数字逻辑课件第十章

数字逻辑课件第十章第一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

图10.1.1(b)组成积分电路，当RC<<TK时，在电容上可得矩形波；而RC>>TK时，在电容上又可得线性扫描的波形。由上可看出脉冲形成电路的组成应有两大部分，惰性电路和开关。开关是用来破坏稳态，使惰性电路产生暂态的。开关可用不同的电子器件来完成，如可用运算放大器，可用分立器件晶体三极管或场效应管，也可以用逻辑门。目前用得较多的是555定时电路。第二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三图10.1.1RC暂态电路波形第三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

惰性电路产生的暂态过程，对一阶问题而言，可用三要素法来描述，获得电压或电流随时间变化的方程，该方程是脉冲波形计算的重要依据。三要素即起始值X(0+)、趋向值X(∞)和时间常数τ，若三要素已知，则得方程或第四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三10.2555定时电路

555定时电路是目前应用十分广泛的一种器件，本章仅介绍它在脉冲形成方面的基本电路。555定时电路有TTL集成定时电路和CMOS集成定时电路，功能完全一样，不同之处是前者驱动能力大于后者，我们以CMOS集成定时器CC7555为例进行介绍。第五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三10.2.1基本组成

555集成电路主要由3个5kΩ电阻组成的分压器、两个高精度电压比较器、一个基本RS触发器、一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成，其结构框图如图10.2.1所示。第六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三图10.2.1CC7555集成定时电路第七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三1.分压器

由3个5kΩ电阻组成，它为两个比较器提供基准电平。如5脚悬空，则比较器A的基准电平为，比较器B的基准电平为，改变5脚的接法可改变A、B的基准电平。第八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三第九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

3.基本RS触发器RS触发器由两个或非门组成，它的状态由两个比较器输出控制，根据基本RS触发器的工作原理，就可以决定触发器输出端的状态。是专门设置的可从外部进行置“0”的复位端，当时，经反相后将或非门封锁输出为0。4.开关放电管和输出缓冲级放电管V，它是N沟道增强型的MOS管，其控制栅为0电平时截止；当为1电平时导通。第十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三两级反相器构成输出缓冲级，反相器的设计考虑了有较大的电流驱动能力，一般可驱动两个TTL门电路。同时，输出级还起隔离负载对定时器影响的作用。第十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三10.2.2工作原理及特点综上所述，我们根据图10.2.1所示电路结构图可以很容易得到CC7555定时器的功能表，如表10.2.1所示。表10.2.1555定时器功能表第十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

CC7555定时器电路具有静态电流较小(80μA左右)，输入阻抗极高(输入电流仅为0.1μA左右)，电源电压范围较宽(在3V~18V内均正常工作)等特点。最大功耗为300mW，和所有CMOS集成电路一样，在使用时输入电压uI应确保在安全范围之内，即满足下式条件：

USS-0.5V≤UI≤UDD+0.5V

555定时电路除了CMOS型之外，还有TTL型如5G555(NE555)，它的工作原理与CC7555没有本质区别，但其驱动电流可达200mA。第十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三10.3单稳态电路单稳态触发器只有一个稳定状态和一个暂稳态，在外界触发脉冲的作用下，电路从稳态翻转到暂态，然后在暂稳态停留一段时间TW后又自动返回到稳态，并在输出端产生一个宽度为TW的矩形脉冲。TW只与电路本身的参数有关，而与触发脉冲无关。通常把TW称为脉冲宽度。第十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三10.3.1电路组成图10.3.1(a)是用CC7555构成的单稳态电路，图10.3.1(b)是其工作波形。图中R、C为外接定时元件，输入触发信号uI加至低触发端，由OUT端给出输出信号，控制端CO不用时一般均通过0.01μF接地，以防干扰。第十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三图10.3.1CC7555构成的单稳态触发器第十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

10.3.2工作原理静止期：触发信号uI处于高电平，电路处于稳态，根据555工作原理知道uO为低电平，放电管V导通，定时电容C两端电压uC=0。工作期：外界触发信号uI加进来，要求为负脉冲且低电平应比较器输出UB为高电平，UA为低电平，使uO为高电平，且放电管截止，电源UDD通过定时电阻R对定时电容充电，这是一个暂态问题，只要写出三要素即可。第十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

由于比较器A、B的存在，uC不可能充至UDD。当uC充至大于，但小于时，UA=UB均为低电平，RS触发器处于保持态，即Q=1、,电路仍处于uO=高电平，放电管仍处于截止，电容继续充电；当时UA=1,UB=0,则Q=0,,则uO=0,放电管导通，电容通过放电管很快放电，进入恢复期。由于外界触发脉冲加进来，电路uO由低电平变为高电平到再次变为低电平这段时间就是暂稳态时间，其暂稳态时间TW计算如下：第十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三第十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

显然改变定时元件R或C即可改变延迟时间TW；通过改变比较器的参考电压也可改变TW。一般是在5脚CO端外接电源或电阻即可改变比较器A、B的参考电压。为了使电路能正常工作，要求外加触发脉冲的宽度τCP小于TW。且负脉冲的数值一定要低于。为此常在输入信号uI和触发电路之间加一微分电路，如图10.3.2所示。第二十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三图10.3.2具有微分环节的单稳态电路第二十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

