数电课件哈工大part数字第8章

第八章脉冲波形的产生与整形集成555定时器施密特触发器多谐振荡器单稳态触发器一、555定时器的电路结构8.1

集成555定时器电压比较器的功能：v+>

v-，vO=1v+<

v-，vO=0由以下几部分组成：（

1

）三个5k电阻组成的分压器。（2）两个电压比较器C1和C2。C1v+v－vO&&&1RSG5kΩ5kΩ5k

ΩC1C2vI2vO(2)(6)(5)(8)(4)(3)VCC

电源RD

复位vICvI1阈值输入控制电压触发输入O(7)Tv,放电端(1)（3）基本RS触发器，带复位端（4）放电三极管T及缓冲器G。&&1R

&SG5kΩ5k

ΩC1C2vI1vI2O(2)(6)(5)(8)(4)(3)VCC

电源RD

复位vICv阈值输入5kΩ控制电压触发输入O(7)Tv,放电端(1)12658437vO,vI2I1vvICVCCvO555RD电路符号二．工作原理（1）4脚为复位输入端（

RD

），当RD为低电平时，不管其他输入端的状态o如何，输出v

为低电平。正常工作时，应将其接高电平。（2）5脚为电压控制端，当其悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为

2/3VCC

和1/3VCC

。C&&&1RSG5kΩ5kΩ5k

ΩC12vICvI2vO(2)(6)(5)(8)(4)(3)VCC

电源RD

复位vI1阈值输入控制电压触发输入O(7)Tv,放电端(1)1/3VCC2/3VCC（3）2脚为触发输入端，6脚为阈值输入端，两端的电位高低控制比较器C1和C2的输出，从而控制RS触发器，决定输出状态，也决定了T是否导通。&&1R

&SG5kΩ5kΩC1C2vI2vO(2)(6)(5)(8)(4)(3)VCC

电源RD

复位vICvI1触发输入5k

ΩO(7)Tv,放电端(1)阈值输入1/3VCC2/3VCC控制电压&&1R

&SG5kΩ5k

ΩC1C2vI2vO(2)(6)(5)(8)(4)(3)VCC

电源RD

复位vICvI1阈值输入5kΩ控制电压触发输入O(7)Tv,放电端(1)VI1>2/3VCCVI2<1/3VCC输出状态不定8.2

施密特触发器施密特触发器——有两个稳定状态，具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。一.

用555定时器构成的施密特触发器1.

电路组成及工作原理1265VCCRD5553v7vI2vI1vIC84O2VCCVCC2RvO1SC1(2)(7)(6)(3)G&vI1vO1VCC(4)T5kΩvI2(8)5kΩ5k

ΩC2R

&2/3VCC放电端(1)&11/3VCCR1vIvO2VCC2VIvItvO1t1/3VCC2/3VCCCS1(2)(7)(6)放电端G&vI1(3)vO1VCC(4)T5kΩvI2(8)5kΩ5k

ΩC2R

&2/3VCC(1)&11/3VCCO2R1vIvVCC2VOVI电路符号1。电压上升：输出状态在VT+=2/3VCC时从1翻转为02。电压下降：输出状态在T+V

=1/3VCC时从0翻转为12.

电压滞回特性和主要参数（2）主要静态参数上限阈值电压VT+——vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。VT+=2/3VCC。下限阈值电压VT———vI下降过程中，vO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。VT—=1

/3VCC。（3）回差电压ΔVT

ΔVT=

VT+－VT—=1

/3VCC（1）电压滞回特性VOVI电路符号VoVi传输特性VOHVOL01/3VCC

2/3VCCVT-

VT+二．集成施密特触发器12345678910111213141A1Y2A2Y4A4Y5A5Y6A6YVDD3A3YVSSCC4010612345671A1Y2A2Y3A3YGND8910111213144A4Y5A5Y6A6YVCC74LS14CMOS集成施密特触发器CC40106TTL集成施密特触发器74LS14TTL集成施密特触发器的电路结构及工作原理三．施密特触发器的应用举例1.

用作接口电路——将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形。2.

用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。正弦波振荡器1VO输入输出VT+VT-3.

