人民大2024数字电子技术 课件项目6脉冲波形的产生与变换

1、 1任务1常见的脉冲产生与变换电路 2任务2555定时器及应用项目六脉冲波形的产生与变换项目六脉冲波形的产生与变换引言在数字系统中，常常要用到各种脉冲波形，例如计数器的输入时钟脉冲、控制过程中的定时信号等。这些脉冲波形的获取通常有两种方法一种是采用脉冲产生电路直接得到，典型电路如多谐振荡器；另一种是通过脉冲变换电路对已有的波形进行整形和变换，获得符合要求的时钟脉冲，典型电路如施密特触发器和单稳态触发器。施密特触发器和单稳态触发器是用途不同的两种脉冲变换电路。施密特触发器主要用以将变化缓慢的非矩形脉冲变换成边沿陡峭的矩形脉冲；而单稳态触发器主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成宽度符合要求的脉冲信号。在脉冲产生与变换电路中，常采用555集成定时器，只需在其外部配接少量电阻、电容等即可方便地构成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器等。任务1常见的脉冲产生与变换电路脉冲信号的波形繁多，为表征脉冲波形的特性，这里以实际电压矩形脉冲为例，描述脉冲波形的主要参数，如图所示。（1）脉冲幅度A脉冲波形变化的最大值。（2）脉冲上升时间tr脉冲波形从0.1A上升到0.9A所需要的时间。（3）脉冲下降时间t

2、f脉冲波形从0.9A下降到0.1A所需要的时间。（4）脉冲宽度tw脉冲波形从上升沿0.5A到下降沿0.5A所需要的时间。（5）脉冲周期T两个相邻脉冲波形中，同一对应点之间所需要的时间。若以f表示脉冲频率，则有f=1/T。（6）占空比脉冲宽度tw与脉冲周期T之比，即为=tw/T。它是表征脉冲波形疏密的参数。1.查阅相关资料，理解利用集成运放构成的方波发生器和三角波发生器的基本原理。任务1一、任务描述 2.连接仿真电路，获得固定频率、幅度的三角波、方波输出。在图所示的仿真电路中，第一级U1组成迟滞电压比较器，输出方波信号。第二级U2组成积分器，输出电压为三角波信号。把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，则比较器U1输出的方波经积分器U2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。3.运行电路，可得图示的波形图。任务1 多谐振荡器是一种脉冲波形的产生电路，它无需外加触发信号，在接通电源后，就能产生一定频率和一定幅值矩形脉冲的自激振荡器，常作为脉冲信号源。当要求振荡频率很稳定时，常采用石英晶体多谐振荡器。因产生的矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分

3、量，故习惯称为多谐振荡器。多谐振荡器是一种自激振荡器，它不需要输入信号就可以产生矩形脉冲。多谐振荡器起振之后，电路没有稳定状态，只有两个暂稳态交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此又被称为无稳态电路。多谐振荡器工作时，通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。二、多谐振荡器任务1 1.RC环形多谐振荡器 环形振荡器是利用门电路的固有传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而成，该电路没有稳态。因为在静态（假定没有振荡时）下任何一个反相器的输入和输出都不可能稳定在高电平或低电平，只能处于高、低电平之间，处于放大状态。(1)基础的环形振荡器 以三个非门为例，即非门G1输出端连接到非门G2输入端，非门G2输出端连接到非门G3输入端，非门G3输出端到连接非门G1输入端，在其中任何一个连接的位置都可以引出输出信号。任务1 图中，假定由于某种原因Vi1产生了微小的正跳变，经G1的传输延迟时间tpd后，Vi2产生了一个幅度更大的负跳变，在经过G2的传输延迟时间tpd后，使Vi3产生更大的正跳变，经G3的传输延迟时间tpd后，在Vo产生一个更大的负跳变并反馈到G

