第四章脈沖波形的產(chǎn)生與變換236§４—２多諧振蕩器§４—１５５５時(shí)基電路§４—３單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器§４—４施密特觸發(fā)器§４—５用門電路構(gòu)成的脈沖信號(hào)電路學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn)和基本組成。1.了解脈沖波形的特點(diǎn)和主要參數(shù)。2.熟悉555時(shí)基電路的邏輯功能，會(huì)用555時(shí)基電路構(gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器。3.了解集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、集成施密特觸發(fā)器的功能和使用方法。4.會(huì)用門電路構(gòu)成多諧振蕩器和石英晶體振蕩器。238矩形波是數(shù)字系統(tǒng)中的主要工作波形，是脈沖信號(hào)的一種。所謂脈沖信號(hào)是指短暫時(shí)間內(nèi)幅度發(fā)生突變的電壓或電流。除矩形波外，常用的還有鋸齒波、三角波、積分波、微分波、梯形波等，它們也都是脈沖信號(hào)，如圖所示。239常見的脈沖波形a)矩形波b)鋸齒波c)三角波d)積分波e)微分波f)梯形波為了對(duì)矩形波做出定量描述，通常采用如圖所示的幾個(gè)主要參數(shù)。脈沖幅度Um表示脈沖電壓的最大值。脈沖周期T表示周期性變化的脈沖序列中，兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔。脈沖寬度tw表示脈沖波形從上升到0.5Um開始繼續(xù)上升再下降到0.5Um處的時(shí)間間隔。240脈沖波形主要參數(shù)上升時(shí)間tr表示脈沖前延從0.1Um上升到0.9Um所需要的時(shí)間。其值越小，表示脈沖上升越快，波形質(zhì)量越好。下降時(shí)間tf表示脈沖后延從0.90Um下降到0.1Um所需要的時(shí)間。其值越小，表示脈沖下降越快，波形質(zhì)量越好。占空比D=tw/T表示在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，脈沖寬度所占比例。雖然各種脈沖波形的形狀不同，但是表征其特性的主要參數(shù)是一致的。矩形脈沖可以由脈沖發(fā)生器直接產(chǎn)生，也可以由其他非矩形波經(jīng)過整形、變換而來。利用555時(shí)基電路，外接適當(dāng)?shù)淖枞菰?，可以?gòu)成多種脈沖信號(hào)電路；利用基本門電路也可以構(gòu)成脈沖信號(hào)電路。此外，還有多種集成脈沖發(fā)生器，使用更為方便。241§4—1

555時(shí)基電路242555時(shí)基電路是一種將模擬電路和數(shù)字電路巧妙結(jié)合在一起的中規(guī)模集成電路，因其內(nèi)部有3個(gè)阻值均為5kΩ的電阻串接成分壓器，又因其常在波形產(chǎn)生與變換等應(yīng)用電路中起定時(shí)作用，故稱555時(shí)基電路，或稱555定時(shí)器。NE555時(shí)基電路的實(shí)物圖和引腳排列如圖所示，引腳功能見表。243555時(shí)基電路外形及引腳排列a)實(shí)物圖b)引腳排列244555時(shí)基電路的引腳功能一、電路組成555時(shí)基電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。由圖可見，555時(shí)基電路主要由以下幾部分組成：245555時(shí)基電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.電阻分壓器由3個(gè)5kΩ的電阻串聯(lián)而成，可為兩個(gè)電壓比較器提供基準(zhǔn)電壓。2.電壓比較器兩個(gè)電壓比較器由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成。3.基本RS觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器由兩個(gè)與非門構(gòu)成。4.放電管放電管VT是集電極開路三極管，當(dāng)輸出為0時(shí)，VT導(dǎo)通；當(dāng)輸出為1時(shí)，VT截止。5.緩沖器緩沖器由反相器構(gòu)成，用于提高電路的帶負(fù)載能力。246二、邏輯功能1.直接復(fù)位功能只要

端加低電平，輸出即為0，實(shí)現(xiàn)直接復(fù)位。2.復(fù)位功能當(dāng)6腳

基本RS觸發(fā)器被置0，輸出為0，實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。2473.置位功能當(dāng)

基本RS觸發(fā)器被置1，輸出為1，實(shí)現(xiàn)置位功能。若

基本RS觸發(fā)器Q=

—=1，輸出為1，實(shí)現(xiàn)置位功能。4.保持功能當(dāng)

