数字电子技术第九章..

1、9.1 单稳态触发器单稳态触发器9.2 施密特触发器施密特触发器9.3 多多谐振荡谐振荡器器9.4 555定时器及其应用定时器及其应用9 脉冲波形的变换与产生脉冲波形的变换与产生4 4、掌握由、掌握由555555定时器组成的多谐、单稳、施密特触定时器组成的多谐、单稳、施密特触发器的电路、工作原理及外接参数及电路指标的计发器的电路、工作原理及外接参数及电路指标的计算。算。1 1、正确理解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触、正确理解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的电路组成及工作原理。发器的电路组成及工作原理。2 2、掌握多谐、单稳、施密特触发器、掌握多谐、单稳、施密特触发器MSIMSI器件

2、的逻辑器件的逻辑功能及主要指标计算。功能及主要指标计算。3 3、掌握、掌握555555定时器的工作原理。定时器的工作原理。教学基本要求教学基本要求9.1单稳态触发器单稳态触发器9.1.1 用门电路组成的微分型单稳态触发器用门电路组成的微分型单稳态触发器9.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器9.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用 电路在没有触发信号作用时处于一种稳定状态。电路在没有触发信号作用时处于一种稳定状态。单稳态触发器的工作特点：单稳态触发器的工作特点： 在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态; ; 由于电路中由于电路中RC

3、延时环节的作用，暂稳态不能长保持延时环节的作用，暂稳态不能长保持,经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间仅取与持续时间仅取与RC参数值有关。参数值有关。9.1单稳态触发器单稳态触发器V VI IV VO Ot tWW稳态稳态暂稳态暂稳态稳态稳态TrgTrgT TWWQ Q 门电路组成的单稳态触发器门电路组成的单稳态触发器MSI集成单稳态触发器集成单稳态触发器不可重复触发不可重复触发单稳态触发器单稳态触发器可重复触发可重复触发单稳态触发器单稳态触发器用用555定时器组成的单稳态触发器定时器组成的单稳态触发器按电路形式不同按电路形式不同

4、单稳态触发器的单稳态触发器的分类分类工作特点划分工作特点划分 R vO G2 & C vI2 vC Rd vI Cd G1 vd vO1 VDD vd vO1 vO G2 G1 C R VDD vI vI2 vC Rd Cd 9.1.1 用用CMOS门电路组成的微分型单稳态触发器门电路组成的微分型单稳态触发器 1. 1. 电路电路CMOS或非门构成的微分型或非门构成的微分型单稳态触发器单稳态触发器 CMOS与非门构成的微分型与非门构成的微分型单稳态触发器单稳态触发器 暂稳态为暂稳态为1正脉冲触发正脉冲触发暂稳态为暂稳态为0负脉冲触发负脉冲触发 电路处于一种稳态：电路处于一种稳态： vO

5、1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 0 00 01 11 10 0 o =0 c =0a)没有触发信号时，没有触发信号时， I=0设定设定CMOS反相器的阈值电压反相器的阈值电压2THDDVV 2. 工作原理：工作原理： vO1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC b)b)外加触发信号外加触发信号 vI 0 t vd 0 t vO1 vO vI2 0 t t t 0 VTH VDD t1 t2 0 电路进入暂稳态电路进入暂稳态 电容充电电容充电 I21 10 0c)c)电容充电电容充电, ,电路由暂稳态自动返回到稳态电路由暂稳态自动返回到稳态 v

6、O1 vO G2 G1 C D R VDD vI vI2 vC 0 01 1 I2 I2 =VTH迅速使迅速使 o1 = 1 o =0电容放电电容放电 c =0vo2 vO1 vR vI 0 t vd 0 t vO11 vO vI2 0 t t t 0 VTH VDD t1 t2 0 tw 当当ui的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个端加一个RC微分电路，否则，在电路由暂稳态微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门返回到稳态时，由于门G1被被ui封住了，会使封住了，会使uo2的下降沿变缓。的下降沿变缓。 vd vO1 vO G2 G1 C

7、R VDD vI vI2 vC Rd Cd tw0.7RC （1） 输出脉冲宽度输出脉冲宽度tw(2) 恢复时间恢复时间tre tre (35) (3) 最高工作频率最高工作频率 fmax 3. 主要参数的计算主要参数的计算 vO1 vI vO vI2 0 0 t t t t tW 0 VTH VDD t1 t2 vd 0 t 0 TH0V)()()(tCCC l ln nW W R RC CvC(0+) = 0；vC( ) =VDD =RC, VTH = VDD /2THDDDDw0VVVlnRCt = RCln2rew11ttTfminmax 4. 讨论讨论b)用用TTL门电阻门电阻R的取

