中央处理器(CPU)需要按照一定的时钟节拍才能有序地工作,一般的时序电路也离 不开作为时序基准的时钟信号(CP )。获取时钟信号的方法通常有两种:直接产生或利 用其他信号变换得到。使用脉冲振荡器,可以直接产生一定频率的脉冲数字信号;将模 拟信号通过整形或模数转换(A/D)的方法,也能得到脉冲数字信号。源自生产实践的原 始信号通常为模拟信号,由于数字信号的处理方法多,误差较小,所以我们常常将模拟信 号转换成数字信号,在数字系统中完成信号处理,然后将数字信号转换成模拟信号,加以 放大后推动终端运行,如屏幕的显示、LED 灯的点亮、数字仪表指针的转动等均在数字系 统中处理信号。本章先介绍脉冲数字信号的生成与变换技术,然后介绍模拟信号与数字 信号之间的转换技术。 1 555 多谐振荡器 5. 5.1 时基电路555 的功能 1. 555 芯片属于模拟与数字混合型的集成电路,按其工艺分为TTL 型和CMOS 型两 类,其应用非常广泛。 1所示, 555 芯片有8个引脚,如图5.电路主要由两个高 精度电压比较器A1 与A2、一个RS 触发器、一个放电晶体管 和3个5kΩ 电阻组成,芯片由此得名。555 芯片的6脚为高 触发输入端UI1=UTH,2脚为低触发输入端UI2=UTL , ..8脚与1脚分别为电源与接地端, -4脚为 异步复位端RD,3脚为输出 端。555 芯片内部3个5kΩ 电阻构成了串联分压电路,在5脚 未外接信号时,这3个电阻产生两个比较器A1和A2的基准电 压,A1的基准电压为A1 正端输入电压UV1+=2/3VCC,A2 的 1555 芯片引脚 基准电压为A2负端输入电压UV2-=1/3VCC 。图5.555 芯片的电路结构及比较器的基准电压如图5. 2所示。 555 时基电路的功能如表5.1所示。当异步复位端..0时,不论其他输入端电平 RD= 如何,输出无条件复位UO=0; VCC,低触发输入端UTL > 当高触发输入端UTH>2/31/3VCC,输出低电平UO=0,NPN 晶体管基极高电平,晶体管导通,7脚低电平;当高触 发输入端UTH<2/3VCC,低触发输入端UTL <1/3VCC,输出高电平UO=1, -NPN 晶体管 当高触发输入端UTH<2/3VCC, ->1/3 截止,7脚高电平; 低触发输入端UTL VCC 时,输出 UO 保持不变,晶体管状态保持不变。 表5. 1 555 时基电路的功能 复位端..RD 高触发输入端TH (UI1) 高触发输入端TL (UI2) 输出 Q (UO) 放电晶体管 (T) 功能 0 X X 0 导通清零 1 >2/3VCC >1/3VCC 0 导通置0 133 续表 复位端..RD 高触发输入端TH (UI1) 高触发输入端TL (UI2) 输出 Q (UO) 放电晶体管 (T) 功能 1 <2/3VCC <1/3VCC 1 截止置1 1 <2/3VCC >1/3VCC Qn 不变保持 图5. 2555 芯片的电路结构及比较器的基准电压 例5.图5.电源VCC=1=低 1 3所示555 时基电路中, 5V,①若高触发端输入UI3V, 触发端输入UI2=1. 5V 时,输出U0 是高电平还是低电平? ②若输入UI1=3V,UI2=2V 时,UO=?③若输入UI1=4V, UI2=UO=? 2V 时, 解:VCC=5V,比较器A1 基准电压2/3VCC+ =(2/3)× 5≈3.VCC+≈1. 33V,比较器A2基准电压1/367V,①高触发输 入UI1=3V<3.低触发输入UI2=5V<1.输出U0 33V, 1.67V, 为逻辑高电平。②高触发输入UI1=VCC+(33V), 3V<2/33. 低触发输入UI2=2V>1/31.此时,输出U0 维持 VCC+(67V), 原状,继续保持逻辑高电平。③高触发输入UI1=4V> 2/3VCC+(33V), 2=2V>1/31. 3.低触发输入UIVCC+(67V), 输出UO 转为逻辑低电平。图5. 3555 时基电路 1.用555 电路构成多谐振荡器 5.2 图5.555 时基电路的高触发输入端UI1 4所示为555 电路构成的多谐振荡器, ()、低触发输入端UI2(-)与电容 C 相连,UC,电容 C 另一端接地。加 UTH UTL UI1=UI2= 电后,电源通过R1、R2 对电容 C 充电,电容电压UC 升高,充电时常数为(R1+R2)C,当 134 VCC 时,555 芯片输出UO=1,..NPN 晶体管截止;电容 C 继续充电,UC 进一步增大,当1/3VCC<UI1=UI2=UC<2/3VCC 时,UO=1,Q=UBE=0, UI1=UI2=UC<1/3Q=0=UBE, .. 