數(shù)字電子技術(shù)第八章

數(shù)字電子技術(shù)第八章第一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三第八章脈沖產(chǎn)生與整形555定時器。本章將介紹常用的脈沖變換、整形和產(chǎn)生電路——單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器和多用途的555定時器。重點(diǎn):脈沖電路的分析、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、晶體振蕩器、第二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三一、RC積分與微分電路

第一節(jié)波形變換電路適當(dāng)選取RC電路的時間常數(shù)，利用電容極板間的儲能變化，可實(shí)現(xiàn)信號的積分與微分。

積分電路應(yīng)滿足條件：

τ=RC

>>tWtWRC積分電路電路波形AYCRAY輸出電壓不能突變，電容C兩端電壓逐步升高。AYRCAYRC微分電路電路波形tW微分電路應(yīng)滿足條件：

τ=RC

<<tW第三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三AQBQ&G1QRD&G2QSD二、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理

第一節(jié)波形變換電路當(dāng)RD=SD=1時，Q可處于1或0的狀態(tài)，它具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，因而稱為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器?；仡櫍夯綬S觸發(fā)器011110QRDQ單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器接入電阻R，使B點(diǎn)為低電平。A=110當(dāng)A=1時，由于B=0，因此Q=1，Q=0。電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)。0當(dāng)A負(fù)跳變時，1G1門輸出為高電平，Q由0變?yōu)?。0Q由1變?yōu)?。B跟隨Q上升，輸入信號A負(fù)跳變時，電路狀態(tài)發(fā)生變化，稱為觸發(fā)。觸發(fā)后，A很快回到高電平，1Q維持1，電阻電壓逐步下降。1BRC1暫穩(wěn)態(tài)B點(diǎn)電壓下降，達(dá)到閾值電壓以下時，Q翻轉(zhuǎn)回1，Q翻轉(zhuǎn)為0。010第四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的一般特性:

1.只有一個穩(wěn)態(tài)，另有一個暫穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)暫態(tài)2．何時翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)取決于輸入信號。3．何時翻轉(zhuǎn)回穩(wěn)態(tài)取決于電路參數(shù)R與C。第一節(jié)波形變換電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器AQAQtAtW第五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三參數(shù)計(jì)算：第一節(jié)波形變換電路1．tW——暫穩(wěn)態(tài)時間

運(yùn)用“三要素法”忽略電路中其他電阻的影響B(tài)點(diǎn)初始電壓

UB(0+)=UDDB點(diǎn)終了電壓

UB(∞)=0時間常數(shù)

τ=RC可得B點(diǎn)電壓瞬時值第六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三參數(shù)計(jì)算：

第一節(jié)波形變換電路若

UTH=(1/2)UDD則

tW≈0.7τ=0.7RC設(shè)門電路的閾值電壓為UTH，則

UTH=UDD第七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三參數(shù)計(jì)算：

第一節(jié)波形變換電路2．tre

——恢復(fù)時間

3．

fmax——最高工作頻率fmax≤tre=(3~5)τre式中τre為電容放電的時間常數(shù)。忽略門電路輸入電阻的影響，τre=RC第八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三5.反饋環(huán)節(jié)也可采用RC積分電路。第一節(jié)波形變換電路討論：1．若采用TTL門電路，為保證穩(wěn)態(tài)時門2輸入低電平，電阻R必須小于關(guān)門電阻Roff，如標(biāo)準(zhǔn)74系列應(yīng)小于700Ω。采用CMOS電路無此限制。2．為減小恢復(fù)時間tre，可在R上并聯(lián)一個二極管，給電容C提供放電回路。3．若輸入脈沖過寬（tA＞tW），電路工作可能不正常，可在輸入端另加一RC微分電路，形成窄輸入脈沖。4．采用或非門電路同樣可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。第九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三三、集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

第一節(jié)波形變換電路集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可重復(fù)觸發(fā)型不可重復(fù)觸發(fā)型不可重復(fù)觸發(fā)可重復(fù)觸發(fā)第十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三1.TTL雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74221

第一節(jié)波形變換電路74221內(nèi)部有一個2kΩ的電阻可供使用。若不用內(nèi)電阻則需外接。無論何種接法，暫穩(wěn)態(tài)時間均為

tW=0.7RC第十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三2.CMOS雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4538

第一節(jié)波形變換電路4538是可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。Rx的最小值為5kΩ，Cx的最小值為0。

第十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三

CPA

Q

Y四、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用舉例第一節(jié)波形變換電路（一）定時

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端控制一個與門，在tW時間內(nèi)與門輸出CP脈沖。

CP

A

QY第十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三四、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用舉例第一節(jié)波形變換電路（二）CPU“看門狗”電路由可重復(fù)觸發(fā)特性，只要定時間隔小于暫穩(wěn)態(tài)時間，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就可連續(xù)輸出高電平，系統(tǒng)工作正常；當(dāng)“死機(jī)”發(fā)生后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器因得不到連續(xù)觸發(fā)而輸出低電平，系統(tǒng)復(fù)位，進(jìn)入初始化程序。