用于脉冲鉴幅——从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于VT+的输入脉冲。VIVO1tVIVT+VT-OV

00tt0t8.3

多谐振荡器多谐振荡器——能产生矩形脉冲波的自激振荡器。一．用555定时器构成的多谐振荡器1.

电路组成及工作原理26VCCRD5553vI2vI14vO87VCCR1R2C150.01μFC1vCPvc2/3VCC1/3VCC0vo(6)(2)1T&5kΩ&R

&GSC1C25kΩ5k

Ω(4)(3)(7)vO放电端(1)(8)VCCvCPR1CvI2R2vI12/3VCC1/3VCC(1)刚上电时,VC=0,

VO为1,

T截止,电容充电.VC上升(2)VC上升到2/3VCC时,VO翻转为0,

T导通,电容放电.VC下降(3)VC下降到1/3VCC时,VO翻转为1, T截止,

电容充电.VC上升2.

振荡频率的估算（5）输出波形占空比q1

1C

C

1C

Cv

(¥

)

-

v

(T

)v

(¥

)

-

v

(0

)+T

=

t

ln=

0.7(

R1

+

R2

)CCC

CC231VCC

-

3

VCCV

-

1

V=

t

ln1

1.43T

(

R1

+

2R2

)C»f

=T

R1

+

2R2=

R1

+

R2q=

T1（2）电容放电时间T2T2

=

0.7

R2C（

3

）电路振荡周期TT=T1+T2=0.7(R1+2R2)C（4）电路振荡频率fTT1T2t0tvc2/3VCC1/3VCC0vo-T1t（1）电容充电时间T

：（用三要素法计算）v

(T

)

=

v

(¥

)

+[v

(0+

)

-

v

(¥

)]

e1

C

1

C

C

C2．占空比可调的多谐振荡器电路利用二极管的单向导电性，把电容C充电和放电回路隔离开，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。可计算得：T1=0.7R1CT2=0.7R2C占空比：RT1

T1qR1

+

R2=

1

0.7R1C

+

0.7R2C==

T

=

T

+

T1

20.7R1C26VCCRD5553vI284vO7VCCC150.01μFC1vCD1vI1D2R1R2二．自激多谐振荡器1。电路结构及工作原理：=

0.7RCDDDD2V

-

1

VVDD

-

0=tlnvI

(¥

)

-

vI

(T1

)v

(¥

)

-

v

(0+

)T1

=

tln

I

I

vI

(¥

)

-

vI

(T1

)v

(¥

)

-

v

(0+

)T2

=

tln

I

I

DD20

-

1

V0

-V=

tln

DD

=

0.7RCT=T1+T2=1.4RC三。石英晶体多谐振荡电路（1）.频率稳定问题频率稳定度一般由Df

来衡量f0Df

——频率偏移量。f0——振荡频率。Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。LC振荡电路

Q

——数百石英晶体振荡电路

Q

——10000

~

500000（2

）石英晶体的压电效应极板间加机械力晶体产生电场极板间加电场晶体机械变形压电效应机械振动交变电压

交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高当交变电压频率=固有频率时，振幅最大。压电谐振（3）石英晶体的等效电路等效电路C0:

晶片两极板间的静态电容及支架电容

100-101pfC:晶片弹性的等效电容，10-2－10-1pfR:振动损耗的等效电阻102欧姆L:晶片惯性的等效电感10-3－102HA.串联谐振时阻抗最小,分子为0fs=

12p

LC晶体等效阻抗为纯阻性B.并联谐振时阻抗无穷大,分母为0p1Cf

=2p

LC0

0sC1

+

C

=

f

1

+

C通常C

<<C0所以fs

与fp

很接近0

0w

2LC

-

1X

=w(C

+

C

-

w

2LCC

)（4）石英晶体的特性及谐振频率2p

LC1sf

=0sC=

f

1

+

Cfp当f

<f

s

时，X

呈现容性当f=f

s

时，X

呈现阻性当fs

<f

<f

p

时，X

呈现感性当f=fp

时，X

呈现感性，无穷大当f>f

p

时，X

呈现容性（5）石英晶体的频率微调实际使用时外接一小电容Cs则新的串联谐振频率为：0

ss1

CC

+

Cf

¢=2p

LC由于C

<<C0

+Css0sCC

+

C1

+ =

f

1

+由此看出

¢0

ss s

2(C

+

C

)