4、1输入端。可见，在经过3tpd后，Vi1又自动跳变为低电平，再经过3tpd之后，Vi1又将跳变为高电平。如此周而复始，便产生自激振荡。由此可见，振荡周期T=6tpd。这种电路简单，但由于门电路的传输延迟时间很短，因此这种基础的环形振荡器的振荡频率极高且不可调，所以实际应用中常加以改进。任务1 (2)RC环形振荡器实用电路 在上述图中加入RC延迟电路，组成带RC延迟电路的环形振荡器,如图所示。例如当Vi2处发生负跳变时，经过电容C使Vi3首先跳变到一个负电平，然后再从这个负电平开始对电容C充电，这就加长了Vi3从开始充电到上升为VTH的时间，等于加大了Vi2到Vi3的传输延迟时间。实用电路工作过程：在t1时刻，Vi1由0变为1，于是Vi2由1变为0，Vo2由0变为1。由于电容电压不能跃变，故Vi3必定跟随Vi2发生负跳变。这个低电平保持Vo为1，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，Vo2（高电平）通过电阻R对电容C充电，使Vi3逐渐上升。在t2时刻，Vi3上升到门电路的阈值电压VT，使Vi1由1变为0，Vi2由0变为1，Vo2由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故Vi3随Vi2

5、发生正跳变。这个高电平保持Vo为0。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。在t2时刻，Vo2变为低电平，电容C开始通过电阻R放电。随着放电的进行，Vi3逐渐下降。在t3时刻，Vi3下降到UT，使Vo(Vi1)又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。造成振荡器自动翻转的原因是电容C的充放电，可以使用公式T2.2RC近似估算振荡周期。工作波形如右图所示。任务1 2.石英晶体多谐振荡电路 在许多数字系统中，都要求时钟脉冲的频率十分稳定。为了提高振荡器的频率稳定性，往往需要使用石英晶体，构成石英晶体多谐振荡器，简称晶振，如图所示。(1)石英晶体振荡器 在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形；反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。这种效应是可逆的，即如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。任务1 (2)石英晶体的选频特性 如图示为石英晶体的符号和阻抗频率特性。石英晶体对频率特别敏感，在其两端加入不同频率的信号时，石英晶体将呈现不同的阻抗

6、特性和阻抗大小。任务1 (3)石英晶体多谐振荡器 图示为两种比较典型的石英晶体多谐振荡器，其中，(a)图使用了TTL反相器，(b)图使用了CMOS反相器。（a）TTL反相器构成的多谐振荡器 （b）CMOS反相器构成的多谐振荡器任务1 3.多谐振荡器的应用 针对 RC环形振荡器实用电路，用仿真的方法进行实验，操作方便、实验结果直观明了。我们建立了RC环形振荡器实用电路图的仿真实验电路图。由于Multisim中设置的上升延迟时间rise_delay=10ns，下降延迟时间fall_delay=10ns，与实际74HC04的平均传输延迟时间910ns相差较大。因此若要得到正确结果，需将3个反相器的上升延迟和下降延迟修改为10ns即可。任务1 为了得到较好的仿真实验效果，还需在Simulate选单中点击混合模式仿真设置（Mixed-mode simulation settings），出现使用理想模型（Use Ideal pin models）和使用实际模型（Use real pin models）两个选项。系统默认为使用理想模型，应将其改为使用实际模型。理论上，电路的振荡周期 T2.2RC。由

7、右图仿真结果的波形得到的振荡周期T=3.645s，与理论值T3.3s相近，可见仿真效果很好。改变R1和C1的数值，即可改变振荡周期，但仿真结果随着R1和C1数值的增大，误差也增加。在实际电路实验中测得T=3.47s，也验证了仿真实验结果的正确性。任务1三、单稳态触发器任务1任务1 2.集成单稳态触发器74LS121 图示为74LS121的引脚图，其中管脚3（A1）、4（A2）是负边沿触发的输入端；管脚5（B）是同相施密特触发器的输入端，对于慢变化的边沿也有效；管脚10（Cext）和管脚11（Rext/Cext）接外部电容（Cx），电容范围在10pF10F之间；管脚9（Rint）一般与管脚14（VCC，接5V）相连接；如果管脚11为外部定时电阻端时，应该将管脚9开路，把外接电阻（Rx）接在管脚11和管脚14之间，电阻的范围在240k之间；管脚7（GND）、管脚2、8、13为空脚。（a）引脚排列图 （b）逻辑符号图任务1 74LS121集成单稳态触发器有3个触发输入端，由触发信号控制电路分析可知，A1、A2、B三个触发输入端用于实现上升沿触发或下降沿触发的控制。需要用上升沿触发时，触发脉冲

