第10篇 脉冲波形产生

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10.3.1 门电路构成的单稳态触发器
1．电路结构
图10-8 微分型单稳态触发器
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2．工作原理定性分析
分析单稳态触发器的工作原理，就是分析如何在外触发信 号的作用下，电路由稳态进入暂稳态，然后又如何在电容充放 电的作用下，自动返回到稳定状态。 （1）在图10-8所示电路中，输入信号uI在稳态下为高电平。 考虑到R<ROFF，所以稳态时uI2为低电平，则uo为高电平。与 非门G1的两个输入端均为高电平，所以，uo1为低电平，电容C 两端的电压近似为0V。只要输入信号保持高电平不变，电路就 维持在uo1为低电平，uo为高电平这一稳定状态。 （2）假设在t1时刻，输入端有一负脉冲信号出现，即外加触 发信号开始作用，则与非门G1的输出uo1变为高电平。由于电 容C两端的电压不能突变，故uI2随uo1跳变为高电平，uo跳变 为低电平。该低电平反馈到G1的输入端，使uo1仍维持在高电 平。电路处于uo1为高电平、uo为低电平的暂稳状态。
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为了克服上述多谐振荡器的缺点，可在图10-1 电路中引入RC延迟环节，构成如图10-3所示电路。
图10-3 带RC延迟的多谐振荡器
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10.2.2 采用石英晶体的多谐振荡器
图10-5给出了两种常见的石英晶体振荡器电路。
图10-5 石英晶体多谐振荡器
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例10-1 秒脉冲信号产生电路的设计。 解：实用的秒脉冲信号产生电路一般均采用图10-5中 的两种电路形式。为了得到1Hz的秒脉冲信号，一 种是在图10-5（a）电路基础上稍作改动，得到如图 10-6所示的电路。图中晶振的谐振频率为4MHz，故 输出电压uo2的频率为4MHz，该信号经一个4×106 分频电路后得到1Hz的秒脉冲信号uo。分频电路可 利用集成计数器实现。
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10.5
主要内容：
555定时器及其应用
555定时器的内部电路结构及工作原理 555定时器的逻辑功能 555定时器构成施密特触发器的工作原理 555定时器构成单稳态触发器的工作原理 555定时器构成多谐振荡器的工作原理
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10.5.1 电路组成及工作原理
1．电路结构
图10-21 555定时器原理图和引脚编号
10.1 概述
主要内容：
多谐振荡器的概念
单稳态触发器的概念 施密特触发器的概念
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（1）双稳态触发电路又称为触发器，它具有两个稳定状态， 两个稳定状态之间的转换都需要在外加触发脉冲的作用下 才能完成。 （2）单稳态触发电路又称为单稳态触发器。它只有一个稳定 状态，另一个是暂时稳定状态（简称“暂稳态”），在外 加触发信号作用下，可从稳定状态转换到暂稳态，暂稳态 维持一段时间后，电路自动返回到稳态，暂稳态的持续时 （3）多谐振荡器能够自激产生连续矩形脉冲，它没有稳定状 态，只有两个暂稳态。其状态转换不需要外加触发信号触 发，而完全由电路自身完成。若对该输出波形进行数学分 析，可得到许多各种不同频率的谐波，故称“多谐”。
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10.2 多谐振荡器
主要内容：
门电路构成多谐振荡器的工作原理
石英晶体多谐振荡器电路及其优点 秒脉冲信号产生电路的构成方法
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10.2.1 门电路构成的多谐振荡器
利用门电路的传输延迟时间，将奇数个非门首尾 相接就构成一个简单的多谐振荡器。如图10-1所示， 它由三个非门首尾相连而成，这个电路没有稳定状态。
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10.4.1概述
施密特触发器的输出与输入信号之间的关系可 用电压传输特性表示，如图10-15所示，图中同时 给出了它们的逻辑符号。
图10-15施密特触发器的电压传输特性
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图10-15施密特触发器的逻辑符号
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10.4.2施密特触发器的应用
1．波形变换 利用施密特触发输入反相器可以把正弦波、三 角波等变化缓慢的波形变换成矩形波，如图10-16 所示。
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其工作波形如图10-9所示。
图10-9 微分型单稳态触发器的工作波形
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10.3.2 集成单稳态触发器
目前使用的集成单稳态触发器有不可重复触发 和可重复触发,两种单稳态触发器的工作波形如图 10-10所示。
图10-10 两种单稳态触发器的工作波形
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集成单稳态触发器中，74121、74LS121、 74221、74LS221等是不可重复触发的单稳态触发器。 74122、74123、74LS123等是可重复触发的单稳态 触发器。下面以不可重复触发的单稳态触发器 74LS121为例加以介绍。
图10-12 脉 冲整形波形
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2．定时控制 利用单稳态触发器能够输出一定宽度tw的矩形 脉冲这一特性，去控制某一系统，使其在tw时间内 动作（或不动作），从而起到定时控制的作用。如 图10-13所示，在定时时间tw内，D端输出脉冲信号， 而在其他时间，D端不输出脉冲信号。
图10-13 脉冲定时控制
图10-11 单稳态触发器74LS121
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10.3.3 单稳态触发器的应用