Cf

=

f

1

+Cs

fi

0

时，

fs

=

fp

；Cs

fi

¥

时，fs

=fs调整Cs

可使fs¢在fs

和fp

之间变化石英晶体的选频特性有两个谐振频率。当f=fs

时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0；当

f

=f

p时，为并联谐振，石英晶体的电抗无穷大。由晶体本身的特性决定：f

s

≈f

p

≈f

0（晶体的标称频率）石英晶体的选频特性极好，f

0

十分稳定，其稳定度可达10-10～10-11。uu石英晶体fX感性0fs

fp容性2.

反相器工作在放大状态(1) CMOS反相器RF：10MΩ—20M

Ω(2) TTL反相器RF：0.7KΩ—2KΩ3.

石英晶体多谐振荡器（1）串联式振荡器R1、R2：使两个反相器都工作在转折区，成为具有高放大倍数的放大器。对于TTL门，常取R1=R2=0.7～2kΩ，对于CMOS门，常取R1=R2=10～100MΩ；C1=C2是耦合电容。石英晶体工作在串联谐振频率f0下，只有频率为f0的信号才能通过，满足振荡条件。因此，电路的振荡频率=f0，与外接元件R、C无关，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。1R1G11R2G1C1C2vo（2）并联式振荡器RF

是偏置电阻，保证在静态时使G1工作转折区，构成一个反相放大器。晶体工作在略大于f

S与f

P

之间，等效一电感，与C

1

、C

2

共同构成电容三点式振荡电路。电路的振荡频率=

f0

。反相器G

2

起整形缓冲作用，同时G

2

还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。C111G2G1RF10MΩC220pF5～50pFvo四．多谐振荡器应用实例1.

简易温控报警器26VCCRD5553vI2vI1847R1R2C1510μ/10VC220k100kR32kVCC（+6V）T3AX310.01μ0.01μC12.

双音门铃。vI181R25555CR1RD4276vI2VCC3k3k0.1μ0.01μR44.7k

C347μC1D1D22CPR33.9kVCC（+6V）C247μ38ΩPAN3.

秒脉冲发生器CMOS石英晶体多谐振荡器产生f=32768Hz的基准信号，经T/触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定

度极高的秒信号。这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统

的基准信号源。11C1C2Q1

Q2C14Q14C15Q15FF1

FF

2FF14FF15RC1C2f032768Hzf116384Hzf28192Hzf142Hzf1Hz秒脉冲T

触发器8.4

单稳态触发器单稳态触发器——有一个稳态和一个暂稳态；在触发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。（1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态当v

=1时，电路工作在稳定状态，I即vO=0，vC=0。一．用555定时器组成单稳态触发器1.

电路组成及工作原理26VCCRD5553vI2vI184vO7VCCC15vCvIRC10.01μFa.

无触发信号时，电路工作在稳态。VI=1，VC=0，VO=0c.电路的暂稳态由RC的充电过程决定。d.

自动返回。VI上跳为

1后，当VC上升到2/3VCC时，VO下跳为0，T导通，C放电，返回稳态e.

恢复过程(3)b.

VI下降沿触发翻转。VI下跳时，VO上跳为1，进入暂稳态，T截止，C充电上升。VCCS1/3VCC(8)&C&vI2C(7)I5k

Ω放电端(1)5kΩGR5kΩv1CC2v(6)2/3VCC1TR

&(2)vI1(4)vO26VCCRD5553vI1vI284vO7C15vCvIRC10.01μFO3vOt

2VCCOtO（2）vI下降沿触发当vI下降沿到达时，vO由0跳变为1，电路由稳态转入暂稳态。vIVCCtvC（1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态当vI=1时，电路工作在稳定状态，即vO=0，vC=0。（3）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，三极管T截止，VCC经R向C充电。时间常数τ1=RC，vC由0V开始增大，在vC上升到2/3VCC之前，电路保持暂稳态不变。26VCC5553vI2vI184vO7VCCRDC15vCvIR0.01μFC1O3

CCvOt

2VOtOtvC（4）自动返回时间——当vC上升至2/3VCC时，vO变0，电路由暂稳态重新转入稳态。（5）恢复过程——当暂稳态结束后，C通过饱和导通的T放电，时间常数

τ2=RCESC，由于RCES很小，所以放电很快。C放电完毕，恢复过程结束。vIOvOtOtOvItvC

2VCC

3O3vOt

2VCCOtOvItvC2.

