《數(shù)字電路與邏輯設(shè)計》第7章

1、第七章 脈沖信號的產(chǎn)生和變換 7.1 概述 圖 7.1.1 常見脈沖波形(a) 矩形波(b)鋸齒波(c)三角波(d) 微分波 脈沖是脈動和短促的意思，脈沖信號是指在短暫的時間內(nèi)出現(xiàn)的電壓或電流信號。廣義講，各種非正弦信號都是脈沖信號。tr0.9Um0.5Um0.1UmtftWTUm1.脈沖幅度 Um 2.上升時間 tr 3.下降時間 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，如觸發(fā)器的時鐘脈沖（CP）。獲取這些脈沖信號的方法通常有兩種： 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多用途的定時電路555定時器實現(xiàn)。7.2 集成定時器 555定時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)品型號最后數(shù)碼為555，CMOS型產(chǎn)品型號最后數(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定時器的內(nèi)部電路包括以下幾部分 ：（1） 一個由三個相等電阻組成的分壓器;（2）兩個電壓比較器: C1、C2 ;（3）一個 基本SR 觸發(fā)器;（4）一個晶體管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， ， ；5腳外接控制電壓UCO時， 。注：當5腳不加控制電壓時，通常經(jīng)過一個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，Ci1；U+U-時，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是一個集電極開路的放

4、電三極管。當Q=0Q1時，T導(dǎo)通, 相當于開關(guān)閉合，7端口對地短接。當Q=1Q0 時，T截止, 相當于開關(guān)斷開，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RD=0時，Q=0，T導(dǎo)通 2.當RD=1時 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定時器功能表多諧振蕩器是一種常用的脈沖信號產(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，便能自動產(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、具有兩個暫穩(wěn)態(tài)；7.

6、3 555定時器應(yīng)用 一、自激多諧振蕩器 自動觸發(fā)自動返回暫穩(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：；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定時器設(shè)計一個振蕩周期為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簡易電子琴電路圖簡易電子琴就是通過改變RB 的阻值來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整形電路。1、工作特性：OuIuOUOHUOLuI 增大時與上限閾值比特點:uI 減小時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(b)施密特緩沖器的電壓傳輸特性與符號uOHLOUT-UT+uIuOuIUT+UT-HLOuO 具有兩個穩(wěn)態(tài)； 屬于電平觸發(fā)，緩慢變化的信號也可以作為輸入信號

8、，當輸入信號達到某一特定值時，輸出電平就發(fā)生突變； 輸入信號從低電平上升時，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平，與輸入信號從高電平下降時對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。工作特點：2.由555定時器構(gòu)成的施密特反相器 O(b) 特性uOuI圖7.3.4 555定時器構(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變換成邊沿陡峭的矩形脈沖信號。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來控制的。tt(c) 鑒幅uIuOOO 從一系列幅度不同的脈沖信號中選出幅度大于正向閾值電壓U+的輸入脈沖， 即對幅度進行鑒別。 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，簡稱單穩(wěn)。由外界觸發(fā)自動返回穩(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)維持一段時間以后，電路能自動返回穩(wěn)態(tài)； 暫穩(wěn)態(tài)不能長久保持，其維持時間的長短取決于電路自身參數(shù)，與外界觸發(fā)脈沖無關(guān)。一、555定

10、時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器48762315uCCuouIRUCC0.01F5555腳經(jīng)過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)脈沖下降沿到達時 （ ），電路進入暫穩(wěn)態(tài)，uO1。 當 時，uO0，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。1.工作原理 穩(wěn)態(tài)： 無觸發(fā)信號時，uI為高電平。電容先充電后放電， 當uC0時，電路進入穩(wěn)態(tài)：uO0。48762315uCCuouIRUCC0.01F555TuI13UCC0uo0tWTWuC023UCCtttUCC48762315uCCuouIRUCC0.01F555波形圖 電路對輸入觸發(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，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)的停留時間，即電容C的電壓從0充電到 所需的時間。根據(jù)電容C的充電過程可知： 上式說明：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tW僅決定于定時元件R、C的取值，且成正比關(guān)系，而與輸入觸發(fā)信號和電源電壓無關(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uI，整形為具有一定幅度和一定寬度的標準矩形脈沖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決定于定時元件R和C。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的整形波形2.脈沖延時 脈沖延時電路一般要用兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器完成。延時時間為tW1，它決定于第一級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的