基本RS觸發(fā)器狀態(tài)保持不變，放電管和輸出狀態(tài)也保持不變，實(shí)現(xiàn)保持功能。248由以上分析可知，555時(shí)基電路可實(shí)現(xiàn)直接復(fù)位、復(fù)位、置位、保持4種功能。249555時(shí)基電路的邏輯功能表三、器件類型555時(shí)基電路有TTL型和CMOS型兩類。TTL型單時(shí)基電路國產(chǎn)型號(hào)有5G555、FX555等，國外型號(hào)有NE555、SE555、MC555等。CMOS型單時(shí)基電路國產(chǎn)型號(hào)有CC555、CH555T、A555等。555雙時(shí)基電路是在同一塊芯片上制作有兩個(gè)555時(shí)基電路。TTL型雙時(shí)基電路的型號(hào)一般是后三位用數(shù)字556表示，如SE556、RC556等；CMOS型雙時(shí)基電路的型號(hào)一般是后四位用數(shù)字7556表示，如CC7556、ICM7556等，雙時(shí)基電路的實(shí)物圖和引腳排列，如圖所示。250251雙時(shí)基電路實(shí)物圖和引腳排列a)實(shí)物圖b)引腳排列不同公司生產(chǎn)的TTL和CMOS兩種類型的555時(shí)基電路一般其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳排列、邏輯功能等都是基本相同的，只是由于內(nèi)部所用三極管不同，兩種類型的555時(shí)基電路的工作電壓和工作電流會(huì)有所區(qū)別，其比較見表。252TTL和CMOS時(shí)基電路的比較§4—2

多諧振蕩器253多諧振蕩器是一種常用的脈沖波形發(fā)生器，在接通電源后，它不需要外加信號(hào)就能產(chǎn)生一定頻率和幅度的矩形波。因該矩形波中含有多種諧波成分，故稱多諧振蕩器。它是一種無穩(wěn)態(tài)電路，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電路在通電后就在這兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換。254一、用555時(shí)基電路構(gòu)成的多諧振蕩器1.電路組成該多諧振蕩器的電路如圖所示。255用555時(shí)基電路構(gòu)成的多諧振蕩器a)電路圖b)工作波形c)實(shí)測(cè)波形2.工作過程剛接通電源瞬間，電容C兩端電壓uC=0，因?yàn)閡C<

，所以555時(shí)基電路實(shí)現(xiàn)置位功能，輸出uo為高電平，內(nèi)部放電管截止。VCC通過R1、R2對(duì)電容C充電，使uC按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)uC上升到

VCC時(shí)，電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，電容C通過內(nèi)部放電管放電，uC隨之下降；當(dāng)下降到

VCC時(shí)，電路又實(shí)現(xiàn)置位功能。如此反復(fù)循環(huán)，輸出矩形脈沖，其工作波形如圖b所示。2563.振蕩周期當(dāng)電容C充電時(shí)，電路處于第一暫穩(wěn)態(tài)，持續(xù)時(shí)間為tw1；電容C放電時(shí)，電路處于第二暫穩(wěn)態(tài)，持續(xù)時(shí)間為tw2；電路一旦起振后，電壓uC便總在

之間變化，由理論推導(dǎo)持續(xù)時(shí)間可得：該電路振蕩周期的大小為：顯然，改變R1、R2和C，即可改變振蕩頻率。也可在電壓控制端5腳外接電壓，通過改變觸發(fā)電平，從而改變振蕩頻率。257二、占空比可調(diào)的多諧振蕩器占空比是指脈沖寬度與脈沖周期之比，在圖所示電路中，設(shè)占空比為D，則有：顯然，該電路輸出的脈沖波形不僅難以對(duì)稱，而且占空比D也無法調(diào)節(jié)。258259占空比可調(diào)的振蕩器該電路利用二極管的單向?qū)щ娦裕央娙軨的充放電回路隔離開來，同時(shí)還增加了一個(gè)電位器RP。運(yùn)用與上面相同的分析方法，可得持續(xù)時(shí)間為：占空比為：只要調(diào)節(jié)電位器RP，即可方便地調(diào)節(jié)占空比D。260三、占空比與頻率均可調(diào)的多諧振蕩器該多諧振蕩器的電路，如圖所示。261占空比與頻率均可調(diào)的多諧振蕩器§4—3