第十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三典型脈沖參數(shù)第二節(jié)脈沖產(chǎn)生電路脈沖產(chǎn)生是將電源提供的能量，轉(zhuǎn)換成按一定規(guī)律變化的脈沖信號。

預(yù)備知識：脈沖寬度脈沖周期tw/T=1/2時，脈沖稱為方波。上升時間Tr下降時間TfTtW典型脈沖波形tWT第十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)脈沖產(chǎn)生電路一、多諧振蕩器

兩個穩(wěn)定狀態(tài)一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)沒有穩(wěn)態(tài)常被稱為多諧振蕩器&G1QRD&G2QSD基本RS觸發(fā)器&G1QRD1G2QSDBRC單穩(wěn)態(tài)電路&G1QRD1G2QSDBRCARC1無穩(wěn)態(tài)電路第十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三QQC1C2R2G1G2R1AB&G1QRD1G2QSDBRCARC1第二節(jié)脈沖產(chǎn)生電路對稱多諧振蕩器

電路有兩種工作過程：正反饋過程和暫穩(wěn)態(tài)過程正反饋過程：uQuAuBuQuA正反饋過程QQC1C2R2G1G2R1ABQQBA暫穩(wěn)態(tài)過程暫穩(wěn)態(tài)過程:C1C2充放電正反饋過程達(dá)到閾值電壓第十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三但非門的平均傳輸延遲時間過短，且不穩(wěn)定，故實(shí)用中常加入RC電路。第二節(jié)脈沖產(chǎn)生電路其他常用多諧振蕩器

奇數(shù)個非門接成環(huán)形，可形成各點(diǎn)電平高低的交替變化。環(huán)形振蕩器

RRC1C1CMOS環(huán)形振蕩器改進(jìn)的環(huán)形振蕩器對于含有RC元件的脈沖電路，關(guān)鍵是電容的充放電，而關(guān)鍵連接點(diǎn)就是與電容相連的門電路的輸入端。第十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)脈沖產(chǎn)生電路二、晶體振蕩器

石英晶體諧振器具有極高的穩(wěn)定性，用它作為諧振元件做成的晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度可優(yōu)于10－9。電路符號等效電路CPCLR頻率特性fPfSf0X第十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)脈沖產(chǎn)生電路二、晶體振蕩器

多諧振蕩器電路石英晶體多諧振蕩器QQC1C2R2G1G2R1ABQQC1C2R2G1G2R1AB

C1只起耦合作用，其值應(yīng)取得大一些。工作在串聯(lián)諧振頻率第二十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)施密特觸發(fā)器2.施密特觸發(fā)器屬于“電平觸發(fā)”型電路，不依賴于邊沿陡峭的脈沖。施密特觸發(fā)器是具有電壓滯后特性的數(shù)字傳輸門。其特點(diǎn)如下：一、特性與原理1.輸入電平的閾值電壓由低到高為，由高到低為，且＞，輸出的變化滯后于輸入，形成回環(huán)。第二十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性施密特觸發(fā)器的回環(huán)特性反向傳輸特性同向傳輸特性UOHUOLUT+UT-OuOuI輸入電壓增加UOHUOLUT+UT-OuOuI輸入電壓減小輸入電壓增加輸入電壓減小第二十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三UT+UT-OuItUOHUOLOuOt第三節(jié)施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器的輸入輸出波形圖反向傳輸同向傳輸U(kuò)T+UT-OuItUOHUOLOuOt第二十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器符號：具有施密特觸發(fā)器特性的電路：1.帶有正反饋的運(yùn)算放大器比較的基準(zhǔn)電壓：

UP總是與uO同相、與uI反相，因而形成回差。11uOuIRfR1UP第二十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)施密特觸發(fā)器2.帶有電平偏移的基本RS觸發(fā)器&QR&QS1uI-+U第二十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三將一周期性信號變換為矩形波，其輸出脈沖寬度tW可通過改變進(jìn)行調(diào)節(jié)ΔUT。第三節(jié)施密特觸發(fā)器二、施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例1.波形變換twΔttUOHUOLOuOUT+UT-OuIΔ=－第二十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)施密特觸發(fā)器二、施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例2.信號整形將不規(guī)則的信號波形整成矩形脈沖。

