数字电子技术基础学习教案

1、会计学1数字数字(shz)电子技术基础电子技术基础第一页，共50页。12nQ状态转换顺序现 态次态进位输出 YS0S1S2S3S40 0 00 0 10 1 00 1 11 0 00 0 10 1 00 1 11 0 00 0 00000111nQ10nQnQ2nQ1nQ0（5）求各触发器的驱动方程和进位(jnwi)输出方程。 (6)分解(fnji)卡洛图，写状态方程Qn Qn+1J K0 00 11 01 10 1 1 0JK触发器驱动(q dn)表：根据下图，可将各驱动方程与输出方程归纳如下： （7）写驱动方程：20QJ10K01QJ 01QK 102QQJ12K2QY 012QQQ或第1

2、页/共50页第二页，共50页。（8）画逻辑图。根据驱动方程(fngchng)和输出方程(fngchng)，画出5进制计数器的逻辑图如图所示。 （7）检查(jinch)能否自启动。（略） 第2页/共50页第三页，共50页。6-1 概述(i sh)6-3 单稳态触发器6-4 多谐振荡器6-5 555定时器及其应用(yngyng)6-2 施密特触发器第3页/共50页第四页，共50页。获取矩形脉冲波形(b xn)（时钟）的途径有两种：2、用整形(zhng xng)电路把已有的周期性变化的波形整形(zhng xng)产生1、用多谐振荡器直接产生矩形脉冲波形的整形电路施密特触发器、单稳态触发器。用门电路可

3、以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。用555定时器也可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。第4页/共50页第五页，共50页。一、特点(tdin) 1、电平触发(chf)：触发(chf)信号UI可以是变化缓慢的模拟信号， UI达某一电平值时，输出电压U0突变。 U0为脉冲信号。 2、电压滞后传输：输入信号UI从低电平上升过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与UI 从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同。施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。 利用上述两个特点，施密特触发器不仅能将边沿缓慢变化的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，还可以将叠加在矩形脉冲高、低

4、电平上的噪声有效地清除。第5页/共50页第六页，共50页。同向输出特性： VT+UoUIUoLUoH二、 输出特性VTVT+UoUIUoLUoHUI = VT+时， Uo = UoL UI = VT- 时， Uo = UoL UI = VT- 时， Uo = UoHVT UI = VT+ 时， Uo = UoH00当UI = 0时，Uo= UoL当UI = 0时， Uo= UoH正向阈值(y zh)电平VT+： UI 上升时，引起(ynq)Uo 突变时对应的UI 值。负向阈值电平VT- ： UI 下降时，引起Uo 突变时对应的UI值。三、用途:整形，构成单稳态触发器，构成多谐振荡器。第6页/共

5、50页第七页，共50页。UO1UIUIUO11R2R1G1G26-2-2 用门电路构成(guchng)施密特触发器一、构成(guchng)UIUO1UO说 明UI =00010同相施密特触发器 UI上升(shngshng)过程中VT+VT-VTH010110VT-VTH=VT-=VTHG1、G2门将要翻转UO突变1UI（用CMOS非门）=二、工作原理VT+VTH0110VT-=电路中电流流向和电位情况见图。第9页/共50页第十页，共50页。2、求VT-UOL1UI，G1R1R2UIG21UO在UI从最大值开始(kish)下降时，UO=UOH。UOHVTH VT- 从求UI ,入手(rshu)求

6、VT- ：UI , = UTH = UOH UR2 =VT- =R2R1+R2VTH R2R1UOHR2R1+R2 UOH （UOH VT ）又：故：UOH = VDD； VTH = VDD12 VT- =（1 ）VTHR1R2电路中电流(dinli)流向和电位情况见图。在UI VT+ ， UI , VTH ，G1、G2 门要翻转前的瞬间，=第10页/共50页第十一页，共50页。五、电压(diny)传输特性UI =0时，UO=UOL是同相施密特特性(txng)UIUOVDDVTH2 VTHR1R23、求回差电压(diny)VTVT =VT+ - VT- =2 VTH R1R2=R1R2VDD当

