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1、电子技术基础本讲稿第一页，共八十三页在数字系统中，矩形脉冲作为时钟信号控制和协调着整个数字系统的工作，所以时钟脉冲的好坏直接关系着整个系统能否正常工作。实际应用中的矩形脉冲信号形状如图13.1.1所示。13.1 脉冲波形的基本知识脉冲波形的基本知识 本讲稿第二页，共八十三页图13.1.1 描述矩形脉冲特性的主要参数本讲稿第三页，共八十三页13.2.1 555集成定时器的电路结构集成定时器的电路结构CB555的电路结构图如图13.2.1所示，它主要由四部分组成：3个5 k电阻组成的分压器，两个高精度电压比较器，一个基本RS触发器和一个作为放电通路的三极管及其驱动电路。1.分压器分压器2.比较器比
2、较器 3.基本基本RS触发器触发器 4.开关放电管和输出缓冲开关放电管和输出缓冲 13.2 555集成定时器集成定时器 本讲稿第四页，共八十三页图13.2.1 CB555的电路结构图本讲稿第五页，共八十三页13.2.2 555定时器的逻辑功能定时器的逻辑功能 当5脚控制电压输入端UCO悬空时，很容易得到CB555定时器的功能表，如表13.2.1所示。表表13.2.1 CB555定时器的功能表定时器的功能表 本讲稿第六页，共八十三页13.3.1 用555定时器构成的施密特触发器1.电路组成电路组成如图13.3.1所示，将555定时器的两个触发输入端ui1(2脚)和ui2(6脚)连接在一起作为信号
3、输入端ui，uo(3脚)作为输出端，即可构成施密特触发器。2.工作原理工作原理 13.3 施密特触发器施密特触发器 本讲稿第七页，共八十三页图13.3.1 用555定时器构成的施密特触发器本讲稿第八页，共八十三页正向阈值电压 负向阈值电压 将UT+与UT之差定义为回差电压UT，即UT=UT+UT (13.3.3)由此得到电路的回差电压为(13.3.1)(13.3.2)(13.3.4)本讲稿第九页，共八十三页综上所述，用555定时器构成的施密特触发器的工作波形如图13.3.2所示。由工作波形中ui和uo的对应关系可画出uo=f(ui)的关系曲线，如图13.3.3所示，此关系曲线就是施密特触发器的
4、电压传输特性。本讲稿第十页，共八十三页图13.3.2 施密特触发器的工作波形本讲稿第十一页，共八十三页图13.3.3 施密特触发器的电压传输特性本讲稿第十二页，共八十三页【例例13.3.1】如图13.3.4(a)所示是用555定时器构成的施密特触发器，试对应于图13.3.4(b)所示的输入三角波，画出输出波形。图13.3.4 单稳态触发器的工作波形(a)用555定时器构成的施密特触发器；(b)输入三角波形本讲稿第十三页，共八十三页解解：由式(13.3.1)和式(13.3.2)得正向阈值电压 负向阈值电压 如图13.3.5所示的输出波形。本讲稿第十四页，共八十三页图13.3.5 例13.3.1的
5、输出波形本讲稿第十五页，共八十三页13.3.2 用用CMOS门构成的施密特触发器门构成的施密特触发器将两级CMOS反相器串接起来，再通过分压电阻将输出端的电压反馈到输入端，就构成了如图13.3.6所示的施密特触发器电路。图13.3.6 用CMOS门构成的施密特触发器本讲稿第十六页，共八十三页当ui=0时，因G1、G2构成了正反馈电路，所以uo=UOL0。此时，G1的输入ui10。当ui逐渐升高并达到ui1=UTH时，由于G1进入了电压传输特性的转折区(放大区)，因此ui1的增加将引发如下的正反馈过程：本讲稿第十七页，共八十三页于是电路的状态迅速地转化为uo=UOHUDD。此时便可以求出ui上升
6、过程中电路状态发生转换时对应的输入电平UT+。由于因此 (13.3.5)本讲稿第十八页，共八十三页当ui从高电平UDD逐渐下降并达到ui1=UTH时，ui的下降会引发又一个正反馈过程：于是电路的状态迅速转换为uo=UOL0。此时又可以求出ui下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平UT。因为这时所以本讲稿第十九页，共八十三页将UDD=2UTH带入上式可得 (13.3.6)由此得到电路的回差电压为 (13.3.7)根据式(13.3.5)和式(13.3.6)可以画出施密特触发器的电压传输特性，如图13.3.7(a)所示。图形符号如图13.3.7(b)所示。本讲稿第二十页，共八十三页图13.3.7
7、 同相输出的施密特触发器的电压传输特性和图形符号(a)电压传输特性；(b)图形符号本讲稿第二十一页，共八十三页电压传输特性如图13.3.8(a)所示。图形符号如图13.3.8(b)所示。图13.3.8 反相输出的施密特触发器的电压传输特性和图形符号(a)电压传输特性；(b)图形符号本讲稿第二十二页，共八十三页13.3.3 集成施密特触发器集成施密特触发器 如图13.3.9所示为CMOS集成六反相施密特触发器CD40106和四2输入与非门施密特触发器CD4093的引脚功能图。本讲稿第二十三页，共八十三页图13.3.9 CD40106和CD4093施密特触发器的引脚功能图(a)CD40106；(b
8、)CD4093本讲稿第二十四页，共八十三页13.3.4 施密特触发器的应用举例施密特触发器的应用举例1.波形的变换波形的变换利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。如图13.3.10所示。本讲稿第二十五页，共八十三页图13.3.10 用施密特触发器实现波形变换本讲稿第二十六页，共八十三页2.波形的整形波形的整形 如图13.3.11(a)、(b)所示,只要施密特触发器的UT+和UT设置得合适，均能收到满意的整形效果。图13.3.11 用施密特触发器对脉冲整形本讲稿第二十七页，共八十三页3.幅度鉴别幅度鉴别 如图13.3.12所示，若
