數(shù)字電路-第9章課件

9.2555定時器電路及其功能9.3施密特觸發(fā)器9.1概述9.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器9.5多諧振蕩器第九章脈沖波形的產(chǎn)生和整形一、基本概念1、脈沖：從廣義上說，凡是不具有連續(xù)正弦形狀的信號都可稱為脈沖信號，如矩形波、三角波、鋸齒波等。2、脈沖電路：就是用來產(chǎn)生、變換、整形脈沖信號的電路。數(shù)字系統(tǒng)中除了組合邏輯電路和時序邏輯電路外，還有一種脈沖電路。脈沖電路主要的作用是產(chǎn)生脈沖信號和進(jìn)行脈沖信號的變換，本章就是敘述這方面的內(nèi)容。9.1

概述3、屬性：模擬電路。4、脈沖單元電路的組成有三種形式：5、脈沖單元電路的主要形式為：(3)由專用集成電路及R、L、C器件組成。(2)由集成邏輯門及R、L、C器件組成。（不講）(1)由分立元件（三極管、R、L、C器件）組成。(不講）(3)多諧振蕩器(2)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(1)施密特觸發(fā)器二、幾種常見的脈沖波形下面主要介紹：4、多諧振蕩器。3、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及其應(yīng)用2、施密特觸發(fā)器及其應(yīng)用1、555定時器電路及其功能三.脈沖波形參數(shù)正弦信號可以用“三要素”完全描述：幅度、頻率、相位脈沖信號無法被完全描述，只能用一些參數(shù)近似描述！脈沖周期T：周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖之間的時間間隔。用頻率f=1/T表示單位時間內(nèi)脈沖重復(fù)的次數(shù)。脈沖幅度Vm：脈沖電壓的最大變化幅度。trtf0.9Vm0.5Vm0.1VmVmTwT圖6.1.2描述矩形脈沖特性的主要參數(shù)注意：三個測量點(diǎn)：0.1Vm、0.5Vm、0.9Vm。脈沖寬度tW：從脈沖前沿（上升沿）到達(dá)0.5Vm起，到脈沖后沿（下降沿）到達(dá)0.5Vm為止的一段時間。trtf0.9Vm0.5Vm0.1VmVmTwT圖6.1.2描述矩形脈沖特性的主要參數(shù)上升時間tr

：脈沖上升沿從0.1Vm上升到0.9Vm所需要的時間。下降時間tf

：脈沖下降沿從0.9Vm下降到0.1Vm所需要的時間。占空比q：脈沖寬度與脈沖周期的比值，即q=tW/T。四、三要素公式終止值初始值時間常數(shù)1、求x(0)：電容（電感）看成短（開）路,保留原有的電壓(流)值

2、求x(∞)：電容（電感）看成開（短）路3、求時間常數(shù)：公式使用條件：1、電路中僅有1個電抗元件；2、激勵信號是階躍信號，或分段區(qū)間是常數(shù)。注意事項(xiàng)：計(jì)算信號從某個初始值x(0)變化到某個特定值x(t)所需要的時間：9.2555定時器電路及其功能

555定時器是一種常用的定時器集成電路芯片。它可以制作出多種多樣的實(shí)用電路。本節(jié)我們研究其電路原理、功能及應(yīng)用。一、電路的組成

555集成電路的輸出級為推拉式結(jié)構(gòu)，此外芯片內(nèi)部還有一個集電極開路的放電晶體管TD。它有兩個比較器C1和C2，每個比較器的一個輸入端接到三個R電阻組成的分壓器上，輸出分別接SR觸發(fā)器輸入端。輸出緩沖器集成555電路的八個引腳的作用及名稱為：腳1接地端GND腳2觸發(fā)器輸入端

腳3輸出端

OUT腳4復(fù)位端腳5控制端

VCO腳6閾值輸入端TH腳7放電端DIS腳8電源端Vcc二、功能

555定時器的功能主要由上下兩個比較器C1、C2的工作狀況決定的。則上比較器C1的反相端“＋”加上的參考電壓VR1=2／3Vcc，下比較器C2的同相端“一”加的參考電壓VR2=