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器262許多建筑物樓梯過道的照明燈都采用觸摸式延時(shí)開關(guān)，當(dāng)用手觸摸開關(guān)時(shí)，照明燈點(diǎn)亮，持續(xù)一段時(shí)間后燈自動(dòng)熄滅，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)這一控制功能。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是指有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的波形變換電路。該電路在外加觸發(fā)電路的作用下，能夠產(chǎn)生一定寬度和幅度的矩形脈沖信號(hào)，但這只是一個(gè)暫時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間又能自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)。263一、用555時(shí)基電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.電路組成該單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路如圖a所示，圖中R、C為定時(shí)元件，輸出觸發(fā)信號(hào)加在2腳

。264555時(shí)基電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路a)電路圖b)工作波形圖2.工作過程（1）穩(wěn)態(tài)無觸發(fā)信號(hào)時(shí)，相當(dāng)于2腳

輸入高電平。（2）觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)輸入觸發(fā)脈沖ui下降沿到來時(shí)，由于ui

，電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，內(nèi)部放電管截止，電路處于暫穩(wěn)態(tài)。（3）自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)在暫穩(wěn)態(tài)期間，VCC通過R對(duì)電容C充電。但電容電壓上升到

時(shí)，電路又自動(dòng)返回到觸發(fā)前的穩(wěn)態(tài)。265二、集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有TTL和CMOS兩種類型，按其觸發(fā)方式不同，可分為不可重復(fù)觸發(fā)型和可重復(fù)觸發(fā)型兩種。兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的比較見表。266兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的比較例如，不可重復(fù)觸發(fā)型TTL單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121，其實(shí)物圖、引腳排列和工作波形圖如圖所示。267集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121a)實(shí)物圖b)引腳排列c)工作波形圖74LS121的邏輯功能見表。26874LS121的邏輯功能74LS121外接元件的方法如圖所示。圖a為使用外部電阻Rext且電路為下降沿觸發(fā)連接方式；圖b為使用內(nèi)部電阻Rint且電路為上升沿觸發(fā)連接方式。269集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121外部元件連接方法a)使用外部電阻,下降沿觸發(fā)b)使用內(nèi)部電阻,上升沿觸發(fā)三、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用主要有脈沖整形、定時(shí)選通和脈沖延時(shí)。1.脈沖整形將一列不規(guī)則的或因受干擾而變形的脈沖信號(hào)加到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)輸入端，在電路輸出端可以得到一組規(guī)則的矩形脈沖，如圖所示。脈沖信號(hào)經(jīng)整形后用于計(jì)數(shù)電路，可消除雜波干擾，減少計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。270單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的整形作用2.定時(shí)選通由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可輸出脈寬可調(diào)的矩形脈沖，因此可以利用它來做定時(shí)電路。271單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用于定時(shí)選通a)邏輯電路b)工作波形圖3.脈沖延時(shí)如圖所示，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在輸入信號(hào)ui的下降沿被觸發(fā)，輸出uo產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，其下降沿即比ui的下降沿延遲了tw時(shí)間，調(diào)節(jié)R、C的值即可改變延時(shí)時(shí)間。272單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖延時(shí)作用§4—4

施密特觸發(fā)器273施密特觸發(fā)器是一種靠輸入觸發(fā)信號(hào)維持的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。該電路具有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)，當(dāng)輸入觸發(fā)信號(hào)升高至上限觸發(fā)電壓UT+時(shí)，電路由第一暫穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到第二暫穩(wěn)態(tài)；當(dāng)輸入觸發(fā)信號(hào)降低至下限觸發(fā)電壓UT-時(shí)，電路就由第二穩(wěn)態(tài)返回第一穩(wěn)態(tài)。一、用555時(shí)基電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器把555時(shí)基電路的2腳

和6腳TH相連作為觸發(fā)信號(hào)輸入端，即可構(gòu)成施密特觸發(fā)器，如圖a所示。274275555時(shí)基電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器a)電路圖b)工作波形圖1.當(dāng)ui<

VCC時(shí)，輸出為高電平，當(dāng)

