数字电子技术-7.pptx

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1、数字电子技术数字电子技术本章内容3单稳态触发器2施密特触发器4多谐振荡器第第7章章 脉冲脉冲波形的产生与波形的产生与整形电路整形电路1脉冲信号5555定时器7.1 脉冲信号脉冲信号 从广义上讲，不具有连续正弦波形状的信号，几乎都可以称为脉冲信号，最常见的脉冲波形是方波和矩形波，如图7-1所示。图7-1 方波和矩形波 组合逻辑电路基本构成单元为门电路，组合逻辑电路没有输出端到输入端的信号反馈网络。假设组合电路有 n个输入变量 ，m 个输出变量，可以列出如下 个输出函数表达式。如图7-2所示为矩形脉冲的实际波形图。图7-2 矩形脉冲实际波形图 在描述矩形脉冲的特性时，通常会使用图7-2中所标注的参

2、数。（1）脉冲幅度 Vm：脉冲电压的最大变化幅度。（2）脉冲宽度tw：从脉冲前沿到达0.5 Vm起，到脉冲后沿到达0.5 Vm为止的时间。（3）上升时间tr：脉冲上升沿从0.1 Vm上升到0.9 Vm 所需要的时间。（4）下降时间 tf：脉冲下降沿从0.9 Vm下降到0.1 Vm所需要的时间。（5）脉冲周期 T：周期重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔，有时也用频率f 来表示。（6）占空比 q：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即 。7.2 施密特触发器施密特触发器集成施密特集成施密特触触发器器门电路路组成成的施密特触的施密特触发器器 施密特触施密特触发器的器的应用用7.2.1 门电路路组成的

3、施密特成的施密特触触发器器 如图7-3所示为CMOS反相器组成的施密特触发器的电路结构和逻辑符号图。（a）电路结构 （b）逻辑符号图7-3 CMOS反相器组成的施密特触发器 将两级反向器串联起来，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就组成了施密特触发器。假定反向器 G1和 G2是CMOS电路，它们的阈值电压为 ，且 。当 时，因 G1和 G2 接成了正反馈电路，所以 ，此时 G1的输入 。（1）当vI 逐渐升高并达到 时，由于G1 进入了电压传输特性的放大区，所以vA 的增加将引发正反馈过程，如图7-4所示。图7-4 vA上升引发正反馈过程 于是，电路的状态由 迅速转换成，由此便可求得

4、 上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平VT+，即整理后，可得其中，VT+称为正向阈值电压。（2）当 vI从高电平VDD 迅速下降并达到 时，vA的下降过程会引发又一个正反馈过程，如图7-5所示。图7-5 vA下降引发的正反馈过程 于是，电路的状态由 迅速转换成 ，由此便可求得出vI 下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平 VT-，即整理后，可得其中，VT-称为反向阈值电压。将 VT+与 VT-之差定义为回差电压 ，即 如图7-6所示，根据 VT+与 VT-表达式画出施密特触发器的电压传输特性。其中，图7-6（a）中，vO与vI 的高低电平是同相的，所以也将这种形式的电压传输特性称为同

5、相输出的施密特触发特性。如果以图7-3（a）中的 为输出端，则得到图7-6（b）所示的电压传输特性，由于 与 vI的高低电平是反相的，所以也将这种形式的电压传输特性称为反相输出的施密特触发特性。（a）同相输出的施密特触发特性 （b）反相输出的施密特触发特性图7-6 施密特触发器的电压传输特性7.2.2 集成施密特触集成施密特触发器器如图7-7所示为CMOS集成施密特触发器CD40106的内部结构。图7-7 CD40106的内部结构 如图7-8所示为CD40106的电压传输特性以及阈值电压与供电电压的关系曲线。（a）电压传输特性 （b）阈值电压与供电电压的关系曲线图7-8 CD40106的性能特

6、性如图7-9所示为CD40106的工作电压波形。图7-9 CD40106工作电压波形如图7-10所示为某CD40106电路的电路结构及工作电压波形图。（a）电路结构 （b）工作电压波形图7-10 CD40106的典型应用计算CD40106电路输出波形的相关参数，可得7.2.3 施密特触施密特触发器的器的应用用1波形波形变换 如图7-11所示为施密特触发器将正弦波信号转换成矩形方波。其中，输出脉冲宽度 可通过回差电压加以调节。图7-11 施密特触发器波形变换 如图7-12所示为利用施密特触发器的回差特性将不规则波整形成规则的矩形波。2波形整形波形整形图7-12 施密特触发器波形整形 如图7-13

