數(shù)字電路與邏輯設(shè)計課件：脈沖波形的產(chǎn)生與整形

脈沖波形的產(chǎn)生與整形8.1555定時器及其應(yīng)用8.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器8.3石英晶體振蕩器8.1555定時器及其應(yīng)用8.1.1555定時器的結(jié)構(gòu)與功能(a)內(nèi)部原理圖

(b)外部引腳圖圖8-1-1555定時器原理及引腳圖555定時器內(nèi)部原理圖和外部引腳圖如圖8-1-1（a）、（b）所示。從圖8-1-1（a）可以看出，555定時器由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管四部分電路組成。電阻分壓器由三個5kΩ的電阻構(gòu)成，為兩個比較器C1和C2提供參考電壓UR1和UR2。UR1和UR2由電源端（引腳8）UCC經(jīng)三個5kΩ的電阻分壓得到。當控制電壓輸入端（引腳5）UCO懸空時，UR1=2/3UCC,UR2=1/3UCC，若UCO外接固定電壓，則UR1=UCO,UR2=1/2UCO。比較器C1的輸入端U6

（引腳6）稱高電平觸發(fā)輸入端。當輸入端U6>UR1時，R=0，基本RS觸發(fā)器的清零有效，輸入端U6標記為TH。比較器C2的輸入端U2

（引腳2）稱低電平觸發(fā)輸入端。當輸入端U2>ER2時，S=0，基本RS觸發(fā)器的置1有效，輸入端U2標記為。放電三極管V1的工作過程是：當輸出端（引腳3）UO=0時，V1的基極為高電平，V1飽和集電極與發(fā)射極導通，放電端（引腳7）的電流通過地端（引腳1）放電。當UO=1時，V1的基極為高電平，V1截止集電極與發(fā)射極不導通。RD（引腳4）為異步輸出置0端，當RD端為低電平時，輸出被置0，不置0時RD必須為高電平。555定時器的主要功能取決于兩個比較器輸出對RS觸發(fā)器和放電管V1狀態(tài)的控制。當時，比較器C1輸出為0，C2輸出為1，基本RS觸發(fā)器被置0，V1導通，Uo輸出為低電平0。當時，C1輸出為1，C2

輸出為0，基本RS觸發(fā)器被置1，V1截止，Uo輸出高電平。當時，C1和C2輸出均為1，則基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，因而V1和Uo輸出狀態(tài)也維持不變。表8-1-1555定時器功能表根據(jù)以上分析得到555定時器的功能表如表8-1-1所示。8.1.2555定時器的典型應(yīng)用555定時器的應(yīng)用非常廣泛，它除了構(gòu)成單穩(wěn)、雙穩(wěn)、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器外，還可以構(gòu)成各種定時電路、延時電路、脈寬調(diào)制電路、V/F（電壓/頻率）變換電路和信號發(fā)生器等。本節(jié)主要介紹555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器的基本原理及應(yīng)用。1.施密特觸發(fā)器

1)構(gòu)成施密特觸發(fā)器的工作原理

(a)電路圖；(b)波形圖；(c)電壓傳輸特性圖8-1-2

555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器（也稱遲滯比較器）可以把不規(guī)則的信號整形成比較規(guī)則的數(shù)字脈沖信號。用555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如圖8-1-2（a）所示，圖中U6(TH)和U2(TR)直接連接在一起作為觸發(fā)電平輸入端，0.01μF濾波電容接地濾除參考電壓上的高頻干擾。若在輸入端Ui加三角波，則可在輸出端得到如圖8-1-2（b）所示的矩形脈沖。三角波上升階段的工作過程：當Ui從0開始升高，當Ui<1/3UCC時，RS=10，RS觸發(fā)器置1，故UO=1(UOH)；當時，RS=11，RS觸發(fā)器保持不變，故UO

=1；當時，RS=01，RS觸發(fā)器清0，UO=0(UOL)，電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)UO從1變?yōu)?，此時相應(yīng)的幅值稱之為上觸發(fā)電平U+。三角波下降階段的工作過程：當Ui開始下降，但是時，RS=01，RS觸發(fā)器仍然清0，UO