VCC<ui<

VCC時(shí)，輸出狀態(tài)保持不變，仍為高電平。2.當(dāng)ui≥

VCC時(shí)（即t1時(shí)刻），電路翻轉(zhuǎn)，輸出為低電平，電路處于第二穩(wěn)態(tài)；ui上升到峰值后開始下降，當(dāng)ui>

VCC時(shí)，電路仍然保持該穩(wěn)態(tài)。3.當(dāng)輸入信號(hào)下降到ui≤

VCC時(shí)（即t2時(shí)刻），電路再次翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，電路就由第二穩(wěn)態(tài)返回第一穩(wěn)態(tài)。276由以上分析可知，在輸入信號(hào)上升過程中，當(dāng)ui≥

VCC時(shí)，輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，即上限觸發(fā)電壓UT+為

VCC；而在輸入信號(hào)下降過程中，當(dāng)ui≤

VCC時(shí)，輸出由低電平變?yōu)楦唠娖剑聪孪抻|發(fā)電壓UT-為

VCC。這兩個(gè)觸發(fā)電壓是不相等的，兩者之間稱為回差電壓，也稱滯回電壓，其值為:若在5腳CO端外接直流電壓，則可改變回差電壓的大小。設(shè)外加電壓為US，則有：277施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性和邏輯符號(hào)，如圖所示。顯然，施密特觸發(fā)器的回差特性意味著輸入電壓在回差電壓ΔUT范圍內(nèi)變化對(duì)輸出無影響，因此可有效抑制輸入端噪聲電壓所引起的誤觸發(fā)，提高電路的抗干擾能力。278施密特觸發(fā)器的回差特性和邏輯符號(hào)a)同相輸出的回差特性b)同相輸出的邏輯符號(hào)c)反相輸出的回差特性d)反相輸出的邏輯符號(hào)二、集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器主要有TTL和CMOS兩類，按其功能又可分為施密特與非門和施密特反相器。圖所示為施密特與非門74LS132的引腳排列。27974LS132引腳排列圖所示為CMOS六施密特反相器CC40106引腳排列，其邏輯功能與普通反相器相似，差別在于施密特反相器的高、低觸發(fā)電平不相同。280CC40106引腳排列三、施密特觸發(fā)器的應(yīng)用集成施密特觸發(fā)器性能一致性好，觸發(fā)電平穩(wěn)定，使用方便，常應(yīng)用于波形變換、脈沖整形、幅度鑒別等。1.波形變換施密特觸發(fā)器可將三角波、正弦波等非矩形波波形變換為矩形波，圖所示為用施密特觸發(fā)器將正弦波變化為同周期的矩形波。2.脈沖整形對(duì)于不規(guī)則的信號(hào)或是在傳輸過程中受到干擾而發(fā)生畸變的信號(hào)，可應(yīng)用施密特觸發(fā)器來整形，使信號(hào)變好，如圖所示。281282施密特觸發(fā)器將正弦波變化為同周期的矩形波施密特觸發(fā)器用于脈沖整形3.幅度鑒別利用施密特觸發(fā)器，可以從輸入幅度不等的一串脈沖中選出幅度大于UT+的脈沖，如圖所示。283脈沖幅度鑒別§4—5用門電路構(gòu)成的脈沖信號(hào)電路284用基本門電路也可以構(gòu)成各種脈沖信號(hào)電路。電路的基本工作原理是利用電容的充放電特性，當(dāng)輸入電壓達(dá)到門電路的門限電壓時(shí)，電路輸出狀態(tài)即發(fā)生變化。因此，電路輸出的脈沖波形參數(shù)直接取決于電路中阻容元件的參數(shù)。一、多諧振蕩器1.環(huán)形多諧振蕩器環(huán)形多諧振蕩器的電路如圖9a所示。它由三級(jí)反相器首尾相連而成，故稱環(huán)形振蕩器。圖中R和C組成延時(shí)環(huán)節(jié)，R1為限流電阻。285286RC環(huán)形多諧振蕩器a)電路圖b)工作波形圖2.RC耦合多諧振蕩器RC耦合多諧振蕩器的電路如圖所示。圖中非門G1、G2連接成阻容耦合正反饋電路。電路中R的阻值要恰好使非門內(nèi)的三極管工作于放大區(qū)，對(duì)于TTL電路，一般取0.7~2kΩ。接通電源后，由于非門G1、G2存在差異，設(shè)G2輸出電壓uo2高于G2輸出電壓uo1，從而引起下列正反饋過程：287288對(duì)稱多諧振蕩器a)電路圖b)邏輯符號(hào)uo2通過C2的耦合使輸入端電壓ui1升高，通過G1反相后輸出電壓uo1下降，uo1經(jīng)電容C1耦合使ui2降低，經(jīng)G2的反相作用，uo2繼續(xù)升高。