数字逻辑设计基础(何建新)第9章)

1、第第 9 9 章脉冲产生与整形电路章脉冲产生与整形电路2本章目标22022-3-31赖祖亮赖祖亮 小木虫小木虫了解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的工作原理掌握555定时器电路工作原理重点掌握555定时器电路的应用555 定时器定时器施密特触发器原理及应用单稳态触发器及应用单稳态触发器及应用多谐振荡器多谐振荡器本章小结本章小结内容提要 555 定时器简介定时器简介 555 定时器是一种结构简单、使用方便灵活、用定时器是一种结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。它电源电压范围宽途广泛的多功能电路。它电源电压范围宽(双极型双极型 555 定时器为定时器为 5 16 V，单极性结构的单

2、极性结构的555定时定时器为器为 318V)，可提供与可提供与 TTL 及及 CMOS 数字电数字电路兼容的接口电平，还路兼容的接口电平，还可输出一定功率可输出一定功率，驱动微，驱动微电机、指示灯、扬声器等。电机、指示灯、扬声器等。 TTL 单定时器型号单定时器型号的最后的最后 3 位数字位数字为为 555，双定时器的为双定时器的为 556；CMOS 单定时器单定时器的最后的最后 4 位位数数为为 7555，双定时器的为，双定时器的为 7556。 9.1 555定时器555 定时器的电路结构与符号定时器的电路结构与符号 3OUT输出端输出端 8VCC电源端电源端 4RD直接置直接置0 0端端

3、DIS 7放电端放电端 TH 6阈值输入端阈值输入端 TR 2触发输入端触发输入端 CO 5控制电压输入端控制电压输入端 GND1接地端接地端 放电管放电管，其输入为，其输入为Q，输出为开路集电极。输出为开路集电极。电路符号555 定时器的定时器的工作原理与逻辑功能工作原理与逻辑功能 101导通导通定时器定时器 5G555 的的功能表功能表 不变不变不变不变1截止截止高高1导通导通低低1导通导通低低0V 状态状态OUT = QRDTRTH输输 出出 输输 入入CC32V CC32V CC31V CC31V CC31V CC32V 直接置直接置 0 端端 RD 低电低电平有效，平有效，优先级最高

4、。优先级最高。不用时应使其为不用时应使其为 1。不变不变不变不变1截止截止高高1导通导通低低1导通导通低低0V 状态状态OUT = QRDTRTH输输 出出 输输 入入CC32V CC32V CC31V CC31V CC31V CC32V 定时器定时器 5G555 的的功能表功能表 01导通导通0110555 定时器的定时器的工作原理与逻辑功能工作原理与逻辑功能555 定时器的定时器的工作原理与逻辑功能工作原理与逻辑功能 不变不变不变不变1截止截止高高1导通导通低低1导通导通低低0V 状态状态OUT = QRDTRTH输输 出出 输输 入入CC32V CC32V CC31V CC31V CC3

5、1V CC32V 定时器定时器 5G555 的的功能表功能表 10截止截止1001555 定时器的定时器的工作原理与逻辑功能工作原理与逻辑功能 不变不变不变不变1截止截止高高1导通导通低低1导通导通低低0V 状态状态OUT = QRDTRTH输输 出出 输输 入入CC32V CC32V CC31V CC31V CC31V CC32V 定时器定时器 5G555 的的功能表功能表 11使用要点使用要点 （2）输出输出 低电平低电平 时，时， ，因此，因此 V 导通；输出导通；输出 高高电平时，电平时， 故故 V 截止。截止。1Q 0Q （1）RD 低电平有效低电平有效,优先级最高，不用时应接高电平

6、优先级最高，不用时应接高电平（3）CO 端通常不用端通常不用 ，为了提高电路工作稳定性，将其通，为了提高电路工作稳定性，将其通过过 0.01 F 电容接地。这时两基准电压分别为：电容接地。这时两基准电压分别为：123RCCUV213RCCUV 9.2 9.2 施密特触发器原理及应用施密特触发器原理及应用9.2.1施密特触发器施密特触发器逻辑符号和电压传输特性逻辑符号和电压传输特性 UT = UT+ - - UT- -回差电压回差电压正向阈值电压正向阈值电压负向阈值电压负向阈值电压9.2.2 9.2.2 用用 555 555 定时器组成施密特触发器定时器组成施密特触发器 0uOuIUOL1/3V