7、VDD一定时，调R1、R2 ，可调UT ，即可调VT+ VT-，可调UO脉宽。六、逻辑符号11&1VT-VT+第11页/共50页第十二页，共50页。6-2-3 集成(j chn)施密特触发器常用(chn yn)TTL电路集成施密特触发器有7413等，常用(chn yn)CMOS电路集成施密特触发器有CC40106等。6-2-4 施密特触发器的应用(yngyng)一、用于波形变换例：已知UI为半波，UI m= 9V，电路的VT+ =6V， VT-=3VUOH =VDD，试画UO波形。963VT+VT-VDDVDD11UI（V）totUOotUOo第12页/共50页第十三页，共50页。二、用于脉冲

8、(michng)整形(畸变的矩形脉冲(michng)的整形）UItOUOtOUItOUOtOUItOUOtOVT+VT-VT+VT-VT+VT-11三、用于脉冲(michng)鉴幅从分析施密特触发器的工作原理可知，只有那些幅度大于VT+的脉冲才会在输出端产生输出信号(xnho)。所以，施密特触发器可以从一系列幅度各异的脉冲信号(xnho)中选出幅度大于VT+的信号(xnho)。第13页/共50页第十四页，共50页。6-3-1 特点(tdin)和用途一、特点(tdin)1、开机(ki j)（接通电源），电路出现稳态。2、外加触发信号，电路翻转为暂态。暂态维持一段时间，自动返回稳态3、暂态维持时间

9、的长短，只和电路参数有关，与触发信号的幅度、电源电压的高低无关。二、用途1、整形输出矩形波。2、定时输出一定宽度的矩形波。3、延时将输入信号延长一定时间后输出。这种触发器只存在稳态和暂态两个不同的工作状态。而其暂态通常是靠RC电路来完成的，所以根据RC电路的不同接法可将单稳态触发器分为微分型和积分型。第14页/共50页第十五页，共50页。6-3-2 用门电路组成(z chn)单稳态触发器一、微分(wi fn)型单稳态触发器1、组成(z chn)（用CMOS或非门）2、工作原理（用正窄脉冲触发）UI UO1UI2UO说 明接通VDD不触发VDDUOL00110稳态：UO=0C中无电荷触发1001

10、暂态：UO=1C充电UI2=VTH000110返回稳态：UO=0C放电UI2=VDD000110恢复为起始稳态 C中无电荷注释：此时的逻辑电平“1”，对应的电位为（VDD+0.7）V。UIUO1UI2UOUI，11VDDCRG1G2UI，第15页/共50页第十六页，共50页。总之(zngzh)：不触发(chf)：UO=0，C中无电荷触发(chf)：UO=1C充电：返回 UO=0C放电：恢复为起始稳态，UO=0， C中无电荷3、电压波形tUIVTHtUO1tUI2tUO* 为了保证触发时间极短，通常在UI端加RC微分电路：1G1UO1CdRdUIUdtUItUdtUOVDD注意；第二次触发必须在

11、第一次触发稳定之后进行。 电压波形第16页/共50页第十七页，共50页。4、输出(shch)脉宽 TW 和幅度 UOm根据一阶RC电路暂态过程中，求任意变量的一般(ybn)公式：可得：tA(t)=A()+ A(0+)-A() e A() - A() -t =ln VTHtUI2tUOTW从波形图中看出(kn ch)，TW是C充电使UI2从0上升到VTH对应的时间，UI2()=VDD , UI2(0+)=0,12UI2(TW)=VTH = VDD ,RCTW = RC ln1VDD - 0VDD - VDD2Uom = UOH -UOL VDD1）求TW2）求Uom= RC ln2 A(0+)A

12、(t)所以：= 0.69 RC第17页/共50页第十八页，共50页。5、分辨时间 TdTd是指在保证电路正常工作的前提(qint)下，两个相邻触发脉冲之间，允许的最小时间间隔。TdVTHtUI2tUOTWTre由波形图知： Td = TW + TreTW：输出(shch)脉冲的宽度 Tre ：恢复(huf)时间，即 C放电达稳定值VDD所需的时间 T放。RO ND1G2G1R- +VDDC由放电回路知：放电回路（D1是G2 门输入保护电路中的二极管。）Tre =T放= (35)(RON +R/rD)C当D1的等效电阻rD远远小于RON 和R时，Tre =T放 (35)RON C第18页/共50