7、所示，当输入脉冲大于 V+时，施密特触发器翻转，输出端有脉冲输出；当输入脉冲幅度小于V-时，施密特触发器不翻转，输出端没有脉冲输出。因此，利用施密特触发器可以鉴别出脉冲幅度高于V+的输入信号。3幅度幅度鉴别图7-13 施密特触发器的幅度鉴别单稳态触触发器器的的应用用7.3 单稳态触触发器器集成集成单稳态触触发器器门电路路单稳态触触发器器7.3.1 门电路路单稳态触触发器器1微分型微分型单稳态触触发器器 如图7-14所示为CMOS门电路和RC微分电路组成的微分型单稳态触发器。图7-14 微分型单稳态触发器的电路结构（1）稳态时，所以 ，C上无电压。（2）当触发脉冲 vI加到输入端时，经过微分电路

8、输出很窄的正、负脉冲 vd，当 vd上升到VTH 以后，引发正反馈过程，如图7-15所示。图7-15 vd上升引发正反馈过程 于是，vOL迅速跳变为低电平，同时vI2跳变为低电平，vO跳变为高电平，电路进入暂稳态。与此同时，电容C开始充电，vI2逐渐升高。当vI2升高至VTH 时，又引发另一个正反馈过程，如图7-16所示。图7-16 vI2上升引发正反馈过程 如图7-17所示画出电路中各点的电压波形图。图7-17 微分型单稳态触发器的电压波形图2积分型分型单稳态触触发器器 如图7-18所示为CMOS门电路和RC积分电路组成的积分型单稳态触发器。图7-18 积分型单稳态触发器的电路结构（1）稳态

9、时，所以 。（2）当触发脉冲vI加到输入端时，vOL跳变为低电平。但由于电容C上的电压不能突变，所以在一段时间里vA仍在VTH 以上。因此，在这段时间里G2 的两个输入端电压同时高于VTH，使 ，电路进入暂稳态。画出电路中各点的电压波形图，如图7-19所示。图7-19 积分型单稳态触发器的电压波形图7.3.2 集成集成单稳态触触发器器如图7-20所示为典型脉冲宽度示意图。图7-20 典型脉冲宽度示意图()由图7-20可知，当 时，脉冲宽度为 其中，tw为脉冲宽度（ns），REXT 为外部电阻阻值（），CEXT外部电容容值（pF）。如图7-21所示为74HC123的引脚图和逻辑符号图。（a）引脚

10、图 （b）逻辑符号图7-21 74HC123的引脚图和逻辑符号如表7-1所示为74HC123的引脚定义表。表7-1 74HC123引脚定义如表7-2所示为74HC123的功能表。表7-2 74HC123的功能表 如图7-22所示为74HC123在触发脉冲作用下的波形图。（a）nRD为高电平时的工作波形（b）nA为低电平时的工作波形图7-22 74HC123的工作波形图如图7-23所示为74HC123典型应用的电路结构。（a）上电噪声脉冲消除电路 （b）掉电保护电路图7-23 74HC123典型应用的电路结构（1）系统上电时，输出会产生一噪声脉冲，其宽度由 RX和 CX决定，为消除该噪声脉冲，需

11、要引入上电噪声脉冲消除电路，如图7-23（a）所示。（2）系统掉电时，电容需通过输入级的保护二极管放电，有可能会损坏芯片。为避免该类情况的发生，通常会使用一只锗二极管或肖斯特二极管以抵抗大电容放电时产生的大浪涌电流，其接法如图7-23（b）所示。7.3.3 单稳态触触发器的器的应用用1定定时 如图7-24所示，利用单稳态输出的矩形脉冲作为与门输入的控制信号，则只有在这个矩形波的tw 时间内，信号 vA才有可能通过与门。（a）电路结构 （b）输出波形图图7-24 单稳态触发器的定时电路 “看门狗”又称WatchDog Timer，本质上是一个定时器电路，主要包括一个输入和一个输出。其中，输入端又

