脉冲信号的产生与转换

数字电子技术基础
第一节 预备知识
一、微分电路和积分电路
RC电路在脉冲信号产生与转换电路中有着广泛 的应用。
(一) 微分电路
微分电路是一种能够将输入的矩形脉冲变换为 正负尖脉冲的波形变换电路。微分电路的形式就 是一个RC串联电路，且要求电路的充放电时间常
数τ=RC 远小于输入矩形正脉冲的宽度tw。
+V + +V
1
0
（5）ui 继续下降到 UT-=UT-UD=0.7V 时，
R ＝1， S ＝0，RS 触发器翻转，
uo 为高电平，电路返回到第一种稳态。
uo
下限阈值电压
上限阈值电压
回差电压（滞后电压）：
ΔUT＝ UT＋－UT－
此施密特触发器的回差电压为：
ΔUT＝UT＋－UT－＝UT－(UT－UD)＝UD＝ 0.7V
输入下一个触发脉冲。 tre =(3～5)RC fmax =1/（tw+tre）
㈡ 主要参数
1. 输出脉冲宽度
设VDD=5V、VTH=2.5V，估算公式得到 tW ≈0.7RC
R、C的单位分别为MΩ和μF，tw的单位为秒。 2. 恢复实间tre
tre =(3～5)RC 3. 最高重复触发频率fmax
列正反馈过程：
㈡ 输出脉冲参数的计算
1. 振荡周期T 若G1门的阈值电平VTH=VDD/2，
则振荡周期可按下式估算
T≈2.2RC 2. 振荡脉冲幅度Vm
Vm≈VDD
二、可控型多谐振荡器
1 Uk=0 停振
0 Uk=1 停振
可控型多谐振荡器 a）与非门构成 b）或非门构成
三、占空比和频率可调的多谐振荡器
（1） ui＝0 时， R ＝1， S ＝0，
uo 为高电平，这是第一种稳态。
0.7V
1
0
uo
1
1
（2）ui＝UD=0.7V 时， R ＝1， S ＝1，
RS 触发器不翻转， uo 仍为高电平， 电路仍维持在第一种稳态。
1.4V
1► 0
0► 1
1
1►
uo
0
（3）ui 继续上升到 UT+=UT=1.4V 时，
占空比q 是指矩形波高电平持续时间与其周期之比
源自文库
01
10
占空比和频率可调的多谐振荡器 a)电路图 b)波形图
四、石英晶体振荡器
石英晶体 a)符号 b)阻抗频率特性
石英晶体振荡器 a)两级反相器构成 b)一级反相器构成
第四节 施密特触发器
施密特触发器可以把变化十分缓慢的不规则脉冲 波形转换成数字电路所需的矩形脉冲。
间为延迟时间。
74HC221组成的脉冲延时电路 a)电路图 b)时序图
数字电子技术基础习题
第三节 多谐振荡器
多谐振荡器没有稳定的状态，又称无稳态电 路，它不需外加触发信号便能产生一系列矩形脉 冲，在数字系统中常用作矩形脉冲源，作为时序 电路的时钟信号。所谓的多谐，是指电路所产生 的矩形脉冲中含有许多高次谐波的意思。
即输出脉冲宽度tw与充电时间常数RC 的大小有关，RC 越大，tW越宽。
0
1
0
1
4. 恢复过程 暂稳态结束后，电容C上已充有一定的电压，因此， 电路返回稳态后需经C的放电过程，电容上的电压才能恢复到稳 态时的数值，这一过程即为恢复过程。恢复过程所需时间tre 的 大小与放电时间常数RC 的大小有关。恢复过程结束后，才允许
出保持原来状态不变。
施密特触发器具有以下特点：它属于电平触发 方式，即不仅状态的翻转需外加的触发信号，而 且，状态的维持也需外加触发信号。另外，施密 特触发器对于变化方向不同的输入信号，具有不 同的阈值电压。
一、用门电路构成施密特触发器
uo
施密特触发器
a）逻辑图 b）逻辑符号 c）波形图 d）传输特性
0
1
0
uo
0
1
单稳态电路的整形作用（高电平触发）
(二) 脉冲的定时
利用宽度为tW的矩形脉冲作为与门的控制信 号，只有在tW 时间内，与门才打开，其它输入
信号才能通过。
单稳态电路的定时作用（低电平触发） a)原理图 b)波形图
(三) 脉冲的延时
微分型单稳态电路输出u02的下降沿相对于输 入触发脉冲uI的下降沿滞后了tW时间，称这个时
对CMOS电路来说，施密特触发器的回差电压
与电源电压VDD有关，VDD越高，回差电压越大，
且回差越大，其抗干扰能力就越强。但当回差电
压较大时要求uI的变化幅度也要大。
三、基本应用电路 施密特触发器的应途十分广泛。 (一) 波形的变换和整形
波形的变换 a)电路图 b)波形图