9、将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些幅值大于UT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。图13.3.12 用施密特触发器鉴别脉冲幅度本讲稿第二十八页，共八十三页13.4.1 用用555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器1.电路组成电路组成图13.4.1所示是由555定时器和少量外围器件构成的单稳态触发器。13.4 单稳态触发器单稳态触发器 本讲稿第二十九页，共八十三页图13.4.1 用555定时器构成的单稳态触发器本讲稿第三十页，共八十三页2.工作原理工作原理 图13.4.2所示为在触发信号作用下uC和uo相应的波形。图13.4.2 单稳态触发器的工作波形本讲稿
10、第三十一页，共八十三页图13.4.2所示为在触发信号作用下uC和uo相应的波形。输出脉冲宽度tw就是暂稳态维持时间，也就是定时电容的充电时间。由图13.4.2可知，tw等于电容电压在充电过程中从0上升到所需要的时间，因此得到 (13.4.1)本讲稿第三十二页，共八十三页13.4.2 用集成门电路构成的单稳态触发器用集成门电路构成的单稳态触发器 1.微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器由CMOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器如图13.4.3所示。图13.4.3 微分型单稳态触发器本讲稿第三十三页，共八十三页当ud上升到UTH以后，将引发如下的正反馈过程：本讲稿第三十四页，共八十三页
11、随着充电过程的进行,ui2逐渐升高，当升至ui2=UTH时，又引发另一个正反馈过程：本讲稿第三十五页，共八十三页电路中各点的电压波形如图13.4.4所示。图13.4.4 微分型单稳态触发器的电压波形图本讲稿第三十六页，共八十三页在电容充、放电过程中，电容上的电压uC从充、放电开始到变化至某一数值UTH所经过的时间可以用下式计算：(13.4.2)将uC(0)=0，uC()=UDD代入式(13.4.2)可得 (13.4.3)本讲稿第三十七页，共八十三页输出脉冲的幅度为 Um=UOHUOLUDD(13.4.4)在uo返回低电平以后，还要等到电容C放电完毕,电路才恢复为起始状态。一般认为经过35倍于电
12、路时间常数的时间以后，RC电路基本达到稳态。恢复时间为tre(35)RONC(13.4.5)分辨时间td是指在保证电路能正常工作的前提下，允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔，故有td=tw+tre 本讲稿第三十八页，共八十三页2.积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器由门电路和RC积分电路构成的积分型单稳态触发器如图13.4.5所示。图13.4.5 积分型单稳态触发器本讲稿第三十九页，共八十三页在ui输入脉冲宽度为TTR的触发信号作用下，电路中各点的电压波形如图13.4.6所示。由理论分析可知，输出脉冲uo的宽度tw为(13.4.6)本讲稿第四十页，共八十三页图13.4.6 积分型单稳态触发
13、器的电压波形图本讲稿第四十一页，共八十三页13.4.3 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 图13.4.7是TTL集成单稳态触发器74121的逻辑符号，该器件是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加以输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。表13.4.1是集成单稳态触发器74121的功能表，图13.4.8是集成单稳态触发器74121的工作波形。本讲稿第四十二页，共八十三页图13.4.7 单稳态触发器74121的逻辑符号本讲稿第四十三页，共八十三页表13.4.1 集成单稳态触发器74121 本讲稿第四十四页，共八十三页图13.4.8 单稳态触发器74121的工作波形本讲稿第四十五页，共八十三页图13.4
14、.9所示为集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法。本讲稿第四十六页，共八十三页图13.4.9 集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法(a)用外部电阻Rext(下降沿触发)；(b)用内部电阻Rint(上升沿触发)本讲稿第四十七页，共八十三页不可重复触发的单稳态一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束以后，它才能接受下一个触发脉冲而转入下一个暂稳态，如图13.4.10(a)所示。而可重复触发的单稳态在电路被触发而进入暂稳态以后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个tw宽度，如图13.4.10(b)所示。本讲稿第四十八页
15、，共八十三页图13.4.10 不可重复触发型和可重复触发型单稳态触发器的工作波形(a)不可重复触发型；(b)可重复触发型本讲稿第四十九页，共八十三页13.4.4 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用1.延时延时2.用于噪声消除用于噪声消除 由单稳态触发器组成的噪声消除电路及波形如图13.4.11所示。本讲稿第五十页，共八十三页图13.4.11 利用74121构成的噪声消除电路(a)逻辑图；(b)工作波形本讲稿第五十一页，共八十三页13.5.1 用用555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器如图13.5.1所示。13.5 多多 谐谐 振振 荡荡 器器 本讲稿第五十二页，共八十三页图13.
