数字电路与逻辑电路设计 第7章 脉冲波形的产生与整形.ppt

第7章 脉冲波形的产生与整形本章要点本章主要介绍脉冲的 产生、变换和整形电路，实 现这些功能的单元电路主要 有施密特触发电路、单稳态 触发电路和多谐振荡器电路 等本章重点介绍最常用的 555定时器工作原理及其所 构成的施密特触发电路、单 稳态触发电路及多谐振荡器 的电路 脉冲鉴幅7.1 概述脉冲信号 ：凡是不具有连续正弦波形状的信号，通称为脉 冲信号 常见的脉冲信号波形数字电路最常用的脉冲信号就是矩形脉冲例如时钟信号 (CLK)就是一种典型的矩形波信号，它在时序电路中协调各种功 能部件的工作 ①脉冲周期T：周期性重复的脉 冲序列中，两个相邻脉冲之间的 时间间隔 描述矩形脉冲信 号的参数： 矩形脉冲信号②脉冲频率f：单位时间内的脉冲重 复次数 ③脉冲幅值Vm ：脉冲电压变化的最大幅度 ④脉冲宽度tw ：从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿 到达0.5Vm为止的一段时间 ⑤上升时间tr ：脉冲上升沿从 0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时 间⑥下降时间tf ：脉冲下降沿从 0.9Vm下降到0.1Vm所需要时间 ⑦占空比q ：脉冲宽度与脉冲周期 的比值，即 q= tw / T获得脉冲信号的方法通常有两种：一种方法是利用 多谐振荡器直接产生所需的脉冲信号；另一种方法是通 过脉冲整形电路变换成所需的脉冲信号。

Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的 电路分析与实物仿真软件它运行于Windows 操作系统上，可以仿真、分析各种模拟器件和 集成电路，该软件的特点是：具有模拟电路仿 真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成 的系统的仿真和分析相结合 Proteus ISIS程序d的用户界面 7.2 555定时器555定时器是一种兼容模拟和数字电路于同一硅片的混合中规模集成电 路国外典型的产品型号有NE555 、LM555 、XR555 、CA555 、RC555、 LC555等，国内产品型号有CB555、SL555、FX555、FD555等 7.2.1 555定时器的电路结构管脚图 内部电路 555定时器组成： ①电压比较器C1和C2是两个结构完全相同的高精度电压比较器 当比较器的V+>V- 时，其输出为高电平；反之，当 V+＜V- 时，其输出为低电平逻辑符号 ②分压器由3个阻值为5kΩ的电阻串 联构成分压器，C1和C2提供参 考电压VR1和VR2当5脚不外接 电压时，为若引脚5外接固定电压VDD时 ，为注意：当引脚5不加控制电压时，一般不可悬空 ，可通过一个小电容（如0.01μF~0.1μF）接 地，以防止旁路高频干扰。

（3）SR锁存器由与非门Gl和G2构成SR锁存 器，它的状态由两个电压比较器 的输出来控制其中，RD是专门 设置的可从外部直接异步置0复位 端，低电平有效 （4）泄放三极管三极管TD是集电极开路输出 三极管，为外接电容提供充、放 电回路，称为泄放三极管G3门 输出1时TD导通；反之TD截止 （5）反相器反相器G4为输出缓冲反相器，提高带负载能力； 同时还可隔离负载对定时器的影响，起整形作用1－接地端，GND；各管脚功能 ：7.2.2 555定时器的管脚用途及工作原理2－低电平触发端，TR；3－输出端，OUTPUT，输 出电 流可达200mA；4－复位端，RD；5－压控端，CO；6－高电平触发端，TH；7－放电端，DIS；8－电源端，VCC，范围为4.5~18V；功能表 工作原理 ：当RD为高电平时 ①当vI1>VR1且vI2>VR2时，C1的输出”0”，C2的输出”1”， SR锁存器Q = 0，TD导通，输出为低电平；②当vI1VR2时，C1和C2的输出均为”1”，SR锁存器保 持状态不变，故TD和输出的状态也均不变；③当vI1 VR1且vI2 2VCC/3vI>2VCC/301010输出低电平VCC/32VCC/3上限阈值电压为电压传输特性② 输入信号vI从vI >2VCC/3逐渐下降的过程： 010vI>2VCC/310输出低电平vI>2VCC/3VCC/3tw 。

Tmin7.4.1 555定时器构成的单稳态触发器555定时器构成单稳态触发器电路 构成：① 2脚输入触发信号vI；② 4脚和8脚连一起接电源电压VCC； ③ 5脚通过0.01μF的电容和1脚一起接接地； ④ 6脚和7脚接在一起与电容、电阻相接，3脚输出工作原理：① 无触发输入信号（vI为高电平）时电路的工作状态： vI为高电平，大于VCC/31 01导通若输出为 低电平0放电11 保持若输出为 高电平vI为高电平，大于VCC/31110截止充电，至 2VCC/3001 0导通放电② vI下降沿触发，电路由稳态转入暂稳态： vI为低电平，小于VCC/30 01101截止充电电路进入 暂态波形图 ③ vI暂稳态的维持时间： 充电， 至2VCC/31001导通波形图 脉冲 宽度放电 至0通常R的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间， 电容的取值范围在几百皮法到几百微法7.4.2 集成单稳态触发器由于脉冲整形、延时和定时的需要，出现TTL和CMOS的集 成单稳态触发器除了定时电阻和定时电容外接之外，整个单稳 电路都集成在一个芯片之中它具有定时范围宽、稳定性好、使 用方便等优点，因此得到了广泛应用 集成单稳态触发器根据电路及工作状态的不同，分为非可 重触发和可重触发两种类型 非可重复触发型 可重复触发型 74121、 7422174122、 74123非重复触发器的集成单稳态触发器74121简介 管脚图功能表说明： 74121为 A下降沿和B上升沿都可以触发，其 输出脉冲的宽度为： 取2~30kΩ 取10pF~10μF 200ns~200ms 注意：74121的内部设置得电阻Rint（约为2kΩ）可取代外 接的Rext。