=0；當Ui繼續(xù)下降到時，由于RS=11，故RS觸發(fā)器保持，UO

=0不變；當Ui下降到時，RS=10，RS觸發(fā)器置1，UO

=1，電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)UO從0變?yōu)?，此時相應(yīng)的幅值稱為下觸發(fā)電平U-。從以上分析可以看出，電路Ui在上升和下降時，輸出端電壓UO翻轉(zhuǎn)時所對應(yīng)的輸入電壓值是不同的，一個為U+，另一個為U-。這是施密特電路所具有的遲滯特性，用回差電壓表示，回差電壓。該電路的電壓傳輸特性如圖8-1-2(c)所示。當電壓控制端（5腳）外加電壓UCO時，調(diào)節(jié)外加的電壓UCO值便可改變回差電壓，一般UCO越高，?U越大，抗干擾能力越強，但相應(yīng)的靈敏度也會降低。2)施密特觸發(fā)器的應(yīng)用①波形整形從圖8-1-2（b）所示波形可見，可以將邊沿變化緩慢的信號或不規(guī)則的模擬電壓波形變換成數(shù)字脈沖波形。②檢測應(yīng)用從圖8-1-2（b）所示波形可見，當加到施密特觸發(fā)器輸入端信號的幅值大于上觸發(fā)電平U+時，輸出端產(chǎn)生低電平信號。因此，通過這一方法可以檢測幅度大于U+的信號出現(xiàn)時，以便進行檢測報警或控制等。同理，通過這一方法也可以檢測幅度小于U-時，進行檢測報警或控制。③波動檢測與抗干擾圖8-1-3所示Ui為頂部有波動的輸入信號，當回差電壓?U小于波動的幅度時，可以獲得如圖8-1-3所示UO的脈沖波形，正脈沖的個數(shù)即表示波動的次數(shù)。若把圖8-1-3所示Ui的頂部的波動信號視為干擾，則當回差電壓?U大于頂部波動的幅度時，輸出波形如圖8-1-3所示UO’

，由此可見，增大回差電壓，可以消除電路的干擾。圖8-1-3波形整形

2.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個穩(wěn)定狀態(tài)，而另一個狀態(tài)則是暫時穩(wěn)定的狀態(tài)。從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到暫時穩(wěn)定狀態(tài)時必須由外加觸發(fā)信號觸發(fā)，從暫穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換到穩(wěn)態(tài)是由電路自身完成的，暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于電路的參數(shù)設(shè)置。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器與前面介紹的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（如D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器以及施密特觸發(fā)器）不同，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，兩個穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)換都需要在外加觸發(fā)信號的作用下才能完成。555定時器與外接R、C定時元件組成的單穩(wěn)觸發(fā)器如圖8-1-4(a)所示。觸發(fā)信號Ui加在低電平觸發(fā)端(引腳2)，為負脈沖觸發(fā)方式。UCO控制端(引腳5)無外加電壓，0.01μF濾波電容接地，濾除參考電壓上的高頻干擾。(1)工作原理①穩(wěn)定狀態(tài)：沒有觸發(fā)信號到來，為高電平。電源剛接通時，電路有一個暫態(tài)過程，即電源通過電阻R向電容C充電，當UC上升到時，RS=01觸發(fā)器清0，UO

=0，V1導通，因此電容C又通過導電管V1迅速放電，直到UC

=0、，RS=11電路進入穩(wěn)態(tài)。這時如果Ui一直沒有觸發(fā)信號來到，電路就一直處于UO

=0的穩(wěn)定狀態(tài)。②暫穩(wěn)態(tài)：外加觸發(fā)器信號Ui的下降沿到達時，由于、，RS=10觸發(fā)器置１，因此UO

=1，V1截止，UCC開始通過電阻Ｒ向電容充電。隨著電容Ｃ充電的進行，UC不斷上升，趨向值。

Ui的觸發(fā)負脈沖消失后，U2回到高電平，在期間，RS觸發(fā)器狀態(tài)保持不變，因此，Uo一直保持高電平不變，電路維持在暫穩(wěn)態(tài)。但當電容C上的電壓上升到時，RS=01觸發(fā)器置0，電路輸出Uo=0，V1導通，此時暫穩(wěn)態(tài)便結(jié)束，電路進入恢復期。③恢復期：V1導通后，電容C通過V1迅速放電，使UC≈0，電路又恢復到穩(wěn)態(tài)，第二個觸發(fā)信號到來時，又重復上述過程。輸出電壓Uo和電容C上電壓UC的工作波形如圖8-1-4(b)所示。（a）電路圖

