数字电路第7章课件

1、数字电路和数字系统的处理对象为数字信号。数字信号一般由一系列的高低电平即矩形脉冲波形来表示，同时还必须有必要的辅助脉冲波形，如前面章节中学习的触发器需要的时钟脉冲，寄存器需要的锁存脉冲，移位寄存器需要的移位时钟、计数器需要的计数脉冲等。这些脉冲波形获得的一般方法有两种：一种是由脉冲信号产生电路直接产生，另一种是对已有的信号进行变换，使其满足系统的要求。7.1脉冲波形概述1.常见脉冲波形脉冲信号是指信号幅度随时间不连续变化的信号，通俗地说，就是存在转折点或尖峰、阶跃等突变的信号。例如电子产品中运用非常广泛的矩形波、锯齿波、三角波、梯形波等，如图-1所示。2.脉冲波形的主要参数为了描述一个脉冲波的

2、特性，需要一些特定的参数来进行说明。下面以常见的实际矩形脉冲为例，来定义脉冲波形的常见参数，如图-2所示。(1)脉冲幅度Um脉冲波形的最大变化幅度，用来表示脉冲信号的强弱。(2)脉冲周期T周期性的重复脉冲序列中，相邻两个脉冲的时间间隔，表示脉冲的疏密程度。(3)脉冲频率f周期性的重复脉冲序列中，单位时间内(1s)脉冲的个数，单位为Hz。(4)脉冲宽度tw脉冲上升沿中点(0.5Um)到脉冲下降沿中点(0.5Um)的时间间隔，表示脉冲高电平的宽度。(5)脉冲上升时间tr脉冲上升沿0.1Um到脉冲上升沿0.9Um的时间间隔，表示脉冲上升沿的陡峭程度(6)脉冲下降时间tf脉冲下降沿0.9Um到脉冲下降

3、沿0.1Um的时间间隔，表示脉冲下降沿的陡峭程度。(7)占空比q脉冲宽度tw与脉冲周期T的比值，即qtw/T,表示脉冲波高电平占整个波形的比重。q=0.5时的矩形脉冲波就是通常讲的方波。脉冲频率一般可用数字频率计直接测量读数，而其他参数可由示波器测量。脉冲波产生和变换电路的种类繁多，但一般以单稳态触发器、施密特触发器、555时基电路为基础。7.2单稳态触发器7.2.1定义前面学习触发器时，知道触发器具有两个稳定状态(1态和0态)，在输入信号和CP脉冲的触发下可以相互转换，因此这种触发器又称为双稳态触发器。而单稳态触发器只有一个稳定状态，另一个状态是不稳定的暂稳态，平时处于稳定状态，在外加触发脉

4、冲的作用下，该触发器能从稳定状态翻转到暂稳态。但和一般触发器不同的是，在经过一段时间后，无需外界信号触发，它能自动回到原来的稳定状态，因此，该触发器被称为单稳态触发器。7.2.2门电路构成的单稳态触发器1.原理分析由门电路外加RC反馈回路(利用RC电路的充放电特性)就可以构成单稳态触发器，根据RC连接方式的不同可以分为微分型和积分型。下面以或非门构成的微分型单稳态触发器为例，来说明其工作过程。由图-3所示，由或非门电路组成的单稳态触发器结构上和门电路组成的RS触发器很相似，由两个与非门首尾连接，不同的是一个反馈回路中接入了RC微分电路。(1)稳态当触发信号Ui处于低电平0时，由于或非门U1B经

5、电阻R输入高电平1，所以U1B输出U20，反馈到U1A输入端，使U1A输出U11，电路处于稳态。(2)暂稳态当触发信号Ui变为高电平1时，或非门U1A输出U1变为0，由于电容二端电压不能突变，使Ui2也变为低电平0，从而使或非门U1B输出U2变为高电平。此后，电容C处于充电状态，电路处于暂稳态。(3)自动返回稳态随着电容C的电压逐渐升高，U2逐渐升高。当U2升高到等于或非门电路的阈值电压UT时，U1B输出U2变为低电平0。此低电平反馈到U1A输入端，使U1A输出U1输出为高电平，电路再次进入稳态。(4)恢复暂稳态返回稳态后，即使Ui再次输入触发正脉冲使U1A输出U1变为低电平0，但由于电容C在