16、5.1 用555定时器构成的多谐振荡器本讲稿第五十三页，共八十三页由图13.5.2中uC的波形可求得电容C的充电时间T1和放电时间T2分别为 (13.5.1)(13.5.2)本讲稿第五十四页，共八十三页故电路的振荡周期为 T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2 (13.5.3)振荡频率为 (13.5.4)(13.5.5)本讲稿第五十五页，共八十三页图13.5.2 多谐振荡器的工作波形本讲稿第五十六页，共八十三页如图13.5.3所示的改进电路。图13.5.3 用555定时器构成的占空比可调的多谐振荡器本讲稿第五十七页，共八十三页电容的充电时间变为 而放电时间为故得输出脉冲的占空比为本讲稿第五十
17、八页，共八十三页13.5.2 用集成门电路构成的多谐振荡器用集成门电路构成的多谐振荡器 如图13.5.4所示是用集成门电路构成的多谐振荡器的典型电路。图13.5.4 用集成门电路构成的多谐振荡器本讲稿第五十九页，共八十三页假定接通电源的瞬间，由于某种原因使ui1有微小的正跳变，则必然会引起如下的正反馈过程：本讲稿第六十页，共八十三页C1 充电速度较快，ui2 首先上升到G2的阈值电压UTH，并引起如下的正反馈过程：本讲稿第六十一页，共八十三页1.脉冲整形电路的工作原理脉冲整形电路的工作原理施密特触发器、单稳态触发器是广泛采用的脉冲波形整形电路。施密特触发器输出的高、低电平是随输入信号电平的大小
18、改变的，所以其输出脉冲宽度是由输入信号决定的。施密特触发器在将边沿变化缓慢的信号波形整形为矩形波时，由于具有回差电压以及内部的正反馈过程，因而输出脉冲边沿陡直，抗干扰能力也比较强。单稳态触发器输出脉冲宽度仅决定于外围定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便地调节脉冲宽度。本章小结本章小结 本讲稿第六十二页，共八十三页2.脉冲产生电路的工作原理脉冲产生电路的工作原理脉冲产生电路又称为多谐振荡器，接通电源以后，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲。本章分析了脉冲产生电路参数和性能的定性关系。3.555定时器的应用定时器的应用555 定时器是一种多用途的数字
19、模拟混合集成电路，采用它可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。4.脉冲电路的形式与分析方法脉冲电路的形式与分析方法脉冲电路既可以由555定时器构成，也可以由集成门电路以及专门的集成电路构成，分析方法我们采用的是图形分析法，该方法的物理概念清楚、步骤简单实用。本讲稿第六十三页，共八十三页学习本章后应达到下列要求：(1)了解脉冲信号参数与性能指标的关系。(2)了解脉冲信号产生与整形的方法。(3)了解 555 定时器的电路结构，掌握其符号和功能。(4)掌握用 555 定时器构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的方法。本讲稿第六十四页，共八十三页13.1 图T13.1是用555定时器组成
20、的开机延时电路。若给定C=25 F，R=91 k，UCC=12 V，试计算常闭开关经过多长的延迟时间，uo才跳变为高电平。习习 题题 本讲稿第六十五页，共八十三页图T13.1本讲稿第六十六页，共八十三页13.2 利用555定时器芯片构成一个鉴幅电路，实现如图T13.2所示的鉴幅功能。图中，UT+=3.2 V，UT=1.6 V。要求画出电路图，并标明电路中相关的参数值。图T13.2本讲稿第六十七页，共八十三页13.3 图T13.3是用555定时器构成的压控振荡器，试求输入控制电压ui和振荡频率之间的关系式。当ui升高时,频率是升高还是降低？图T13.3本讲稿第六十八页，共八十三页13.4 555