1．脉冲整形 脉冲信号在传输过程中，常会因干扰导致波形 的变化。由于74LS121内部采用了施密特触发（下 节介绍）输入结构，故对于边沿较差的输入信号也 能输出一个宽度和幅度恒定的矩形脉冲。利用这一 特点，可将宽度和幅度不规则的脉冲整形为规则的 脉冲，如图10-12所示。
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555定时器能在很宽的电源电压范围内工作。例如： TTL555定时器的电源电压范围为5～18V。此外，555定 时器的驱动能力较强，可以吸收和输出200mA电流。因 此它可直接用于驱动继电器、发光二极管、扬声器、指 示灯等。
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10.5.2 555定时器构成施密特触发器
图10-22 555定时器构成施密特触发器
图10-18 脉冲幅度鉴别
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4．构成多谐振荡器 图10-19给出了由7414施密特触发器构成的多 谐振荡器。该电路非常简单，仅有两个施密特触发 器、一个电阻和一个电容组成。该电路的工作原理 如下：
图10-19 施密特触发器构成的多谐振荡器
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其输出波形如图10-20所示。
图10-20 多谐振荡器输出波形
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图10-6 秒信号产生电路(1)
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另一种是在图10-5（b）电路基础上增加一片 集成电路CD4060而得到如图10-7（a）所示的电路。
图10-7 秒信号产生电路(2)
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应用电路如下：
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10.3 单稳态触发器
主要内容：
单稳态触发器的工作特点
门电路构成单稳态触发器的工作原理 不可重复触发和可重复触发的区别 集成单稳态触发器74LS121和74LS122的使用方法 单稳态触发器在波形整形、定时和延时等方面的应 用方法
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10.5.4 555定时器构成多谐振荡器
555定时器构成的多谐振荡器如图10-26所示。
图10-26 555定时器构成多谐振荡器
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图10-27 图10-26电路的工作波形
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图10-23 图10-22电路的工作波形
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10.5.3 555定时器构成单稳态触发器
图10-24 555定时器构成单稳态触发器
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图10-25 图10-24电路的工作波形
通过上述分析可以看出，它要求触发脉冲的宽度 要小于tW 。并且其周期要大于tW 。如果触发脉冲的 宽度大于 tW ，可通过RC微分电路变窄后再输入到 555定时器的2脚上。
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3．脉冲延时 脉冲延时一般包括两种情况，一是边沿延时， 如图10-14（a）所示，输出脉冲信号的下降沿相对 于输入脉冲信号的下降沿延时了tw；二是脉冲信号 整体延时一段时间，如图10-14（b）所示。
图10-14 脉冲延时
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10.4 施密特触发器
主要内容：
施密特触发器的电压传输特性
施密特触发器进行波形变换的工作原理 施密特触发器进行波形整形的工作原理 施密特触发器构成多谐振荡器的工作原理
图10-16 波形变换
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2．脉冲整形 有些信号在传输过程中或放大时往往会发生畸 变。通过施密特触发器电路，可对这些信号进行整 形，作为整形电路时，如果要求输出与输入相同， 则可在上述施密特触发输入反相器之后再接一个反 相器。整形波形如图10-17所示。
图10-17 脉冲整形
Hale Waihona Puke Baidu26
3．幅度鉴别 施密特触发器的翻转取决于输入信号是否大于 VT+ 和是否小于VT-。利用这一特点可将它作为幅 度鉴别电路。如图10-18所示。
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10.5.1 电路组成及工作原理
2．电路工作原理
555定时器的功能主要取决于比较器，比较器 的输出控制着RS触发器和三极管T的状态。 RD为复位端。当RD＝0时，输出uO＝0，T管饱 和导通。此时其它输入端的状态对电路无影响。正 常工作时，应将RD接高电平。5脚为控制电压输入 端。当5脚悬空时，比较器C1、C2的基准电压分别 是和。这时，为了滤除高频干扰，提高比较器参考 电压的稳定性，通常将5脚通过0.01μ F电容接地。 如果5脚外接固定电压uIC ，则比较器C1、C2的基 准电压为uIC和 1 u 。 IC 2
图10-1 奇数个非门构成的多谐振荡器
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从任何一个非门的输出端都可得到高、低电平 交替出现的方波。该电路的输出波形如图10-2所示。
图10-2 图10-1电路的输出波形
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假设三个非门的传输延迟时间均为tpd，在某 一时刻输出uo由低电平0跳变为高电平1（如图中uo 波形的箭头所示），则G1门、G2门和G3门将依次翻 转，经过三级门的传输延迟时间3tpd后，使输出uo 又由高电平1跳变为低电平0。如此循环跳变而形成 矩形波。由图10-2可见，其振荡周期为6tpd。这种 简单的多谐振荡器周期小，频率高，且频率不易调 整和不稳定，所以在实际电路中很少使用。