数字电子技术第八章

数字电子技术第八章第1页，共42页，2023年，2月20日，星期六第八章脉冲产生与整形555定时器。本章将介绍常用的脉冲变换、整形和产生电路——单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器和多用途的555定时器。重点:脉冲电路的分析、微分型单稳态触发器、晶体振荡器、第2页，共42页，2023年，2月20日，星期六一、RC积分与微分电路

第一节波形变换电路适当选取RC电路的时间常数，利用电容极板间的储能变化，可实现信号的积分与微分。

积分电路应满足条件：

τ=RC

>>tWtWRC积分电路电路波形AYCRAY输出电压不能突变，电容C两端电压逐步升高。AYRCAYRC微分电路电路波形tW微分电路应满足条件：

τ=RC

<<tW第3页，共42页，2023年，2月20日，星期六AQBQ&G1QRD&G2QSD二、单稳态触发器的工作原理

第一节波形变换电路当RD=SD=1时，Q可处于1或0的状态，它具有两个稳定状态，因而称为双稳态触发器。回顾：基本RS触发器011110QRDQ单稳态触发器接入电阻R，使B点为低电平。A=110当A=1时，由于B=0，因此Q=1，Q=0。电路工作在稳定状态。0当A负跳变时，1G1门输出为高电平，Q由0变为1。0Q由1变为0。B跟随Q上升，输入信号A负跳变时，电路状态发生变化，称为触发。触发后，A很快回到高电平，1Q维持1，电阻电压逐步下降。1BRC1暂稳态B点电压下降，达到阈值电压以下时，Q翻转回1，Q翻转为0。010第4页，共42页，2023年，2月20日，星期六单稳态触发器的一般特性:

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。第一节波形变换电路单稳态触发器AQAQtAtW第5页，共42页，2023年，2月20日，星期六参数计算：第一节波形变换电路1．tW——暂稳态时间

运用“三要素法”忽略电路中其他电阻的影响B点初始电压

UB(0+)=UDDB点终了电压

UB(∞)=0时间常数

τ=RC可得B点电压瞬时值第6页，共42页，2023年，2月20日，星期六参数计算：

第一节波形变换电路若

UTH=(1/2)UDD则

tW≈0.7τ=0.7RC设门电路的阈值电压为UTH，则

UTH=UDD第7页，共42页，2023年，2月20日，星期六参数计算：

第一节波形变换电路2．tre

——恢复时间

3．

fmax——最高工作频率fmax≤tre=(3~5)τre式中τre为电容放电的时间常数。忽略门电路输入电阻的影响，τre=RC第8页，共42页，2023年，2月20日，星期六5.反馈环节也可采用RC积分电路。第一节波形变换电路讨论：1．若采用TTL门电路，为保证稳态时门2输入低电平，电阻R必须小于关门电阻Roff，如标准74系列应小于700Ω。采用CMOS电路无此限制。2．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。3．若输入脉冲过宽（tA＞tW），电路工作可能不正常，可在输入端另加一RC微分电路，形成窄输入脉冲。4．采用或非门电路同样可以构成单稳态触发器。第9页，共42页，2023年，2月20日，星期六三、集成单稳态触发器

第一节波形变换电路集成单稳态触发器可重复触发型不可重复触发型不可重复触发可重复触发第10页，共42页，2023年，2月20日，星期六1.TTL双单稳态触发器74221

第一节波形变换电路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=0.7RC第11页，共42页，2023年，2月20日，星期六2.CMOS双单稳态触发器4538

第一节波形变换电路4538是可重复触发的单稳态触发器。Rx的最小值为5kΩ，Cx的最小值为0。

第12页，共42页，2023年，2月20日，星期六

CPA

Q

Y四、单稳态触发器应用举例第一节波形变换电路（一）定时

单稳态触发器输出端控制一个与门，在tW时间内与门输出CP脉冲。

CP

A

QY第13页，共42页，2023年，2月20日，星期六四、单稳态触发器应用举例第一节波形变换电路（二）CPU“看门狗”电路由可重复触发特性，只要定时间隔小于暂稳态时间，单稳态触发器就可连续输出高电平，系统工作正常；当“死机”发生后，单稳态触发器因得不到连续触发而输出低电平，系统复位，进入初始化程序。