12、叫喂狗端，输出端一般连接到MCU（微控制单元）的复位端。当MCU正常工作时，每隔一段时间就会输出一个信号到喂狗端，给“看门狗”电路WDT（WatchDog Timer）清零，如果超过规定的时间不喂狗，WDT就会输出一个复位信号到达MCU，使MCU复位，防止MCU死机。由于单稳态触发器可以实现定时功能，因此可以用单稳态触发器构成“看门狗”电路。2“看看门狗狗”7.4 多多谐振振荡器器RC环形多形多谐振振荡器器简单环形多形多谐振振荡器器秒脉冲秒脉冲发生生器器7.4.1 简单环形多形多谐振振荡器器如图7-25所示为3非门多谐振荡器的电路结构。图7-25 3非门多谐振荡器的电路结构如图7-26所示为3

13、非门多谐振荡器各点的输出波形图。图7-26 3非门多谐振荡器各点的输出波形图7.4.2 RC环形多形多谐振振荡器器如图7-27所示为RC环形多谐振荡器的电路结构。图7-27 RC环形多谐振荡器（1）设电源刚接通时，电路输出端 vO为高电平，由于此时电容器C尚未充电，其两端电压为0，则v2 和 v4为低电平，电路处于第1暂稳态。（2）随着 v3高电平通过电阻R对电容C充电，v4电位逐渐升高。当v4 超过G3的输入阀值电平vTH时，G3翻转，变为低电平，使G1 也翻转，v2变为高电平，由于电容电压不能突变，v4也有一个正突跳，保持G3输出为低电平，此时电路进入第2暂稳态。（3）随着v2高电平对电容

14、C并经电阻R的反向充电，v4电位逐渐下降，当v4低于vTH时，G3再次翻转，电路又回到第1暂稳态。如此循环，形成连续振荡。如图7-28所示为RC环形多谐振荡器各点的工作波形图。图7-28 RC环形多振荡器工作波形 脉冲宽度tW分为充电时间（tW1）和放电时间（tW2）两部分，根据RC电路的基本工作原理，利用三要素法，可以得到充电时间tW1 为1脉冲宽度及周期的估算脉冲宽度及周期的估算同理，求得放电时间tW2为 从以上分析可知，可以通过改变定时元件R和C来改变多谐振荡器的脉宽和周期。其中，VOH 和VOL 分别为非门输出的高电平电压和低电平电压，设 ，可得脉冲周期为2RC环形多谐振荡器的改进形式

15、环形多谐振荡器的改进形式 如图7-29所示，如果在环形振荡器中增加一级射级跟随器，R的取值就可以达到10 k，从而增大其频率的可调范围。图7-29 改进RC环形多谐振荡器的电路结构7.4.3 秒脉冲秒脉冲发生器生器如图7-30所示为秒脉冲发生器的电路结构。图7-30 秒脉冲发生器的电路结构7.5 555定定时器器1用555定时器构成单稳态触发器2用555定时器构成多谐振荡器3用555定时器构成施密特触发器4555定时器的电路结构与工作原理如图7-31所示为555定时器的电路结构和逻辑符号图。7.5.1 555定定时器的器的电路路结构与工作原理构与工作原理1555定定时器的器的电路路结构构（a）

16、电路结构 （b）逻辑符号图7-31 555定时器（1）由3个阻值为5 k的电阻组成的分压器。（2）两个电压比较器 C1和C2：若 ；若 。（3）基本RS触发器。（4）放电三极管T及缓冲器G。从电路结构上看，555定时器主要包括以下几个部分。2555定定时器的工作原理器的工作原理 当电压控制端（5脚）悬空时，比较器 C1和 C2的比较电压分别为 和 。（1）当 时，比较器 C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端 vO为低电平。（2）当 时，比较器C1 输出高电平，C2输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管T截止，输出端 vO为高电平。（3）当 时，比

17、较器 C1输出高电平，C2 也输出高电平，即基本RS触发器 ，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。如表7-3所示为555定时器的功能表。表7-3 555定时器功能表7.5.2 用用555定定时器构成施密特器构成施密特触触发器器 如图7-32所示为555定时器组成的施密特触发器的电路结构及逻辑符号图。（a）电路结构 （b）逻辑符号图7-32 555型施密特触发器（1）当 时，vO1 输出高电平。（2）当vI上升到 时，vO1 跳变为低电平；当vI继续上升时，vO1 保持不变。（3）当vI 降到 时，vO1 跳变为高电平；当vI下降到0 V时，vO1保持不变。如图7-33所示为555定时器组成的