13、页第十九页，共50页。二、积分(jfn)型单稳态触发器1、组成(z chn)可用TTL与非门组成(z chn)，门之间用RC积分电路耦合。UAUBUO1UOUI2、工作原理（用正的宽脉冲触发）UI UAUBUO说 明接通VCC不触发10VCC01自然稳态：UO=1触发10VCC10暂稳态：UO=01返回稳态：UO=1C放电UAVTH恢复为自然稳态101不触发10VCC01UO=1RCG1G2&UO1第19页/共50页第二十页，共50页。3、电压(diny)波形tUItUO1tUAtUOVTHTTRTreTw4、输出(shch)脉宽 TW 和幅度 UOmTW RC lnVOL - UOHVOL

14、- VTHUom = UOH -UOL5、分辨时间 TdTd由波形图知： Td = TTR + TreTTR ：触发(chf)脉冲的宽度Tre ：恢复时间，即 UO1跳到UOH后，C充电达稳定值所需的时间 T充。+-CRUOHRO+VCCG1UA由充电回路知：充电回路Tre =T充 = (35)(RO+R)C第20页/共50页第二十一页，共50页。6-3-3 集成(j chn)单稳态触发器1、不可(bk)重复触发触发(chf)进入暂稳态时，再加触发(chf)脉冲无效tUITWUOt2、可重复触发触发进入暂稳态时，再次触发有效，输出脉冲可再维持一个脉宽。tUIUOtTW常用74121，74221

15、，74LS221等都是不可重复触发的单稳态触发器。其中，74121的电路符号如图：Cext RextCextUo RintVccGNDBA2A1Uo345167101191474121一、分类二、常用产品举例第21页/共50页第二十二页，共50页。输 入输 出A1A2BUOUO0X101X0101XX00111X01电平(din pn)触发111110XX0脉冲(michng)触发集成(j chn)单稳态触发器74121的功能表第22页/共50页第二十三页，共50页。下降(xijing)沿触发时的接法1UI不利用(lyng)Rint 时的接法Cext RextCextUo RintVccGND

16、BA2A1Uo345167101191474121+VCCCext RextCextUo RintVccGNDBA2A1Uo345167101191474121上升(shngshng)沿触发时的接法UI利用Rint 时的接法（Rint2 K）CRC+VCC三、应用举例1、脉冲整形Cext RextCextUo RintVccGNDBA2A1Uo345167101191474121+VCCCRUItUItUOTW = 0.69 RC第23页/共50页第二十四页，共50页。2、输出(shch)脉冲延时UI+VCCUO2VCCUOBA1A2C1R1UO（1）VCCUOBA1A2C2R2UO（2）tU

17、ItUO1tUO2tUO1TW1TW2触发后，电路(dinl)延时TW1 时间再输出。TW1 = 0.69 R1C1 TW2 = 0.69 R2C23、定时(dn sh)输出UIUO27412174121UABA1A2UO74121&tUItUAtUOTW只在触发之后的TW 时间内有UA 输出。UO2t第24页/共50页第二十五页，共50页。特点：不需要外加(wiji)触发信号，电路自激振荡，没有稳态。用途(yngt)：产生脉冲方波。6-4-1 用门电路构成(guchng)多谐振荡器一、对称式多谐振荡器1、组成（用TTL门电路）UI1UO2UO1UI211C1C2G1G2RF1RF22、工作原

18、理则，暂态 ： UO1=0、UO2=1 接下来：C1充电、C2 放电假设，某一时刻，电路出现 UO1=0、UO2=1的状态，第25页/共50页第二十六页，共50页。0011UI1UO2UO1UI211C1C2G1G2RF1RF2+C2放电(fng din)回路：UI1UOL1UOH2RF1C2+ -C2+ RF1 UOL1 UOH2 C2-C2放电(fng din)使UI1。C2放电(fng din)：UI2UOH2UOL1R1VCCG2RF2C1- +C1充电：暂态 ： UO1=0、UO2=1C1充电等效回路：UOH2 RE1 C1 UOL1（RE1=RF2R1）C1充电使UI2。第26页/