6、暂稳态期间充有一定的电压，此电压将使U2保持高电平，达不到U1B触发翻转的目的。只能等电容C通过电阻R放电，其电压电压下降到一定程度才能再次触发，这一段时间称为恢复时间tre。总结分析：暂稳态触发器输出正脉冲波形由U2端输出(负脉冲波形从U1输出)，可以看到，它是在输入触发脉冲Ui的上升沿触发下产生的。触发后输出脉冲的宽度tw由充电时间常数RC决定，RC越大，tw越宽，一般可按经验公式计算：tw0.7RC。2.改进方案为减少恢复时间tre,可在电阻R两端并联一个二极管VD，给电容C提供快速放电回路；同时为了方便调节输出脉冲的宽度，可将电阻R换成电位器R，如图-4所示。3.积分型单稳态触发器图-

7、6所示为积分型单稳态触发器的电路图。与微分型相比较，该电路中R、C的位置发生了交换，构成了积分电路。图-6b所示为其时序波形图，读者可自行分析其工作过程。但积分型单稳态触发器存在以下缺点：一是输出脉冲波形边沿较差；二是触发脉冲波形的宽度必须大于输出脉冲的宽度。其改进电路如图-7所示，该电路可以克服以上缺点。7.2.3集成单稳态触发器集成单稳态触发器可分为可重复触发型和不可重复触发型两种。不可重复触发器是指在暂稳态时间tw内，如果再有新的触发脉冲输入，电路不会产生响应，如图-8中的Q1波形所示。这种单稳态触发器输入脉冲后，电路进入暂稳态，在暂稳态期间tw内，即使再次输入触发脉冲2和4，电路的输出

8、状态也不会改变，输出信号宽度依然为tw。而可重复触发单稳态触发器刚好相反，即使触发器在暂稳态时间tw内，如果再有新的触发脉冲输入，电路依然会产生响应，再次输出一个宽度为tw的触发脉冲，如图-8中的Q2波形所示。1.TTL集成触发器74LS121介绍常用的TTL集成触发器有不可重复触发的74LS121、74LS221，可重复触发的74LS122、74LS123等，图-9所示是74LS121的逻辑符号和引脚排列图。2.74LS121的逻辑功能表和工作方式说明(1)触发方式74LS121有两种触发方式，说明如下。上升沿触发。此时，触发脉冲应从TR+端输入，且TR-A和TR-B中至少应有一个为低电平。

9、下降沿触发。此时，触发脉冲应从TR-A或TR-B输入，也可以同时从TR-A和TR-B输入，但其他触发输入端都要为高电平。没有触发脉冲或触发脉冲不满足以上要求时，74LS121处于稳态。没有触发脉冲或触发脉冲不满足以上要求时，74LS121处于稳态。(2)定时元件RC的连接方式74LS121的内部集成有定时电阻Ri2的电阻。因此组成单稳态电路时，定时元件RC有两种连接方式，图-10a所示为使用内部定时电阻Ri，图-10b所示为外接定时电阻的连接方法。一般触发输出脉冲宽度tw0.7RC，当R为外接电阻时，一般取值范围为1.440，C为10pF10F，此时tw为10ns300ms。为了得到较宽的输出

10、波形，一般需外接电阻R。(3)工作波形图-11所示为不同触发方式下，74LS121的输出波形。可以看出，74LS121属于不可重复触发的单稳态触发器。.2.4单稳态触发器的应用单稳态触发器应用范围很广，主要用于脉冲整形、变换脉冲宽度、定时、延时等场合。1.脉冲整形脉冲信号在传输和处理过程中，可能受到干扰产生各种波形畸变，导致脉冲波形幅度不等、宽度不同、波形有毛刺、变换不陡峭，此时可以采用单稳态电路对其进行整形，如图-12a所示。当输入不规则脉冲符合触发条件并达到触发电平UT时，单稳态电路便触发翻转，输出一个脉冲幅度恒定、宽度相同(都等于tw)、前后沿陡峭、无毛刺的脉冲波形。2.脉冲宽度变换当输