18、施密特触发器的输出波形图。图7-33 555型施密特触发器的输出波形图 如图7-34所示为555型施密特触发器的电压传输特性图。图7-34 555型施密特触发器电压传输特性 由电压传输特性可知，555型施密特触发器的静态参数主要包括：（1）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，所对应的输入电压即为上限阈值电压 VT+，且 。（2）下限阈值电压VT-：vI 下降过程中，输出电压 vO由低电平vOL 跳变到高电平vOH 时，所对应的输入电压值即为下限阈值电压VT-，且 。（3）回差电压 ：上限阈值电压VT+与下限阈值电压VT-的差值，又称滞回电压

19、，定义为 若在电压控制端 VIC（5脚）外加电压VS，有，而且当改变 VS时，它们的值也随之改变。如图7-35所示为555定时器组成的多谐振荡器的电路结构和输出波形图。7.5.3 用用555定定时器构成多器构成多谐振振荡器器（a）电路结构 （b）输出波形图图7-35 555型多谐振荡器1555定定时器器组成的多成的多谐振振荡器器555型多谐振荡器的振荡频率估算过程如下。（1）电容充电时间 T1。电容充电时，时间常数 ，起始值 ，终了值 ，转换值 ，代入RC过渡过程计算公式进行计算，可得（1）电容充电时间 T2。电容放电时，时间常数 ，起始值 ，终了值 ，转换值 ，代入RC过渡过程计算公式进行计

20、算，可得（4）电路振荡频率 f为（3）电路振荡周期T为（5）输出波形占空比q为 由上述分析可知，555型多谐振荡器的电容充电时间常数 ，放电时间常数 ，所以 T1总是大于T2，vO 的波形不可能对称，且占空比q也不易调节。2占空比可占空比可调的的555型多型多谐振振荡器器电路路如图7-36所示为占空比可调的555型多谐振荡器的电路结构。图7-36 占空比可调的555型多谐振荡器 占空比可调的555型多谐振荡器利用半导体二极管的单向导电特性，把电容 C的充电回路和放电回路隔离开来。由于二极管的引导作用，电容C 的充电时间常数 ，放电时间常数 。按上述方法进行分析计算，求得充放电时间为可得，占空比

21、 q为 因此，对于占空比可调的555型多谐振荡器，只要改变电位器滑动端的位置，就可以很方便地调节占空比 q；当 时，vO 为对称矩形波。1）简易温控报警器）简易温控报警器如图7-37所示为多谐振荡器组成的简易温控报警电路。3555型多型多谐振振荡器器应用用实例例图7-37 多谐振荡器组成的简易温控报警电路（1）当温度低于设定温度值时，晶体管T的穿透电流ICEO 较小，555复位端 RD（4脚）的电压较低，电路工作在复位状态，多谐振荡器停振，扬声器不发声。（2）当温度升高到设定温度值时，晶体管T的穿透电流 ICEO较大，555复位端 RD的电压升高到解除复位状态的电位，多谐振荡器开始振荡，扬声器

22、发出报警声。图7-37中，晶体管T可选用锗管3AX31，3AX81或3AG类，也可选用3DU型光敏管。2）双音门铃）双音门铃如图7-38所示为多谐振荡器组成的电子双音门铃电路。图7-38 多谐振荡器组成的电子双音门铃电路（1）当按钮开关AN按下时，开关闭合，VCC 经D2向C3充电，P点（4脚）电位迅速充至 VCC，复位解除；由于D1将R3旁路，VCC 经D1，R1，R2 向 C充电，充电时间常数为 ，放电时间常数为 ，多谐振荡器产生高频振荡，喇叭发出高音。（2）当按钮开关AN松开时，开关断开，由于电容C3储存的电荷经R4放电要维持一段时间，在P点电位降至复位电平之前，电路将继续维持振荡；但此

