数字电路技术基础第十章

复习CH2?逻辑门与组合逻辑电路CH3?触发器与时序逻辑电路思路输入：高电平、低电平、脉冲输出：高电平、低电平——两个稳态——双稳态如何产生、如何变换？实际中可能需要其他的状态——单稳态、无稳态7.0概述7.1波形变换电路7.2施密特触发器7.4定时器7.3脉冲产生电路CH7

波形变换、脉冲产生和定时电路New！★基本内容New！★学习重点★基本学习要求7.0本章概述

★本章基本内容

在前面各章的讨论中，常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿的脉冲信号，如触发器就需要时钟脉冲（CP），等等。事实上，现代电子系统都离不开脉冲信号。获取这些脉冲信号的方法通常有两种：①直接产生；②利用已有信号变换得到。

与产生模拟信号要用模拟振荡器一样，产生脉冲信号要用脉冲振荡器。脉冲波形变换则包括脉冲宽度、幅度、相位及上升和下降时间等等的改变，通过变换，使这些特性符合要求。

本章将介绍常用的脉冲变换电路——单稳态触发器和施密特触发器，脉冲产生电路——多谐振荡器，和一种多用途的定时电路——555定时器。★基本学习要求

·掌握脉冲电路的基本分析方法

·掌握常用脉冲电路的工作原理

·掌握几种集成电路的应用

·理解双稳态—单稳态—无稳态等几种电路原理的内在联系Emailmepleaseifyouhaveanyquestions:win_dd@163.com★本章学习重点·脉冲电路分析的关键

·微分型单稳态触发器、晶体振荡器、

555定时器的基本原理·74221、4538、4098、74HC14、555

等集成电路的应用7.1.1RC积分与微分电路New！7.1.3集成单稳态触发器

7.1.2单稳态触发器的工作原理

7.1波形变换电路

7.1.4单稳态触发器应用举例7.1.1RC积分与微分电路基础知识RC积分电路

电路条件：

τ=RC>>tWtW——输入脉冲宽度tW

7.1.1RC积分与微分电路基础知识RC微分电路

电路条件：

τ=RC<<tWtW——输入脉冲宽度tW7.1.2单稳态触发器工作原理

基础知识A1、以微分型为例7.1.2单稳态触发器工作原理

分析方法ABABQQVth

7.1.2单稳态触发器工作原理

ABABQQVth

分析方法7.1.2单稳态触发器工作原理

ABABQQVth

稳态稳态暂稳态分析方法7.1.2单稳态触发器工作原理

基础知识ABABQQVth

tWtre暂稳态时间恢复时间7.1.2单稳态触发器工作原理

基础知识AB计算

tW及tre运用“三要素法”：

UB(0+)=VCC

UB(∞)=0τ=RC（忽略其他电阻）

uB(t)=UB(∞)+[UB(0+)－UB(∞)]=VCCABQQVth

tWtreACQQVth

tWtre计算

tW及tre求(tW)ACQQVth

tWtre若Vth=VCC/2VC(0+)=VCCVC(∞)=0则tW≈0.7τ=0.7RCtre=(3~5)τre

单稳态触发器的一般特性？！思考！1.只有一个稳态，另有一个暂稳态。稳态暂态2．何时翻转到暂稳态取决于输入信号。3．何时翻转回稳态取决于电路参数R与C。单稳态触发器AQAQtAtW习题1试设计一自动延时楼道照明灯。！讨论与思考！几点讨论：①反馈环节也可采用RC积分电路（见习题6-5）。②若采用TTL门电路，为保证稳态时门2输入低电平，电阻R必须小于某一数值。采用CMOS电路无此限制。③为减小恢复时间tre，可在R上并联一个二极管，给电容C提供放电回路。④若输入脉冲过宽（tA＞tW），电路工作可能不正常时，可在输入端另加一RC微分电路，形成短输入脉冲。⑤采用或非门电路同样可构成单稳电路。