11、入信号的脉冲宽度不符合要求时，可利用单稳态触发器输出脉冲宽度可通过RC进行调节的特点，实现脉冲宽度的变换，如图-13所示。3.定时单稳态触发器触发后，若RC不变，输出脉冲宽度t就是固定的。利用这个特点可实现定时功能。如楼道中的声控开关，当有声音单稳态触发器触发后，驱动电灯亮。经过一定的时间t(由RC确定的输出脉冲宽度t，此处RC取值较大)，触发器回到稳定状态，电灯自动熄灭。4.延时利用两个单稳态触发器串联，就可实现延时功能，如图-14所示。当触发信号Ui输入时，在其正边沿U1触发翻转，从Q端输出一个宽度为t1(t10.7R1C1)的负脉冲，此负脉冲作为U2的触发信号，使U2触发翻转，输出一个t

12、2(t20.7R2C2)宽度的正脉冲，如图-14b所示。从而使脉冲波形延时了一个t1时间。7.3施密特触发器7.3.1施密特触发器概述1.定义施密特触发器又称为回差比较器。通俗地说，就像一个具有两个比较值的电压比较器。它与普通电压比较器只有一个电压比较值不同，它具有两个不同的电压比较值(UT+和UT-)。对于同相输出而言，当输入电压升高时，只有在输入电压高于UT+时，输出才变为高电平；当输入电压降低时，只有在输入电压低于UT-时，输出才变为低电平，其电压传输特性如图-15所示。2.电压传输特性由图-15所示的电压传输特性可知，当输入电压Ui由低逐渐向高变化时，输出电压将沿箭头A方向变化，即只有

13、在UiUT+时(即图中的C点)，输出状态才翻转。当输入电压Ui由高逐渐向低变化时，输出电压将沿箭头B方向变化，即只有在UiUT-时(图中的D点)，输出状态才翻转。施密特触发器具有两个阈值电压UT+和UT-，这种特性类似于磁性材料的磁滞回线，因此施密特特性又称为滞回特性、回差特性。为了标明该特性，在施密特触发器的逻辑符号中用“”符号来形象地描述，如图-16所示。3.特点1)与前面的单稳态触发器和边沿触发器不同，施密特触发器属于电平触发。2)存在两个阈值电压UT+和UT-，且UT+UT-，二者的电压差称为回差电压。回差电压越大，回差特性越明显。3)输出电压的变化滞后于输入电压的变化，形成回环。7.

14、3.2由门电路构成施密特触发器图-18所示是由CMOS反相器构成的施密特触发器。它之所以具有施密特触发器的回差特性，是由于输入信号Ui并没有直接输入到非门U1A的输入端，而是经过电阻R1和R2分压后变换后可得1.Ui由低电平上升为高电平Ui由低电平上升为高电平，经过两级非门后，Uo也为低电平，近似为0。因此根据分压公式可得当Ui上升到UiUT时，非门将翻转，此时的Ui就是UT，可得2.Ui由高电平下降为低电平Ui由高电平下降为低电平，经过两级非门后，Uo也为高电平，近似为VDD，因此根据分压公式可得变换后可得当Ui下降到UiUT时，非门将翻转，此时的Ui就是UT-。对于CMOS电路而言，UTV

15、DD/2，代入可得总结分析：图-18所示实际为一个正反馈电路，R2越小，正反馈越强。一般电路应满足以下条件：R1R2，否则，电路将进入自锁状态，不能正常工作。R2越小，回差电压越大，回差特性越明显。7.3.3集成施密特触发器1.TTL集成施密特触发器1)74LS24、74LS32为四路二输入施密特与非门，引脚与74LS00兼容。2)74LS13、74LS18为二路四输入施密特与非门，引脚与74LS20兼容。3)74LS14、74LS19为六路施密特反相器，引脚与74LS04兼容。3)74LS14、74LS19为六路施密特反相器，引脚与74LS04兼容。2.CMOS集成施密特触发器图-19MC1