8、值可以是任意的吗？的取值可以是任意的吗？a)在暂稳态结束在暂稳态结束(t= t2)瞬间，门瞬间，门G2的输入电压的输入电压 I2达到达到VDD+VTH，可能损坏可能损坏G2门，怎么办？门，怎么办？采用采用TTL与非门构成单稳电与非门构成单稳电路时，电阻路时，电阻R要小于要小于0.7k 。 vO1 G1 G2 C vI R VDD vO Cd Rd vO G3 VD 9.1.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器(a)v vO Ov vI It tw wt tw w(b)vOvItwtw不可重复触发不可重复触发可重复触发可重复触发被重复触发被重复触发没有被重复触发没有被重复触发 G2 A2 G1

9、G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 Cext Rint 5 Q Q A1 a B 4 3 10 6 9 1 11 VCC 1. 不可重复触发的集成单稳态触发器不可重复触发的集成单稳态触发器 74121触发信号控制电路触发信号控制电路微分型单稳触发器微分型单稳触发器电路的连接：电路的连接：R：外接电阻或采用内部电阻：外接电阻或采用内部电阻C：外接电容：外接电容输出缓冲电路输出缓冲电路输出脉冲宽度：输出脉冲宽度： tw0.7RC 电路的不可重复触发特性电路的不可重复触发特性工作原理工作原理在暂稳态期间即使有触发信号输入在暂稳态期间即使有触发信号输入,但由于但由于G4门在此期间关闭门在此期间关

10、闭，不会被再次触发，电路属于不可重复触发单稳态触发器不会被再次触发，电路属于不可重复触发单稳态触发器暂稳态暂稳态: Q=1 Q=0 G2 A2 G1 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 Cext Rint 5 Q Q A1 触发信号控制电路 微分型单稳态触发器 输出缓冲电路 a B 4 3 10 6 9 1 11 VCC 100074121功能表功能表 HHQA1A2BQL HL LHL LLHHH LHHHHHHL L逻辑功能表逻辑功能表不可触发，保持稳态不变不可触发，保持稳态不变A1、A2中有一个或两个为低电平，中有一个或两个为低电平，在在B端输入上升沿时电路被触发端输入上升沿时电路

11、被触发B 和和A1、A2、 中有一个或两个为中有一个或两个为高电平，输入端有一个或两个下高电平，输入端有一个或两个下降沿时电路被触发降沿时电路被触发( a ) 7 4 1 2 1 的 引 脚 排 列 图 14 13 12 11 10 9 87 4 1 2 1 1 2 3 4 5 6 7 Re x t/Ce x tVC C N C N C Ce x t Ri n N C Q N C T R- T R- B T R+ Q G N D9.1.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用1. 定时定时 该电路可用于频率计该电路可用于频率计 vO 与与门门 vA vB tW 单稳态单稳态 触发器触发器 vI

12、 vI O vB O vA O vO O tW t t t t A1 Rext/ Cext VCC Cext A2 B Cext Rext/ Cext A1 A2 B Q Q VCC VCC vI vO R1 C1 R2 C2 74121 （1） 74121 （2） vO1 vI t t1 0 t tw1 tw1 vO1 0 t tw2 tw2 vO 0 2. 延时延时3. 组成噪声消除电路组成噪声消除电路 单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度而小于信号脉宽，才可单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度而小于信号脉宽，才可消除噪声。消除噪声。 如用如用 I作为下降沿触发的计数器触发脉冲作为下降沿触发的

13、计数器触发脉冲,干扰加入干扰加入,就会造成就会造成计数错误计数错误. C R VCC Cext Rext/Cext 74121 A1 A2 B vI Q 1D C1 R Q vO vI Q vO 噪声噪声 4. 利用两个单稳态触发器可以构成多谐振荡器。利用两个单稳态触发器可以构成多谐振荡器。 9.2 施密特触发器施密特触发器9.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器9.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器9.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 普通反相器和施密特反相器的比较普通反相器和施密特反相器的比较AY1普通反相器普通反相器uAUTHuYTTL：1.4