1／3Vcc。若觸發(fā)端TR′的輸入電壓(2腳)V2≤1／3Vcc，下比較器C2輸出為“0”

，否則為“1”。1、比較器的參考電壓由分壓器提供，在電源與地端之間加上Vcc電壓，且控制端VCO懸空。若閾值端TH的輸入電壓(6腳)

V1≥2／3Vcc時,上比較器C1輸出為“0”

，否則為“1”。

若復(fù)位端RD′加低電平或接地，可使電路強(qiáng)制復(fù)位，不管555電路原處于什么狀態(tài)，均可使它的輸出為“0”電平。

2、控制電壓端VCO(5腳)外加電壓可改變兩個比較器的參考電壓，VR1=VCO;VR2=

1／2Vco。放電管TD的輸出端DISC為集電極開路輸出，其集電極最大電流可達(dá)50mA，因此具有較大的帶灌電流負(fù)載的能力。若不用時，通常將它通過電容（0.01uf左右）接地。而不是懸空，以免引入干擾。反相器是一個緩沖器，為提高帶載能力。TR(V2)TH(V1)S(C2)R(C1)QOUT(VO)DIS(TD)﹤1/3Vcc﹤2/3Vcc

01

11截止﹥1/3Vcc﹤2/3Vcc

11不變不變不變﹥1/3Vcc﹥2/3Vcc

1000導(dǎo)通﹤1/3Vcc﹥2/3Vcc001(不定)1(不定)截止(不定)VCO沒接電壓若7腳經(jīng)電阻與電源相接；則Vo為高電平，Vo~也為高電平；Vo為低電平，Vo~也為低電平。Vo~一、施密特觸發(fā)器特性施密特觸發(fā)器是一種脈沖信號的整形電路，它與一般觸發(fā)器一樣，有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)，但它與前面第幾章介紹的觸發(fā)器又有如下不同點(diǎn)：

1.施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)，緩慢變化的信號也可作為觸發(fā)輸入信號，當(dāng)輸入信號達(dá)到某一特定的閾值時，輸出電平會發(fā)生突變，也就是說施密特觸發(fā)器會從一個穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到另外一個穩(wěn)態(tài)。9.3施密特觸發(fā)器

2.對于正向和負(fù)向增長的輸入信號，電路有不同的閾值電平Vt+和Vt-

，也就是引起輸出電平突變的輸入電平不同，具有滯后電壓傳輸特性，此特性又稱回差特性。如下圖所示：施密特觸發(fā)器非門和與門的邏輯符號分別為:施密特觸發(fā)器非門特性施密特觸發(fā)器與門特性施密特觸發(fā)器的特點(diǎn)：

我們把Vt+和Vt-之差稱為回差電壓Vd

=Vt+-

Vt-對于正向和負(fù)向增長的輸入信號，電路具有不同的閾值電平。二、由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器將555定時器的TH（6）和TR′（2）兩個輸入端連在一起作為信號輸入端，如下圖所示，即可得到施密特觸發(fā)器。由于比較器C1和C2的參考電壓不同，而輸入電壓相同，因而基本RS觸發(fā)器的置0信號（R＝0）和置1信號（S=0）必然發(fā)生在輸入信號Vi的不同電平。因此，輸出電壓Vo由高電平變?yōu)榈碗娖胶陀傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖剿鶎?yīng)的Vi值也不相同，這樣就形成了施密特觸發(fā)特性。為了提高比較器參考電壓VR1和VR2的穩(wěn)定性，通常在VCO端接有0.01uf左右的濾波電容。1、首先我們來分析Vi從0逐漸升高的過程:

(1)

當(dāng)Vi＜1／3Vcc時，R=1，S=0，Q=1。故Vo=VOH

；(2)