16、40106的内部结构和引脚排列图1)MC14093为四路二输入施密特与非门，引脚与74LS00兼容。2)MC140106为6路施密特反相器，引脚与74LS04兼容，如图-19所示。当电压VDD=5V时，其阈值参数如下：UT+最大值为3.6V，最小值为2.2V；UT-最大值为1.6V，最小值为0.3V。7.3.4施密特触发器的应用施密特触发器应用范围很广，主要用于脉冲整形、幅度鉴别、波形变换、多谐振荡等场合。1.脉冲整形脉冲信号在传输和处理过程中，可能受到干扰或产生各种波形畸变，特别是远距离传输后，波形的前后沿可能变得较平缓，此时可以采用施密特触发器对其进行整形，如图-20所示。当输入的不规则脉

17、冲上升沿达到正向阈值电压UT+以及下降沿达到负向阈值电压UT-时，施密特触发器翻转，输出一个脉冲幅度恒定、宽度与输入脉冲相同、前后沿陡峭、无毛刺的脉冲波形。2.脉冲幅度鉴别当输入信号幅度不等，并要求将幅度较小的干扰脉冲除去时，可利用施密特触发器选出幅度大于UT+的脉冲，实现脉冲幅度鉴别，如图-21所示。3.波形变换利用施密特触发器可以将一些周期性的不规则波形以及三角波、正弦波等变换为矩形脉冲，如很多电力设备中将50H的正弦交流电压波形变换为矩形波作为同步脉冲或基准脉冲，如图-22所示。7.4555定时器555定时器又称为时基电路，因其内部有3个5电阻组成的分压电路，而且电阻精度高，分压精度也高

18、而得名。它价格低廉、性能优良，而且只要在其外部接少量的阻容元件，便可构成多种脉冲电路，在电子控制、电子检测、仪器仪表、家用电器、电子玩具等很多领域得到了广泛7.4.1555电路的分类、组成和工作原理1.分类()按内部元件分类可以分为TTL型(又称为双极型，工作电压4.55.5V，一般就以555命名)和CMOS型(又称为单极型，工作电压218V，一般就以7555命名)两大类。TTL型主要特点是输出电流大，可达200mA以上，可直接驱动大电流执行器件，如继电器等。CMOS型主要特点是功耗低，输入阻抗高，输出电流较小，一般小于4mA。()按片内定时器的个数分类可分为单定时器(555)和双定时器(55

19、6)。双定时器556一块集成块内部集成了两个独立的555定时电路。其引脚排列如图-23所示。2.电路组成555定时器的逻辑框图如图-24所示，其引脚说明如下：Q：定时器输出端，驱动负载。R：定时器复位输入端，当其接低电平0，强制Q输出为0。TH：高触发端，23VCC比较输入端。TR：低触发端，13VCC比较输入端。CVolt：控制电压输入端。内部功能框图如图-24b所示，它主要由电压比较器和基本RS触发器组成，各部分说明如下。因运放的输入阻抗很高，因此基本不需要信号提供电流。(3)基本RS触发器由G1和G2组成基本RS触发器，因此它也具有基本RS触发器的保持、置0、置1的工作状态。A1的输出作

20、为RD端，A2的输出作为SD端。(4)晶体管开关和输出级晶体管VT一般称为放电管，工作于开关状态，受RS触发器Q的控制：当Q1，VT饱和导通，7脚DIS接地；当Q0，VT截止，7脚与地断开。3.工作原理正常工作时，控制电压输入端CVolt接旁路电容，定时器复位输入端R接高电平VCC，输入信号从TH高触发端和TR低触发端输入，输出Q分别有以下几种情况：7.4.2555定时器应用555定时器应用非常广泛，典型应用如下。1.构成施密特触发器555定时器构成的施密特触发器如图-25所示，输入触发电压接TH和TR，因此施密特触发器的两个阈值电压分别为7.5多谐振荡器多谐振荡器又称为矩形波发生器或无稳态电

21、路。它是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，能自动的产生矩形脉冲。由于输出的矩形脉冲中含有很多谐波分量，故称为“多谐”；它没有稳定状态，只有两个暂稳态，在两个暂稳态，即高电平和低电平之间来回转换，这就是“振荡”。因此，矩形波发生器又称为多谐振荡器。多谐振荡器的产生方法和电路很多，可由模拟电路产生，也可由数字电路产生，如由门电路组成多谐振荡器，电路更简单、工作更可靠。7.5.1由门电路构成多谐振荡器1.电路图和原理分析由门电路构成多谐振荡器的电路原理图如图-27a所示。(1)暂稳态1设接通电源瞬间Ui0，则Uo11、Uo0。(2)暂稳态2因Uo11、Uo0，则Uo1的高电平通过电阻

