数字电子技术与应用-宋雪臣课件课题6.ppt

课题课题6 脉冲波形发生器及其应用脉冲波形发生器及其应用知识目标知识目标了解脉冲信号波形及其参数的含义；熟悉555定时器的结构及基本功能；熟悉单稳态触发器的原理和功能；熟悉施密特触发器的特点；了解多谐振荡器的特点技能目标技能目标掌握产生脉冲波形的基本方法；能利用555定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器；能灵活应用单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器课题描述课题描述在数字电路或数字信号系统中，常常需要各种各样的脉冲波形，例如时钟脉冲、控制过程中的定时信号等那么各种脉冲波形是如何获取的呢？又如何去描述这些脉冲信号的特征呢？这就是本课题要研究的内容通过本课题的学习，我们不仅可以了解各种常用脉冲信号的波形极其特征，还能掌握脉冲波形的两种不同产生方法：即利用脉冲信号产生器直接产生或者对已有信号进行整形变换，使之满足系统的要求6.1 脉冲信号波形及其参数脉冲信号波形及其参数6.1.1 脉冲信号波形脉冲信号波形 脉冲信号是指一种持续时间极短的电压或电流波形,脉冲信号的波形多种多样，在数字系统中经常需要的是具有各种宽度、幅度、边沿陡峭的矩形脉冲信号图6.1给出了几种常见的脉冲信号波形6.1.2 脉冲信号的参数脉冲信号的参数 在数字电路中，要控制和协调整个系统的工作，常常需要时钟脉冲（CP）信号。

数字电路中，基本工作信号是二进制的数字信号或两状态的逻辑信号，两状态逻辑信号只有0、1两种取值，用波形图表示就是矩形脉冲如图6.2所示在图6.2所示的波形图中，标出了定量描述矩形脉冲的几个指标即脉冲信号的波形参数：脉冲幅度Um 脉冲电压的最大变化幅度脉冲周期T 周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲相对应点上的时间间隔有时也使用频率f表示单位时间内脉冲重复的次数脉冲宽度TW 从脉冲前沿上升到0.5Um处开始，到脉冲后沿下降到0.5Um为止的一段时间有时也称为脉宽上升时间T R 脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需的时间下降时间T f 脉冲后沿从0.9Um下降到0.1Um所需的时间占空比Q 脉冲宽度TW与脉冲周期T之比对于理想矩形脉冲，其上升时间与下降时间相等，均视为零 6.2 555定时器的结构及基本功能定时器的结构及基本功能555定时器是一种中规模集成电路，以它为核心，在其外部配上少量阻容元件，就可方便构成多谐振荡器、施密特触发器、单稳态触发器等由于使用灵活、方便，因此555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到应用555定时器根据内部器件类型可分为双极型和单极型，均有单或双定时器集成电路。

双极型型号为555（单）和556（双），电源电压使用范围为515 V，输出电流可达200 mA，可直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等；单极型型号为7555（单）和7556（双），电源电压范围为318 V，但输出电流仅1 mA6.2.1 电路结构电路结构图6-3（a）所示为555集成定时器的电路结构图，（b）是引脚排列图其中TH为电压比较器C1的阈值输入端，是电压比较器C2的触发输入端555集成定时器由以下五个部分组成1.分压器分压器 三个阻值均为5k的电阻串联起来构成分压器（555定时器因此而得名），其作用是为后面的电压比较器C1和C2提供参考电压：C1的同相输入端的参考电压为U+=2VCC/3，C2的反相输入端参考电压为U-=VCC/3如果在电压控制端VC另加控制电压，则可改变C1、C2的参考电压工作中不使用VC端时，一般都通过一个0.01 F的电容接地，以旁路高频干扰2.电压比较器电压比较器 C1、C2是由运放构成的两个电压比较器比较器有两个输入端，同相输入端和反相输入端，分别标有“+”、“-”号，其输入电压分别用U+和U-表示，当U+U-时，电压比较器输出高电平，当U+U-时，输出低电平。

