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1、第9章脉冲波形的产生与变换现在学习的是第1页，共73页9.1 矩形脉冲矩形脉冲 时序电路中的时钟信号即为矩形脉冲波。时钟脉冲的特性直接关系着系统能否正常工作。实际的矩形脉冲波形如图9.1.1所示，其特性可用以下指标来描述：脉冲周期T周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间的时间间隔。脉冲频率f=1/T,表示单位时间内脉冲重复的次数。脉冲幅度Um脉冲电压的最大变化幅度。脉冲宽度TW从脉冲前沿上升到0.5Um开始，到脉冲后沿下降到0.5Um为止的一段时间。现在学习的是第2页，共73页上升时间tr脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需要的时间。下降时间tf脉冲后沿从0.9Um下降到0.1Um所需要的
2、时间。现在学习的是第3页，共73页图9.1.1 实际的矩形脉冲波形 现在学习的是第4页，共73页9.2 555 定定 时时 器器 555定时器是目前在工业自动控制、仿声、电子乐器、防盗报警等方面获得了广泛应用的一种时基电路，用它可以构成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器等脉冲产生和波形变换电路。目前的集成定时器产品中，CMOS型的有 CC7555、CC7556等，器件的电源电压为 4.518 V，能提供与TTL、CMOS电路相兼容的逻辑电平;双极型的有 5G555（NE555）。下面以CC7555为例，介绍555定时器的功能。CC7555为双列直插式封装，共有8个引脚。图9.2.1（a）为
3、CC7555的电路结构图，图9.2.1（b）是它的外引脚排列图。现在学习的是第5页，共73页图9.2.1 集成定时器CC7555（a）电路结构;（b）外引脚排列 现在学习的是第6页，共73页1 1 CC7555 CC7555的组成的组成（1）分压器：由3个5k的电阻R构成电阻分压器（故得名555定时器），它向比较器A和B提供参考电压：。电压控制端CO也可外加控制电压改变参考电压值。CO端不用时，可外接0.01F的去耦电容，以消除干扰，保证参考电压不变。（2）比较器：集成运算放大器A、B组成两个电压比较器，每个比较器的两个输入端标有+号和-号。当U+U-时，比较器输出高电平;当U+3V时，哪个发
4、光二极管亮？（2）当ui小于多少伏时，该逻辑电平仪表示低电平输入？这时哪一个发光二极管亮？现在学习的是第10页，共73页图9.2.2 例9.2.1电路图 现在学习的是第11页，共73页解解 由图9.2.2和表9.2.1可知，由于电压控制端CO外加控制电压uA=3 V，改变了CC7555的比较器A、B的参考电压值，使之分别变为3 V（高触发端TH比较电压）和1.5 V（低触发端TR比较电压）。由于图9.2.2电路中的高触发端TH（6脚）和低触发端TR（2脚）接在一起,因此：（1）当ui3 V时，输出OUT为L，LED1亮;（2）当ui1.5 V时，输出OUT为H，LED2亮。现在学习的是第12页
5、，共73页9.3 多多 谐谐 振振 荡荡 器器 多谐振荡器是产生矩形脉冲波的自激振荡器，由于矩形脉冲波中除基波外，还有丰富的谐波成分，故得名多谐振荡器。产生矩形脉冲的电路很多，例如用TTL与非门构成的基本多谐振荡器和RC环形振荡器;用CMOS或非门组成的多谐振荡器。本节主要介绍用集成定时器构成的多谐振荡器和频率稳定性高的石英晶体振荡器。多谐振荡器的符号如图9.3.1所示。现在学习的是第13页，共73页图9.3.1 多谐振荡器符号 现在学习的是第14页，共73页9.3.1 9.3.1 由由555555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器1 1 工作原理工作原理图9.3.2（a）所示为由C