22、R向C充电，U逐渐上升，Ui也上升。当Ui上升到非门U1A的阈值电压UT时，非门U1A翻转，Uo1输出低电平，Uo输出高电平，即Uo=1。(3)返回暂稳态1因Uo1输出低电平，电容C上的电压随即通过电阻R放电，U电压逐渐下降，通过电阻RS，Ui也下降。当Ui下降到非门U1A的阈值电压UT时，非门U1A再次翻转，Uo1输出高电平、Uo输出低电平，即Uo=0，返回暂稳态1。通过电容不断充电和放电，门电路的输出在两个暂稳态之间转换，从而输出矩形波，其波形如图-27b所示。2.振荡周期计算图-27所示的多谐振荡器振荡周期由R和C决定，一般可由下式估算：3.电阻RS的作用电阻RS的作用是避免电容C上的瞬

23、间电压损坏非门U1A，同时提高振荡频率的稳定性，一般要求RS远大于R，一般取RS(510)R。4.可控型多谐振荡器图-27所示的多谐振荡器电源一接通就产生振荡，输出矩形脉冲，但有时候希望其输出受控制。图-29所示便为可控型多谐振荡器。其中图-28a由与非门组成，控制端EN为高电平振荡输出，EN=0停振。图-28b由或非门组成，控制端EN为低电平振荡输出，EN=1停5.振荡频率可调的多谐振荡器振荡频率f1/T，因此多谐振荡器f=1/2.2RC，因此改变电阻R和电容C均可改变频率。一般改变电阻R较方便，如图7-29所示，用电位器RP代替电阻R。6.占空比可调的多谐振荡器在各种电子设备中，有时除了要

24、求矩形波的频率可调外，还要求矩形波的占空比q可调,如开关电源调压，电机调速等。由q=tw/T，具体到图-而言，q=tw1/(tw1+tw2)；对于方波，tw1tw2，q50。但如果想办法改变tw1和tw2，就改变了占空比q。由图-3可知，当电容C一定时，tw1由电容C的放电回路电阻决定；而tw2由电容C的充电回路电阻决定。因此只要充电回路和放电回路采用不同的电阻通路，并且电阻可调，则可调节占空比。如图-30所示，利用二极管的单向导电性，使电容C放电通过电位器1、2触点的电阻R1进行，而充电时通过2、3端的电阻RP2进行，调节电位器R，即同时改变了R1和RP2，从而改变了和。如电位器RP从左向右

25、移动时，RP1加大，使电容C放电时间加长，从而使tw1加大；RP2减小，使电容C充电时间变短，从而使tw2减少，导致q变大。7.门电路构成对称式多谐振荡器由门电路构成的对称式多谐振荡器如图-32所示，R1、R2使门电路工作于线性放大区，C1、C2起正反馈耦合作用。之所以称为“对称”，要求门电路的参数要相同，电阻R1=R2，电容C1=C2，并且R取值范围为RONRROFF，其振荡输出波形为方波。8.环形振荡器将奇数个非门电路和RC电路首尾连接而构成的振荡器称为环形振荡器，如图-3所示。其工作原理是利用门电路和RC网络形成正反馈和延时网络。图-3是为了进一步加大延时时间，将C改接到门U1A的输出端

26、，RS是为了防止U1C门的输入电流过大而接的保护电阻，一般要求(R+R)ROFF。环形振荡器为非对称振荡器，输出波形为矩形波。7.5.2石英晶体振荡器由RC元件和门电路组成的多谐振荡器的频率稳定度还不高，一致性还不够好，主要原因是RC元件的参数以及门电路阈值电压UT易受温度、电源电压等因素的影响。在要求频率稳定度高、一致性好的场合经常采用石英晶体振荡器。石英晶体的物理和化学性质十分稳定、Q值很高，可达104106，晶体参数的一致性也相当好，因此用石英晶体和门电路组成的多谐振荡器的频率稳定性显著提高。图-3是石英晶体的实物和原理图符号，石英晶体简称晶振。石英晶体的参数主要为谐振频率，如时钟电路中经常用到的32768