主要参数估算(1)

输出脉冲宽度Tw（用三要素法计算）reWT+

t=

tf

=11minmaxC

WC21W

1VCC

-

3

VCCv

(¥

)

-

v

(t

)v

(¥

)

-

v

(0+

)

V

-

0t

=

t

ln

C

C

=

t

ln

CC

=

1.1R

C恢复时间tretre=（3～5）τ2最高工作频率fmaxvI周期的最小值：Tmin=

tW＋tre最高工作频率:TTW(3)VCCS1/3VCC(8)&C&vI2C5k

Ω(7)放电端(1)5kΩGR5kΩvIC1C2v(6)2/3VCC1TR

&(2)vI1(4)vO单稳态触发器必须由窄脉冲触发二．集成单稳态触发器74121vovoCextRintRextCextVCC10111491635A14A2BGND774121输入输出工作特征A1A2BvOvO0×101×0101保持稳态××00111×011↓↓↓

1×

1↓

1下沿触发0××

↑0

↑上沿触发A1、A2是下沿有效的触发信号输入端，B是上沿有效的触发信号输入端。74121功能表(1)

稳态VI=0，VR=1，VO=0，VO1=1（2）触发翻转到暂稳态VI=1，VO1=0，VR=0，

VO=1，电容C反向充电。自动返回到稳态VI=0，VR=VTH时，VO=0，VO1=1恢复DD

DD2=

0.7R

CV

-

1

VVDD

-

0=

t

lnvC

(¥

)

-

vC

(tW

)v

(¥

)

-

v

(0+

)tW

=

t

ln

C

C

集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法:BvovoCextRintRextCextVCCGND101114916345A1A2774121VCCRext1vICext(a)BvovoCextRext

RintCextVCCGND10111491634A1A2774121vI

5

CextVCC(b)使用外部电阻Rext且电路为下降沿触发的连接方式。使用内部电阻Rint且电路为上升沿触发的连接方式。74121的主要参数(1)输出脉冲宽度tW使用外接电阻：使用内部电阻：tW

≈0.7RextCtW

≈0.7RintC输入触发脉冲最小周期TminTmin=

tW＋tre周期性输入触发脉冲占空比q定义：

q

=

tW/T最大占空比：qmax=tW/

Tmin74121内部电阻=2kΩ，外接电阻Rext可在1.4～40kΩ之间选择，外接电容C可在10pF～10μF之间选择，所以，当R=2kΩ时，最大占空比qmax为67%；当R=40kΩ时，最大占空比qmax可达90%。三．单稳态触发器的重复触发（1）不可重复触发的单稳态触发器（2）可重复触发的单稳态触发器可重复触发的单稳态触发器三．单稳态触发器的应用1.延时与定时（1）延时图中，v/O的下降沿比vI的下降沿滞后了时间tW。（2）定时当v/O=1时，与门打开，vO=vF。当v/O=0时，与门关闭，vO为低电平。与门打开的时间是单稳输出脉冲v/O的宽度tW。1&vIvO单稳与门vFvOvItWvOvFOv2.

整形单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲vO。vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于暂稳态时间。vIvO

tW3.

触摸定时控制开关555定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片P，由于人体感应电压相当于在触发输入端（管脚2）加入一个负

脉冲，555输出端输出高电平，灯泡（RL）发光，当暂稳态

时间（tW）结束时，555输出

端恢复低电平，灯泡熄灭。

该触摸开关可用于夜间定时

照明，定时时间可由RC参数

调节。48762153555+VCCRLR100kC100μC10.01μ(+6V)P4.

触摸、声控双功能延时灯48762153C447μ

C0.01μNE

555A~220VR3R

21M20kSCRMCR1004.7M4.7MR4R5R71MR610kC50.022μT29014T19013HTD555和T