两个输入端基本上不向外电路索取电流，即输入电阻趋于无穷大3.基本基本RS触发器触发器 在电压比较器之后，是由两个与非门组成的基本RS触发器，是专门设置的可从外部进行置0的复位端，当=0时，使Q=0，=14.晶体管开关和输出缓冲器晶体管开关和输出缓冲器 晶体管TD构成开关，其状态受端控制，当为0时TD截止，为1时TD导通输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响综上所述，555定时器不仅提供了一个复位电平为2VCC/3、置位电平为VCC/3、且可通过端直接从外部进行置0的基本RS触发器，而且还给出了一个状态受该触发器 端控制的晶体管开关，因此使用起来非常灵活由555定时器的电路图和功能表可以看出：=0时，=1，输出电压uO=UOL为低电平，TD饱和导通1、UTH2VCC/3、VCC/3时，C1输出低电平，C2输出高电平，=1，Q=0，uO=UOL，TD饱和导通1、UTH2VCC/3、VCC/3时，C1、C2输出均为高电平，基本RS触发器保持原来状态不变，因此 uO、TD也保持原来状态不变1、UTH2VCC/3、VCC/3时，C1输出高电平，C2输出低电平，=0，Q=1，uO=UOH，TD截止。

为了便于记忆，可以把6号引脚输入电压UTH2VCC/3作为1状态，UTH2VCC/3为0状态；而把2号引脚输入电压 VCC/3作为1状态，VCC/3为0状态；这样在 =1时，就可以得出表6.1所示的555定时器的输入输出逻辑规律：1、1出0；0、0出1；0、1不变定时器555芯片是一种用途广泛的多功能集成电路，只需要外接少量的R、C元件就可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等由于555定时器有较好的带负载能力，使用方便灵活，因此获得了广泛的应用表6.2给出了555的三种典型应用后续内容将详细讨论555定时器的具体应用组成各种结构简单、工作可靠的脉冲产生、整形电路6.3 单稳态触发器单稳态触发器 单稳态触发器是一种常用的脉冲整形电路与一般双稳态触发器的区别在于：它只有一个稳态，另外有一个暂稳态暂稳态是一种不能长久保持的状态，这时电路的电压和电流会随着电容器的充电与放电发生变化，而稳态时它们是不变的在单稳态触发器中，如果没有外加信号的触发，电路始终处于稳态；在外加触发信号的作用下，电路能从稳态翻转到暂稳态，经过一段时间后，又能自动返回到稳态暂稳态持续时间的长短取决于电路自身参数，与外触发信号无关。

6.3.1 门电路构成的微分型单稳态触发器门电路构成的微分型单稳态触发器1电路组成电路组成如图6.4（a）所示，门G1的输出经微分电路RC接到门G2的输入端，门G2的输出直接耦合到G1的输入端电路处于稳态时，ui为高电平，u01为低电平，为了使u02可靠为高电平，对于TTL芯片74LS00应选择RROFF，一般取R0.7K但对于CC4011的MOS门输入阻抗高，外接电阻R的大小不会影响其稳态，则不受ROFF限制2工作过程工作过程电源接通后，在没有外来触发脉冲时（ui为高电平）电路处于稳定状态：uO1=UOL，uO2=UOH由于RROFF(关门电阻)，根据稳态时的部分电路如图6.4（c）所示的等效电路，可求出非门G2的输入电平，为了讨论方便，假定ui2=UOL，则此时电容C上没有电压在t1时刻，当ui为低电平时，使uo1 由低电平跳变到高电平由于电容器C上的电压不能突变，ui2也由低电平跳变到高电平，使G2门输出由高电平变为低电平，并返送到G1门的输入端这时ui低电平信号撤消后，uo1仍可维持高电平，但此状态不可永久保持，故称暂稳态在t1 t2暂稳态期间，uo1对电容器C充电，使ui2电位不断降低，当ui2电位低于UT时，uo2跳变为高电平，由于这时ui已恢复至高电平，使uo1恢复至低电平。

