48162357RAC555uoVCCRB1RB8S8S1簡(jiǎn)易電子琴電路圖簡(jiǎn)易電子琴就是通過(guò)改變RB 的阻值來(lái)改變輸出方波的周期 , 使外接的喇叭發(fā)出不同的音調(diào) 。7.3.2施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種常用的脈沖信號(hào)整形電路。1、工作特性：OuIuOUOHUOLuI 增大時(shí)與上限閾值比特點(diǎn):uI 減小時(shí)與下限閾值比上限閾值電壓主要靜態(tài)參數(shù)回差電壓下限閾值電壓回差電壓UT = UT+ UT(a)施密特反相器的電壓傳輸特性與符號(hào)(b)施密特緩沖器的電壓傳輸特性與符號(hào)uOHLOUT-UT+uIuOuIUT+UT-HLOuO 具有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)； 屬于電平觸發(fā)，緩慢變化的信號(hào)也可以作為輸入信號(hào)

8、，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到某一特定值時(shí)，輸出電平就發(fā)生突變； 輸入信號(hào)從低電平上升時(shí)，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與輸入信號(hào)從高電平下降時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。工作特點(diǎn)：2.由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特反相器 O(b) 特性u(píng)OuI圖7.3.4 555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器(a) 電路施密特反相器和普通反相器的比較AY1普通反相器uAUTHuY?TTL：1.4 VCMOS：施密特反相器AYuAUT+UT上限閾值電壓下限閾值電壓uY回差電壓：ttuOuIOO(a)波形變換uIuO3.施密特觸發(fā)器典型應(yīng)用 施密特觸發(fā)器可以將邊沿變化緩慢的周期性信號(hào)變換成邊沿陡峭的矩形脈沖信號(hào)。tt(b) 整形uIuOO

9、O 施密特觸發(fā)器可以將不規(guī)則的波形整形為矩形波。若適當(dāng)增大回差電壓，可提高電路的抗干擾能力?；夭铍妷菏怯?腳接入的控制電壓UCO來(lái)控制的。tt(c) 鑒幅uIuOOO 從一系列幅度不同的脈沖信號(hào)中選出幅度大于正向閾值電壓U+的輸入脈沖， 即對(duì)幅度進(jìn)行鑒別。 7.3.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是又一種脈沖整形電路，簡(jiǎn)稱單穩(wěn)。由外界觸發(fā)自動(dòng)返回穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)暫穩(wěn)態(tài)恢復(fù)期工作特性： 它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)不同的工作狀態(tài)； 在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間以后，電路能自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)； 暫穩(wěn)態(tài)不能長(zhǎng)久保持，其維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路自身參數(shù)，與外界觸發(fā)脈沖無(wú)關(guān)。一、555定

10、時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器48762315uCCuouIRUCC0.01F5555腳經(jīng)過(guò)0.01F電容接地，則 ， ?；謴?fù)期： VT導(dǎo)通，電容C迅速放電，直到使uC0，電路又恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)：u2觸發(fā)脈沖下降沿到達(dá)時(shí) （ ），電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，uO1。 當(dāng) 時(shí)，uO0，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。1.工作原理 穩(wěn)態(tài)： 無(wú)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，uI為高電平。電容先充電后放電， 當(dāng)uC0時(shí)，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)：uO0。48762315uCCuouIRUCC0.01F555TuI13UCC0uo0tWTWuC023UCCtttUCC48762315uCCuouIRUCC0.01F555波形圖 電路對(duì)輸入觸發(fā)脈沖的寬度有一定要求，它必須

11、小于tW。若輸入觸發(fā)脈沖寬度大于tW時(shí)，應(yīng)在u2輸入端加入微分電路。 因此可得 2.輸出脈沖寬度tW 輸出脈沖寬度tW是暫穩(wěn)態(tài)的停留時(shí)間，即電容C的電壓從0充電到 所需的時(shí)間。根據(jù)電容C的充電過(guò)程可知： 上式說(shuō)明：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tW僅決定于定時(shí)元件R、C的取值，且成正比關(guān)系，而與輸入觸發(fā)信號(hào)和電源電壓無(wú)關(guān)，因此調(diào)節(jié)R、C的大小，即可方便地改變tW。矩形脈沖的周期與輸入的觸發(fā)信號(hào)周期相同。二、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用1.脈沖整形IutWOu 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠把輸入的不規(guī)則脈沖信號(hào)uI，整形為具有一定幅度和一定寬度的標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖uO。uO的幅度取決于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的高、低電平，寬度tW決定于定時(shí)元件R和C。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的整形波形2.脈沖延時(shí) 脈沖延時(shí)電路一般要用兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器完成。延時(shí)時(shí)間為tW1，它決定于第一級(jí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的