波形的整形 a)施密特整形 b)反相器整形
一、电路结构
电压
控制端
4.5～16V
高电平 触发端
2VCC/3•
1
复位端 低电平有效
低电平 触发端
放电端
0
VCC/3•
电压 输出端
集成555定时器 a)电路原理图 b)引脚排列图
基本RS触发器特性表
S
R
Q n 1
1
1
Qn
1
0
1
0
1
0
0
0
不定
UN>UP
UN
UP
UP>UN
-UO(sat)
UO
+UO(sat)
u而u01I使由↓u→低R产电u生0平1┗↑同跳→━样变u━的R为正━↑高→跳━电┛u变平0，2，↓G2由的于输电出容u02两从端高电电压平u变C不为能低突电变平，，因这
是结一果个使强得列电正路反迅馈速过进程入：G1门关闭、G2门打开的暂稳状态。
1►0
0►1
1► 0 1
脉冲宽度：tW≈0.7RC
3.正电反馈路过自程：动返回稳态 电路在暂稳态期间，u01为高电平， C结经指产充果数生R电到使规下→得地u律 列电C不路↑下 的→断自降 正u动对R┗， 反↓返━电→━当馈回━u容━0到过u2━↑充RG┛→下程1电打u降0：1开，↓到、使GG22u门关C 闭的按的阈指稳值数态电。规暂压律稳时上态，的升持电，续路u时R将按间，
一、CMOS型多谐振荡器
G1、G2 为两个反相器，R、C是定时元件。
多谐振荡器 a）原理图 b）实际电路图
多谐振荡器波形图
㈠ 工作原理
1► 0
0► 1
+
1.正反第馈一过暂程稳：态及其自动翻转的过程 假定在接通电
源这的 时瞬 为间 电， 路电 的u┗I━↑路第━→━最一━u0━1初暂┛↓→处稳u于态02↑G）1关，闭即、u0G1=2打 1，开u状02=态0。（设 结此果时导，致uGO11门经迅电速阻打R开到，uOG2对2门电迅容速关C充闭电，，电路uI进的入电第位二等暂于稳 态u，C与即uu020之1=0和，。u02随=1着。充电的进行，uI的电位不断上升， 当uI上升到G1门的阈值电压VTH后，电路发生下述正
74HC221典型接线图
三、单稳态触发器的应用
单稳态触发器在数字电路中一般用于整 形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相 等的波形） 、定时（产生一定宽度的矩形 波）、以及延时（把输入信号延迟一定时间 后输出）等。
(一) 脉冲的整形 无论输入到单稳态触发器的脉冲波形如何，只 要符合触发电压，能使单稳态电路翻转，就能在 输出端得到一定宽度、一定幅度、前后沿较陡的 规则矩形脉冲。
反相器的电压传输特性
三、利用反相器对微积分脉冲进行整形处理
前述的微分电路和积分电路虽然可对波形进行变换， 但其输出波形并不是一个标准的时钟脉冲，为了 得到标准的时钟脉冲信号，可利用反相器对其进 行整形处理。
反相器对脉冲波形的整形和处理
a）下拉式微分电路 b）上拉式微分电路 c）积分电路
第二节 单稳态触发器
单稳态触发器特点是：
（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。 （2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到 暂稳态。 （3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一 段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持 续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参 数。
一、微分型单稳态触发器
微分型单稳态触发器 a)电路图 b)时序波形图
R ＝0， S ＝1，RS 触发器翻转，
uo 为低电平，这是第二种稳态。 电路翻转后 ui 再上升，电路状态不变。
>1.4V 1
1
uo
1
0
（4）ui 上升到最大值后下降时，
若 ui 下降到 UT， R ＝1， S =1，
RS 触发器不翻转， 电路仍维持在第二种稳态。
>1.4V ～0.7V
1
1
uo
求电路的时间常数τ=RC远大于输入矩形正脉冲 的宽度tw。
积分电路 a)电路图 b)波形图
三、阈值电压 集成门电路的输出状态发生翻转时，所对应的
