《電子技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用》項(xiàng)目7

脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與變換項(xiàng)目7在數(shù)字電路中，脈沖信號(hào)是較常用的工作信號(hào)，如時(shí)序邏輯電路中的時(shí)鐘脈沖信號(hào)、控制電路中的定時(shí)信號(hào)等。脈沖信號(hào)通常由兩種方法獲得：一種是采用脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路直接產(chǎn)生脈沖信號(hào)，另一種則是采用脈沖信號(hào)變換電路將已有信號(hào)變換成脈沖信號(hào)。本項(xiàng)目主要介紹施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等脈沖信號(hào)產(chǎn)生和變換電路的相關(guān)知識(shí)，以及555定時(shí)器的基本知識(shí)和應(yīng)用。項(xiàng)目導(dǎo)讀項(xiàng)目導(dǎo)讀學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo) 能夠正確測(cè)試施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 能夠正確測(cè)試555定時(shí)器的功能。技能目標(biāo) 養(yǎng)成實(shí)事求是、開拓創(chuàng)新的工作作風(fēng)。 弘揚(yáng)愛崗敬業(yè)、忠于職守的職業(yè)精神。素質(zhì)目標(biāo) 掌握脈沖信號(hào)的基本知識(shí)。 掌握施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器的基本知識(shí)和應(yīng)用。 掌握555定時(shí)器的工作原理。 熟悉555定時(shí)器的應(yīng)用。目錄任務(wù)7.1

了解脈沖信號(hào)

的產(chǎn)生與變換任務(wù)7.2

認(rèn)識(shí)555定時(shí)器任務(wù)7.1了解脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與變換任務(wù)引入在數(shù)字電路中，施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是應(yīng)用較廣的脈沖信號(hào)變換電路，它們的測(cè)試電路如下圖所示。請(qǐng)選擇合適的工具和器材，對(duì)施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行測(cè)試。任務(wù)引入本任務(wù)的知識(shí)與技能要求如下表所示。任務(wù)內(nèi)容了解脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與變換學(xué)習(xí)程度識(shí)記理解應(yīng)用學(xué)習(xí)任務(wù)脈沖信號(hào)概述