23、时VCC经R3，R1，R2 向 C充电，充电时间常数增加为 ，放电时间常数仍为 ，多谐振荡器产生低频振荡，喇叭发出低音。（3）当电容 C3持续放电，使P 点电位降至555的复位电平以下时，多谐振荡器停止振荡，喇叭停止发声。如图7-39所示为555定时器组成的单稳态触发器的电路结构和输出波形图。7.5.4 用用555定定时器构成器构成单稳态触触发器器（a）电路结构 （b）输出波形图图7-39 555型单稳态触发器（1）无触发信号输入时，vI 保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端 vO保持低电平，555定时器内放电三极管T饱和导通，管脚7“接地”，电容电压vC 为0 V。（2）当vI下降沿到达

24、时，555定时器的触发输入端（2脚）由高电平跳变为低电平，电路被触发，vO由低电平跳变为高电平，电路由稳态转入暂稳态。（3）在暂稳态期间，555定时器内放电三极管T截止，VCC经R 向 C充电，其充电回路为VCC R C 地，时间常数 ，电容电压vC由0 V开始增大，在电容电压vC上升到上限阈值电压之前，电路将保持暂稳态不变。（4）当vC上升至上限阈值电压时，输出电压vO由高电平跳变为低电平，555定时器内放电三极管T由截止转为饱和导通，管脚7“接地”，电容 经放电三极管对地迅速放电，电压vC 迅速降至0 V（放电三极管的饱和压降），电路由暂稳态重新转入稳态。（5）当暂稳态结束后，电容C 通过

25、饱和导通的三极管 放电，时间常数 ，经过(35)后，电容C 放电完毕，恢复过程结束。（6）恢复过程结束后，电路返回稳定状态，单稳态触发器又可以接收新的触发信号。1555型单稳态触发器的参数估算型单稳态触发器的参数估算1）输出脉冲宽度tW 由图7-39（b）中电容电压 的工作波形可知，代入 过渡过程计算公式，可得2）恢复时间tre 分析电路工作过程可知，触发器的放电过程即为其恢复过程。其中，时间常数 ，且通常取 ，即认为经过35倍的时间常数电容就放电完毕。由于RCES 是T的饱和导通电阻，阻值非常小，因此 的值也非常小，触发器的恢复时间可忽略不计。若输入触发信号vI 是周期为T 的连续脉冲时，为

26、保证单稳态触发器能够正常工作，应满足条件即 vI周期的最小值应为3）最高工作频率fmax 因此，单稳态触发器的最高工作频率应为 如图7-40所示为555型单稳态触发器的延时与定时选通电路及输出波形图。2555型单稳态触发器的应用型单稳态触发器的应用1）延时与定时（a）电路结构 （b）输出波形图图7-40 555型单稳态触发器的延时与定时选通电路（1）由选通电路的输出波形图可知，的下降沿比vI 的下降沿滞后了时间tw，即延迟了时间tw，因此555型单稳态触发器可直接作为延时器使用。（2）当555型单稳态触发器的输出端与与门的输入端相连时，电压 可作为与门的输入定时控制信号，当 为高电平时，与门打

27、开，；当 为低电平时，与门关闭，。其中，与门打开的时间是恒定不变的，就是单稳态触发器输出脉冲 的宽度 tw，因此555型单稳态触发器可作为电路的定时开关使用。如图7-41所示，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。2）信号整形图7-41 单稳态触发器的信号整形示意图 如图7-42所示为555型单稳态触发器组成的触摸式定时控制开关电路。3）触摸定时控制开关图7-42 触摸式定时控制开关电路如图7-43所示为一触摸、声控双功能延时灯电路。4）触摸、声控双功能延时灯图7-43 触摸、声控双功能延时灯电路（1）该电路主要由电容降压整流电路、声控放大器、555定时器和控制器等部分组成，具有声控和触摸控制灯亮的双功能。（2）555定时器和T1，R3，R2，C4 组成单稳定时电路，定时时间 ，计算可知图7-43所示参数的定时（即灯亮）时间约为1分钟。（3）当击掌声传至压电陶瓷片时，HTD将声音信号转换成电信号，经T2，T1放大，触发555定时器，使555定时器的输出端（3脚）输出高电平，触发导通晶闸管SCR，电灯亮。（4）当触摸金属片A时，人体感应电信号经 R4，R5 加至 T1的基极，使 T1导通，触发555定时器，使555定时器的输出端（3脚）输出高电平，触发导通晶闸管SCR，电灯亮。Thank You!