第14页，共42页，2023年，2月20日，星期六典型脉冲参数第二节脉冲产生电路脉冲产生是将电源提供的能量，转换成按一定规律变化的脉冲信号。

预备知识：脉冲宽度脉冲周期tw/T=1/2时，脉冲称为方波。上升时间Tr下降时间TfTtW典型脉冲波形tWT第15页，共42页，2023年，2月20日，星期六第二节脉冲产生电路一、多谐振荡器

两个稳定状态一个稳态和一个暂稳态没有稳态常被称为多谐振荡器&G1QRD&G2QSD基本RS触发器&G1QRD1G2QSDBRC单稳态电路&G1QRD1G2QSDBRCARC1无稳态电路第16页，共42页，2023年，2月20日，星期六QQC1C2R2G1G2R1AB&G1QRD1G2QSDBRCARC1第二节脉冲产生电路对称多谐振荡器

电路有两种工作过程：正反馈过程和暂稳态过程正反馈过程：uQuAuBuQuA正反馈过程QQC1C2R2G1G2R1ABQQBA暂稳态过程暂稳态过程:C1C2充放电正反馈过程达到阈值电压第17页，共42页，2023年，2月20日，星期六但非门的平均传输延迟时间过短，且不稳定，故实用中常加入RC电路。第二节脉冲产生电路其他常用多谐振荡器

奇数个非门接成环形，可形成各点电平高低的交替变化。环形振荡器

RRC1C1CMOS环形振荡器改进的环形振荡器对于含有RC元件的脉冲电路，关键是电容的充放电，而关键连接点就是与电容相连的门电路的输入端。第18页，共42页，2023年，2月20日，星期六第二节脉冲产生电路二、晶体振荡器

石英晶体谐振器具有极高的稳定性，用它作为谐振元件做成的晶体振荡器的频率稳定度可优于10－9。电路符号等效电路CPCLR频率特性fPfSf0X第19页，共42页，2023年，2月20日，星期六第二节脉冲产生电路二、晶体振荡器

多谐振荡器电路石英晶体多谐振荡器QQC1C2R2G1G2R1ABQQC1C2R2G1G2R1AB

C1只起耦合作用，其值应取得大一些。工作在串联谐振频率第20页，共42页，2023年，2月20日，星期六第三节施密特触发器2.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。施密特触发器是具有电压滞后特性的数字传输门。其特点如下：一、特性与原理1.输入电平的阈值电压由低到高为，由高到低为，且＞，输出的变化滞后于输入，形成回环。第21页，共42页，2023年，2月20日，星期六第三节施密特触发器施密特触发器的电压传输特性施密特触发器的回环特性反向传输特性同向传输特性UOHUOLUT+UT-OuOuI输入电压增加UOHUOLUT+UT-OuOuI输入电压减小输入电压增加输入电压减小第22页，共42页，2023年，2月20日，星期六UT+UT-OuItUOHUOLOuOt第三节施密特触发器施密特触发器的输入输出波形图反向传输同向传输UT+UT-OuItUOHUOLOuOt第23页，共42页，2023年，2月20日，星期六第三节施密特触发器施密特触发器符号：具有施密特触发器特性的电路：1.带有正反馈的运算放大器比较的基准电压：

UP总是与uO同相、与uI反相，因而形成回差。11uOuIRfR1UP第24页，共42页，2023年，2月20日，星期六第三节施密特触发器2.带有电平偏移的基本RS触发器&QR&QS1uI-+U第25页，共42页，2023年，2月20日，星期六将一周期性信号变换为矩形波，其输出脉冲宽度tW可通过改变进行调节ΔUT。第三节施密特触发器二、施密特触发器应用举例1.波形变换twΔttUOHUOLOuOUT+UT-OuIΔ=－第26页，共42页，2023年，2月20日，星期六第三节施密特触发器二、施密特触发器应用举例2.信号整形将不规则的信号波形整成矩形脉冲。

