• 脉冲波形的产生与变换

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    🦄🦄欢迎大家来学习数字电路——脉冲波形的产生与变换。（也是最后一期电子技术了）

    🦄🦄在这里我们会讲解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器和555时基电路，希望通过我们的学习会让你更明白数字电路中的奥秘。

    目录

    🏆一、常见的脉冲产生电路

     🔑1.脉冲的基本概念

    （1）脉冲的概念

    （2）常见的几种脉冲变形

     （3）矩形脉冲信号的参数

    🔑 2.多谐振荡器

     （1）集成门电路组成的多谐振荡器

    ①电路组成

     ②振荡周期的估算

     （2）石英晶体多谐振荡器

    🔑3.单稳态触发器

    （1）不可重复触发的集成单稳态触发器 

     ①引脚排列及图形符号

     ②逻辑功能

    （2）可重复触发的集成单稳态触发器

     ①引脚排列及图形符号

     ②逻辑功能

    🔑4.施密特触发器

    （1）施密特触发器的主要参数与工作波形

     ①主要参数

    ②工作波形

     （2）CMOS集成施密特触发器

     （3）TTL集成施密特触发器

    🏆 二、555时基电路及应用

    🔑1.555时基电路

    （1）电路组成即引脚功能

    ①电路组成

     ②引脚功能

    （2）逻辑功能

    🔑 2.555时基电路的应用

    （1）构成多谐振荡器

     ①电路组成

    ②工作过程

    ③输出脉冲周期

    （2）构成单稳态触发器

    ①电路组成

     ②工作过程

    ③输出脉冲宽度

    （3）构成施密特触发器

     ①电路组成

     ②工作过程

    一、常见的脉冲产生电路

     1.脉冲的基本概念

    （1）脉冲的概念

    脉冲是指一种瞬间突变、持续时间极短的电压或电流信号。它可以是周期性变化的，也可以是非周期性的或单次的。

    如图所示电路是一个简单的矩形脉冲波信号发生器，反复接通和断开开关S，在电阻R_{2}上得到的输出电压波形，就是一串矩形脉冲波。

    波形图如图所示： 

     脉冲信号有正负之分。如果脉冲跃变后的值比初始值高，则为正脉冲；反之为负脉冲。如图所示：

    （2）常见的几种脉冲变形

     脉冲信号种类繁多，常见的脉冲波形有矩形波、锯齿波、尖峰波、梯形波、阶梯波等，如图所示。数字电路中用到的脉冲波形通常为矩形波。

     （3）矩形脉冲信号的参数

    ①脉冲幅值U_{m}    

    脉冲从起始值到最大值之间的变化量，表征脉冲信号强弱的参数。

    ②脉冲上升时间t_{r}

    脉冲从起始值开始突变的一边称脉冲前沿。脉冲前沿从0.1U_{m}上升到0.9U_{m}所需的时间称上升时间t_{r}。t_{r} 值越小，脉冲前沿越陡直，波形越接近理想的脉冲波形。

    ③脉冲下降时间t_{f}

    脉冲从峰值跃变到起始值的一边称脉冲后沿。脉冲后沿从0.9U_{m}下降到0.1U_{m}所需的时间称下降时间t_{f}。t_{f}值越小，脉冲后沿越陡直。

    ④脉冲宽度t_{W}

    在0.5U_{m}处从一个脉冲的前沿到后沿之间的时间称脉冲宽度t_{W}。t_{W}越大，脉冲出现后持续时间越长。

    ⑤脉冲周期T

    周期性重复的脉冲，两个相邻脉冲前沿（或后沿）之间的时间间隔称脉冲周期T。其倒数为脉冲的频率f，f=\frac{1}{T} 。

    ⑥占空比D

     脉冲宽度t_{W}与脉冲周期T之比称占空比。

    即D=\frac{t_{W}}{T}。

    占空比为50%的矩形波即为方波。

     2.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。其图形符号如图所示：

     （1）集成门电路组成的多谐振荡器

    ①电路组成

    如图所示是一个常用的非门电路多谐振荡器，图中两个非门接成RC耦合正反馈电路，使之产生振荡。RC的另一个重要作用是组成定时电路，决定多谐振荡器的振荡频率和脉冲宽度。