ttUOHUOLOuOUT+UT-OuI第二十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)施密特觸發(fā)器二、施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例3.幅度鑒別施密特觸發(fā)器的輸出狀態(tài)取決于輸入信號的電壓值，因此可用作幅度鑒別。ttUOHUOLOuOUT+UT-OuI陰影部分電壓大于UT+第二十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)施密特觸發(fā)器二、施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例由施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器如上圖所示，其原理請同學(xué)自行分析。4.構(gòu)成多諧振蕩器1uORC第二十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三第四節(jié)集成定時器555定時器雙極型: 驅(qū)動能力較強(qiáng)CMOS: 功耗低，最低工作電壓小， 輸入電阻高流行的產(chǎn)品主要有4個，BJT兩個：555和556（含有兩個555），CMOS兩個：7555和7556（含有兩個7555），現(xiàn)以CMOS集成定時器7555為例介紹其結(jié)構(gòu)與功能。555定時器外接適當(dāng)?shù)碾娮琛㈦娙菽芊奖愕貥?gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器等。555電路是美國Signetics公司1972年研制的用于取代機(jī)械式定時器的中規(guī)模集成電路，因輸入端設(shè)計(jì)有三個5kΩ電阻而得名。第三十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三7555控制電壓端TR第四節(jié)集成定時器一、CMOS集成定時器7555的結(jié)構(gòu)低電平觸發(fā)高電平觸發(fā)復(fù)位端輸出端放電端1地8234765電源18UDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥1Q≥1基本RS觸發(fā)器

C1、C2是兩個電壓比較器分壓器:由三個等值電阻R串聯(lián)而成G1111G2T驅(qū)動器和放電開關(guān)C1C2RRR第三十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三TR18UDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥1Q≥1RRRG1111G2TC1C2第四節(jié)集成定時器二、CMOS集成定時器7555的工作原理當(dāng)＝L時，反相器G1輸出高電平，0110所以Q為低電平，OUT=L。使G2輸入為高電平，T管導(dǎo)通。此時稱為復(fù)位。假設(shè)D端通過電阻接到正電源，則D端為低電平。000第三十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三TR18UDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥1Q≥1RRRG1111G2TC1C2第四節(jié)集成定時器當(dāng)＝H

時，1.TH>2UDD/3，電路的輸出狀態(tài)與無關(guān)，所以為任意輸入×。101則C1輸出為1，

Q=0，

OUT=0。T導(dǎo)通。01二、CMOS集成定時器7555的工作原理清零失效02.TH<2UDD/3，>UDD/3；00觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。

C1輸出為0；

C2輸出為0； 第三十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三TR18UDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥1Q≥1RRRG1111G2TC1C2當(dāng)＝H

時，1清零失效第四節(jié)集成定時器Q=1，T管截止，OUT=1。C1=0；3.TH<2UDD/3，<UDD/3，C2=1，OUT=1稱為電路置位或置“1”二、CMOS集成定時器7555的工作原理01101第三十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三第四節(jié)集成定時器7555功能表<UDD/3TH(6)(4)(2)OUT(3)T管D(7)>2UDD/3<2UDD/3<2UDD/3>UDD/3HHHHH截止導(dǎo)通導(dǎo)通不變不變不變LLLLL???集成定時器7555的主要參數(shù)：電源電壓：

UDD=3～18V

觸發(fā)電流：

<50pA復(fù)位電流：

≤100pA

輸出電壓

UOL≤

0.1V(UDD=15V,IOL=3.2mA)

UOH≥

14.8V(UDD=15V,IOH=1mA)最大功耗300mW第三十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三TR18UDD4R25CO6THOUTDQ≥1Q≥1RRRG1111G2TC1C2清零失效第四節(jié)集成定時器三、555電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

觸發(fā)前00R1C0.01uF1010放電第三十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三TR18UDD4R25CO6THOUTDQ≥1Q≥1RRRG1111G2TC1C200R1C0.01uF1010第四節(jié)集成定時器觸發(fā)t00uCt0三、555電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

01011uI(TR)uC(D)uO(OUT)當(dāng)D端uC電壓充電到2UDD/3時，比較器C1輸出為高電平，Q端為低電平，T管輸入為高電平，輸出OUT翻轉(zhuǎn)，T管導(dǎo)通。暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束2UDD/3t12UDD/3010暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束tw=1.1RCtre恢復(fù)時間第三十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三第四節(jié)集成定時器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要參數(shù)1.輸出脈沖寬度tW2.

恢復(fù)時間tre

C通過T管導(dǎo)通電阻R′放電，經(jīng)過(3～5)τ放基本結(jié)束，所以tre=(3～5)

R′C。三、555電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

td指為保證單穩(wěn)正常工作允許觸發(fā)脈沖最小的時間間隔。顯然

td=tW＋tre3.分辨時間td4.輸出脈沖幅度UmUm決定于輸出信號高低電平之差

第三十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期三第一狀態(tài)：電容C上開始沒有電荷，TR=uC=0V，由功能表知：TH=TR

<

UDD/3，uO=高電平，T截止，UDD經(jīng)R1、R2對C充電，是TH逐漸升高。uCuO0VUDDUDD/32U