ttUOHUOLOuOUT+UT-OuI第27页，共42页，2023年，2月20日，星期六第三节施密特触发器二、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。ttUOHUOLOuOUT+UT-OuI阴影部分电压大于UT+第28页，共42页，2023年，2月20日，星期六第三节施密特触发器二、施密特触发器应用举例由施密特触发器构成的多谐振荡器如上图所示，其原理请同学自行分析。4.构成多谐振荡器1uORC第29页，共42页，2023年，2月20日，星期六第四节集成定时器555定时器双极型: 驱动能力较强CMOS: 功耗低，最低工作电压小， 输入电阻高流行的产品主要有4个，BJT两个：555和556（含有两个555），CMOS两个：7555和7556（含有两个7555），现以CMOS集成定时器7555为例介绍其结构与功能。555定时器外接适当的电阻、电容能方便地构成多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等。555电路是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5kΩ电阻而得名。第30页，共42页，2023年，2月20日，星期六7555控制电压端TR第四节集成定时器一、CMOS集成定时器7555的结构低电平触发高电平触发复位端输出端放电端1地8234765电源18UDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥1Q≥1基本RS触发器

C1、C2是两个电压比较器分压器:由三个等值电阻R串联而成G1111G2T驱动器和放电开关C1C2RRR第31页，共42页，2023年，2月20日，星期六TR18UDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥1Q≥1RRRG1111G2TC1C2第四节集成定时器二、CMOS集成定时器7555的工作原理当＝L时，反相器G1输出高电平，0110所以Q为低电平，OUT=L。使G2输入为高电平，T管导通。此时称为复位。假设D端通过电阻接到正电源，则D端为低电平。000第32页，共42页，2023年，2月20日，星期六TR18UDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥1Q≥1RRRG1111G2TC1C2第四节集成定时器当＝H

时，1.TH>2UDD/3，电路的输出状态与无关，所以为任意输入×。101则C1输出为1，

Q=0，

OUT=0。T导通。01二、CMOS集成定时器7555的工作原理清零失效02.TH<2UDD/3，>UDD/3；00触发器保持原状态不变。

C1输出为0；

C2输出为0； 第33页，共42页，2023年，2月20日，星期六TR18UDD4R25CO6TH3OUT7DQ≥1Q≥1RRRG1111G2TC1C2当＝H

时，1清零失效第四节集成定时器Q=1，T管截止，OUT=1。C1=0；3.TH<2UDD/3，<UDD/3，C2=1，OUT=1称为电路置位或置“1”二、CMOS集成定时器7555的工作原理01101第34页，共42页，2023年，2月20日，星期六第四节集成定时器7555功能表<UDD/3TH(6)(4)(2)OUT(3)T管D(7)>2UDD/3<2UDD/3<2UDD/3>UDD/3HHHHH截止导通导通不变不变不变LLLLL☓☓☓集成定时器7555的主要参数：电源电压：

UDD=3～18V

触发电流：

<50pA复位电流：

≤100pA

输出电压

UOL≤

0.1V(UDD=15V,IOL=3.2mA)

UOH≥

14.8V(UDD=15V,IOH=1mA)最大功耗300mW第35页，共42页，2023年，2月20日，星期六TR18UDD4R25CO6THOUTDQ≥1Q≥1RRRG1111G2TC1C2清零失效第四节集成定时器三、555电路构成单稳态触发器

触发前00R1C0.01uF1010放电第36页，共42页，2023年，2月20日，星期六TR18UDD4R25CO6THOUTDQ≥1Q≥1RRRG1111G2TC1C200R1C0.01uF1010第四节集成定时器触发t00uCt0三、555电路构成单稳态触发器

01011uI(TR)uC(D)uO(OUT)当D端uC电压充电到2UDD/3时，比较器C1输出为高电平，Q端为低电平，T管输入为高电平，输出OUT翻转，T管导通。暂稳态结束2UDD/3t12UDD/3010暂稳态结束tw=1.1RCtre恢复时间第37页，共42页，2023年，2月20日，星期六第四节集成定时器单稳态触发器的主要参数1.输出脉冲宽度tW2.

恢复时间tre

C通过T管导通电阻R′放电，经过(3～5)τ放基本结束，所以tre=(3～5)

R′C。三、555电路构成单稳态触发器

td指为保证单稳正常工作允许触发脉冲最小的时间间隔。显然

td=tW＋tre3.分辨时间td4.输出脉冲幅度UmUm决定于输出信号高低电平之差

第38页，共42页，2023年，2月20日，星期六第一状态：电容C上开始没有电荷，TR=uC=0V，由功能表知：TH=TR

<

UDD/3，uO=高电平，T截止，UDD经R1、R2对C充电，是TH逐渐升高。uCuO0VUDDUDD/32