临界输入信号电压，用VTH 表示。
通常将转折区中点所对应的输入电压称为阈值 电压。一般TTL门电路取1.4V作为阈值电压， CMOS门电路取1/2电源电压作为阈值电压。
反馈过程：
㈠ 工作原理
0► 1
1► 0
+
正2.反馈第过二程暂：稳态及其自动翻转的过程： 电路进入第
二 端暂 电稳 压态 不u└I瞬 能─↓─→间突─u─，变01─↑，u┘→02则u由02u0↓I上也跳将至上+跳VDVDDD，。由此于后电，容电两 结果容使CG通1门过迅电速阻关R闭及，uGo12、门u迅o2速开打始开放，电电，路使又返uI回的到电第位一不暂 稳态断。下降，当uI降至G1门的VTH 后，电路又发生下
fmax =1/（tw+tre）
二、集成单稳态触发器
单片集成单稳态触发器具有价廉、性能稳定、 使用方便等优点，在数字电路中的应用日益广泛， 下面以74HC221为例介绍。
74HC221为集成双单稳态触发器，其中每个单
稳态触发器单元均具有两个触发输入端TR+和TR(TR+为正边沿触发端，TR-为负边沿触发端)，和 一个清零端R(低电平有效)，两个互补的输出端Q 和Q。
电压比较器
二 、 工 作 原 理
• 2/3VCC
<><22//33VVCCCCCC
• ><1/3VCC
1/3VCC
0 011 011
复位 同高出低 不同保持 同低出高
三、典型应用 (一）555构成施密特触发器
TH TR
当uI<1/3VCC时，uO输出高电平；当uI>2/3VCC时， uO输出低电平；当1/3VCC<uI<2/3VCC时，uO输
(二) 多谐振荡器 利用施密特触发器也可以构成多谐振荡器。
当VDD为+5V时，振荡频率计算公式可用下式估算： f =1/(0.8RC)
若R、C单位分别取KΩ和μF，则f 的单位为KHz。
多谐振荡器
a）多谐振荡器 b）可控多谐振荡器 c）占空比和频率可调的多谐振荡器
(三) 单稳态触发器 利用施密特触发器的回差特性可以很方便地构
缺点是回差太小，且不能调整。
施密特触发器 a）逻辑图 b）逻辑符号 c）波形图 d）传输特性
二、集成施密特触发器
集成施密特触发器性能一致性比较好，触发 阈值电压稳定。
CD40106内含六个独立的施密特触发器单元， 每个单元有一个触发输入端和一个输出端，且输 出和输入为反相逻辑关系，其引脚排列与CD4069 相同。
555定时器的产品有双极型和CMOS型：
双极型型号为555(单)和556(双)；
CMOS型产品型号是7555(单)和7556(双)。
• 双极型定时器的电源电压在4.5～16V之间，输出 电流较大(200mA)，能直接驱动继电器等负载， 并能提供与TTL、CMOS电路相容的逻辑电平；
• CMOS型则功耗低、适用电源电压范围宽(通常在 3V～18V)、定时元件的选择范围大、输出电流比 双极型小。
㈠ 工作原理
0
1
0 1
1. 电路的稳态 当uI为高电平且R <Roff(关门电阻)时 ， G2门关闭，u02为高电平，G1门由于输入全为1而打开， u01为低电平。此时，电路处于稳定状态。
0 ►1
1►0
1 ►0
0►1
暂稳状态
2. 正加反负馈触过发程脉：冲电路翻转为暂稳态 当t=t1时，uI产生负跳变，使
充电
放电
VDD
+V +
充电
微分电路 a)电阻下拉式 b)电阻上拉式 c)时序图
当电路的时间常数τ=RC >>tw时，即使电路的形式
完全一样，但这样的RC电路是耦合电路，而不是
微分电路，其输出电压uo 与输入电压uI 的波形
近似相同。
耦合电路的时序图
(二) 积分电路
积分电路也是一种常用的波形变换电路，它可 以将矩形脉冲变换成近似三角波。其电路也是一 个RC串联电路，但从电容上取出输出电压，且要
成单稳态触发器。
上升沿触发型单稳态触发器 a）电路图 b）时序图
下降沿触发型单稳态触发器 a)电路图 b)时序图
(四) 脉冲幅度鉴别 脉冲的幅度鉴别
数字电子技术基础习题
第五节 集成555定时器
555定时器又称时基电路，是一种用途很广 泛的单片集成电路。若在其外部配上少许阻容元 件，便能构成各种不同用途的脉冲电路，如振荡 器、单稳态触发器以及施密特触发器等。同时， 由于它的性能优良，使用灵活方便，在工业自动 控制、家用电器和电子玩具等许多领域得到广泛 的应用。