6、C7555构成的多谐振荡器电路，R1、R2和C是外接定时元件。电路的工作波形如图9.3.2（b）所示。现在学习的是第15页，共73页图9.3.2 由CC7555定时器构成的多谐振荡器（a）电路;（b）工作波形 现在学习的是第16页，共73页电路的工作原理如下：由图9.2.1和表9.2.1可知，接通电源瞬间，TH和TR端的电位uC=0，基本RS触发器的R=0，S=1，触发器置1，输出OUT（uo）为高电平，MOS管截止，电源经R1、R2对C充电，uC逐渐升高。当uC 时，比较器A输出，即RS触发器的R端跳变为高电平，比较器B输出,即RS触发器的S端跳变为低电平，使RS触发器置0，输出OUT（uo
7、）跳变为低电平，MOS管导通，电容C通过R2及MOS管放电，uC下降。当uC时，比较器B的输出使RS触发器的S跳变为高电平，比较器A的输出使RS触发器的R跳变为低电平，输出OUT（uo）再次跳变到高电平，MOS管截止，C再次充电，如此周而复始，输出端就得到了矩形脉冲序列。现在学习的是第17页，共73页多谐振荡器有两个暂稳态，电路的特性参数计算如下：现在学习的是第18页，共73页振荡周期 振荡频率 脉冲宽度与周期之比称为占空比q，q的计算如下：现在学习的是第19页，共73页 实际中有时需要矩形波的脉冲宽度可变，图9.3.3就是一个占空比可调的多谐振荡器电路。图中，二极管V1和V2使电容C的充电和
8、放电路径不同，当V管截止时，电源VDD经过R1、V1对电容C充电;V管导通时，电容C通过V2、R2和V管放电，充、放电时间常数可通过调节电位器RW来改变。因此有 占空比为 因此，调节电位器RW，即改变R1和R2，就可以调节脉冲波形的占空比。现在学习的是第20页，共73页图9.3.3 占空比可调的多谐振荡器现在学习的是第21页，共73页2 2 应用举例应用举例1）间歇音响电路如图9.3.4（a）所示用两个555多谐振荡器可以构成间歇音响电路，设计RA1、RB1、C1和RA2、RB2、C2的值使振荡器的频率为1 Hz，振荡器的频率为 1 kHz。由于振荡器的输出接到振荡器的复位端R（4脚），因此在
9、uo1输出高电平时，振荡器才能振荡，uo1为低电平时，被复位，振荡停止。这样，扬声器便发出间歇(频率为1 Hz)的1 kHz音响，其工作波形如图9.3.4（b）所示。现在学习的是第22页，共73页图9.3.4 间歇音响电路（a）电路;（b）工作波形现在学习的是第23页，共73页2）压控振荡器在图9.3.2（a）所示的电路中，若控制端CO不接电容C1，而是加一个可调电压um，该多谐振荡器就可以构成一个压控振荡器。此时，A的参考电压为um，B的参考电压为um/2。而um的大小会改变电容C的充、放电时间，也就改变了输出脉冲的周期。um越大，输出脉冲周期越长，输出频率越低;反之，um越小，输出频率越高
10、。现在学习的是第24页，共73页9.3.2 9.3.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英晶体振荡器的符号和等效阻抗频率特性如图9.3.5（a）所示。由图可知，石英晶体的选频特性很好，只有频率为f0的信号才能通过晶体，其他频率信号都会被晶体衰减。所以，为了得到稳定度很高的脉冲信号，目前普遍采用石英晶体多谐振荡器电路，图 9.3.5（b）所示为一种典型的石英晶体多谐振荡器电路。现在学习的是第25页，共73页图9.3.5 石英晶体多谐振荡器(a)石英晶体的符号和阻抗频率特性;（b）石英晶体多谐振荡器电路现在学习的是第26页，共73页图中，门G1、G2及R1、R2、C1、C2构成基本多谐振荡器，它只
11、有两个暂稳态：一个非门导通，另一个非门截止。假设G1导通，G2截止，则C1充电，C2放电。当C1充电到使G2输入端电平达到阈值电压UT时，G2转到导通，同时C2的放电也使G1转为截止，电路进入另一暂稳态：G1截止，G2导通，C1放电，C2充电。当C2充电到使G1输入端电平达到阈值电压UT时，G1又转为导通，同时C1放电使G2又转为截止 如此周而复始，输出uo即为连续的矩形波。现在学习的是第27页，共73页由于电路中接入了石英晶体，这个振荡器只能谐振在频率f0上。对于TTL门，R1、R2通常取0.72k，而对于CMOS门取10100M。电容C1、C2作为非门间的耦合，其容抗对石英晶体的谐振频率f