●

施密特觸發(fā)器●

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器●多諧振蕩器

●

實(shí)訓(xùn)任務(wù)測(cè)試施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

●自我勉勵(lì)學(xué)習(xí)目標(biāo)任務(wù)工單學(xué)生領(lǐng)取任務(wù)工單（詳見教材），并完成工單內(nèi)容。1．知識(shí)準(zhǔn)備3．任務(wù)實(shí)施2．工具和器材準(zhǔn)備4．任務(wù)評(píng)價(jià)脈沖信號(hào)通常是指突然變好，然后在較短的時(shí)間內(nèi)迅速回到初始狀態(tài)的電信號(hào)。與普通正弦交流信號(hào)等模擬信號(hào)的波形相比，脈沖信號(hào)的波形在時(shí)間上是離散的，但其變化具有一定的周期性。在數(shù)字電路中，最基本的脈沖信號(hào)是矩形脈沖信號(hào)，其波形如下圖所示。脈沖信號(hào)常用的技術(shù)參數(shù)主要有脈沖幅度、脈沖寬度、上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈沖周期和占空比。7.1.1脈沖信號(hào)概述相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí)脈沖幅度是指矩形脈沖信號(hào)電壓的最大變化幅度。1．脈沖幅度脈沖周期是指在周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔。有時(shí)也用頻率來表示單位時(shí)間內(nèi)脈沖的數(shù)量。5．脈沖周期占空比是指脈沖寬度與脈沖周期的比值。6．占空比脈沖寬度是指從脈沖上升沿到達(dá)0.5到脈沖下降沿到達(dá)0.5所需要的時(shí)間。上升時(shí)間是指脈沖上升沿從0.1增大到0.9所需要的時(shí)間。下降時(shí)間是指脈沖下降沿從0.9減小到0.1所需要的時(shí)間。2．脈沖寬度3．上升時(shí)間4．下降時(shí)間相關(guān)知識(shí)施密特觸發(fā)器是一種常用的脈沖信號(hào)變換電路，它主要具有以下特點(diǎn)。7.1.2施密特觸發(fā)器（1）施密特觸發(fā)器是由電平觸發(fā)的，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到某一電壓值時(shí)，輸出信號(hào)的電壓會(huì)發(fā)生跳變。但是，在輸入信號(hào)電壓增大或減小的過程中，使輸出信號(hào)電壓發(fā)生跳變所需要的輸入信號(hào)電壓不同。（2）當(dāng)施密特觸發(fā)器的狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生的正反饋可使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。1．施密特觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)下面以由CMOS門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器為例進(jìn)行介紹，其電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。它由兩級(jí)CMOS反向器串聯(lián)起來，并通過分壓電阻把輸出端的電壓反饋到輸入端而構(gòu)成，其邏輯圖形符號(hào)如右圖所示。相關(guān)知識(shí)2．施密特觸發(fā)器的工作原理相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí)3．施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性根據(jù)上述分析，可繪制出施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性曲線，如下圖所示。相關(guān)知識(shí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器主要具有以下特性。7.1.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（1）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)不同的狀態(tài)。（2）在外界的觸發(fā)信號(hào)作用下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，并維持暫穩(wěn)態(tài)一段時(shí)間后再自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長短取決于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器本身的參數(shù)，與觸發(fā)信號(hào)的脈沖寬度和脈沖幅度無關(guān)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器廣泛應(yīng)用于脈沖信號(hào)的整形、延時(shí)（產(chǎn)生滯后于觸發(fā)信號(hào)的脈沖信號(hào)）和定時(shí)（產(chǎn)生固定時(shí)間寬度的脈沖信號(hào)）等場(chǎng)合。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)通常是由RC電路的充、放電來維持的。根據(jù)RC電路連接方法的不同，即連接成微分電路形式或積分電路形式，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可分為微分型和積分型兩種類型。下面主要對(duì)微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行詳細(xì)介紹。相關(guān)知識(shí)如下圖所示為微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)。它由CMOS門電路和RC微分電路等構(gòu)成。相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí)如右圖所示為微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形。相關(guān)知識(shí)多諧振蕩器是一種自激振蕩器，它在接通電源后不需要外加觸發(fā)信號(hào)便能自動(dòng)輸出矩形脈沖信號(hào)。多諧振蕩器因輸出的矩形脈沖信號(hào)中含有豐富的高次諧波分量而得名。由于多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有做交替變化的兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，因此它又稱為無穩(wěn)態(tài)電路。多諧振蕩器通常由TTL門電路或CMOS門電路等構(gòu)成。下面以由TTL門電路構(gòu)成的多諧振蕩器為例進(jìn)行介紹。它主要有以下兩種形式。7.1.4多諧振蕩器（1）由數(shù)量為奇數(shù)的多個(gè)非門構(gòu)成簡單環(huán)形多諧振蕩器。（2）由非門和RC延時(shí)電路構(gòu)成RC環(huán)形多諧振蕩器。相關(guān)知識(shí)點(diǎn)撥由于TTL門電路的工作速度（開關(guān)速度）比CMOS門電路的工作速度快，因此高頻多諧振蕩器多由TTL門電路構(gòu)成，而低頻多諧振蕩器多由CMOS門電路構(gòu)成。簡單環(huán)形多諧振蕩器因振蕩周期較小且不可調(diào)，所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)頻率較高且無法控制，而不具有實(shí)用價(jià)值。通常，可在簡單環(huán)形多諧振蕩器的基礎(chǔ)上附加RC延時(shí)電路，以構(gòu)成RC環(huán)形多諧振蕩器來使用。相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí)任務(wù)7.2認(rèn)識(shí)555定時(shí)器

任務(wù)引入555定時(shí)器是一種多用途單片中規(guī)模集成電路，它可實(shí)現(xiàn)波形的產(chǎn)生、變換、測(cè)量、控制等功能，廣泛應(yīng)用于定時(shí)器、脈沖信號(hào)發(fā)生器和振蕩器中，作為延時(shí)、觸發(fā)或起振元件。利用555定時(shí)器可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路。請(qǐng)選擇合適的工具和器材，對(duì)555定時(shí)器的功能進(jìn)行測(cè)試。任務(wù)引入本任務(wù)的知識(shí)與技能要求如下表所示。任務(wù)內(nèi)容認(rèn)識(shí)555定時(shí)器學(xué)習(xí)程度識(shí)記理解應(yīng)用學(xué)習(xí)任務(wù)555定時(shí)器●

由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器●

由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器●由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器