14、VCMOS：DD21V施密特反相器施密特反相器AYuAUT+UT上限阈值电压上限阈值电压下限阈值电压下限阈值电压uY回差电压：回差电压： TTTUUU9.2 施密特触发器施密特触发器1 1、施密特触发器、施密特触发器电压传输特性电压传输特性及工作特点及工作特点 是具有滞后特性的反相器。是具有滞后特性的反相器。（1 1）电路有两个稳态，是双稳电路。）电路有两个稳态，是双稳电路。（2 2）电路状态的翻转依赖于输入信号的维持。）电路状态的翻转依赖于输入信号的维持。 输出状态取决于输入信号的幅度。输出状态取决于输入信号的幅度。（3 3）具有滞后电压传输特性。）具有滞后电压传输特性。 对正向增长和负向增

15、长的输入信号，电路有对正向增长和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平。不同的阈值电平。 施密特触发器属于电平触发器件，当输入信号施密特触发器属于电平触发器件，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。 电路有两个阈值电压。电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时，输入信号增加和减少时，电路的阈值电压分别是正向阈值电压电路的阈值电压分别是正向阈值电压（VT+）和负阈）和负阈值电压（值电压（VT-） 。回差电压（滞后电压）：回差电压（滞后电压）：VT VTVT同相输出施密特触发器同相输出施密特触发器反相输出施密特触发器反相输出施密特触发器 vI

16、 vO vI vO O vI vo VT VT+ VOH VOL oVT+ vO VOH VOL VT- - vI 2 2、施密特触发器的两种电路形式、施密特触发器的两种电路形式1、电路组成、电路组成2、工作原理、工作原理 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 I19.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器O11I212I1vRRRvRRRv2 R1 R2 I为三角波为三角波 假定：假定： 2THDDVV 108 6 4 2 0 2 4 6 8 10 VOHVDD B G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI1O211I2121I RRRRRR00 1(1)

17、 I上升上升当当vI1=0， = 0VvO正向阈值电压正向阈值电压 (VT+): I 值在增加值在增加过程中，使输出电压产生跳变时过程中，使输出电压产生跳变时所对应所对应 I 的值。的值。只要只要 I1 VTH，I1 (4) 当当I下降下降, 也下降也下降则保持则保持 =VOHo当当 =VTH，电路产生如下正反馈，电路产生如下正反馈 ： I1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI1 v vo ov vI I 传传输输特性曲线特性曲线 工作波形工作波形 vI VT VT O vO VDD O t t vO VDD O VT VT vI 8.2.2 集成施密特触发器集成施密特触发器 v

18、I vO vO， VDD TP1 TP2 TP3 TN1 TN2 TN3 vS2 vS5 TP4 TN4 TP5 TN5 TN6 TP6 VDD 施施密密特特电电路路 整整形形电电路路 输输出出电电路路 vI vO 8.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 o vI vO1 VOH VOL VT+VT_ vO VOH VOL 0 t tWo vI t v vT+T+v vT-T- vI vO 1. 1. 波形变换波形变换 vI VT+ VT 0 t vO VOH VOL 0 t (b) vO vI 2. 波形的整形波形的整形 vO vI vI VT+ VT 0 t vO VOH VOL

19、 0 t (a) v vo ov vI I o VT+ vO VOH VOL VT- 合理选择回差电压，可消除干扰信号。合理选择回差电压，可消除干扰信号。 vI O vO O vO O VT2 VT1 t t t 3.3.消除干扰信号消除干扰信号 VT- vI 0 VT+ 0 t vO VO H VO L 0 4. 幅度鉴别幅度鉴别 o VT+ vO VOH VOL VT- - vI o oI I9.3 多谐振荡器多谐振荡器9.3.1 门电路组成的多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器9.3.2 用施密特触发器构成多谐振荡器用施密特触发器构成多谐振荡器9.3.3 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器

20、 开开关关电电路路 RC延时环节延时环节多谐振荡器的基本组成：多谐振荡器的基本组成：开关器件：产生高、低电平开关器件：产生高、低电平反馈延迟环节（反馈延迟环节（ RC电路）：利用电路）：利用RC电路的充放电特性实现电路的充放电特性实现延时，输出电压经延时后延时，输出电压经延时后,反馈到开关器件输入端，改变电路反馈到开关器件输入端，改变电路的输出状态的输出状态,以获得所脉冲波形输出。以获得所脉冲波形输出。9.3 多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。9.3.1