12、0应可忽略不计。在振荡器输出端再加一级反相器，可以提高带负载能力，改善输出波形。图9.3.6（a）是在输出端加一级分频后再输出的可以产生两相时钟信号的电路，图9.3.6（b）是其工作波形。现在学习的是第28页，共73页图9.3.6 两相时钟多谐振荡器（a）电路;（b）工作波形 现在学习的是第29页，共73页9.4 施密特触发器施密特触发器 9.4.1 9.4.1 施密特触发器的功能与特性施密特触发器的功能与特性施密特触发器是一种应用很广的电路，常用作波形的变换、整形和鉴幅。它的电压传输特性和图形符号如图9.4.1所示。图9.4.1 施密特触发器（a）电压传输特性;（b）图形符号 现在学习的是第
13、30页，共73页由图9.4.1（a）可知，施密特触发器有两个稳定的工作状态，对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平UT+和UT-。要使施密特触发器的输出状态发生转换，输入电压ui必须大于UT+或小于UT-。当输入信号ui由低向高变化并大于正向阈值电压UT+时，电路翻转到一个稳态，输出uo为低电平;当输入信号由高向低变化并小于负向阈值电压UT-时，电路翻转到另一个稳态，uo为高电平。这种滞后的电压传输特性，又叫回差特性。UT+与UT-之差值，称为回差电压U，即 回差电压U越大，电路的抗干扰能力就越强，但“鉴幅”和“触发灵敏度”会变差。此外，施密特触发器靠输入信号的电压高低来触发，也靠
14、输入信号的幅值来维持翻转后的状态。现在学习的是第31页，共73页9.4.2 9.4.2 由由555555定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器 图9.4.2（a）所示为一个由555定时器构成的施密特触发器电路。图9.4.2（b）示出了触发信号ui为正弦波时，输出信号uo的工作波形。图中，定时器的高触发端TH和低触发端TR接在一起作为信号输入端。由定时器的功能表可知，这个触发器的正向阈值电压，负向阈值电压，回差电压 若在控制端CO外加电压，可以改变UT+、UT-和U的值。现在学习的是第32页，共73页图9.4.2 由555定时器构成的施密特触发器（a）电路;（b）输入/输出信号波形 现
15、在学习的是第33页，共73页9.4.3 9.4.3 集成施密特触发器及应用集成施密特触发器及应用1 1 集成施密特触发器简介集成施密特触发器简介74LS132是TTL型的集成施密特触发器产品，片内有4个2（与）输入施密特触发器。4000系列CMOS型的施密特触发器产品有4093和4584等。4093片内也有4个2（与）输入施密特触发器;而4584片内有6个施密特触发器。现在学习的是第34页，共73页2 2 施密特触发器的应用施密特触发器的应用1）波形变换和整形 施密特触发器可以把缓慢变化的三角波或正弦波等信号转变为矩形波，如图9.4.3（a）、（b）所示。施密特触发器也常用作TTL的接口电路，
16、如图9.4.3（c）所示。施密特触发器可以使产生畸变的脉冲波形转换为矩形脉冲，如图9.4.4所示。现在学习的是第35页，共73页图9.4.3 施密特触发器用作波形变换和 TTL系统接口电路（a）三角波变矩形波;（b）正弦波变矩形波;（c）接口电路 现在学习的是第36页，共73页图9.4.4 施密特触发器使畸变波形整形 现在学习的是第37页，共73页2）鉴幅施密特触发器可用来鉴别输入信号的幅度是否超过规定值。图9.4.5是一个阈值电压探测器输入/输出电压波形，幅度超过UT+的脉冲使施密特触发器动作，在输出端就能得到一个矩形脉冲，这样，就能鉴别输入信号的幅度是否超过规定值UT+。现在学习的是第38