7.1.2单稳态触发器工作原理

基础知识ABABQQVth

tWtreRdCd。+VDD7.1.2单稳态触发器工作原理

基础知识ABQQVth

tWtreABRdCd。+VDDA’7.1.2单稳态触发器工作原理

分析方法Vth

tWtreABRdCd。+VDDA’ABQQA’稳态时，ui＝1，G1、G2均导通。uo1＝0，uA＝0，uo2＝0。

ui负跳变到0时，G1截止，uo1随之跳变到1。由于电容电压不能跃变，uA仍为0，故门G2截止，uo2跳变到1。在G1、G2截止时，C通过R和G1的导通管放电，使uA逐渐上升。当uA上升到管子的开启电压UT时，如果ui仍为低电平，G2导通，uo2变为0。当ui回到高电平后，G1导通，C又通过R和G1的导通管充电，电路恢复到稳定状态。7.1.3集成单稳态触发器应用基础常用集成单稳态触法器：54/74121，54/74221，54/74HC123，CD4098，CD4538等。TR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端，TR+是上升沿有效的触发信号输入端。Q和是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻R（R=1.4kΩ～40kΩ）接在VCC和Rext/Cext之间，外接定时电容C（C=10pF～10μF）接在Cext（正）和Rext/Cext之间。74121内部已设置了一个2kΩ的定时电阻，Rin是其引出端，使用时只需将Rin与VCC连接起来即可，不用时则应将Rin开路。74121的输出脉冲宽度：tp≈0.7RCTR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端，TR+A、TR+B是两个上升沿有效的触发信号输入端。Q和是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext、Rin3个引出端是供外接定时元件使用的，外接定时电阻R（R=5kΩ～50kΩ）、电容C（无限制）的接法与74121相同。RD为直接复位输入端，低电平有效。当定时电容C＞1000pF时，74122的输出脉冲宽度：tp≈0.32RC应用基础1.TTL双单稳态触发器74221

74221内部有一个2kΩ的电阻可供使用。若不用内电阻则需外接。无论何种接法，暂稳态时间均为

tW=0.7RC4538—CMOS双单稳态触发器应用基础7.1.4单稳态触发器应用工程应用7.1.4单稳态触发器应用工程应用“看门狗”（WatchingDog)New！7.2.2集成施密特触发器

7.2.1特性与原理7.2施密特触发器

7.2.3应用举例

7.3.1由门电路构成的施密特触发器施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。00110111110001100011下限阈值电压上限阈值电压回差电压（滞后电压）：ΔUT＝

UT＋－UT－前面介绍的施密特触发器的回差电压为：ΔUT＝UT＋－UT－＝UT－(UT－UD)＝UD＝0.7V缺点是回差太小，且不能调整。集成施密特触发器施密特触发器特性基础知识

施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门。①电路具有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压，二者的差值称为回差。输出电平的变化滞后于输入，形成回环。②与双稳态触发器和单稳态触发器不同，施密特触发器属于“电平触发”型电路，不依赖于边沿陡峭的脉冲。

特点：施密特触发器特性与原理基础知识施密特触发器特性与原理基础知识施密特触发器特性与原理基础知识施密特触发器特性与原理基础知识

电路举例一施密特触发器特性与原理基础知识

电路举例二

电路举例三基础知识施密特触发器特性与原理集成施密特触发器

应用基础

施密特触发器就是带有回差特性的门电路。如74HC14和74HC132等。74HC14：六反相器，74HC132：四2与非门。在VDD=6V时，典型回差为0.9～1.2V。7.2.3应用举例

工程应用7.2.3应用举例

工程应用施密特触发器应用举例3.幅度鉴别

施密特触发器的输出状态取决于输入信号的电压值，因此可用作幅度鉴别。阴影部分电压大于UT+7.3.0多谐振荡器New！7.3.1晶体振荡器7.3脉冲产生电路

单稳回忆4.1.2单稳态触发器工作原理

基础知识A以微分型为例7.3.0多谐振荡器基础知识A7.3.0多谐振荡器基础知识对称多谐振荡器：7.3.0多谐振荡器分析方法ABQQVth

Vth

对称多谐振荡器：7.3.0多谐振荡器ABQQVth

Vth

分析方法对称多谐振荡器：7.3.0多谐振荡器ABQQVth

Vth

分析方法对称多谐振荡器：7.3.0多谐振荡器ABQQVth

Vth

暂稳态1暂稳态2分析方法对称多谐振荡器：7.3.0多谐振荡器应用基础ABQQVth

Vth

tW1tW2对称多谐振荡器：“多谐”能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。多谐振荡器的计算

1、

对称式引起电路正反馈

结果C1充电C2放电∵∴

如设例：已知为74LS04反相器，

求：电路振荡器频率解：

非对称多谐振荡器（CMOS多谐振荡器）在t1时刻，

uo由0变为1，由于电容电压不能跃变，故ui1必定跟随uo发生正跳变，于是ui2（uo1）由1变为0。这个低电平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，电容C通过电阻R放电，使ui1逐渐下降。在t2时刻，ui1上升到门电路的开启电压UT，使uo1（ui2）由0变为1，uo由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故ui1跟随uo发生负跳变，于是ui2（uo1）由0变为1。这个高电平保持uo为0。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。第一暂稳态及其自动翻转的工作过程第二暂稳态及其自动翻转的工作过程在t2时刻，uo1变为高电平，这个高电平通过电阻R对电容C充电。随着放电的进行，ui1逐渐上升。在t3时刻，ui1上升到UT，使uo（ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。2非对称多谐振荡器的计算CMOS门