21、 门门电路组成的多谐振荡器电路组成的多谐振荡器 1. 电路组成电路组成 vID1 D2 TP TN vO1 R C D4 D3 TP TN vOG1 G2 +VDD VC vI vO1 vO C R G1 G2 CMOS门组成的多谐振荡器门组成的多谐振荡器.o1 =1, o =0 时时,电容充电电容充电, I增加增加;o1 =0, o =1 时时,电容放电电容放电, I下降下降;o1与与o反相反相,电容接在电容接在o与与I之间之间: 2. 工作原理工作原理DDTH0O 2NFFVVVV假定假定 电路初态：电路初态：=1vO1=0vOvC= 0V电容充电电容充电vCvIvI当当=VTH 时，时，

22、迅速使迅速使G1导通、导通、 G2截止截止电路进入第二暂态电路进入第二暂态vO2=1vO1=0=0vO 1=1vO（1）第一暂稳态（初态）电容充电，电路自动翻转到第二暂稳态）第一暂稳态（初态）电容充电，电路自动翻转到第二暂稳态vIvO1vO G1 G2 VDD TP D3 TP D1 充充电电 vI D2 TN TN vO1 vO D4 R C vIVDDVTH0ttvOVDD0（2）第二暂稳态电容放电，电路自动翻转到第一暂稳态）第二暂稳态电容放电，电路自动翻转到第一暂稳态电容放电电容放电vCvIvI当当=VTH 时时，迅速使得迅速使得G1截止、截止、G2导通导通电路返回第一暂稳态电路返回第一

23、暂稳态O=0 O1=12. 工作原理工作原理vIvO1vO G1 G2 VDD TP D3 TP D1 放放电电 vI D2 TN TN vO1 vO D4 R C vI VTH O VDD V V t vO VDD O T1 T2 t1 t2 第第一一 暂暂稳稳态态 第第二二 暂暂稳稳态态 t TRC1n41.4RC 由门电路组成的多谐振荡器的振由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期荡周期T取决于取决于R、C电路和电路和 VTH，频率稳定性较差。频率稳定性较差。 3. 振荡周期的计算振荡周期的计算THDDDD1lnVVVRCT THDD2n1VVRCT vI(0+) 0；vC( ) VDD =R

24、C, t = t2-t1T1 :vI(0+) VDD ；vC( ) 0 =RC, t = t3-t2T2 : THTHDD2DD21n1V)VV(VRCTTT vI VTH O VDD V V t vO VDD O T1 T2 t1 t2 第第一一 暂暂稳稳态态 第第二二 暂暂稳稳态态 t v vo ov vI IV VT+T+V VT_T_V VOLOLV VOHOHT T1 1T T2 20 0t t0 0t t12DDTT+DDTTDDTT+DDTT-lnln()lnTTTVVVRCRCRVVVVVCVVVV Cvo ovI IR9.3.2 用施密特触发器构成多谐振荡器用施密特触发器构成

25、多谐振荡器9.3.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器1、石英晶体电路符号和选频特性、石英晶体电路符号和选频特性电路符号电路符号 阻抗特性阻抗特性 fXf0电电感感性性电电容容性性电电容容性性当当 f = f0 时时,电抗电抗 X = 02、石英晶体振荡器、石英晶体振荡器R1和和R2: 使对应门工作在线性区使对应门工作在线性区C1 : 耦合电容耦合电容C2 : 抑制高次谐波抑制高次谐波 vO G1 R1 C1 C2 晶体 G2 R2 石英 晶体 振荡器 vO 1 A 1J C1 1K Q Q 1 2 AQ123、双相脉冲产生电路双相脉冲产生电路9.4 555定时器及其应用定时器及其应用9.4.1

26、555定时器定时器9.4.2 用用555定时器组成施密特触发器定时器组成施密特触发器9.4.3 用用555定时器组成定时器组成单稳态触发器单稳态触发器 9.4.4 用用555定时器定时器组成组成多谐振荡器多谐振荡器9.4.1 5559.4.1 555定时器定时器 555 555定时器定时器是一种将模拟功能与逻辑功能是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在一起的中规模集成电路。该电路巧妙结合在一起的中规模集成电路。该电路功能灵活、适用范围广，只要外围电路稍作功能灵活、适用范围广，只要外围电路稍作配置，即可构成配置，即可构成单稳触发器单稳触发器、多谐振荡器多谐振荡器或或施密特触发器施密特触发器，因而可