使用外接电阻的74121的外部连线图使用内接电阻的74121的外部连线图上升沿 触发 下升沿 触发 7.4.3 单稳态触发器的应用1．脉冲整形单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI，整形成为幅 度和宽度都相同的标准矩形脉冲vOvO的幅度取决于单稳 态电路输出的高、低电平，宽度决定于暂稳态时间tW 利用单稳态触发器实现脉冲整形2．延时或定时由于单稳态触发器一经触发，电路进入暂稳态，暂稳态的 时间由外接元件R、C决定调节R、C可产生比触发脉冲宽度 长得多的暂稳态维持时间因此，单稳态触发器常用于定时或 延时光控照明灯电路延迟时间为：【例1】鱼缸水温自动加热电路如图所示，RT是正温度系数热敏 电阻器用555定时器构成的单稳态触发器，设定加热时间为 11s，试分析该电路的工作原理以及给出R和C的设计值鱼缸自动加热电路解：①正常温度，RT较大， 2脚输入高电平，3脚输 出低电平； ②水温下降，RT减小， 2脚输入低电平，3脚输 出高电平，VL亮，K线 圈通电，触点K1闭合， 加热； ③经过tW=11s时间，3脚输出低电平，线圈断电，触点K1断开，停止加热由选R =1MΩ， C =10μF7.5多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外 加触发信号，便能自动产生矩形波形。

由于矩形波中含有高次 谐波故把矩形波振荡器叫做多谐振荡器 特点：① 电路的输出高电平和低电平的切换是自动进行的，不需要 外界的触发信号； ②多谐振荡器工作时没有一个稳定状态，属于无稳态电路多谐振荡器主要参数① 电路振荡周期T和频率f ； ② 输出信号的占空比q7.5.1 555定时器构成的多谐振荡器555定时器构成的多谐振荡器电路构成：① 2脚和6脚接在一起与电容、电阻相接； ② 4脚和8脚连一起接电源电压VCC； ③ 5脚通过0.01μF的电容和1脚一起接接地； ④ 7脚与电阻相接，3脚输出工作原理：①首次充电过程，设vC=0波形图 001101截止充电输出高 电平②放电过程充电至 2VCC/301010导通放 电输出低 电平③再充电过程放电至 VCC/301101输出高 电平截止充电电路就在VCC/3和2VCC/3之间不停 的进行充电和放电，在输出端产 生周期性的矩形波 参数估算：① 电路的振荡周期为 ②振荡频率为注意：通过改变电阻R1 、R2和电容C的大小就可以 改变振荡的频率用CB555组成的多谐振荡器最高 振荡频率约500kHz③输出脉冲的占空比 电路输出 脉冲的占 空比始终 大于50% 占空比可调的多谐振荡器电容充电回路电容放电回路3脚输出方波脉冲占空比q的调节范围 注意：R1和 R2取值越小，占空比调节范围越大。

但R1和 R2不能取消 若电位器RP旋到最左或最右的极端位置时，忽略二极管VD的正 向导通电阻，理论山占空比可从0调至100%，但事实上电路会停振 为预防在极端位置时电路停振，设置小电阻R1、R2与RP串联【例】如图所示是用两片555定时器接成的触摸报警电路当触 摸到金属片后，扬声器开始发出声音试分析555定时器IC1和 IC2分别是什么电路，并计算扬声器发出声音的时间tW和扬声器 发出声音的频率解:IC1构成了单稳态电路, IC2构成了多谐振荡电路 IC1的暂稳时间为IC2的振荡周期为扬声器发声的频率为7.5.2 石英晶体振荡器用555定时器构成的多谐振荡器，电路简单，工作可靠，频 率调整方便但是555定时器组成的多谐振荡器最高振荡频率不 高，且受电源电压、温度变化以及所用元件参数随环境条件而 变化的影响，电路的频率稳定性不是很高 为了获得频率高、稳定度高的振荡信号，普遍采用在多谐 振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体振荡器石英晶体振 荡器常用作数字系统的基准信号 石英晶体的符号及电抗频率特性石英晶体的 固有频率石英晶体等效电路2M-160M石英晶体谐振器 HC-49UT/50UTHMOS型51单片机片内振荡电路 石英晶体的应用并联谐振本章小结 本章简要介绍了555定时器，它是一种用 途很广的集成电路，除了能组成施密特触发器 、单稳态触发器和多谐振荡器以外，还可以接 成各种灵活多变的应用电路。

施密特触发器和 单稳态触发器是两种最常用的脉冲信号整形电 路，虽然不能自动地产生矩形脉冲，但却可以 把其它形状的信号变换成为矩形波，为数字系 统提供标准的脉冲信号多谐振荡器是一种自 激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自 动地产生出矩形脉冲 作 业 7-1 7-2 7-3 7-5 7-7 7-8 7-9（7-10，7-11自行设计并仿真）。