21、定时器连成如图T13.4(a)所示，图(b)是输入波形，请画出输出uo的波形。图T13.4本讲稿第六十九页，共八十三页13.5 在图13.3.6所示的用CMOS门组成的施密特触发器电路中，若R1=50k，R2=100 k，UDD=5 V，UTH=，试求电路的输入转换电平UT+、UT以及回差电压UT。13.6 图T13.5是用CMOS门接成的压控施密特触发器电路，试分析它的转换电平UT+、UT以及回差电压UT与控制电压UCO的关系。本讲稿第七十页，共八十三页图T13.5本讲稿第七十一页，共八十三页13.7 用集成芯片555构成的施密特触发器电路及输入波形ui如图T13.6(a)、(b)所示，试画
22、出对应的输出波形Uo。图T13.6本讲稿第七十二页，共八十三页13.8 CMOS或非门微分型单稳态电路如图13.4.3所示。(1)说明在稳态条件下，ui、uo的电平值；(2)分析电路的输出脉宽tW和哪些参量有关。13.9 在图13.4.3给出的微分型单稳态触发器电路中，若已知R=51 k，C=0.01 F，电源电压UDD=10 V，试求在触发信号作用下输出脉冲的宽度和幅值。本讲稿第七十三页，共八十三页13.10 由门电路和RC积分电路构成的积分型单稳态触发器如图13.4.5所示。(1)和微分型单稳态电路相比有何不同；(2)说明在稳态条件下，ui、uo的电平值；(3)R的取值有何限制？(4)电路
23、对输入脉冲的宽度有何要求？若输入脉宽不满足要求，可采用什么办法解决？本讲稿第七十四页，共八十三页13.11 在图T13.7所示的整形电路中，输入电压ui的波形如图中所示，假定它的低电平持续时间比R、C电路的时间常数大得多。(1)试画出输出电压uo的波形;(2)能否用图T13.7中的电路作单稳态触发器使用？试说明理由。本讲稿第七十五页，共八十三页图T13.7本讲稿第七十六页，共八十三页13.12 试用555定时器设计一个单稳态电路，其输入ui、输出uo波形如图T13.8所示。已知UCC=5 V，给定电容C=0.47 F，画出电路图，并确定电阻R的大小。图T13.8本讲稿第七十七页，共八十三页13
24、.13 由555定时器构成的单稳态触发器。(1)电源电压UCC=+5 V，外接电阻R=10 k，外接电容C=0.01 F,计算单稳态输出脉宽tw;(2)电源电压UCC=+12 V，当单稳态输出脉宽为500 s时，R和C应如何选择？13.14 在图13.5.1所示用555集成电路定时器构成的自激多谐振荡器电路中，若UCC=5 V，R1=20 k，R2=100 k，C=0.1 F。试画出输出电压uo和电容C两端电压uC的工作波形，并求出振荡频率。本讲稿第七十八页，共八十三页13.15 试用555定时器设计一个占空比可调的多谐振荡器。电路振荡频率为10 kHz，占空比q=0.2，若取电容C=0.01
25、 F，试确定电阻的阻值。13.16 555定时器芯片接成如图13.5.3所示的多谐振荡器，已知UCC=5 V，R1=22 k，R2=39 k，C=0.022 F。(1)求输出端uo的振荡频率；(2)若将控制输入(5号)端接uCO参考电压，当uCO分别为4 V、2.6 V、2 V和1.2 V时，输出端uo的振荡频率f各为多少？(3)根据以上计算结果，你认为该电路具备何种功能？本讲稿第七十九页，共八十三页13.17 两片555定时器组成的电路如图T13.9所示。(1)在图示元件参数条件下，估算uo1和uo2端的振荡周期T；(2)定性画出uo1、uo2的波形，并说明电路具备何种功能；(3)若在555芯片的控制输入(5号)端改接+4 V的uCO，对电路的参量有何影响？本讲稿第八十页，共八十三页图T13.9本讲稿第八十一页，共八十三页13.18 分析图T13.10所示555定时器断线光电隔式安全保护电路的工作原理。图T13.10本讲稿第八十二页，共八十三页13.19 图T13.11是用555定时器构成的一击三呼电子门铃电路，参数如图中所给。试定性画出三个555芯片的输出波形，并计算各输出波形的定时宽度或振荡周期。图T13.11本讲稿第八十三页，共八十三页