     ②振荡周期的估算

    矩形脉冲的周期是由电容充、放电时间决定，可按下式估算：

    T\approx 1.4RC

    在实际应用中，常通过调换电容C的容量来粗调振荡周期，通过改变电阻R的值来细调振荡周期，使电路的振荡频率达到要求。

    用RC作为定时元件和非门电路组成的多谐振荡器有多种电路形式。

    如图所示：

     （2）石英晶体多谐振荡器

    在多谐振荡器中接入石英晶体，就可以构成石英晶体多谐振荡器。如图所示：

     当信号频率与石英晶体固有的谐振频率f_{0}相等时，它的阻抗为0，使该信号容易通过，形成正反馈，产生振荡。而对其他频率，石英晶体呈现高阻抗，正反馈的路径被切断，不能起振。因此，振荡器输出矩形波的频率  就等于石英晶体的谐振频率f_{0}，与电路其他元件参数无关。

    石英晶体的温度系数很小，振荡频率稳定，常用于电子设备的基准时间信号。

    3.单稳态触发器

     单稳态触发器是指有一个稳态和一个暂稳态的波形变换电路。它的工作特性具有如下显著特点：   ①它有一个稳定状态和一个暂稳定状态。若无外界触发脉冲作用，电路将始终保持稳定状态。

    ②在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态。

    ③暂稳态维持时间的长短通常都是靠RC 电路的充、放电过程来维持的。与触发脉冲的宽度和幅度无关。

    （1）不可重复触发的集成单稳态触发器 

    不可重复触发型的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲，电路的输出脉冲宽度t_{W}不受其影响，仍由电路中的R、C参数确定，必须在暂稳态结束以后，它才能接收下一个触发脉冲而转入暂稳态。不可重复触发的集成单稳态触发器的图形符号和工作波形。如图所示：

     ①引脚排列及图形符号

    TTL集成单稳态触发器74LS121的引脚排列和逻辑符号如图所示：

     ②逻辑功能

    如图所示为集成单稳态触发器74LS121的功能表：

    （a）禁止触发状态

    当B为高电平，A_{1}、A_{2}中有一个输入为低电平时，电路为禁止触发状态，u_{o} 端维持0。

    当B为低电平时，电路为禁止触发状态，u_{o}端维持0。

    当A_{1}、A_{2}两个输入全为高电平时，电路为禁止触发状态，u_{o}端维持0。

    （b）单稳态触发

    当B为高电平，A_{1}、A_{2} 中有一个或两个产生由1到0的负跳变时，u_{o}端有正脉冲输出。

    当A_{1}、A_{2} 两个输入中有一个或两个为低电平，B产生由0到1的正跳变时，u_{o}端有正脉冲输出。

    （2）可重复触发的集成单稳态触发器

     可重复触发的单稳态触发器在电路被触发而进入暂稳态以后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个t_{W}宽度 。它的输出脉冲脉宽度可根据触发脉冲的输入情况的不同而改变。

    可重复触发的集成单稳态触发器的图形符号和工作波形如图所示：

     ①引脚排列及图形符号

    74LS123芯片内部含两个独立的可重复触发的单稳态触发器，每一个电路分别具有各自的正触发输入端B、负触发输入端\overline{A}、复位输入端\overline{R_{D}}、外接电容端C_{ext}、外接电阻/电容端R_{ext}/C_{ext}、输出端Q和\overline{Q}，如图所示：

     ②逻辑功能

    如图所示为可重复触发的集成单稳态触发器74LS123的功能表：

      （a）复位清零

    当R_{D}=0时，不论其他输入端为何种状态，输出端Q立即为0。故\overline{R_{D}}的清零功能具有最高优先级。使用其他输入引脚功能时，\overline{R_{D}}必须置1。

    （b）单稳态触发

    当\overline{R_{D}}=1、\overline{A}=0，B由0到1正跳变时，Q端有正脉冲输出。

    当\overline{R_{D}}=1、B=1，\overline{A}由1到0负跳变时，Q端有正脉冲输出。

    当\overline{A}=0、B=1，\overline{R_{D}}由0到1正跳变时，Q端有正脉冲输出。

    （c）禁止触发

    在\overline{A}=1或B=0时，电路处于禁止触发状态（即稳定状态），Q维持0。

    4.施密特触发器

    施密特触发器是一种靠输入触发信号维持的双稳态触发器。其特点是：

    电路具有两个稳态，

    当输入信号电压升高至上限触发电压U_{T+}时，电路翻转到第二稳态；

    当输入触发信号降低至下限触发电压U_{T-}时，电路就由第二稳态返回到第一稳态。

    （1）施密特触发器的主要参数与工作波形

    施密特触发器有同相输出和反相输出两种类型。其图形符号及电压传输特性如图所示：

     ①主要参数

    上限触发电压(正向阈值电压)U_{T+}

    u_{I}上升过程中，输出电压u_{O}产生跳变所对应的输入电压值。

    下限触发电压（负向阈值电压）U_{T-}

    u_{I}下降过程中，输出电压u_{O}产生跳变所对应的输入电压值。

    回差电压\Delta U_{T}=U_{T+}-U_{T-}

    回差电压越大，施密特触发器的抗干扰性越强。（滞回特性）

    ②工作波形

    如图所示，当输入三角波时，根据施密特触发器的电压传输特性，可得到对应施密特触发器的输出波形。

     （2）CMOS集成施密特触发器

    CC4093为四2输入施密特与非门，引脚与74LS00兼容。

    CC40106为六施密特反相器，引脚与74LS04兼容。它与普通反相器的逻辑功能一样，差异在于施密特反相器存在上、下限触发电压。不同型号的集成施密特触发器的U_{T+}和U_{T-}具体数值可从集成电路手册中查到。如图所示静态参数如表所示：

     （3）TTL集成施密特触发器

    74LS24、74LS32、74LS132为四2输入施密特与非门，引脚与74LS00兼容。

    74LS13、74LS18为二4输入施密特与非门，引脚与74LS20兼容。

    74LS14、74LS19为六施密特反相器，引脚与74LS04兼容。其主要参数的典型值如表所示：

     二、555时基电路及应用

    1.555时基电路

    （1）电路组成即引脚功能

    ①电路组成

    一般由分压器、比较器、触发器和开关及输出等四部分组成。如图所示：

     ②引脚功能

    如图所示为555时基电路的外部引脚及功能：

    （2）逻辑功能

    功能表如下表所示：

     2.555时基电路的应用

    （1）构成多谐振荡器

     ①电路组成

    如图所示是555时基电路组成的一个典型多谐振荡器。

    ②工作过程

    设电路中电容两端的初始电压为0，u_{C}=u_{TH}=u_{\overline{T}}< \frac{1}{3}V_{CC}时 ，输出端为高电平，放电端断开。电源V_{CC}对电容C充电，充电回路V_{CC}\rightarrow R_{1}\rightarrow R_{2}\rightarrow C\rightarrow地，输出为高电平。

    随着电容充电，电路状态翻转，输出为低电平，放电端导通，电容通过开关管VT放电，放电回路 路C\rightarrow R_{2}\rightarrow VT\rightarrow地。当u_{C}=\frac{1}{3}V_{CC}时，电路状态翻转，输出为高电平，放电端断开，电容C又开始充电，重复上述过程形成振荡，输出电压为连续的矩形波。

    ③输出脉冲周期

    电容充电形成的第一暂稳态时间：t_{w1}=0.7\left ( R_{1}+R_{2} \right )C

    电容放电形成的第二暂稳态时间：t_{w2}=0.7R_{2}C

    所以，电路输出脉冲周期：T=t_{w1}+t_{w2}=0.7\left ( R_{1}+2R_{2} \right )C

    （2）构成单稳态触发器

    ①电路组成

    如图所示是555时基电路组成的一个单稳态触发器。

     ②工作过程

    接通电源，V_{CC}通过R、C对电容C充电，使u_{c}=\frac{2}{3}V_{CC}，定时器输出为低电平，电路处于稳定状态。这时，开关管VT导通，电容C被旁路，电路仍处于原稳定状态，输出为低电平。

    当u_{I}的负触发脉冲到来时，电路状态翻转，进入暂稳态，输出为高电平。这时，开关管VT截止，电源通过电阻R向电容C充电。当u_{c}> \frac{2}{3}V_{CC}时，电路状态翻转，输出为低电平，u_{o}=0时，电路由暂稳态变为稳态，此时，开关管VT导通，电容C被旁路电路仍处于原稳定状态，输出为低电平。

    ③输出脉冲宽度

    电容C充电形成的暂态时间为：t_{w}=1.1RC

    （3）构成施密特触发器

     ①电路组成

     ②工作过程

     当输入信号u_{I}< \frac{1}{3}V_{CC} 时，输出端为高电平。随着u_{I}的增加，当u_{I}> \frac{2}{3}V_{CC} 时，电路翻转，输出端为低电平。u_{I}继续增加，电路保持原状态。随着u_{I}的减少，当u_{I}< \frac{1}{3}V_{CC}时，电路状态又翻转，输出高电平。

    电子技术基础与技能的模拟电子和数字电子部分就先告一段落了，我们下期再见😁😁

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