19、共50页第二十七页，共50页。由于RE1 RF1（当电路(dinl)对称时），所以，充电(chng din)比放电快。C1充电(chng din) UI2 = VTH 时 G2导通 UO2=0UI1=0 UO1=1暂态： UO1=1、 UO2=0C2充电 UI1 = VTH 时 G1导通 UO1=0UI2=0 UO2=1电路回到暂态。循环往复，直到关机。总之：UO1 =0UO2 =1UO2=0UO1=1UO1=1UO2=0UO1=0UO2=1 C1充电 UI2 C2充电 UI1 C2放电UI1 C1放电UI2第27页/共50页第二十八页，共50页。tUI1tUO1tUO2tUI2VTHVTHV

20、IKVIKT1T4、计算(j sun)在RF1=RF2=RF，C1=C2=C 时：T1 RFC ln UOH -UOH -如果(rgu)G1、G2为74LS系列反相器，UOH=3.4V，VIK= -1V，VTH=1.1V在RFR1时，T1=0.65 RFC振荡周期：T = 2T1=1.3RFC振荡(zhndng)频率：f =1/T占空比： q = (T1/T)100%3、电压波形C2放电、充电C1充电、放电VTHVIK第28页/共50页第二十九页，共50页。二、环形(hun xn)振荡器1、组成(z chn)利用(lyng)门电路的传输延迟时间tpd ， 将奇数个反相器首尾相接。UO1UO2U

21、O31G11G21G32、工作波形tUO1tUO2tUO3tpd3、计算TW = ntpd ；T=2TW ；f =1/T一般，tpd =TTL类几十 nsCMOS类几百ns（所以，环形振荡器的振荡频率f 特别高）为了获得较低的、可调的f ，可在环形回路中增加RC延时环节。TWn是门的数目。第29页/共50页第三十页，共50页。6-4-2 用施密特触发器构成(guchng)多谐振荡器1、组成(z chn)UIUO2、工作(gngzu)原理接通VCC瞬间，C中无电荷，所以：1）UC=0 3、电压波形2）UO=1 C充电 UI ，3）UO=0 C放电 UI ，tUItUI00VT+VT-若是CMOS

22、电路，T1T2T1RC+UI =VT+ UO=0UI =VT- UO=1T1= RC ln VDD -VDD -T=T1+T2 ；f =1/T；q =T1/TUI =0 UO=1VT-VT+T2= RC ln 0 -0 -VT+VT-则：第30页/共50页第三十一页，共50页。5、电路(dinl)改进占空比可调电路(dinl)如图：1CUIUOR2R1+充电经过(jnggu)R2 ，放电经过(jnggu)R1 ，T1= R2C ln VDD-VT-VDD-VT+T2= R1C ln VT+VT-q =T1/TT=T1+T2调节R1 或 R2 ，即可调节q第31页/共50页第三十二页，共50页。

23、6-4-3 石英(shyng)晶体多谐振荡器一、石英(shyng)晶体许多应用场合。要求多谐振荡器的振荡频率f十分稳定，（如数字钟的秒脉冲频率）。上述电路的 f 都达不到要求。最简便(jinbin)的稳频方法是在多谐振荡器中接入石英晶体，构成石英晶体多谐振荡器。石英晶体的固有振荡频率 fo 由结晶方向、外形尺寸决定；频率稳定度（fo / fo)可达10-1010-11 。fo电容性电感性fXO电抗频率特性曲线符号二、石英晶体振荡器1、组成将石英晶体接到多谐振荡器的正反馈回路中。当外加电压的频率f = fo 时，其电抗 X=0 。第32页/共50页第三十三页，共50页。UI1UOUO1UI211

24、C1C2G1G2RF1RF22、工作(gngzu)原理当UO的频率(pnl)f = fo 时，反馈最强，电路才起振。fo 的稳定度极高，这就解决(jiju)了多谐振荡器的稳频问题。3、参数选择各种固有振荡频率fo的石英晶体已做成成品，可根据所购晶体的fo选择电路的外接RF 和C，fo一般都很高，应利用分频器将fo分频为所需频率。例如，需要频率为1HZ的秒脉冲， 可选购 fo=32768HZ的晶振，通过15次二分频获得1HZ。结果： f = fo 。第33页/共50页第三十四页，共50页。555定时器是单片集成电路(jchng-dinl)，用途广，可构成(guchng)施密特触发器、单稳态触发器