（b）波形圖圖8-1-4555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)觸發(fā)器(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，根據(jù)電容C的充電過程可知：因而代入式(8-1)可得

TW的計算式表明，調(diào)節(jié)電阻或電容可以改變單穩(wěn)電路的輸出脈沖寬度TW，一般情況下調(diào)節(jié)電阻比較簡單。注意，圖8-1-4（a）所示電路對輸入觸發(fā)脈沖低電平的寬度要求必須小于TW。(3)單穩(wěn)觸發(fā)電路的應(yīng)用①定時燈開關(guān)電路圖8-1-5是555定時器接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路構(gòu)成的一個定時燈開關(guān)電路。圖中P是金屬觸摸片，人體感應(yīng)的雜波信號電壓經(jīng)C2加到555的引腳2，該信號的負脈沖將會觸發(fā)555輸出高電平，使LED燈點亮。平時，P端無感應(yīng)電壓時，引腳2為高電平，C1通過555的引腳7放電為0電壓，555處于穩(wěn)態(tài)輸出為低電平，燈不亮。定時點亮燈的時間為：圖8-1-5定時燈開關(guān)電路②延時應(yīng)用從圖8-1-4（b）所示波形可見，單穩(wěn)態(tài)延時應(yīng)用時，可實現(xiàn)將輸入信號Ui的下降沿延遲TW時間后輸出。3.多諧振蕩器(a)電路圖；(b)波形圖圖8-1-6用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器多諧振蕩器是自激振蕩產(chǎn)生脈沖波形的電路，它的兩個狀態(tài)都是暫穩(wěn)態(tài)。兩個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換不需要外加觸發(fā)信號觸發(fā)，而完全由電路自身完成。多諧振蕩器輸出脈沖波形的頻率和脈沖寬度由電路的參數(shù)決定，其輸出可以作為時鐘脈沖信號。在555定時器的外圍加入R1、R2和C定時元件構(gòu)成的多諧振蕩器如圖8-1-6（a）所示。圖中的0.01μF濾波電容接地。該電路不需要外加觸發(fā)信號，加電后就能自激振蕩產(chǎn)生周期性的矩形脈沖波。(1)工作原理多諧振蕩器只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。假設(shè)當電源接通后，電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)，電容C上電壓

，Uo輸出高電平，V1截止，電源UCC通過R1、R2

給電容C充電。隨著充電的進行UC逐漸增高，但只要，輸出電壓Uo=1保持不變，即第一個暫穩(wěn)態(tài)為電容C的充電過程。

當電容C上的電壓UC略微超過時(即U6和U2均大于等于時)，RS觸發(fā)器置0，使輸出電壓Uo從原來的高電平翻轉(zhuǎn)到低電平，即Uo=0，V1導通飽和，此時電容C通過R2和V1放電。隨著電容C放電，UC下降，但只要，Uo就一直保持低電平不變，這就是第二個暫穩(wěn)態(tài)。當UC下降到略微低于時，RS觸發(fā)器置1，電路輸出又變?yōu)閁o=1，V1截止，電容C再次充電，又重復上述過程，電路輸出便得到周期性的矩形脈沖。其工作波形如圖8-1-6(b)所示。(2)振蕩周期T的計算多諧振蕩器的振蕩周期為兩個暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，T=T1+T2。由圖8-1-6(b)UC的波形求得電容C的充電時間T1和放電時間Ｔ2各為因而振蕩周期(3)多諧振蕩器的應(yīng)用圖8-1-7占空比可調(diào)的多諧振蕩器①占空比可調(diào)的多諧振蕩器圖8-1-6（a）所示的多諧振蕩器T1≠T2，而占空比(T1/T2

)是固定不變的。實際應(yīng)用中常常需要頻率固定而占空比可調(diào)，圖8-1-7所示的電路就是一個占空比可調(diào)的多諧振蕩器。電容Ｃ的充放電通路分別用二極管V1和V2隔離。RW為可調(diào)電位器。

