1、数字电子技术基础与数字电子技术基础与技能技能-第第5章章湖南有色金属职业技术学院李响初2第第5章章 脉冲波形的产生与变换脉冲波形的产生与变换学习目标学习目标 知识目标知识目标：v 了解单稳触发器、多谐振荡器、施密特触发器的逻辑功能及应用特性。v 了解555时基电路的引脚功能和逻辑功能。v 会用555时基电路搭接单稳触发器、多谐振荡器、施密特触发器。技能目标技能目标：v 能利用数字电路实验箱验证555时基电路逻辑功能。v 会组装与调试防盗报警器。v 会查阅集成单稳态触发器、施密特触发器的引脚功能，并能正确选用。35.1 常见脉冲产生电路常见脉冲产生电路 话题引入话题引入 本节主要介绍两类脉冲单元
2、电路：一类是能将不理想的波形变换成所需要的矩形脉冲的变换电路，包括施密特触发器和单稳态触发器；另一类是能直接产生所需要的矩形脉冲的的脉冲产生电路多谐振荡器。a）防盗报警器 b）信号发生器 c）电子脉冲治疗仪图5-1 脉冲波形产生电路典型应用45.1.1 施密特触发器施密特触发器v【门电路构成的施密特触发器】图5-2所示是由与非门构成的施密特触发器及其输入电压Vi为三角波时的工作波形。图中G2和G3构成基本RS触发器。图5-2 电路构成及其工作波形5v 工作原理：v（1）当输入电压Vi=0时，电路输出V0为高电平，这是施密特触发器的第一种稳定状态。v（2）当Vi逐步上升至二极管的正向压降Vi=V
3、D(VD=0.7V)时，虽然端电位达到门G3的阀值电压VT(VT=1.4V)，但尚未达到门G1的阀值电压，门G1不翻转，端仍为高电平。故RS触发器不翻转，而维持在第一种稳态。v（3）当Vi继续上升到Vi=VT+=VT时，门G1翻转使，RS触发器状态发生翻转，使电路输出V0变为低电平。电路翻转后Vi再上升，电路状态保持不变，这是施密特触发器的第二种稳定状态。此时，Vi值称为施密特触发器的上限触发电平。常用“VT+”表示。v（4）当Vi上升到最大值而下降时，若Vi下降到VT，门G1翻转，。由于端接二极管D1正极，所以它的电位仍高于VT，故RS触发器不翻转，施密特触发器维持在第二种稳定状态。6v （
4、5）当Vi继续下降到Vi=VT-=VT-VD时，=0，RS触发器状态发生翻转。施密特触发器又进入第一种稳定状态。此时Vi值称为施密特触发器的下限触发电平，常用“VT-”表示。v 由上述分析可知，对于图5-2所示的施密特触发器，输入电平Vi上升到VT+电平时，触发器状态发生翻转，输出下降到低电平。输入电压回降到VT+电平时，触发器却不翻转回初始状态。待Vi继续下降至VT-时，才翻转至高电平。这种现象被称为施密特触发器的滞回特性。VT+与VT-的差值VT称为回差电压或滞后电压，即VT=VT+-VT-v 显然，图5-2所示施密特触发器的回差电压为：VT=VT+-V T-=VT-（VT-VD）=VD=
5、0.7V7v 图5-2所示为施密特触发器的电压传输特性及施密特触发器逻辑符号。a)电压传输特性 b)逻辑符号图5-3 施密特触发器的电压传输特性和逻辑符号v 施密特触发器特点：v 1）引起电路2次跳变的输入信号上升电平和下降电平不同；v 2）在电路状况转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡；8v【集成施密特触发器】v （1）TTL系列集成施密特触发器74LS132 74LS132的外形与引脚排列如图5-4所示。a）外形 b）引脚排列图5-4 74LS132外形、引脚排列9v 74LS132芯片各引脚的功能为：v 1）A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4：信号输入
6、端v 2）Y1、Y2、Y3、Y4：信号输出端v 3）VCC：电源端；v 4）GND：接地端；v（2）CMOS系列集成施密特触发器 v HEF40106的外形与引脚排列如图5-5所示。10a）外形 b）引脚排列图5-5 HEF40106外形、引脚排列v HEF40106芯片各引脚的功能为v 1）1A、2A、3A、4A、5A、6A：信号输入端v 2）1Y、2Y、3Y、4Y、5Y、6Y：信号输出端v 3）VDD：电源端；v 4）VSS：接地端；11v【施密特触发器的应用】v（1）波形变换v 输入三角波、正弦波、锯齿波等边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。如图5-6所示。图5-6 用