17、页，共73页图9.4.5 阈值电压探测器输入/输出波形图 现在学习的是第39页，共73页3)组成多谐振荡器由施密特触发器组成的多谐振荡器的电路和工作波形如图9.4.6所示。当施密特触发器的输入端为低电平时，输出为高电平，电容C通过R充电，C上的电压uC随着C的充电而上升。当uC达到正向阈值电压UT+时，施密特触发器翻转输出低电平，电容C通过R放电，uC随着C的放电而逐渐降低。当uC下降到负向阈值电压UT-时，施密特触发器又翻转输出高电平，如此周而复始，电路就输出了连续的矩形波。现在学习的是第40页，共73页图9.4.6 由施密特触发器组成的多谐振荡器（a）电路;（b）工作波形 现在学习的是第4
18、1页，共73页4）展宽脉冲宽度 由施密特触发器组成的展宽脉冲宽度电路如图9.4.7（a）所示，图9.4.7（b）为其工作波形。图9.4.7 施密特触发器组成的展宽脉冲宽度电路（a）电路;（b）工作波形 现在学习的是第42页，共73页9.5 单稳态触发器单稳态触发器 9.5.1 由由555定时器构成单稳态触发器定时器构成单稳态触发器由555定时器构成的单稳态触发器电路如图9.5.1（a）所示。图9.5.1（b）是它的工作波形。输入触发信号ui加在低触发端TR，输出信号为uo，R和C是外接定时元件。现在学习的是第43页，共73页图9.5.1 由555构成的单稳态触发器(a)电路；(b)工作波形 现
19、在学习的是第44页，共73页电路的工作原理如下：由图9.5.1和表9.2.1可知，当通电后触发信号没有到来时，低触发端TR=VDD，电源VDD对C充电。随着电容C的充电，uC逐渐升高（TH端的电位也不断上升）。当 时，输出信号uo为低电平，此时放电管V导通，C放电到uC0，使TH端为低电平，维持输出端uo的低电平状态，电路处于稳态。现在学习的是第45页，共73页触发信号到来时，ui负跳变为，输出信号uo跳变到高电平，放电管V截止，电源VDD经R向电容C充电，电路处于暂稳态。随着电容C的充电，uC逐渐升高（TH端的电位也不断上升）。当时（此时ui必须已恢复到VDD），输出信号uo又跳变为低电平，
20、放电管V导通，电容C又放电到uC=0(TH=0），电路又回到稳态。现在学习的是第46页，共73页电路在暂稳态的时间等于单稳态触发器输出脉冲的宽度TW。TW为定时电容C上的电压uC由0上升到所需的时间。T的计算如下：其中：。由以上分析可知，单稳态触发器由暂稳态返回稳态的条件是，输入触发脉冲的宽度t0TW。若t0TW，可在触发输入端加RC微分电路。现在学习的是第47页，共73页9.5.2 9.5.2 由集成施密特触发器组成单稳态触发器由集成施密特触发器组成单稳态触发器 由集成施密特触发器组成单稳态触发器的电路如图9.5.2（a）所示，图9.5.2（b）是其工作波形。现在学习的是第48页，共73页图
21、9.5.2 由施密特触发器构成的单稳态触发器（a）电路图;（b）工作波形 现在学习的是第49页，共73页触发信号ui经RC微分电路后接到施密特触发器的输入端，上升沿触发。ui为低电平时，uR=0，输出uo为高电平VDD，电路处于稳态。当ui的上升沿到来时，由于电容C上的电压不能突变，因此uR随ui上跳至高电平VDD（UT+），输出uo由高电平翻转为低电平，电路进入暂稳态。之后，ui通过电阻R对电容C充电，uR逐渐下降，当uR下降到UT-时，电路翻转，uo恢复到高电平VDD，电路回到稳态。显然，输出脉冲的宽度TW是uR由VDD下降到UT-的时间，计算式为 现在学习的是第50页，共73页9.5.3
22、 集成单稳态触发器及应用集成单稳态触发器及应用 集成单稳态触发器的产品可分为两大类：可重复触发单稳态触发器和非重复触发单稳态触发器，图形符号如图9.5.3所示。可重复触发单稳态触发器在受触发进入暂稳态后，若在暂稳态结束前的某时刻有新的触发，则触发器可以接收该新触发信号，重新开始暂稳态过程，并从该时刻起重新计算暂稳态的维持时间TW，如图9.5.4所示。由此可知，利用重复触发脉冲，可以产生持续时间很长的输出脉冲。此外，还可以用复位端输入信号控制输出脉冲宽度，使TW减小，如图9.5.5所示。非重复触发单稳态触发器经触发进入暂稳态期间，输出不受触发输入端跳变的影响。现在学习的是第51页，共73页图9.