25、、多谐振荡器等。双极型产品型号的后三位数码为555。单极型产品型号的后四位数码为7555。其功能和外部引脚的排列完全相同。第34页/共50页第三十五页，共50页。6-5-1 555定时器的电路(dinl)结构与功能一、组成(z chn)与特点VR1VR2UOTD+VCCCOU6U212658437（TH）（TR）RD当CO端不接控制(kngzh)电压UCO时：VR2 = VCC ，13VR1 = VCC23国产CB555的结构框图：它由三个5K电阻、比较器C1和C2、基本RS触发器和放电管TD 组成。QQC1+-C2+-RdSd5K5K5KTD相当于：C1出1；C1出0。C1将U6 和 进行比

26、较 VCC23当U6 时， VCC23U6 和 比较的结果，由C1反相输出。 VCC23第35页/共50页第三十六页，共50页。反相同相U6U2RDUOTDQQRdSd23VCC13VCC放电管TD的作用：给外接电容(dinrng)C提供放电通路。QQC1+-C2+-RdSdVR1VR25K5K5KUOTD+VCCCOU6U212658437（TH）（TR）RD结构图的等效简化(jinhu)电路：相当于：C2出0；C2出1。C2将U2和 进行比较 VCC13当U2 时， VCC13U2 和 比较的结果， VCC13由C2同相输出(shch)。第36页/共50页第三十七页，共50页。二、工作(g

27、ngzu)原理输 入过 渡输 出RDU6U2RdSdQQTD状态(zhungti)0XXX X 导通123VCC23VCC13VCC导通113VCC截止(jizh)123VCC13VCC保 持表 1 CB555功能表（CO端悬空时）表1 的主要内容见表2：U6U223VCC23VCC13VCC13VCC23VCC13VCCQ01保 持工作原理见表1表2 RD =1时的表1由表2可得如下口诀：大于、大于、出0；小于、小于、出1；小于、大于、保持011011010110第37页/共50页第三十八页，共50页。当CO端接(dun ji)有UCO 时：12UCO ，VR2 =三、说明(shumng)V

28、R1 =UCO、换为13VCC将上述分析中的 换为23VCC12UCO ，所有(suyu)结论仍成立。四、电路符号555 定时器的电源电压范围较宽，CMOS类：VDD为318伏，（UOHVDD95% ，IOm4mA）TTL类： VCC为516伏，（UOHVCC90%）， IOm200mA）UOTHTDCOVCC12345678555TRRDGNDUCO ，第38页/共50页第三十九页，共50页。6-5-2 555定时器接成施密特触发器二、工作(gngzu)原理（设：UI为模拟(mn)三角波）UIU6 U2UO23VCC23VCC13VCC13VCC23VCC 23 VCC01013VCC13V

29、CC23VCC13VCC0导通稳态：UO =0放电= 023VCC13VCC保 持接通VCC 不触发UI=1023VCC13VCC23VCC13VCC0导通返回：UO =0放电= 023VCC13VCC保 持UI =1一、组成无电荷触发第40页/共50页第四十一页，共50页。总之(zngzh)：不触发，UO=0；UO=1维持(wich)一段时间又返回UO=0充电(chng din)回路：VCC+RC VCC-（充电(chng din)慢）放电回路：C+ TD C -（放电快）三、电压波形tUITW23VCC tUOtUCTWRC ln VCC-02VCC -3VCC TWRC ln3 = 1.

30、1RC触发, UO=1注意：一般情况下，第二次触发应该在第一次触发稳定之后进行。第41页/共50页第四十二页，共50页。6-5-4 555定时器接成多谐振荡器UO+VCC123456785550.01uFR1R2C等效(dn xio)为施密特触发器构成的多谐振荡器，R11UCUOR2+R2电压(diny)UC是施密特触发器的输入电压(diny)，其VT+ =23VCC VT- =13VCC 二、工作(gngzu)原理UCU6U2UOTD起始时023VCC13VCC23VCC13VCC0导通C放电23VCC1截止= 13VCC13VCC50第43页/共50页第四十四页，共50页。555定时器应用(yngyng)举例：下图是用555定时器接成的延时报警器。当开关S断开后，经过一定的延迟(ynch)时间后扬