7、施密特触发器实现波形变换12v（2）脉冲整形v a）矩形波的边沿变缓；b）在矩形波的边沿处产生振荡；c）矩形波被叠加上干扰脉冲。如图5-7所示。图5-7 用施密特触发器实现脉冲整形13v（3）脉冲鉴幅v 利用施密特触发器的输出取决于输入信号幅度的特点，可以将其用作脉冲幅度鉴别电路，如图5-8所示。图5-8 用施密特触发器实现脉冲鉴幅14课堂实验：课堂实验：HEF40106波形整形逻辑功能验证波形整形逻辑功能验证v【实验材料】CMOS施密特触发器反相器HEF40106、数字电路实验箱及相关附件、双踪示波器。v【实验原理】实验原理图参照图5-5自行设计。v【实验内容】按所设计实验电路连接线路。然后
8、按下述步骤进行实验。v（1）给HEF40106通电，在其输入端输入频率约1000Hz的三角波，控制三角波的最高电压为5V，最低电压为0V。v（2）将双踪示波器调到X-Y显示方式，X通道接CC40106的输入端，Y通道接HEF40106的输出端，观察并在表5-2中记录HEF40106的传输特性曲线。15v（3）在传输特性曲线上读出HEF40106的高电平输入转换电平和低电平转换电平，并记入表5-2中。v（4）更改输入三角波频率及幅度，按照（1）（3）的相同步骤测试HEF40106，测试结果记入表5-2。表表5-2 HEF40106波形整形功能测试表波形整形功能测试表v【实验结论】利用施密特触发器
9、的滞回特性，可将输入三角波、正弦波、锯齿波等边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。165.1.2 单稳态触发器单稳态触发器v 功能：脉冲整形、定时、延时等。v 特点：v（1）电路具有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；v（2）在外加触发脉冲作用下，能从稳态转换为暂稳态；v（3）暂稳态维持一段时间后，能自动返回稳态。且暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅取决于电路本身的参数。v【门电路构成的单稳态触发器】v（1）积分型单稳态触发器v 图5-9a所示是由两个CMOS或非门以及RC积分电路构成的积分型单稳态触发器。17a)逻辑电路 b)工作波形图5-9 积分型单稳态触发器及其工作波形 工作
10、过程：稳态下由于Vi=1，V01=VA=V0=0，同时电容C充电结束。18v 当Vi负跳变到0时，V01跳变为高电平1。但由于电容C上的电压不能突变，所以在一段时间里VA仍为0，故门G2截止，V0跳变为高电平1。在门G1、G2截止时，电容C通过电阻R和G1的导通管放电，使VA逐渐上升。当VA上升到门电路的阈值电压VT+时，若Vi仍为低电平，G2转换为导通状态，V0跳变为0。当Vi回到高电平后，G1导通，电容又通过电阻R和G1的导通管充电，电路自动返回到稳定状况。v 若门电路开启电压VT=0.5VDD，则暂稳态的脉冲宽度为v TWw0.7RC19v（2）微分型单稳态触发器v 图5-10a所示是由
11、两个CMOS或非门以及RC微分电路构成的微分型单稳态触发器。a)逻辑电路 b)工作波形图5-10 微分型单稳态触发器及其工作波形20v 工作过程：v 稳态下由于Vi=0，VA=VDD，故V0=0，V01=VDD，电容C上没有电压。v 当触发脉冲Vi加到输入端并上升到VTH以后，将引发如下的正反馈过程ViV01VAV0 V01v 使V01迅速跳变为低电平。由于电容C上的电压不能发生突变，所以VA也同时跳变至低电平，并使VO跳变为高电平，电路进入暂稳态。由于V0的高电平反馈至门G1的输入端，此时即使Vi跳变为低电平，仍能维持门G1的低电平输出。21v 在暂稳态期间，电源VDD经电阻R和G1的导通管