當(dāng)1/3Vcc＜Vi<2/3Vcc時，R=S=1，故Vo=VOH保持不變；(3)當(dāng)Vi＞2/3Vcc以后，R=0，S=1，Q=0故VO＝VOL。因此，Vt+=2/3Vcc。2、我們來分析Vi從高于2／3Vcc開始下降的過程：(2)

當(dāng)1/3Vcc<Vi<2/3Vcc時，R=S=1故VO＝VOL不變；(3)當(dāng)Vi<1/3Vcc以后，R=1，S=0，Q=1故VO=VOH因此，Vt-=1/3Vcc。由此得到電路的回差電壓為Vt

=Vt+-Vt-=1/3Vcc(1)當(dāng)Vi＞2/3Vcc時，R=0，S=1，Q=0。故VO=VOL下圖是該電路的電壓傳輸特性，它是一個典型的反相輸出施密特觸發(fā)特性。

如果參考電壓由外接的電壓Vco供給，則不難看出這時Vt+=Vco，Vt-=1/2Vco，Vt=1/2Vco。通過改變Vco值，可以調(diào)節(jié)回差電壓的大小。

1、用于波形變換

2、用于脈沖整形

3、用于脈沖鑒幅三、施密特觸發(fā)器的應(yīng)用可以將正弦波、三角波以及各種周期性的不規(guī)則的波形變換成規(guī)范的矩形波。常用作計(jì)數(shù)器的輸入整形電路，作為計(jì)數(shù)器的時鐘。利用回差特性可以抑制疊加在輸入信號上的干擾，使輸出變成理想的矩形波。為了選出有用信號，利用回差特性，使電路的上限觸發(fā)電平Vt+等于規(guī)定的鑒幅電壓。9.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器特性

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器與一般的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器不同之處在于：它只有一個穩(wěn)態(tài)，另外有一個暫穩(wěn)態(tài)。所謂暫穩(wěn)態(tài)，是一個不能長久保持的狀態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)期間，電路中一些電壓和電流會隨著電容器的充電和放電發(fā)生變化。而穩(wěn)態(tài)中，電路中電流及電壓是不變的。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，沒有外加觸發(fā)信號的作用，電路始終處于穩(wěn)態(tài)；在外加觸發(fā)信號的作用下，電路能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過一段時間后，又能自動返回穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于暫穩(wěn)態(tài)的時間通常取決于電容充電和放電的時間，這個時間等于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖的寬度。二、由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

若以555定時器的VTR端(2腳)作為觸發(fā)信號的輸入端，并將由TD和Ｒ組成的反相器輸出電壓Ｖo~接至ＶTH端(6腳)

，同時在ＶTH對地接入電容Ｃ，就構(gòu)成了如圖所示的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。Vo~Vi~外加觸發(fā)信號為輸入脈沖的下降沿(負(fù)脈沖)如果沒有觸發(fā)信號時，Ｖi處于高電平。(1)設(shè)Q=0的狀態(tài)1、電路的穩(wěn)態(tài)則TD導(dǎo)通Vc≈0，故R=S=1，Q=0及Vo=0的狀態(tài)將穩(wěn)定地維持不變。這時TD一定截止，Vcc便經(jīng)R向C充電。當(dāng)充到VC=2/3Vcc時，R變?yōu)?，于是將觸發(fā)器置0。同時，TD導(dǎo)通，電容C經(jīng)TD迅速放電，使Vc≈0。(2)設(shè)Ｑ=1的狀態(tài)此后由于R=S=1，觸發(fā)器保持0狀態(tài)不變，輸出也相應(yīng)地穩(wěn)定在Vo=0的狀態(tài)。接通電源后因此，通電后電路便自動地停在Vo=0的穩(wěn)態(tài)。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，沒有外加觸發(fā)信號的作用，電路始終處于穩(wěn)態(tài)；在外加觸發(fā)信號的作用下，電路能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過一段時間后，又能自動返回穩(wěn)態(tài)。