●

實(shí)訓(xùn)任務(wù)測(cè)試555定時(shí)器

●自我勉勵(lì)學(xué)習(xí)目標(biāo)任務(wù)工單學(xué)生領(lǐng)取任務(wù)工單（詳見教材），并完成工單內(nèi)容。1．知識(shí)準(zhǔn)備3．任務(wù)實(shí)施2．工具和器材準(zhǔn)備4．任務(wù)評(píng)價(jià)相關(guān)知識(shí)目前，常用的555定時(shí)器有TTL型和CMOS型兩種，其型號(hào)分別有NE555（或5G555）和C7555等。一般情況下，TTL型555定時(shí)器產(chǎn)品型號(hào)的后部為3位數(shù)碼，都是555；CMOS型555定時(shí)器產(chǎn)品型號(hào)的后部為4位數(shù)碼，都是7555。它們的電路結(jié)構(gòu)、工作原理以及引腳分布基本相同。555定時(shí)器的電源不僅具有很大的電壓范圍，而且可承受較大的負(fù)載電流。其中，TTL型555定時(shí)器電源的電壓范圍為5～16V，最大負(fù)載電流可達(dá)200mA；CMOS型555定時(shí)器電源的電壓變化范圍為3～18V，最大負(fù)載電流為4mA。7.2.1555定時(shí)器相關(guān)知識(shí)1．555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)及其邏輯圖形符號(hào)如下圖所示。555定時(shí)器主要包括以下幾個(gè)部分。（1）由3個(gè)阻值為5kΩ的電阻構(gòu)成的分壓器。（2）兩個(gè)電壓比較器。（3）基本RS觸發(fā)器。（4）放電三極管VT及緩沖器G。相關(guān)知識(shí)2．555定時(shí)器的工作原理相關(guān)知識(shí)如下表所示為555定時(shí)器的功能表。相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí)將555定時(shí)器的閾值輸入端和觸發(fā)端相連，即可構(gòu)成施密特觸發(fā)器，其電路結(jié)構(gòu)及其邏輯圖形符號(hào)如下圖所示。7.2.2由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器相關(guān)知識(shí)在上圖中，若為三角波信號(hào)，則該電路的工作波形如下圖所示。相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí)555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)及其工作波形如下圖所示。7.2.3由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí)由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器的電路結(jié)構(gòu)，及其工作波形如下圖所示。7.2.4由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器陳云霽：攀登者的人生風(fēng)景“讓計(jì)算機(jī)更聰明”“讓機(jī)器更好地服務(wù)人類”……這是全國五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)芦@得者、中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所（簡稱中科院計(jì)算所）研究員陳云霽孜孜以求的夢(mèng)想。14歲考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班，24歲在中科院計(jì)算所取得博士學(xué)位，29歲晉升為研究員……在外人看來，陳云霽是一個(gè)總能“彎道超車”的天才，但他認(rèn)為，科學(xué)研究沒有捷徑可走。盛夏時(shí)他汗流浹背地在沒有空調(diào)的宿舍里寫論文，多次向國際頂級(jí)會(huì)議投稿被拒……在艱辛與挫折面前，他沒有放棄“人工智能”之夢(mèng)，而是把研究做得更深入?！斠娊滩捻乒?jié)礪行學(xué)習(xí)成果評(píng)價(jià)指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生對(duì)本項(xiàng)目的實(shí)際學(xué)習(xí)成果對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，學(xué)生配合指導(dǎo)教師共同完成如下表所示的學(xué)習(xí)成果評(píng)價(jià)表。班級(jí)

組號(hào)

日期

姓名

學(xué)號(hào)

指導(dǎo)教師

學(xué)習(xí)成果/項(xiàng)目名稱脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與變換評(píng)價(jià)項(xiàng)目評(píng)價(jià)內(nèi)容評(píng)價(jià)方式滿分/分評(píng)分/分知識(shí)

40%脈沖信號(hào)常用的技術(shù)參數(shù)理論測(cè)試6

施密特觸發(fā)器6

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6

多諧振蕩器4

555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)4

555定時(shí)器的工作原理4

由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器4

由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4

由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器2學(xué)習(xí)成果評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)項(xiàng)目評(píng)價(jià)內(nèi)容評(píng)價(jià)方式滿分/分評(píng)分/分技能

40%測(cè)試施密特觸發(fā)器實(shí)踐操作8

測(cè)試單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器8測(cè)試由555定時(shí)器構(gòu)