恢复期：当放电管V导通时，定时电容C通过放电管迅速放电，即进入恢复期，恢复到静止期状态。恢复期TR由下式决定

TR=(3~5)rd·C其中rd为放电管导通时呈现的电阻，一般R>>rd,所以恢复期很短。利用单稳态触发器我们也可以获得线性锯齿波。由上述工作原理和输出波形可看出，在电容C两端可得到按指数规律上升的电压，为获得线性锯齿波，只要对电容C恒流充电即可。故用恒流源代替R即可组成线性锯齿波电路。第二十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三图10.3.3线性锯齿波电路第二十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

图10.3.3为线性锯齿波电路，其中晶体三极管V及电阻Re、Rb1、Rb2组成恒流源，给定时电容提供恒定的充电电流。电容两端电压随时间线性增长I0为恒定电流。其工作波形如图7.3.3(b)所示。实际中为了防止负载对定时电路影响，uC输出常常通过射极输出器输出。第二十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三外接电阻R的范围为2kΩ~20MΩ，定时电容C为100pF~1000μF，因此其单稳态电路的延迟时间TW可由几微秒到几小时。精度可达0.1%。当然还可以增大R、C值使延时增大，但将导致精度变低。单稳态电路的主要应用是定时、延时(对输入uI的下降沿而言)和波形变换。第二十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三10.4多谐振荡器多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源后，不需要外加触发信号，电路状态能够自动地不断变换，产生矩形波的输出。由于矩形波中的谐波分量很多，因此又常称为多谐振荡器。在数字电路中，为了定量地描述多谐振荡器所产生的矩形脉冲波形的特性，经常使用如图10.4.1所示的几个指标，即第二十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三脉冲周期：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲的时间间隔。有时也用频率f=1/T表示，f表示单位时间里脉冲重复的次数。脉冲幅度Um:脉冲电压的最大变化幅度。脉冲宽度TW：从脉冲前沿上升到0.5Um起，到脉冲后沿下降到0.5Um止的一段时间。

第二十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三上升时间tr：脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。下降时间tf:脉冲后沿从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。利用上述指标，就可以把一个矩形脉冲的基本特性大体上表示清楚了。第二十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三图10.4.1描述矩形脉冲特性的指标第二十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三10.4.1电路组成图10.4.2(a)给出用CC7555构成的多谐振荡器。由图可见，除将高电平触发端TH和低电平触发端短接外，在放电回路中还串接一个电阻R2。电路中R1、R2、C均是定时元件。图10.4.2(b)为工作波形。第三十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三图10.4.2自由多谐电路第三十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

10.4.2工作原理自由多谐振荡器不具有稳态，只具有两个暂稳态，暂稳态的时间长短由电路的定时元件确定，电路工作就在两个暂稳态之间来回转换，具体工作过程如下：由于接通电源前，电容器两端电压uC=0,电源刚接通时UB=1,UA=0,所以Q=1，，经输出缓冲级后uO为高电平，放电管V处于截止。电源电压通过R1R2对C充电，其暂态过程为第三十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三充

由于比较器A、B的存在，电容C不可能充至UDD。过程如下：当时，UB、UA均为低电平，RS触发器状态不变；但当时，UA=1,UB=0，则RS触发器状态变为Q=0、,输出uO为低电平，放电管V导通，这段时间我们称为第一暂稳态。放电管V导通时，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二暂稳态期，放电过程为第三十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三放电管V导通时，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二暂稳态期，放电过程为放第三十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

由于比较器A、B的存在，电容器不可能放电至0。当电容放电时，UA=UB=0,RS触发器处于维持状态，输出也不变；但当C继续放电时，UB=1、UA=0,则Q=1、，输出uO为高电平，放电管截止，UDD再次对电容充电，如此反复，则输出可得矩形波形。该电路的振荡周期计算如下：T=T1+T2而T1和T2分别为第三十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三所以第三十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三输出矩形的频率。显然改变R1、R2和C值即可改变振荡频率。我们也可通过改变5腿电压U5来改变比较器A、B的参考电压，从而达到改变振荡频率的目的。在实际中常常需要调节T1和T2，引进占空比概念第三十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

在图10.4.2中调占空比时将同时改变振荡周期，为此将电路略加改进就得占空比可变的多谐振荡器，如图10.4.3所示，它将充放电回路分开了，充电回路为R1、D1、C,放电回路为C、D2、R2和放电管。改变RW不改变R1+R2值。所以该电路振荡周期为T=(τ充+τ放)ln2=(R1+R2)C×0.7

占空比D为第三十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三图10.4.3占空比可调振荡器第三十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三可利用自由多谐振荡器组成模拟声响电路，如图7.4.4所示，A、B两个555电路均为多谐振荡器。如调节振荡器A振荡频率fA=1Hz，振荡器B振荡频率fB=1kHz,由于A输出接至B的端，故只有uO1输出为高电平时，B振荡器才振荡，uO1输出为0时，B停止振荡，使扬声器发出1kHz的间歇声响。第四十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三图10.4.4模拟声响发生器第四十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三10.5施密特电路10.5.1电路组成将555时基电路2、6端连接，即构成施密特电路，如图10.5.1所示。第四十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三图10.5.1施密特电路第四十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

10.5.2工作原理当时，UA=0,UB=1,输出uO为高电平；uI增加，满足时，UA=UB=0，电路维持不变，即uO=1;uI继续增加，满足时，UA=1,UB=0,输出uO由高电平变为低电平；之后uI再增加，只要满足，电路不变，如uI下降只要满足