當(dāng)觸發(fā)脈沖的下降沿到達(dá)時，使Vi跳變到1/3Vcc以下，使S=0(此時R

=1)，觸發(fā)器被置1，Vo跳變?yōu)楦唠娖?，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。2、電路的暫穩(wěn)態(tài)與此同時TD截止，Vcc經(jīng)R開始向電容C充電。當(dāng)充電至Vc=2/3Vcc時，R變成0。如果這時輸入端的觸發(fā)脈沖已消失，Vi回到了高電平(S=1)，則觸發(fā)器將被置0，于是輸出返回Vo=0的狀態(tài)。同時TD處于導(dǎo)通狀態(tài)，電容C經(jīng)TD迅速放電，直至Vc≈0，電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用輸入脈沖的下降沿（負(fù)脈沖）觸發(fā)在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，沒有外加觸發(fā)信號的作用，電路始終處于穩(wěn)態(tài)；在外加觸發(fā)信號的作用下，電路能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過一段時間后，又能自動返回穩(wěn)態(tài)。下圖畫出了在觸發(fā)信號作用下VC和VO相應(yīng)的波形。如果在電路的暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間內(nèi)，加入新的觸發(fā)脈沖，如圖中虛線所示,則該脈沖不起作用，電路為不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)。

Tw等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，持續(xù)時間取決于外接電阻R和電容C的大小。Tw等于電容電壓在充電過程中從0上升2/3Vcc所需要的時間：通常Ｒ的取值在幾百歐姆到幾兆歐姆之間，電容的取值范圍為幾百皮法到幾百微法，Tw的范圍為幾微秒到幾分鐘。但必須注意，隨著Tw的寬度增加它的精度和穩(wěn)定度也將下降。3、輸出脈沖的寬度Tw4、由555構(gòu)成的可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)如圖所示當(dāng)輸入負(fù)向脈沖后，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，同時TD導(dǎo)通，電容C放電。當(dāng)輸入脈沖撤除后，電容C充電，在未充至2/3VCC之前，電路處于暫穩(wěn)態(tài)。如果在此期間，又加入新的觸發(fā)脈沖，TD導(dǎo)通，電容C再次放電，輸出仍然維持暫穩(wěn)態(tài)。只有在觸發(fā)脈沖撤除后且輸入脈寬時間間隔沒有新的觸發(fā)脈沖，電路才返回到穩(wěn)態(tài)。下圖畫出了在觸發(fā)信號作用下Vc和Vo相應(yīng)的波形9.5多諧振蕩器一、多諧振蕩器特性多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形脈沖波的自激振蕩器，由于矩形波中除基波外，包括了許多高次諧波，因此這類振蕩器被稱作多諧振蕩器。多諧振蕩器一旦振蕩起來后，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，它們在作交替變化，輸出矩形波脈沖信號，因此它又被稱作無穩(wěn)電路。二、555構(gòu)成的多諧振蕩器1、電路形式再將施密特觸發(fā)器輸入電壓在Vt-和Vt+之間往返就可產(chǎn)生矩形波。先將555接成施密特觸發(fā)器：將兩個比較器C1和C2的輸入端TH和TR(6腳和２腳)連接在一起。2、工作原理接通電源瞬間，電容C來不及充電，Vc為0電平，此時R=1，S=0，觸發(fā)器置1。Vo=Q=1，輸出高電平。同時，放電管TD截止，電容C開始充電，進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)I。電容C由回路Vcc至R1至R2至C至地充電,充電時間常數(shù)τ1=(R1+R2)C，電容C上電位Vc隨時間t按指數(shù)規(guī)律上升，趨向Vcc

值，在此階段內(nèi)，輸出電壓Vo暫穩(wěn)在高電平。一般多諧振蕩器的工作過程均為四個階段，現(xiàn)以555定時器構(gòu)成的振蕩器來說明：(1)暫穩(wěn)態(tài)Ｉ當(dāng)電容上電位V