電容C的充電路徑為UCC→R1→V1→C→地，因而T1=0.7R1C。電容C的放電路徑為C→V2→R2→放電管V1→地，因而T2=0.7R2C。振蕩周期為

占空比為②液位監(jiān)控報警器電路如圖8-1-8所示，555接成多諧振蕩器工作模式。液位處于正常水平時，探測電極被浸泡而導通，定時電容C被短路，使555的2、6腳處于低電位，其輸出端3腳一直保持高電平，揚聲器不發(fā)聲。當液位下降而使探測電極開路時，定時電容開始起作用，555起振，揚聲器發(fā)出蜂鳴聲，提醒人們液位已下降到預(yù)定的最低水位。圖8-1-8液位監(jiān)控報警器③模擬聲響發(fā)生器用兩個多諧振蕩器可以組成如圖8-1-9（a）所示的模擬聲響電路。適當選擇定時元件，使振蕩器A的振蕩頻率fA=1Hz，振蕩器B的振蕩頻率fB=1KHz。由于低頻振蕩器A的輸出接至高頻振蕩器B的復位端（4腳），當UO1輸出為高電平時，B振蕩器才能振蕩；UO1輸出低電平時，B振蕩器被復位，停止振蕩，因此使揚聲器發(fā)出1kHz的間歇聲響。其工作波形如圖8-1-9（b）所示。（a）電路圖

（b）波形圖圖8-1-9555定時器構(gòu)成的模擬聲響發(fā)生器8.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路集成芯片中包含有集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。使用這種集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器時，只要外接電阻和定時電容。它具有定時范圍寬、穩(wěn)定性好、使用方便等優(yōu)點，因此得到廣泛應(yīng)用。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有不可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（如74121）和可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（如74123）。本節(jié)主要介紹常用的可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74123。1.集成單穩(wěn)觸發(fā)器74123的功能74123集成了兩個可重觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，具有清零端。外部引腳圖和內(nèi)部邏輯符號如圖8-2-1所示，功能表如表8-2-1所示。表8-2-1集成單穩(wěn)74123功能表圖8-2-1集成觸發(fā)器7412374123引出端符號及功能：

1Cext、2Cext外接電容端

1Rext、2Rext外接電阻端

1Q、2Q正脈沖輸出端

/1Q、/2Q負脈沖輸出端

/1CLR、/2CLR直接清除端，低電平有效

1A、2A負觸發(fā)輸入端

1B、2B正觸發(fā)輸入端74123外接定時電阻Rext取值范圍為5KΩ~50KΩ，對外接定時電容通常沒有限制。當時，輸出脈寬為

當時，TW可通過查找有關(guān)圖表求得。2.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74123的可重觸發(fā)功能單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74123的可重觸發(fā)功能，是指該電路在輸出定時時間TW內(nèi)，可被輸入脈沖重新觸發(fā)。圖8-2-2（a）是A=0，CLR=1時的重觸發(fā)示意圖。不難看出，采用可重觸發(fā)可以方便地產(chǎn)生持續(xù)時間很長的輸出脈沖，只要在輸出脈沖寬度TW結(jié)束之前再輸入觸發(fā)脈沖，就可以延長輸出脈沖寬度。直接復位功能可以使輸出脈沖在預(yù)定的任何時期結(jié)束，而不由定時電阻Rext和電容Cext取值的大小來決定。在預(yù)定的時刻加入復位脈沖就可以實現(xiàn)復位，提前結(jié)束定時，其復位關(guān)系如圖8-2-2（b）所示。74123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不存在死區(qū)時間，在TW結(jié)束之后立即輸入新的觸發(fā)脈沖，電路可以立即響應(yīng)，不會使新的輸出脈沖的寬度小于給定的TW，這一特性如圖8-2-2（c）所示。由于該觸發(fā)器可重觸發(fā)且沒有死區(qū)時間，因此它的用途十分廣泛。(a)重觸發(fā)示意圖(b)復位關(guān)系圖（c）無死區(qū)時間示意圖圖8-2-274123時序波形圖8.3石英晶體振蕩器8.3.1石英晶體石英晶體是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，因此也稱石英晶體諧振器。石英晶體的固有諧振頻率十分穩(wěn)定，在外加電壓的作用下，它會產(chǎn)生壓電效應(yīng)，并產(chǎn)生機械振動。當外加電壓的頻率與晶體固有振蕩頻率相同時，晶體的機械振幅最大，產(chǎn)生的交變電場也就最大，形成壓電諧振。石英晶體的符號及電抗頻率特性分別如圖8-3-1所示，從圖8-3-1(b)的電抗頻率特性看出，它有兩個相當接近的諧振頻率，fs為串聯(lián)諧振頻率，fV為并聯(lián)諧振頻率，當處于這兩個頻率范圍之間時，石英晶體呈電感性，當游離這兩個頻率之外時，石英晶體呈容性。(a)符號