输出UO 保持高电平,NPN 晶体管仍然截止;当UC 增大至UI1=UI2=UC>2/3VCC 时, UO= Q =UBE= 输出电压发生跳变,0,..1,NPN 晶体管导通,电容 C 上电荷通过R2、NPN 晶体管回路放电,放电时常数为R2C,放电致使电容电压UC 下降,当下降至1/3VCC< UI1=UI2=UC<2/3VCC 时,输出UO 不变,维持UO=0,Q=1,NPN 晶体管继续导通,电 .. 容 C 继续放电,当降至UI1=UI2=UC<1/3输出电压再次发生跳 UC 进一步下降, VCC 时, 变UO=1。随着电容充放电的转换,电路如此循环往复,输出UO=1→0→1→0→…… UO 在逻辑0和1之间无限循环下去,于是就生成了多谐信号:矩形脉冲信号UO,如图5. 5 所示。 图5. 4555 电路构成多谐振荡器 图5. 5555 多谐振荡器电容充放电过程 例5.图5.求输出脉冲V0 的高电平宽 2 6所示为555 芯片构成的多谐振荡器电路, 度、低电平宽度、振荡周期和占空比。 解:(1)输出脉冲高电平宽度为电容 C 由零电位充电至2/3VCC 的时间: TPH=0.R1+R2)C=7×11×101×10-6=0. 7(0.3×0.77ms 。 (2)输出脉冲低电平宽度为电容 C 由电压2/3VCC 放电至1/3VCC 的时间: 136 图5.6 多谐振荡器电路 TPL=0.7×R2C=0.7×10×103×0.1×10-6=0.7ms 。 (3)振荡周期:T=0.7(R1+2R2)C=0.77ms+0.7ms=1.47ms 。 (4)输出脉冲占空比为D=TPH/T=(R1+R2)/(R1+2R2)≈50% 。 5.2施密特触发器 施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门,触发器输入具有两个阈值电压,分别 称为正向阈值电压V+ TH 和反向阈值电压V- TH 。当输入电压大于正向阈值电压V+ TH 时,输 出电平跳变;当输入电压小于反向阈值电压V- TH 时,输出电平也跳变;当输入电压处于阈 值电压[V- TH,V+ TH]之间时,施密特触发器状态保持不变。正向阈值电压V+ TH 与反向阈值 电压V- TH 二者的差值称为回差电压ΔV=V+ TH -V- TH 。图5.7所示是同相施密特触发器 的传输特性,除回差期间,输出与输入电平变化一致,输入低电平,输出低电平;输入高电 平,输出高电平。图5.8所示是反相施密特触发器的传输特性,除回差期间,输出与输入 电平相反。施密特触发器具有电压滞回特性,所以具有较强的抗干扰能力,同相与反相 施密特触发器的符号如图5.9和图5.10 所示。 图5.7 同相施密特触发器的传输特性图5.8 反相施密特触发器的传输特性 图5.9 同相传输施密特触发器的符号图5. 10 反相传输施密特触发器的符号 施密特触发器虽然没有自激振荡的功能,无输入不能产生矩形脉冲,但是,利用它的 回差特性,可以把其他形状的信号变换成为矩形波,为数字系统提供标准的脉冲数字信 号。施密特触发器芯片7414 拥有6个反相的施密特触发器,如图5. 11 所示。 图5. 11 六反相施密特触发器7414 例5.试用施密特触发器将三角波信号整形成矩形脉冲信号。 解: 3 若将三角波信号输入至同相施密特触发器,当输入电压UI<V-时,同相施密 - 特触发器输出低电平UO=0;当UI上升至区间VTH<UI<V+ 输出保持(TH) 不变UO=0; TH, 当UI上升至UI>V+ 时,输出跳变至高电平UO=1;当UI由最高点UMAX 开始下降,在 区间V-时(TH) ,输出保持不变UO=1;当UI下降至UI<V-后,输出跳变至低 TH<UI<V+ 电平UO=0,如此循环(TH) 往复,同相施密特触发器输出UO 就是矩形脉冲信(TH) 号。 若将三角波信号输入反相施密特触发器,当输入电压UI<V-时,反相施密特触发 器输出高电平UO=1;当UI上升至区间V- TH,输出保持不(TH) 变UO=1;当UI上 TH<UI<V+ 升至UI>V+ 时,输出跳变至低电平UO=0;当UI由最高点UMAX 开始下降,在区间V TH TH< UI<V+ 时,输出保持不变UO=0;当UI下降至UI<V-后,输出跳变至高电平UO=1, TH 如此循环(TH) 往复,反相施密特触发器也获得矩形脉冲信号的输出。同相、反相传输的施密 特触发器输入、输出波形如图5. 12 所示。 例5.试用反相施密特触发器将输入正弦波信号整形成矩形脉冲信号。 