正反馈结果暂稳态

暂稳态二结果

周期频率∵

∴

例：已知：CMOS反相器CC4007，

求：

解：7.3.0多谐振荡器扩展知识环形多谐振荡器：RC（改进）环形多谐振荡器在t1时刻，ui1（uo）由0变为1，于是uo1（ui2）由1变为0，uo2由0变为1。由于电容电压不能跃变，故ui3必定跟随ui2发生负跳变。这个低电平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，uo2（高电平）通过电阻R对电容C充电，使ui3逐渐上升。在t2时刻，ui3上升到门电路的阈值电压UT，使uo（ui1）由1变为0，uo1（ui2）由0变为1，uo2由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故ui3跟随ui2发生正跳变。这个高电平保持uo为0。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。第一暂稳态及其自动翻转的工作过程第二暂稳态及其自动翻转的工作过程在t2时刻，uo2变为低电平，电容C开始通过电阻R放电。随着放电的进行，ui3逐渐下降。在t3时刻，ui3下降到UT，使uo（ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。

图（a）充电时的等效电路图（b）放电时的等效电路

如:假定带入上式后得到

7.3.0多谐振荡器扩展知识施密特多谐振荡器：vivo设

【例6.4.3】已知图6.4.15电路中的施密特触发器为CMOS电路CC40106，

试求该电路的振荡周期。解：由图6.2.7（a）CC40106的电压传递特性上查到

图为脉冲占空比可调的多谐振荡器振荡器的频率稳定度（10-3）VTHfVTH不稳定1）电源电压、温度变化

2）干扰石英晶体多谐振荡器（10-10——10-11）7.3.1石英晶体多谐振荡器7.3.1晶体振荡器基础知识电阻R1、R2的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对TTL反相器，常取R1＝R2＝R＝0.7kΩ～2kΩ，而对于CMOS门，则常取R1＝R2＝R＝10kΩ～100kΩ；C1＝C2＝C是耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率f0时可以忽略不计；石英晶体构成选频环节。振荡频率等于石英晶体的谐振频率f0。4.3.1晶体振荡器基础知识振荡频率等于石英晶体的谐振频率f0。New！7.4.2定时器应用举例7.4.1555定时器7.4定时器

555定时器为数字—模拟混合集成电路。可产生精确的时间延迟和振荡，内部有3个5KΩ的电阻分压器，故称555。在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。美国Signetics公司1972年研制，用于取代机械式定时器。返回电路组成(a)原理图(b)外引线排列图R=5kΩ

各公司生产的555定时器的逻辑功能与外引线排列都完全相同。

双极型产品CMOS产品单555型号的最后几位数码5557555双555型号的最后几位数码5567556优点驱动能力较大低功耗、高输入阻抗电源电压工作范围5~16V3~18V负载电流可达200mA可达4mA555定时器的结构及工作原理返回1.电路组成图6-28555定时器(a)原理图(b)外引线排列图电阻分压器电压比较器基本RS触发器放电管T缓冲器低电平触发端高电平触发端电压控制端复位端低电平有效放电端4.5～16VCB555的电路结构图7.4.1555定时器（1）

电阻分压器由3个5kΩ的电阻R组成，为电压比较器C1和C2提供基准电压。（2）

电压比较器

C1和C2。当U＋＞U－时，

UC输出高电平，反之则输出低电平。

CO为控制电压输入端。当CO悬空时，UR1＝2/3VCC，UR2＝1/3VCC。当CO＝UCO时，UR1＝UCO，UR2＝1/2UCO

TH称为高触发端，TR称为低触发端。

（3）

基本RS触发器其置0和置1端为低电平有效触发。

R是低电平有效的复位输入端。正常工作时，必须使R处于高电平。

（4）

放电管T

T是集电极开路的三极管。相当于一个受控电子开关。

输出为0时，T导通，输出为1时，T截止。（5）缓冲器缓冲器由G3和G4构成，用于提高电路的负载能力。001①R=0时，Q=1，uo=0，T导通。①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。＞2VCC/3＞VCC/300011①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。＜2VCC/3＞VCC/310011③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。110①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。＜2VCC/3＜VCC/311100③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。④R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＜VCC/3时，C1=1、C2=0，Q=0、Q=1，uo=1，T截止。

555定时器的功能表

用555定时器接成的施密特触发器回差电压为典型的反向输出施密特电路如参考电压由外接的电压供给，则通过改变值可以调节回差电压的大小。用555定时器接成的单稳态触发器稳态高电平，截止C充电，，，，导通，C经迅速放电，

，，，；当触发脉冲的下降沿到达，C充电输入端的的触发脉冲已消失后C迅速放电，电路进入稳态脉冲的宽度用555定时器接成的多谐振荡器输出脉冲的占空比为电路输出脉冲的占空比始终大于50％。为了得到小于或等于50％的占空比，可以采用如图6.5.8所示的改进电路。电容C的充电时间变为放电时间为占空比为【例子6.5.1】试用CB555定时器设计一个多谐振荡器，要求振荡周期为1秒，输出脉冲幅度大于3V而小于5V，输出脉冲的占空比。解：由CB555的特性参数可知，当电源电压取为5V时，在100mA地输出电流下输出电压的典型值为3.3V，所以取＝5V可以满足对输出脉冲幅度的要求。若取C＝10

故2、由555定时器构成的多谐振荡器接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC