最好的数电第六章脉冲单元电路课件

数字电子技术基础物理与电子工程系

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第六章脉冲单元电路6.2单稳态触发器6.3施密特触发器本章小结概述6.1多谐振荡器概述数字信号实质上就是矩形波信号。矩形波有哪些技术指标？如何通过某些特定的电路获得不同频率的矩形波？如何将其它波形转换成矩形波？这些都是本章要讨论的内容。本章重点讨论用“555定时器”组成的多谐振荡器(矩形波产生)、单稳态触发器(定时、整形或延迟)和施密特触发器(矩形波变换与整形)。二、555定时器1、555内部结构555定时器属中规模集成电路，只要在外部配上适当的阻容元件，就可组成各种脉冲单元电路。由五大部分组成：⑴分压器；⑵电压比较器；⑶基本RS锁存器；⑷输出缓冲器；⑸晶体管开关。⑶3脚：输出端uO；⑴1脚：接地端；2、555芯片各引脚功能⑵2脚：触发输入端；⑸5脚：控制输入端CO；⑷4脚：复位输入端；⑹6脚：阈值电压输入端TH；⑺7脚：电容放电端uD；⑻8脚：供电电源端Vcc。123456783、555芯片内部功能⑴Vcc经过三个5KΩ

的电阻分压之后，在P点的基准电位为：UP=2Vcc/3

在N点的基准电位为：UN=Vcc/3当时：C2输出低电平“0”。⑵当时：C1输出高电平“1”；此时RS锁存器，导致TD管截止。当时：C2输出高电平“1”。⑷当时：C1输出高电平“1”；RS触发器，状态不变。不变导通截止导通放电管TD不变010输出uO>Vcc/3(UN)>Vcc/3(UN)<Vcc/3(UN)×触发输入<2Vcc/3(UP)>2Vcc/3(UP)<2Vcc/3(UP)×阈值输入UTH1110复位，导致输出电压uO为低电平，

TD管饱和导通。⑸当时：返回其功能表如下：6.1多谐振荡器6.1.1用门电路构成的多谐振荡器由于矩形波中除基波分量外还含有极丰富的高次谐波，因此常将产生矩形波的电路称为多谐波振荡器。简称多谐振荡器。一、电路组成由两级CMOS非门组成的、具有延迟环节的、正反馈网络的多谐振荡器。1、第一暂稳态及电路的自动翻转过程假定uO1=UOH，uO2=uI=UOL为第一暂稳态(G1截止，G2导通)。C将会被充电，充电路线如图所示：+_随着C上的电压增加，将出现一个正反馈过程：10+_当uI上升到Uth门坎电压时，电路发生翻转进入第二暂稳态(G1导通，G2截止)。uO1=UOL，uO2=UOH+_电容开始反充电，其路线如图所示：2、第二暂稳态及电路的自动翻转过程+_∵电容电压不能突变，uI上的电压本应升到Uth+VDD，由于D1的导通uI被箝在VDD+∆U。01随着反充电时间的延长，C上的电压也开始反向增加，uI开始下降，又出现一个正反馈过程：+_当uI下降到Uth门坎电压时，电路又发生翻转回到第一暂稳态(G1截止，G2导通)。uO1=UOH，uO2=UOL10五、振荡周期的估算振荡周期T实际上就是这两个暂稳态时间的叠加(T=T1+T2)，可以根据三要素法则估算。1、第一暂稳态的时间T1的估算2、第二暂稳态的时间T1的估算3、振荡周期T6.1.2用555定时器构成的多谐振荡器一、电路结构1、R1、R2与C构成充电回路(当TD截止时)；2、R2与C构成放电的回路(当TD导通时)；充电时间常数为：如果没有其它变化，C上的电压将朝VCC的终值按指数规律增加。2、当C上的电压充电到时(见下表)不变导通放电管TD不变0输出uO>Vcc/3(UN)>Vcc/3(UN)触发输入<2Vcc/3(UP)>2Vcc/3(UP)阈值输入UTH11复位可看出uO为0，TD管导通，电路出现了一条放电回路。放电时间常数为：电路进入了第二个暂稳态TL过程。C上的电压将朝0的终值按指数规律减小。3、当C上的电压放电到时(见下表)可看出uO为1，TD管截止，电路又出现一条充电回路。不变截止放电管TD不变1输出uO>Vcc/3(UN)<Vcc/3(UN)触发输入<2Vcc/3(UP)<2Vcc/3(UP)阈值输入UTH11复位充电时间常数为：电路又回到了第一个暂稳态TH，如此周而复始地产生连续矩形波的输出。4、工作波形分析：注意：充电时输出高电平，放电时则输出低电平。第一个暂稳态第二个暂稳态整理得：再根据电路分析课程中RC过渡过程三要素公式得：第一个暂稳态第二个暂稳态整理得：最后将TH与TL相加即可得振荡周期T。其倒数就是振荡频率f。第一个暂稳态第二个暂稳态四、多谐振荡器的占空比q(对称性)的估算我们将脉冲宽度与重复周期的比值定义为占空比。当占空比等于0.5

时，矩形波为对称方波，反之矩形波为不对称方波。第一个暂稳态第二个暂稳态电路不能实现对称方波。2、振荡周期T：3、占空比q：所以调整电位器(改变R1和R2的比例)就可获得不同占空比的矩形波输出。当R1=R2时，可输出对称方波。6.1.2用石英晶体构成的多谐振荡器一、石英晶体振荡器的优点振荡频率的稳定性极高，其振荡频率不受温度、电源和器件参数的变化而改变（见模电课件第九章波形发生器），仅与石英晶体内部特性有关。由石英晶体的电抗频率特性可以看出，在f等于fS时，其电抗为0，在其它频率时，呈现较大的容抗或感抗。容性容性感性二、电路结构1、R1、R2可以使两个非门(倒相器)工作在放大区域。2、C1、C2起耦合作用(也可以不要，直接耦合方式)。对于TTL型非门：对于CMOS型非门：三、工作原理这是一个典型的正反馈电路，其振荡频率仅由石英晶体的谐振频率fS

决定，与电路中的R、C无关。返回6.2单稳态触发器6.2.1用555定时器构成的单稳态触发器电路只有一个稳定的状态，当受到外来触发脉冲时，变到了一个暂时稳定的状态。经过一段时间后，电路自动回复到了原来稳定的状态。一、电路结构1、R与C构成充电回路(TD截止时)；2、C通过7脚构成放电回路(TD导通时)；3、电路从3脚输出；4、从2脚端输入触发负脉冲；5、在

6

脚

TH端与地之间接C，所以UC的变化是分析电路的关键点。二、工作过程1、当无负触发信号输入时电路为稳定状态：可以看出TD管导通，UC=0、UD=0。2、当有负触发信号输入时，电路为暂稳态：从下表可以看出TD管截止，uO=1，C被充电。充电时间常数为RC。不变截止放电管TD不变1输出uO>Vcc/3(UN)<Vcc/3(UN)触发输入<2Vcc/3(UP)<2Vcc/3(UP)阈值输入UTH11复位只要UC上的充电电压小于2Vcc/3，电路就维持这个暂稳态不变。3、当C充电使UC大于2Vcc/3时，电路立即回到原来的稳态。从下表可以看出TD管导通，uO=0，C开始放电。只要电路没有新的触发负脉冲输入，电路就一直稳定在这个状态。不变导通放电管TD不变0输出uO>Vcc/3(UN)>Vcc/3(UN)触发输入<2Vcc/3(UP)>2Vcc/3(UP)阈值输入UTH11复位放电时间常数趋于0，很快结束。4、工作波形分析：注意：稳态时TD导通，输出低电平，暂稳态时TD截止，输出高电平。输入负脉冲的幅度低于Vcc/3(UN)为可靠触发。暂稳态稳态三、单稳态触发器输出脉冲宽度TW

的估算从工作波形中可以看出：输出脉冲宽度就是电路的延迟时间。换句话说：就是暂稳态时电容从0充电至2Vcc/3所需的时间。暂稳态稳态四、单稳态触发器恢复时间TR

的估算根据电路分析课程中RC过渡过程三要素公式可得：整理得：所以：因为：五、单稳态触发器最高工作频率fmax

的估算为了使电路能够可靠触发，即要保证在下一个触发负脉冲到来时，电路应处在稳定的状态。触发脉冲的周期：单稳态触发器的最高工作频率：暂稳态稳态六、注意1、输入脉冲之间的最小间隔

Tmin

≥TW+TR

，否则电路的暂稳态还未结束时，又有新触发负脉冲输入，此时电路状态将出现混乱。2、触发负脉冲的宽度必须小于暂态宽度TW，一般常用微分电路解决这个问题。6.2.2集成单稳态触发器此触发器分为可重复和非重复触发两大类：可重复触发是在暂态期间允许新的触发脉冲进入；非重复触发是在暂态期间不允许新的触发脉冲进入。一、非重复触发的单稳态集成电路(74121)1、芯片逻辑符号及引脚功能⑴TR-A、TR-B是两个下降沿触发信号的输入端；⑵TR+是一个上升沿触发信号的输入端；⑶Q和是两个互补输出端；⑷Rext/Cext、Cext为外接定时电阻和电容的端口；⑸Rint为内置2kΩ定时电阻的引出端口。表示非重触发⑴只要TR不发生变化，电路就一直保持在稳态。2、状态功能表10×11↑0×上升沿触发↑×01↓↓下降沿触发1↓11010×100××11↓11TR+×TR-B0Q输出TR-A保持稳态备注0输入⑵外部TR有三种下降沿的触发方式，但内部TR仍是上升沿触发（

）。1↓↓下降沿触发1↓111↓TR+TR-BQ输出TR-A备注输入↑0×上升沿触发↑×0TR+TR-BQ输出TR-A备注输入⑶外部TR有两种上升沿的触发方式，内部TR也是上升沿触发（）。3、实用电路⑴当触发信号还没有输入时：由状态功能表得知电路处于稳态，uO=0。10×111010×100××11TR+×TR-B0Q输出TR-A保持稳态备注0输入⑵当有负触发信号输入时：1↓↓下降沿触发1↓111↓TR+TR-BQ输出TR-A备注输入由状态功能表得知电路变到暂稳态，uO=1。暂稳态的时间由RC来确定。⑶电路相关参数：②输入脉冲最小周期Tmin:③最大占空比qmax:①输出脉冲宽度TW:④外接定时电阻R的取值范围:⑤外接定时电容C的取值范围:⑥若使用内置的定时电阻时，9脚直接接电源。二、可重触发的单稳态集成电路(74122/74LS122)1、芯片逻辑符号及引脚功能表示可重触发⑴TR-A、TR-B

是两个下降沿触发信号的输入端；⑵TR+A、TR+B是两个上升沿触发信号的输入端；⑶Q和是两个互补输出端；⑷是直接复位输入端；⑸Rext/Cext、Cext为外接定时电阻和电容的端口；⑹Rint为内置2kΩ定时电阻的引出端口。2、状态功能表保持稳定111111111↑1↑10×××TR+B111111↑1↑×0××TR+A1↓↓0×00××××1×TR-B↓↓1×0××00××1×TR-A0000输出下降沿触发上升沿触发复位备注111↑↑1111×××0输入⑴只要无论有否触发输入，电路都复位。1×TR+B×TR+A×TR-B×TR-A0输出复位备注0输入⑵只要TR不发生变化，电路就一直保持在稳态。此稳态与复位后的状态相同。保持稳定1110××TR+B×0×TR+A××1TR-B××1TR-A000输出备注×××输入⑶外部TR有六种上升沿的触发方式，内部TR也是上升沿触发（

）。11↑1↑1TR+B111↑1↑TR+A0×00××TR-B×0××00TR-A输出上升沿触发备注↑↑1111输入注意：当清0后若回到1，这就有可能给单稳态电路发出触发信号。为了避免这种情况，可采用改变上表中最后两行其它条件的方法。⑷外部TR有三种下降沿的触发方式，但内部TR仍然是上升沿触发（）。3、实用知识⑴输出脉冲宽度由外接定时元件确定。R的选取范围为：5~50kΩ；C的选取范围为：10pF以上。常用于较长时间的延时用途。(电路连接图与74121相同)当C>1000pF时：111TR+B111TR+A1↓↓TR-B↓↓1TR-A输出下降沿触发备注111输入⑵恢复时间tre，与74121相同，电路也需要一段恢复时间后才能从暂稳态返回到稳态。优点1、利用可重触发功能，可以增加脉冲的宽度和延迟时间。换句话说：在下一个触发脉冲的作用下原暂稳态被中止，又开始新的暂稳态(在数控系统中常用于硬件“看门狗”技术)；优点2、利用异步清0功能还可以缩短输出脉冲的宽度，使单稳态触发器的应用价值得到提升；3、器件内部设有补偿电路，因此脉宽的稳定性高，Vcc及环境温度的变化对TW的影响较小。因此单稳态电路可以做波形整形、定时及延迟电路。返回6.3施密特触发器6.3.1用555定时器构成的施密特触发器施密特电路在受到不同电平的触发脉冲作用时，具有两个稳定的状态。另外施密特电路的阈值电压不相等，具有滞后特性（回差现象）。一、电路结构1、2和6短接，两个运放共用一个输入电压；2、VDD对7脚TD管提供集流，TD管截止时输出的高电位由VDD确定；3、3脚输出端Q(uO2)与7脚uO1的相位相同；二、工作原理4、5脚UCO端若开路，电路的阈值电压就是555电路原始阈值电压。1、当uI

=0时：相当于

2

脚和

6

脚都输入了低电平，则

3

脚和7

脚都输出高电平。2、当uI由0增加，但小于

2Vcc/3(P点电位)时：电路状态同1所述，不发生变化。3、当uI大于2Vcc/3时：相当于

2

脚和

6

脚都输入高电平，则

3

脚和7

脚都输出低电平。4、当uI由大于2Vcc/3且继续增加时：电路状态同3所述，不发生变化。5、当uI

开始下降，处于2Vcc/3>uI>Vcc/3(在N点电位以上)时：电路状态同4所述，不发生变化。6、当uI小于Vcc/3时：相当于

2

脚和

6

脚都输入低电平，则

3

脚和7

脚都输出高电平。7、当uI由小于Vcc/3，且继续下降时：电路状态同6所述，不发生变化。三、工作波形四、滞回特性我们规定当输出Q由UOH跳到UOL时，所对应的输入电压称为UT+(上限阈值电压)；当输出Q由UOL跳到UOH时，所对应的输入电压称为UT-(下限阈值电压)

。它们的差值叫回差电压∆UT

。一般常用电压传输特性曲线来描述。1、定义2、电压传输特性曲线（UCO开路）3、回差电压的调整若给

5

脚输入一个控制电压US

，则改变了P和N点的电位。因此可以调整回差电压的大小。在P点：在N点：所以：今后我们只要改变US就可以任意调整回差。一、电路结构及表示符号1、由两级CMOS反相器构成；6.3.2由CMOS构成的施密特触发器2、R1为限流电阻，R2为反馈电阻，且R1<<R2

；3、CMOS门输出的高电平为VDD，低电平为0；4、CMOS门的阈值电压UT≈VDD/2。二、工作原理（若给下电路输入一个三角波形）1、当uI=0时：G1门截止，G2门导通，uO=0V，这是第一个稳态。2、当uI继续上升，但未到CMOS门开门的阈值电压UT时：由于uO=0V，所以：电路仍在第一个稳态。结果导致G1门导通，G2门截止，uO1=0V，uO=VDD，电路翻转到第二个稳态并维持下去。3、当uI

继续上升，到了CM