解: 4 根据反相施密特触发器的特性:UI<UT-,UO=1;UT-<UI<UT+,UO=1; UO=0。设置阈值电压UT+<UIMAX 与UT->UIMIN,将正弦波信号输入反相UI>UT+, 如图5. 施密特触发器,可以输出矩形脉冲信号UO, 13 所示。 例5.如何使用正相传输的施密特触发器, 形 5 将受干扰的矩形脉冲信号进行整形, 138 图5.12 同相、反相传输的施密特触发器的输入输出波形 图5.13 正弦波输入后,施密特触发器的输出波形 成规则的矩形脉冲信号? 解:因为施密特触发器在阈值电压处,输出电平才可能跳变,所以令正向阈值电压 VT+ 取值小于受干扰后的脉冲高电平,负向阈值电压UT-取值大于受干扰后的脉冲低电 平,这样就能将脉冲干扰去除,形成规则的矩形脉冲信号。 图5.14 将叠加干扰的脉冲信号整形成规则的矩形脉冲信号 5.单稳态触发器 脉冲数字信号可能受到干扰,导致波形不够规则,也可能脉冲宽度不符合需求,这时 需要对脉冲数字信号的宽度进行处理。使用单稳态触发器,不仅可以对不规则矩形脉冲 波形进行整形,而且还可以控制矩形波的脉冲宽度。 单稳态触发器具有稳态和暂稳态两个不同的工作状态:在外界触发脉冲作用下,从 稳态翻转到暂稳态,维持一定时间后又回到稳态。维持时间取决电路参数(R、C), 与触 发脉冲的宽度和幅度无关。图5.每当检测到输入 15 所示是下降沿触发的单稳态触发器, 信号UI的下降沿,触发器输出UO 跳变至低电平UO=0,进入暂稳态,然后维持一段时 间TW,再回到稳态高电平UO=1。 图5. 15 单稳态触发器输入输出波形 集成单稳态触发器分为两种:可重触发和不可重触发的单稳态触发器。对于不可重 触发型单稳态触发器,当暂稳态没有结束时,即使再来触发脉冲,触发器也不予响应,待 16( 暂稳态完成进入稳态后,方可响应新的触发信号。如图5.a)所示,触发器稳态为低电 平UO=0,在输入UI第一个上升沿后,触发器进入暂稳态高电平UO=1,在暂稳态时间 TW 未结束时,输入UI出现第二个上升沿,触发器不予响应,继续执行暂稳态UO=1,直 至暂稳态结束,重新开始检测触发信号, UI再无上升沿, 触发 因为两个触发脉冲后,最后, 器便为稳态“0”。 图5. 16 单稳态触发器输入输出波形 对于可重触发型单稳态触发器,当暂稳态没有结束时,又受到新触发,那么结束当前 16( 暂稳态,重新响应新触发信号,进入新一轮的暂稳态。如图5.b)所示,UI第一个上升 140 沿触发后,进入暂稳态“1”,在暂稳态时间TW 未结束时,触发器再次受到UI上升沿触 发,此时,触发器重新开始进入暂稳态“1”,直至暂稳态时间TW 结束,才进入稳态“0”。 单稳态触发器74221 和74123 引脚类似,但74221 是不可重触发型单稳态触发器, 74123 是可重触发型单稳态触发器,如图5.17 所示。 图5.17 不可重触发型与可重触发型单稳态触发器 不可重触发型单稳态触发器74221 的功能如图5.18 所示,当A=0时,输入信号B 上升沿触发有效,触发器Q输出一个正脉冲UO,脉冲宽度TW≈0.7R1C1。 图5.18 单稳态触发器74221 的功能 假设单稳态触发器输入信号UI第2、4个脉冲受到严重干扰,如图5.19 所示,使用 图5.18 所示的单稳态触发器,对输入信号UI整形后,输出端Q的波形恢复了第2、4个 脉冲,完成了对输入信号UI的整形功能。 图5.19 单稳态触发器74221 的波形整形应用 4A/ D 与D/ A 转换概述 5. 将模拟信号(analogsignal)转换成数字信号(digitalsignal)或将数字信号转换成模 拟信号,这是数字系统应用的必由之路, 20 列举 了几种A/D与D/A的应用示例。 也是数字系统应用于实践的桥梁。图5. 图5. 20 模数转换和数模转换的应用示例 5A/ D 转换 5. 5.1 A/ D 转换的步骤 5. A/D转换的过程包括采样、保持、量化和编码四步。 1. 采样 首先对模拟信号按照采样时钟的节拍进行采样,每个采样时钟周期采样一次,如 图5.采样时钟信号与原始模拟信号相与后, ' O与正比于 21 所示, 得到的离散信号幅值U 原始模拟信号UI,如图5.采样定理) 21 所示。采样时钟必须满足奈奎斯特定理( 的要求, 即采样信号的频率fS 应大于等于被采样的模拟信号最高频率fIMAX 的2倍(fS≥ 2fIMAX), 才能不失真地恢复原始模拟信号。 图5. 21 模拟信号采样 例5.使用A/D转换器将06MHz 的模拟视频信号转换成数字视频信号,A/D 6 ~