12、对电容C充电，随着充电的进行VA逐渐升高，当升至VA=VTH时，又引发另外一个正反馈过程VAV0V01 VA v 若此时触发脉冲已消失（Vi=0），则V01、VA迅速跳变为高电平，并使输出返回V0=0的状态。即电路退出暂稳态。v 暂稳态结束后，电容C将通过R和门G2的输入保护电路向VDD放电，直到电容上的电压为0V，电路恢复到稳定状态。v 脉冲宽度：TWw0.7RC22v【集成单稳态触发器】v（1）TTL系列集成单稳态触发器v 74LS121外形和引脚排列如图5-11所示，表5-3是它的逻辑功能表。a）外形 b）引脚排列图5-11 74LS121外形、引脚排列23v 74LS121芯片各引脚的
13、功能为:v 1）TR-A、TR-B：下降沿触发端；v 2）TR+：上升沿触发端；v 3）NC：空脚v 4）Q、：互补输出端；v 5）Cext：外接电容端；v 6）Rext：外接电阻端；v 7）Rext/Cext：外接电阻和电容的公共端；v 8）VCC：电源端；v 9）GND：接地端。Q24v 表表5-3 74LS121逻辑功能表逻辑功能表25v 功能说明：“”表示上升沿触发，“”表示下降沿触发，“”表示信号状态任意；表中前四行表示三个输入端没加触发脉冲，电路处于稳定状态；表中后五行表示加了触发脉冲。电路翻转为暂稳态，这时端输出正脉冲，端输出负脉冲。图5-12为74LS121的应用举例。a）使用
14、内部电阻 b）使用外接电阻 图5-12 74LS121的外部连接方法26v（2）CMOS系列集成单稳态触发器v HCF098外形和引脚排列如图5-13所示。a）外形 b）引脚排列图5-13 HCF4098外形、引脚排列27v HCF4098芯片各引脚的功能为v 1）TR(1)、TR(1)、TR(2)、TR(2)：脉冲信号触发端；v 2）Q1、Q2、：互补输出端；v 3）RESET(1)、RESET(2)：清零端；v 5）Cx1、Cx2：外接电容端；v 6）RXCX(1)、RXCX(2)：外接电阻、电容公共端；v 8）VDD：电源端；v 9）VSS：接地端。1Q2Q28v 表表5-4 HCF40
15、98逻辑功能表逻辑功能表 29v【单稳态触发器的应用】v （1）脉冲定时a）电路图 b）波形图图5-14 单稳态触发器用于定时控制30v（2）脉冲延时a）电路图 b）波形图图5-15 单稳态触发器用于脉冲延时31课堂实验：课堂实验：74LS121逻辑功能验证逻辑功能验证v【实验材料】TTL系列集成单稳态触发器74LS121、数字电路实验箱及相关附件。v【实验原理】接线图如图5-16所示。图5-16 74LS121测试电路图32v【实验内容】按所设计实验电路连接线路。然后按下述步骤进行实验。v（1）将RP1旋转到中间位置，按表5-5设置输入逻辑开关的状态和正脉冲，将测试结果填写在表中。表表5-5
16、 集成单稳态触发器典型应用测试表集成单稳态触发器典型应用测试表33v（2）其他条件不变，将RP分别旋转到两端，观察输出端发光二极管L1发光时间的长短变化，并分析原因。v（3）将TR+端接逻辑开关K3，TR-A端接负脉冲发生器输出端，RP旋转到中间位置，按表5-6设置输入逻辑开关的状态和负脉冲，将测试结果填写在表中。表表5-6 集成单稳态触发器典型应用测试表集成单稳态触发器典型应用测试表34v【实验结论】单稳态触发器具有稳态和暂稳态两个不同的工作状态，且在外加触发脉冲作用下，能从稳态转换为暂稳态。v 想一想：想一想：若改变外接定时电阻R1或定时电容C1参数，输出端发光二极管L1发光时间的长短会否
17、发生变化，并分析原因。355.1.3 多谐振荡器多谐振荡器v 多谐振荡器是一种自激振荡电路，它不需要外加触发信号，在电源接通后就能自动地产生矩形脉冲。又称之为无稳态电路或矩形波发生器。v【电容正反馈多谐振荡器】v 电容正反馈多谐振荡器逻辑电路如图5-17a所示。a)电路图 b)波形图图5-17 电容正反馈多谐振荡器及其工作波形36v【石英晶体振荡器】v 石英晶体振荡器基本电路如图5-18a所示，图中XT为石英晶体，G1、G2构成多谐振荡器。a)石英晶体振荡器 b)石英晶体电抗频率特性图5-18 石英晶体振荡器及石英晶体电抗频率特性 1 1 R1 R2 C1 C2 XT G1 G2 O X f0