整个工作过程如图6.5（b）所示6.3.2 555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器 1.电路结构电路结构 将555定时器高电平触发端TH与D端相连后接定时元件R、C，从低电平触发端加入触发信号uI，则构成单稳态触发器，如图6.5（a）所示2.工作原理工作原理 设输入信号uI为高电平，且大于VCC/3，根据表6.1，输出电压uO为低电平，D端接通，因而电容两端即使原来电压不为零也会放电至零，即uC=0，电路处于稳态当uI由高电平变为低电平且低于VCC/3时，uO由低电平跃变为高电平，D端关断，电路进入暂态此后，电源通过R对电容C充电，当充电至电容上电压uC 也就是高电平触发端的电压UTH略大于2VCC/3时，uO由高电平跃变为低电平，D端接通，电容通过D端很快放电，电路自动返回稳态，等待下一个触发脉冲的到来UI、uC、uO的波形如图6.5（b）所示从以上分析可知，单稳态触发器触发脉冲的高电平应大于2VCC/3，低电平应小于VCC/3，且脉冲宽度应小于暂态时间输出脉冲的宽度TW为暂态时间，它等于电容C上电压从0开始充电到2VCC/3所需的时间，即 TW RC ln3 1.1RC （6.2）调节R和C的值可以改变脉冲宽度TW，TW的值可调范围从几秒到几分钟。

6.3.3 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 单稳态触发器的应用很广泛，因而被做成集成器件集成单稳态触发器在应用时，只需很少的外围元件（外接R、C）即可实现输入脉冲上升沿或下降沿触发的控制、清零等功能；电路可以在多种触发条件下使用，且定时范围宽，电路温度稳定性好集成单稳态触发器通常可分为两类：非重触发型和可重触发型，其符号如图6.6所示 非重触发型即不可重触发单稳态触发器，是指在暂稳定时间Tw之内，若有新的触发脉冲输入，电路不会产生任何反应，如图6.7中Q1波形所示可重触发单稳态触发器，是指在暂稳定时间Tw之内，若有新的触发脉冲输入，可被新的触发脉冲重新触发，如图6.7中Q2波形所示图6.7 触发信号及输出波形常用的集成单稳态触发器有TTL型的74121、74122、74123、74221及CMOS型的CC14528等现以非重触发的单稳态触发器74121及可重触发的单稳态触发器74123为例进行介绍非重触发型单稳态触发器非重触发型单稳态触发器74121 非重触发的单稳态触发器74121的引脚排列图如图6.8（a）所示TR A、TR B是两下降沿有效的触发信号输入端，TR+是上升沿有效的触发信号输入端。

Q和是两个状态互补的输出端R exT/C exT、C exT是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻R（R=1.440 k）接在VCC和R exT/C exT之间，外接定时电容C（C=10pF10F）接在C exT（正）和R exT/C exT之间74121内部已设置了一个2k的定时电阻，Rin是其引出端，使用时只需将Rin与VCC连接起来即可，不用时则将Rin开路1）TR A、TR B中有一个或两个为低电平，TR+发生由0到1的正跳变2）若TR A、TR B和TR+全为高电平，TR A、TR B中有一个或两个产生由1到0的负跳变如果TR A、TR B和TR+的状态保持不变，则电路会一直工作在稳定状态74121的输出脉冲宽度 TW 0.7 RC （6.3）2.可重触发型单稳态触发器74122 74122是典型的可重触发型单稳态触发器，其引脚排列如图6.8（b）所示TR A、TR B是两下降沿有效的触发信号输入端，TR+A、TR+B 是两个上升沿有效的触发信号输入端Q和是两个状态互补的输出端R exT/C exT、C exT、Rin三个引出端是供外接定时元件使用的，外接定时电阻R（R=550 k）、电容C（无限制）的接法与74121相同。

为直接复位输入端，低电平有效74122的功能表如表6.4所列当定时电容C 1000pF时，74122的输出脉冲宽度为 TW 0.32 RC （6.4）6.3.3 应用举例应用举例单稳态触发器应用很广，下面举几个简单例子予以说明1.延时与定时延时与定时（1）延时 前面讨论过单稳态触发器uO的下降沿滞后于uI的下降沿的时间总是。