23、5.3 集成单稳触发器图形符号现在学习的是第52页，共73页图9.5.4 用重复触发脉冲控制输出脉冲宽度 现在学习的是第53页，共73页图9.5.5 用复位输入控制输出脉冲宽度 现在学习的是第54页，共73页1 集成非重复触发单稳态触发器集成非重复触发单稳态触发器集成非重复触发单稳态触发器TTL型有74121，CMOS型有4528、4538、14538等3种。现以74121为例说明其工作原理。图9.5.6为74121的引脚图，它有3个触发信号控制端A1、A2和B，两个互补的输出端Q、Q。定时电容C接在10、11脚之间。定时电阻R有两种选择：利用片内定时电阻（2 k），将9脚接至14脚（电源）;
24、利用片外定时电阻（阻值为1.440 k），将9脚悬空，定时电阻接11脚与14脚之间。通常R的取值在230 k之间，C的取值在10 pF10 F之间，输出脉冲宽度(TW0.7RC)可达20 ns200 ms。表9.5.1为74121的功能表。现在学习的是第55页，共73页图9.5.6 非重复触发单稳态触发器74121的引脚图 现在学习的是第56页，共73页表表9.5.1 74121的功能表的功能表 现在学习的是第57页，共73页2 集成可重复触发单稳态触发器集成可重复触发单稳态触发器集成可重复触发单稳态触发器TTL型有74122、74123，CMOS型有MC14528等。图9.5.7是74123
25、的逻辑符号，表9.5.2是其功能表。芯片有两个触发输入端：A为下降沿触发输入端，B为上升沿触发输入端;RD为直接复位端，Q和Q为互补输出端，CX为外接定时电容端，RXCX为外接定时电阻、电容端。外接定时电阻RX接在电源VCC与RXCX端之间，定时电容CC接在CX端与RXCX端之间。输出脉冲宽度TW取决于RX和CX的值。现在学习的是第58页，共73页图9.5.7 可重复触发单稳态触发器74123的逻辑符号现在学习的是第59页，共73页表表9.5.2 74123的功能表的功能表 现在学习的是第60页，共73页 3.单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用 （1）用于脉冲信号的延时、定时与整形。图9.5
26、.8是由单稳态触发器和与门组成的延时与定时选通电路及工作波形。ui、uf、uo1和uo分别是触发信号、选通信号、单稳输出信号和与门输出信号的波形。由图9.5.8（b）可知，uo1的下降沿比触发信号ui的下降沿延迟了TW时间，起到了延时作用。而uo1又控制了与门，使高频信号uf只能在uo1的正脉冲TW时间内通过与门传输到输出端uo，起到了定时选通作用。现在学习的是第61页，共73页图9.5.8 单稳态触发器用于延时与定时选通（a）电路;（b）工作波形 现在学习的是第62页，共73页 （2）把不规则的脉冲信号整形为规则的矩形波。因为单稳态触发器一经触发由稳态进入暂稳态后，输出信号就保持一个固定的幅
27、度，与触发信号的波形无关，直至经过TW后回到稳态。因此，若有不规则脉冲ui触发单稳态触发器，其输出uo是具有一定宽度（TW）、幅度，且边沿陡峭的矩形波，如图9.5.9所示。现在学习的是第63页，共73页图9.5.9 单稳态触发器用于不规则波形的整形 现在学习的是第64页，共73页习习 题题 9.1 设题9.1图为用555定时器构成的多谐振荡器，其主要参数如下：VDD=10 V，C=0.1F，RA=20 k，RB=80 k。求它的振荡周期，并画出uC、uo的波形。题9.1图现在学习的是第65页，共73页9.2 题9.2图为一个由555定时器构成的占空比可调的振荡器，试分析其工作原理，若要求占空比
28、为50，应如何选择电路中的有关元件参数？该振荡器频率如何计算？题9.2图 现在学习的是第66页，共73页9.3 题9.3图所示是一个水位监控器。当水位下降到与探测电极脱离接触时，扬声器发出报警声响;当探测电极浸在水中时，扬声器不报警。试分析其工作原理，并定性画出报警时的uC和uo波形。9.4 试用两片555定时器、合适的阻容元件、扬声器和发光二极管设计一个声光报警电路，该电路在接通电源后能产生断续（频率为1 Hz）、声（频率为1 kHz）、光（频率为1 Hz）信号。现在学习的是第67页，共73页题9.3图 现在学习的是第68页，共73页9.5 题9.5图是一个用施密特触发器构成的单稳态触发器，
29、输入ui为一串方波脉冲，设输出脉冲的宽度，试定性画出uA、uo的波形。题9.5图 现在学习的是第69页，共73页9.6 由施密特触发器构成的脉冲延迟电路如题9.6图所示，设输入电压ui为矩形脉冲，试分别定性画出电容C上的电压uC和输出电压uo的波形。题9.6图 现在学习的是第70页，共73页9.7 题9.7图为一个由 555定时器构成的单稳态触发器，已知VDD=10 V，R=30 k，C=0.1F，求输出脉冲的宽度W，并画出ui，uo和uC的对应波形。题9.7图 现在学习的是第71页，共73页9.8 题9.8图是一个简易触摸开关电路，当手触摸金属片时，发光二极管LED亮，经过一定时间后，LED灭。试分析其工作原理。若图中R100 k，C50F，R1 k，LED约亮多长时间？题9.8图 现在学习的是第72页，共73页9.9 分析题9.9图所示电路的功能。若要求扬声器在开关S按下后以1.1 kHz的频率持续响10 s，则图中R1、R2的阻值为多少？题9.9图 现在学习的是第73页，共73页