18、 f 电容性 电感性 37v【施密特触发器构成的多谐振荡器】v 利用施密特触发器构成多谐振荡器的基本电路如图5-19a所示。图中外接RC构成积分电路。a)电路图 b)波形图图5-19 施密特触发器构成的多谐振荡器38课堂实验：利用施密特触发器构成多谐振荡器课堂实验：利用施密特触发器构成多谐振荡器v【实验材料】集成施密特触发器HEF40106、74LS14、数字电路实验箱、示波器及相关附件。v【实验原理】参照图5-19a自行设计实验原理图。其中R用100K的电阻箱（或电位器）代替，C可取约0.047F。v【实验内容】按实验原理图连接实验电路，然后按下述步骤进行实验。v（1）检查无误后通电，用示波
19、器观测输出波形，测定振荡频率。调节电位器R，记下在电位器调节范围内可以出现的最大频率和最小频率波形，并测量表5-7列出的各个相应参数，填入表5-7中。v（2）将电容器C换为约0.33F。重新记下在电位器调节范围内出现的最大频率和最小频率波形及相应参数，填入表5-7中。v（3）将CMOS芯片cc40106换成引脚及功能完全相同的TTL芯片74LS14，重新进行步骤（1）、（2）的实验。39v 表表5-7 用施密特触发器构成多谐振荡器实验记录用施密特触发器构成多谐振荡器实验记录v【实验结论】根据表5-7比较用CC40106和74LS14芯片构成多谐振荡器的差异。v想一想：利用集成单稳态触发器HCF
20、4098能否构成多谐振荡器？若能试参照本实验步骤测试其主要性能指标。405.2 555定时器及应用定时器及应用话题引入话题引入目前生产的555定时器有TTL和CMOS两种类型。通常，TTL型555定时器产品型都以555结尾；CMOS型555定时器产品型号以7555结尾。另外，还有一种将两个555定时器集成到一个芯片上的双定时器产品556（TTL型）和7556（CMOS型）。常见555集成定时器外形如图5-19所示。a）TTL型555定时器 b）CMOS型555定时器 c）双555定时器图5-21 555定时器外形图415.2.1 555定时器基本结构及其功能定时器基本结构及其功能v 555定时
21、器的内部结构如图5-22a所示，它主要由三个阻值为5K的电阻组成的分压器、两个高精度电压比较器C1和C2，基本RS触发器、反相器以及一个作为放电通路的晶体管T组成。a)内部结构 b)管脚排列图5-22 555定时器内部结构及管脚排列42v 555定时器各引脚的功能为v 1端(GND)：接地端；v 2端()：低电平触发端，也称为触发输入端；v 3端(V0)：定时器输出端；v 4端()：复位端；v 5端(C0)：电压控制端；v 6端(TH)：高电平触发端，又称为阈值输入端；v 7端(DIS)：放电端；v 8端(VCC)：电源端（TTL型：4.516V；CMOS型：318V）。TRR43v 表表5-
22、8 555定时器逻辑功能表定时器逻辑功能表44v 5.2.2 555定时器的应用定时器的应用v【555定时器构成的单稳态触发器】图5-23 a所示为利用555定时器构成的单稳态触发器。a)电路图 b)波形图图5-23 利用555定时器构成的单稳态触发器45v 输出脉冲宽度估算公式为：tp1.1RC 【555定时器构成的多谐振荡器】图5-24a所示为用555定时器构成的多谐振荡器。a)电路图 b)波形图图5-24 利用555定时器构成的多谐振荡器46v 输出矩形脉冲的频率f、占空比q分别为：v【555定时器构成施密特触发器】v 图5-25a所示为用555定时器构成的施密特触发器。a)电路图 b)
23、波形图图5-25 利用555定时器构成的施密特触发器CRRttfww)2(43.112121212121112RRRRtttTtqwwww47课堂实验：课堂实验：555定时器逻辑功能研究定时器逻辑功能研究v【实验材料】555定时器、数字电路实验箱及相关附件。v【实验原理】图5-26所示为555定时器逻辑功能验证实验电路。图5-25 555定时器逻辑功能实验电路48v【实验内容】按图5-26所示连接实验电路。然后逐步改变输入电压，在表5-9、表5-10中记录输入电压、输出电压和放电管的状态各数据.表表5-9 输入电压上调记录表格（输入电压上调记录表格（555电源电压电源电压=V）49v 表表5-