27、在定时、检测、控制、因而可在定时、检测、控制、报警等方面。报警等方面。电阻分压器电阻分压器电压比较器电压比较器基本基本SR锁存器锁存器输出缓冲反相器输出缓冲反相器集电极开路输出三极管集电极开路输出三极管 (8) 5k (5) vIC (6) vI1 + C1 5k (2) vI2 + C2 5k (7) v O (1) T S R (4) G (3) vO Q & VCC RD 1、电路结构、电路结构 (8) 5k (5) vIC (6) vI1 + C1 5k (2) vI2 + C2 5k (7) v O (1) T S R (4) G (3) vO Q & VCC RD

28、电平电平触发端触发端电平电平触发端触发端电压电压控制端控制端4.516V复位端复位端电平有效电平有效输出端输出端放电端放电端2、工作原理、工作原理RD=0时，时，Q=1， vo=0，T导通。导通。 (8) 5k (5) vIC (6) vI1 + C1 5k (2) vI2 + C2 5k (7) v O (1) T S R (4) G (3) vO Q & VCC RD 010 (8) 5k (5) vIC (6) vI1 + C1 5k (2) vI2 + C2 5k (7) v O (1) T S R (4) G (3) vO Q & VCC RD 2、工作原理、工作原理

29、RD=0时，时，Q=1， vo=0，T导通。导通。RD=1、vI12VCC/3、vI2VCC/3时时Q=1,vo=0，T导通导通2VCC/3VCC/30100 (8) 5k (5) vIC (6) vI1 + C1 5k (2) vI2 + C2 5k (7) v O (1) T S R (4) G (3) vO Q & VCC RD 2、工作原理、工作原理RD=0时，时，Q=1， vo=0，T导通。导通。RD=1、vI12VCC/3、vI2VCC/3时时Q=1,vo=0，T导通导通RD=1、vI12VCC/3、vI22VCC/3、vI2VCC/3时时Q=1,vo=0，T导通导通RD=

30、1、vI12VCC/3、vI2VCC/31RD=1、vI1VCC/3时时Q、vo、T状态不变状态不变1 3、555定时器功能表定时器功能表不变不变不变不变1导通导通01截止截止11导通导通00放电管放电管T输出输出(VO)复位复位(RD)触发输入触发输入(VI2)阈值输入阈值输入(VI1)输输 出出输输 入入CC31V CC31V CC31V CC32V CC32V CC32V 9.4.2 用用555定时器组成施密特触发器定时器组成施密特触发器 (8) 5k (5) vIC (6) vI1 + C1 5k (2) vI2 + C2 5k (7) v O (1) T S R (4) G (3)

31、vO Q & VCC RD vI如何改变电路的阈值电压和回差电压如何改变电路的阈值电压和回差电压? vI VCC 2 3 VCC 1 3 O vO O t t vO O VCC/3 vI 2VCC/3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 VCC VCC1 8 4 555 6 2 vI R vO2 vO1 VIC 0.01 F 7 3 5 1 波形变换波形变换 t 1 3 VCC 2 3 VCC vI 0 t vO 1 VO H 0 o vI vO1 VOH VOL VT+VT_电路的频率可变电路的频率可变?占空比可变占空比可变?如何改变占空比如何改变占空比?回差电压减小回差电压减小,

32、占空比如何变化占空比如何变化? CvovIR 波形产生电路波形产生电路( (多谐振荡器多谐振荡器 ) VCC 8 4 555 6 2 R 0.01 F 7 3 5 1 C v vo ov vI IV VT+T+V VT_T_V VOLOLV VOHOHT T1 1T T2 20 0t t0 0t t12DDTT+DDTTDDTT+DDTT-lnln()lnTTTVVVRCRCRVVVVVCVVVV CvovIR9.4.3 用用555定时器组成定时器组成单稳态触发器单稳态触发器 1、电路、电路VCC VCC vI R vO 0.01 F C vC 8 4 555 7 6 2 3 5 1 5k v

33、IC vI1 C1 5k vI2 C2 5k v O T S R RD G vO vI外加触发信号，电路转换到暂态，输出为外加触发信号，电路转换到暂态，输出为1触发信号消除后，电容充电电路自动转换到稳态输出为触发信号消除后，电容充电电路自动转换到稳态输出为0没有触发信号时没有触发信号时( i )电路处于稳态，电路处于稳态，输出为输出为0 0 13VCCVCC 5k vIC vI1 C1 5k vI2 C2 5k v O T S R RD G vO vI vI O vC O vO O 2 3 VCC tW t t t VCC vI R vO 0.01 F C vC 8 4 555 7 6 2 3 5 1 tw=RC1n31.1RC 工作波形及输出脉宽的计算工作波形及输出脉宽的计算电路是可重复触发