結(jié)果是隨著uo2進(jìn)一步升高，G1輸出低電平，G2輸出高電平，電路進(jìn)入第一暫穩(wěn)態(tài)。G2輸出高電平時(shí)，通過R2向C1充電，導(dǎo)致ui2逐漸上升，如圖a所示。G1輸出低電平時(shí)，電容C2通過R1放電，導(dǎo)致ui1逐漸下降，最后使G1輸出高電平，G2輸出低電平，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)。G1輸出高電平時(shí)，通過R1向C2充電，導(dǎo)致ui1逐漸上升，如圖b所示；G2輸出低電平時(shí)，電容C1通過R2放電，導(dǎo)致ui2逐漸下降，最后使電路又從第二暫穩(wěn)態(tài)返回第一暫穩(wěn)態(tài)。此后，C1、C2不斷充放電，電路在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間不斷轉(zhuǎn)換，形成矩形脈沖輸出。289290多諧振蕩器電容的充放電a)C1充電、C2放電b)C1放電、C2充電圖所示為RC耦合電路多諧振蕩器的工作波形。291RC耦合對(duì)稱多諧振蕩器工作波形3.石英晶體多諧振蕩器當(dāng)對(duì)多諧振蕩器頻率穩(wěn)定性要求很高時(shí)，可采用石英晶體與門電路構(gòu)成多諧振蕩器。石英晶體的實(shí)物圖、結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)如圖所示，其等效電路和頻率特性如圖所示。292石英晶體多諧振蕩器圖形a)實(shí)物圖b)結(jié)構(gòu)c)符號(hào)石英晶體的等效電路和頻率特性a)等效電路b)頻率特性圖所示為一種串聯(lián)型石英晶體多諧振蕩器。293串聯(lián)型石英晶體多諧振蕩器圖所示為一種并聯(lián)型石英晶體多諧振蕩器，通常選用CMOS器件構(gòu)成，RF是反饋電阻，取值為幾十兆歐，保證反相器G1靜態(tài)時(shí)工作于轉(zhuǎn)折區(qū)，構(gòu)成反相放大器。294并聯(lián)型石英晶體多諧振蕩器二、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖a所示為用與非門構(gòu)成的TTL微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。圖中G1和G2之間采用RC微分電路耦合，故稱微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，電路采用負(fù)脈沖觸發(fā)。R1、C1構(gòu)成輸入端微分隔直電路。如果輸入脈沖寬度較小，則輸入端可省去該微分電路。電路工作波形如圖b所示。295296TTL微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器a)電路圖b)工作波形圖TTL微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路工作過程如下：（1）穩(wěn)態(tài)無觸發(fā)信號(hào)時(shí)，輸入ui為高電平，G1輸出低電平，G2輸出高電平，電路處于穩(wěn)態(tài)。（2）觸發(fā)翻轉(zhuǎn)當(dāng)輸入一個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，經(jīng)輸入微分電路，將負(fù)尖脈沖加到G1輸入端B，從而引起下列正反饋過程：結(jié)果使G1輸出迅速由低電平跳至高電平，G2輸出則迅速由高電平跳至低電平，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。297（3）暫穩(wěn)態(tài)G1輸出端高電平對(duì)電容C充電，隨著電容器兩端電壓上升，ui2逐漸下降，但只要ui比關(guān)門電平大，G2輸出仍為低電平。（4）自動(dòng)翻轉(zhuǎn)當(dāng)ui2下降到閾值電壓UTH時(shí)，又引起下列正反饋過程：結(jié)果使G2輸出迅速由低電平跳至高電平。（5）恢復(fù)過程電容C經(jīng)G1、R放電，使電容C上的電壓恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的初始值。2982.積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖a所示為用與非門構(gòu)成的TTL積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。圖中G1和G2之間采用RC積分電路耦合，故稱積分