24、10 输入电压下调记录表格（输入电压下调记录表格（555电源电压电源电压=V）v/验证/整理表5-9、表5-10中记录输入电压上调和输入电压下调时的数据，并绘出输出电压随着输入电压变化的曲线。v 想一想：利用555定时器可否构成占空比可调的矩形波发生器？若能试绘出其电路原理图。v 注意：根据555定时器工作原理，输入电压在等于1/3和2/3电源电压时输出可能发生转变，因此在实验过程中应注意在1/3和2/3电源电压附件多取一些实验点。50技能训练技能训练 制作声控式防盗报警器制作声控式防盗报警器v【训练目标】v（1）认识555定时器，并能正确选择和使用；v（2）掌握用万用表测试、判断555定时器
25、性能好坏的基本方法；v（3）熟悉声控式防盗报警器工作原理；v（4）会组装、调试声控式防盗报警器。v【训练材料】【相关原理介绍相关原理介绍】图5-26所示为声控式防盗报警器原理图。51v 表表5-11 材料清单表材料清单表52图5-26 声控式防盗报警器53 工作原理:v 电路通电后，BC作为音频传感器来检测各种声音，当BC未检测到声音信号时，BC无放电现象，VF处于截止状态。IC1第2脚为高电平，单稳态触发器处于稳定状态，IC1第3脚输出低电平，使多谐振荡器不起振，扬声器BL不发声。报警器处于监控状态。v 当BC监控区域出现脚步声、物体的振动声或撞击声时，BC将检测到的声音信号变换为电信号，此
26、信号经VF放大后产生触发信号，使单稳态触发器电路受触发而翻转，由稳态变为暂稳态，IC1第3脚由低电平转换为高电平，多谐振荡器振荡工作，BL发出固定频率的报警声。同时，定时电容C3通过IC1第7脚内部放电晶体管快速放电后，又经R4充电。当C3充电结束（约2min）后，单稳态触发器电路翻转，恢复为稳定状态，IC1第3脚由高电平变换为低电平，多谐振荡器停振，BL停止发声，报警器恢复监控状态。54v【实训方法与步骤】v（1）观察NE555、VF和电解电容器C1C5外部形状，并区分管脚；v（2）用万用表检测元器件质量好坏，并进行整形和搪锡处理；v（3）按照图-26所示声控式防盗报警器原理图，在印刷电路板
27、上正确连接电路。v（4）调试与检测电路v 1）通电前检查：对照原理图检查电源的连接；注意电解电容、场效应管的连接极性；特别要注意集成电路的引脚插接顺序。v 2）通电检测：在监控与报警两种情况下检测NE555的各脚电位，记录在表5-12、表5-13中。特别关注2脚与3脚电位值的变化，并说明其变化规律。55v 表表5-12 NE555集成电路各脚电压（监控状态）集成电路各脚电压（监控状态）v 表表5-13 NE555集成电路各脚电压（报警状态）集成电路各脚电压（报警状态）56v 想一想：想一想：v（1）调节电位器RP阻值，可否能改变报警器监控范围，为什么？v（2）变更单稳态触发器定时元件R4或C3
28、参数，可否能改变延时时间，为什么？v（3）变更多谐振荡器定时元件R5、R6或C4参数，可否能改变多谐振荡器输出频率，即改变告警声音调与节奏，为什么？57本章小结本章小结v 1由门电路构成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器和基本RS触发器在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同，因而RS触发器具有两个稳态，单稳态触发器具有一个稳态，多谐振荡器和施密特触发器没有稳态。v 2在单稳态和无稳态电路中，由暂稳态过渡到另一个状态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外加触发脉冲。暂稳态持续的时间是脉冲电路的主要参数，它与电路的阻容元件有关。v 3多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。单稳态触发器和施密特触发器不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其他形式的信号变换为矩形波。这些电路的用途很广。v 4555集成定时器是一种应用广泛、使用灵活的集成电路器件，多用于脉冲产生、整形及定时等。58设计制作：李响初设计制作：李响初工作单位：湖南有色金属职业技术学院工作单位：湖南有色金属职业技术学院E-mail:E-mail:HNYSJXJWKHNYSJXJWK愿与您共同交流提高！愿与您共同交流提高！