8、由B端输入，同时A1或A2当中至少要有一个接至低电平。当触发脉冲的上升沿到达时，触发单稳态电路使之进入暂稳态，输出端跳变为UO1=0、UO2=1。触发脉冲宽度大于输出脉冲宽度时输出脉冲的下降沿仍然很陡，74LS121具有边沿触发的性质。在需要用下降沿触发时，触发脉冲则应由A1或A2输入（另一个应接高电平），同时将B端接高电平，触发后电路的工作过程和上升沿触发时相同，功能表见右表。任务1头脑风暴任务11.查阅集成单稳态触发器SN74121N的引脚排列及功能。2.测试SN74121N芯片的输出功能。参考分析：参考分析：连接仿真电路如图所示。电路中使用上升沿触发控制，触发脉冲由B端输入，同时A1和A2均接至低电平。在电路中，选择 ，则根据公式，计算出B端所接的脉冲电压源的参数选择为：初始电压0V，脉冲值5V，脉冲宽度1ms，周期0.2s。Channel_A接脉冲电压源的输出，Channel_B接SN74121N的输出Q端。1.集成施密特触发器简介（1）门电路组成的施密特触发器 将两级反相器串接起来，同时通过分压电压将输出端的电压反馈到输入端，就构成了如图所示的施密特触发器。(a)电路图 (b

9、)图形符号任务1四、施密特触发器任务1 （2）集成施密特触发器 CD40106是具有施密特功能的六反相器，如图所示。施密特触发器具有上限阈值电压和下限阈值电压的特性，且受电源限制。在不同的电源电压下，有不同的阈值。门电路构成的施密特触发器和集成施密特触发器根据其特点不同可以应用到不同的场合。CD40106的2、4、6、8、10、12引脚为数据输出端；1、3、5、9、11、13引脚为数据输入端；14引脚为电源正；7引脚为接地。任务1 用CD40106实现集成施密特触发器整形电路。仿真电路如图所示。输入端Vin接2kHz的正弦波，按表中所给不同幅度的输入情况，观测输出Vout，并将输出的结果填入表中。仿真实验电路中，VDD=+5V，VT+为2.23.6V，VT 为0.92.8V。利用R1和R4分压，电压分压值为(10K/16.8K)5V 3 V，输入信号叠加在3V直流电平上。提高触发的灵敏度。任务1 2.集成施密特触发器的应用 （1）波形变换 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。如图示，正弦波变换成相应的矩形波。任务1 （

10、2）脉冲整形 在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，或者边沿产生振荡等。通过施密特触发器整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。如图所示。任务1 1查阅图示NE555集成电路芯片的性能参数，了解引脚功能。任务2555定时器及应用一、任务描述 2使用555定时器设计频率及占空比可调的多谐振荡电路产生方波，按图示连接仿真电路，检查无误后接通电源。调节可调电阻R3的大小，观察示波器的输出波形情况。任务2任务2二、555定时器的结构原理 1电路组成 555 定时器是一款最基本的数模混合电路。电路图如下图所示。它主要由分压器、电压比较器、基本 RS触发器、输出缓冲器和一个集电极开路的放电三极管五个部分构成。（a）内部结构框图 （b）引脚排列图555 定时器的各个引脚功能见下表。任务2 2引脚功能任务23逻辑功能分析1构成多谐振荡器 （a）电路图 （b）工作波形三、555定时器的应用任务2任务2555定时器及应用所以，电路的振荡周期为2构成单稳态触发器任务2任务2头脑风暴1怎样用555定时器构成施密特触发器？2测试其输出波形。脉冲波形的产生与变换电路中，施密特触发器是一种双稳态电路，采用电

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