7、CC2/3VCCUOH当当TH=TR=uI2/3VCC时时电压传输特性为反相输出的滞回特性电压传输特性为反相输出的滞回特性当当TH=TR=uI1/3VCC时时1/3VCC0当当1/3VCC TH=TR=uI2/3VCC时时当当uI1/3VCC时时当当uI由高电平逐渐下降，由高电平逐渐下降，且且1/3VCC uI VT+ 后，后，uO = VOH,只有当只有当 VI下降到经过下降到经过 VT- 时，时，uO 才会发生跃变。才会发生跃变。 VI 1/3 VCC，TH = VI 2/3 VCC,因此因此 uO 为低电平，为低电平，V 导通，电容导通，电容 C 经经放电管放电管 V 迅速放电完毕，迅速

8、放电完毕，uC 0 V。这时这时TR = VIH 1/3 VCC，TH = uC 0 2/3 VCC，uO 保持低电平不变。因此，保持低电平不变。因此，稳态时稳态时 uC 0 V，uO 为低电平。为低电平。 2. 触发进入暂稳态触发进入暂稳态 工作原理、工作波形工作原理、工作波形当输入由高电平负跃到小于当输入由高电平负跃到小于 1/3 VCC 时，使时，使 TR = VIL1/3 VCC而而TH = uC 0 V 1/3 VCC )，因此，因此 uO 重新跃重新跃变为低电平。变为低电平。同时，放电管导通，同时，放电管导通，C 经经 V 迅速放电迅速放电 uC 0 V，放电放电完毕后，电路返回稳

9、态。完毕后，电路返回稳态。这时这时 uI 必须已恢复必须已恢复为高电平为高电平 例例 用上述单稳态电路输出定时时间为用上述单稳态电路输出定时时间为1 s 的的正脉冲，正脉冲，R = 27 k ，试确定定时元，试确定定时元件件 的取值。的取值。 参数估算参数估算 输出脉冲宽度输出脉冲宽度 tW 即即为暂稳态维持时间，为暂稳态维持时间，主要取决于充放电元件主要取决于充放电元件 R、C。 该单稳态触发器为不可重复触发器，该单稳态触发器为不可重复触发器，且要求输入脉宽且要求输入脉宽 tWI 小于输出脉宽小于输出脉宽 tWO 。解解：因为因为 tWO 1.1 RC故故可取标称值可取标称值 33 F。F3

10、3.7k271 . 1S11 . 1WO RtC估算公式估算公式 tWO 1.1 RC经过长距离传输后，脉冲信号的边经过长距离传输后，脉冲信号的边沿会变差或波形上叠加某些干扰，沿会变差或波形上叠加某些干扰，利用整形可使其变成符合要求的波形。利用整形可使其变成符合要求的波形。 9.3.3单稳态触发器应用举例单稳态触发器应用举例 2. 脉冲定时脉冲定时 1. 脉冲整形脉冲整形 因此，利用单稳态触发器可以控制门因此，利用单稳态触发器可以控制门开通与否以及开通时间长短。开通与否以及开通时间长短。 门的定时时间即为单稳态触发器的暂稳态持续时间。门的定时时间即为单稳态触发器的暂稳态持续时间。 uC 为与门

11、为与门 G 开通与否的控制信号。开通与否的控制信号。 uC = 1，门门 G 开通，信号开通，信号 uB 通过门通过门 G 输出；输出； uC = 0，门门 G 关闭，关闭，uB 不能输出。不能输出。 应用实例触摸定时开关电路用手触摸一下金属片P，由于人体感应电压相当于在低电平触发端(管脚2)加入一个负脉冲，电路进入暂稳态，输出高电平，灯泡发光，当暂稳态时间结束后，恢复低电平，灯泡熄灭。该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由参数调节。工作原理( (1) )不需输入信号。不需输入信号。( (2) )无稳定状态，只有两个无稳定状态，只有两个暂稳态暂稳态。 9.4、多谐振荡器 (1)(1)多谐振