（b）電抗頻率特性圖8-3-1石英晶體當頻率為串聯(lián)諧振頻率fs時，石英晶體的等效阻抗最小，信號最容易通過，當頻率偏離串聯(lián)諧振頻率fs時，石英晶體的等效阻抗接近無窮大，其他頻率信號均被衰減掉。因此振蕩電路的工作頻率僅取決于石英晶體的諧振頻率fs，而與電路中的R、C數(shù)值無關(guān)。它的頻率穩(wěn)定度（△fs/fs）可達10-10～10-11，足以滿足大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)對頻率穩(wěn)定度的要求?，F(xiàn)已有標準化和系列化的各種諧振頻率的石英晶體產(chǎn)品出售。8.3.2邏輯門構(gòu)成的晶體振蕩電路1.邏輯門構(gòu)成的晶體串聯(lián)振蕩電路由非門和晶體構(gòu)成的振蕩電路如圖8-3-2（a）所示，當電路振蕩頻率為晶體串聯(lián)諧振頻率時，晶體的等效電抗接近零，非門G2的輸出U01直接反饋到非門G1的輸入端，形成G1、G2閉環(huán)回路，其等效電路如圖8-3-2(b)所示。U01信號通過兩級反相后形成正反饋振蕩，晶體同時也起著選頻作用，串聯(lián)振蕩電路的頻率取決于晶體本身的參數(shù)。通過G3輸出U0是為了改善輸出波形和增強帶負載能力。(a)晶體串聯(lián)諧振電路(b)晶體串聯(lián)諧振等效電路圖8-3-2非門和晶體構(gòu)成的振蕩電路晶體串聯(lián)時電路的工作過程如下：①

設(shè)非門G2輸出為高電平，即U01=3.6V，非門G1輸入端也為高電平U1=U01=3.6V，G1輸出端則為低電平U2=0.3V,非門G2輸入端為低電平U3=VIL。電容C充電,充電回路:U01→R→C→U3=VIL,非門G2輸入端電壓U3從VIL充電到非門的閾值電壓VT。②

當電容充電到U3≥VT時,非門G2輸出轉(zhuǎn)為低電平U01=0.3V,則U1=0.3V，G1輸出轉(zhuǎn)為高U2=3.6V，U2的電平從0.3V轉(zhuǎn)到3.6V時突然增加了3.3V。由于電容兩端的電壓不能突跳，非門G2輸入端的電平U3=VT+3.3V為高。電容C開始放電,放電回路:C→R→U01=0.3V,非門G2輸入端電壓U3從VT+3.3V放電到VT，當U3≤VT時，U2的電平從3.6V轉(zhuǎn)到0.3V時突然降低了3.3V。同樣電容兩端的電壓不能突跳，U3=VT-3.3V為低VIL。又轉(zhuǎn)到(1)電容C充電的過程。晶體串聯(lián)振蕩電路的工作波形如圖8-3-3所示。圖8-3-3晶體串聯(lián)振蕩電路的工作波形2.晶體并聯(lián)諧振電路工作在晶體并聯(lián)諧振狀態(tài)的門電路振蕩器如圖8-3-4(a)所示，該電路常用于微處理器的時鐘產(chǎn)生電路。晶體可等效為電感（晶體工作于串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)諧振頻率之間時，晶體呈電感性），與外接的電容構(gòu)成三點式LC振蕩器，通過外接的電容可對頻率進行微調(diào)。電阻R接在反相器G1的輸入與輸出端之間，其目的是將G1偏置在線性放大區(qū)，構(gòu)成放大器。在圖8-3-4(a)電路中，從晶體X的兩端看C1、C2，可等效為圖8-3-4(b)，C1、C2通過地串聯(lián)為電容Cx(Cx＝C1C2/(C1+C2))，LX（晶體X等效的電感）與Cx構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，從電容一分為二的電路形態(tài)上看，Lx和電容C1、C2構(gòu)成了π型選頻網(wǎng)絡(luò)反饋通道，因此稱π型諧振電路，如圖8-3-4(c)所示。（a）電路(b)等效電感(c)等效電路