12、荡器的工作特点和符号多谐振荡器的工作特点和符号 通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。 工作特点工作特点Astable Multivibrator（2 2）555555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器 工作原理工作原理电容如此周而复始地充电和放电，电电容如此周而复始地充电和放电，电路便产生了振荡，输出周期性矩形波。路便产生了振荡，输出周期性矩形波。UT+、UT- -振荡频率与充放电元件值振荡频率与充放电元件值 R、C 及及 Vcc、有关。、有关。

13、设设电容初始电压电容初始电压 uc 0 。则接通电源。则接通电源后后 uO 输出高电平输出高电平 ，放电管放电管V截止截止,VCC通过通过 R1,R2 向电容向电容 C 充电，使充电，使 uc升高。升高。 当当 uC 上升到上升到 2/3Vcc 时，时，uO 跃变为跃变为低电平低电平 VOL。同时放电管导通，。同时放电管导通，C经经R2和和V放电，使放电，使 uC 下降。当下降。当uC 下降下降1/3Vcc时时，输出输出uo跳变为高电平，电路又一次自动跳变为高电平，电路又一次自动翻转翻转. 设设电容初始电压电容初始电压 uC(0) = 0。则接通电源后则接通电源后 uO 输出高电平输出高电平

14、UOH，输出端通过，输出端通过 R 向电容向电容 C 充电，使充电，使 uC 升高。升高。 当当 uC 上升到上升到 UT+ 时，施密特时，施密特触发器状态翻转，触发器状态翻转，uO 跃变为低跃变为低电平电平 UOL。这时。这时 C 经经 R 和施和施密特触发器的输出电阻密特触发器的输出电阻 RO 放放电，使电，使 uC 下降。下降。工作原理工作原理(3)施密特触发器组成的多谐振荡器施密特触发器组成的多谐振荡器电容电容 C 循环充电和放电，使电路产生循环充电和放电，使电路产生振荡，输出矩形脉冲。振荡，输出矩形脉冲。12lnlnDDTTWWDDTTVVVTttRCRCVVVln()DDTTDDT

15、TVVVRCVVV(4)(4)石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 振荡频率稳定振荡频率稳定RF通常取通常取 5 10 M ，使使 G1 门放门放大工作。并大工作。并使使 G1门工作在电压传输门工作在电压传输特性的转折区，特性的转折区，选频和形成正反馈。选频和形成正反馈。对波形进行整形及隔离负载 振荡频率振荡频率 晶体频率晶体频率调节调节 C1 可微调振荡频率；可微调振荡频率；调节调节 C1、C2 比值可调节反馈系数。比值可调节反馈系数。 双音门铃电路设计分析双音门铃电路设计分析 AN按下，开关闭合，Vcc经D2向C4充电，P点(4脚)电位迅速充Vcc ，复位解除，电路起振。 AN松开，开关断

16、开，由于电容储存的电荷经放电要维持一段时间，在P点电位降至复位电平之前，电路将继续维持振荡。此时Vcc经R3、R2、R1向C充电，充电时间常数增加为(R3+R2+R1) ，放电时间常数仍为R2C1，多谐振荡器产生低频振荡，喇叭发出低音。本章小结本章小结 555 定时器是一种多用途的集成电路。只需外接定时器是一种多用途的集成电路。只需外接少量阻容元件便可构成施密特触发器、单稳态少量阻容元件便可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等。触发器和多谐振荡器等。此外，它还可组成其此外，它还可组成其它它灵活多变的灵活多变的实用电路。实用电路。除除 555 单定时器外，还有双定时器单定时器外，还有双定

17、时器 556、四定时器四定时器 558 等。等。 施密特触发器有两个稳定状态，而每个稳定状态都是依靠输入电平来维持的。施密特触发器具有滞后传输特性，它有两个阈值电压和回差。调节回差电压大小，可改变电路的抗干扰能力。回差愈大抗干扰能力愈强。施密特触发器虽然不能自动地产生方波信号，但却可以把其他形状的信号变换成为方波，为数字系统提供标准的脉冲信号。 多谐振荡器是一种自激振荡电路，它没有稳定状态，只有两个暂态。不需要外加输入信号，就可以自动地产生矩形脉冲。构成多谐振荡器有多种电路形式，可用门电路组成，可用555定时器组成，也可用石英晶体组成。石英晶体振荡器一般在振荡频率要求很高情况下采用。555 定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器和多