1、 数字电路与逻辑设计 第九章脉冲单元电路 西安邮电学院 校级优秀课程 目的与要求 理解脉冲电路的分析方法 第九章脉冲单元电路 掌握施密特触发器 单稳态触发器 多谐振荡器典型电路的工作原理 熟悉555定时器的工作原理并掌握其典型应用 重点与难点 555定时器的逻辑功能和典型应用 9 1脉冲信号与脉冲电路 9 2集成门构成的脉冲单元电路 9 3555定时器及其应用 第九章脉冲单元电路 9 1脉冲信号与脉冲电路 获得脉冲波形的方法主要有两种 1 利用脉冲产生电路直接产生 2 对已有的波形进行整形 将它变换成所需要的脉冲波形 第九章脉冲单元电路 1 常见的脉冲波形 方波 矩形波 尖顶波 锯齿波 钟形波
2、 9 1脉冲信号与脉冲电路 2 矩形波及其参数 数字电路中常用到矩形波 矩形波有周期性与非周期性两种 9 1脉冲信号与脉冲电路 2 矩形波及其参数 0 9Vm 0 5Vm 0 1Vm tr tf Vm T 实际的矩形脉冲波形 周期性矩形波的几个主要参数 1 周期T 2 脉冲幅度Vm 3 上升时间tr 4 下降时间tf 5 脉冲宽度tw 6 脉冲休止期T tw 7 占空比q tw T如果q 50 则为对称方波 9 1脉冲信号与脉冲电路 3 脉冲电路 脉冲电路 用来产生和处理脉冲信号的电路 常用脉冲电路 双稳态触发器 单稳态触发器 自激多谐振荡器 射极耦合双稳态触发器 施密特电路 及锯齿波电路 脉
3、冲电路构成 分立晶体管 场效应管RC 或RL 电路 集成门电路 或集成运算放大器 RC充 放电电路 9 1脉冲信号与脉冲电路 9 2集成门构成的脉冲单元电路 第九章脉冲单元电路 9 2 1施密特触发器 施密特触发器功能 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 1 两级CMOS反相器电路构成的施密特触发器 1 电路构成两个CMOS反相器G1 G2两个分压电阻R1 R2 逻辑符号 9 2集成门构成的脉冲单元电路 2 工作过程 设输入信号vI为三角波 当VI 0时 第一种稳定状态 只要 0 0 VDD 9 2集成门构成的脉冲单元电路 第二种稳定状态 当VI上升至使 VD
4、D 0 当VI下降时 只要 当VI下降至使 9 2集成门构成的脉冲单元电路 3 电压传输特性 回差电压 改变R1和R2的大小可以改变回差电压 9 2集成门构成的脉冲单元电路 用TTL门构成的施密特触发器 1 电路构成G1为与非门 G2为反相器 VI通过电阻R1 R2控制门的状态 2 工作过程 当VI 0时 第一种稳定状态 当VI上升时 只要 第二种稳定状态 当VI上升至使 其中 上限触发电平 0 VOH VOL VOH VOL 9 2集成门构成的脉冲单元电路 当VI下降时 只要 其中 下限触发电平 回差电压 VOH VOL 9 2集成门构成的脉冲单元电路 a 施密特触发器属于电平触发电路 当输
5、入信号达到某一定电压值时 输出电压会发生突变 c 施密特触发器有两个转换电平 上限触发转换电平VT 和下限触发转换电平VT 电路具有如下图所示的传输特性 施密特触发器的工作特点 b 施密特触发器是一个双稳态电路 两种稳定状态的维持和转换完全取决于外加触发信号 9 2集成门构成的脉冲单元电路 集成施密特触发器 1 CMOS集成施密特触发器CC40106 其上 下限触发器电平典型数值如下表 集成施密特触发器 9 2集成门构成的脉冲单元电路 2 TTL集成施密特触发器74LS14 其上 下限触发器电平典型数值如下表 9 2集成门构成的脉冲单元电路 1 波形变换 将输入的正弦波 三角波 锯齿波等变换成
6、矩形波输出 4 施密特触发器的应用 9 2集成门构成的脉冲单元电路 2 脉冲整形 当矩形脉冲经过传输后因以下原因发生畸变 可通过施密特触发器的整形获得满意的矩形脉冲波形 9 2集成门构成的脉冲单元电路 vI t O vO t O VT VT 3 脉冲鉴幅 只有当输入脉冲信号的幅度大于施密特触发器上限触发电平时 在输出端才产生输出信号 9 2集成门构成的脉冲单元电路 9 2 2单稳态触发器 工作特点 有一个稳态和一个暂稳态 无外触发脉冲输入时 电路处于稳态 在外界触发脉冲作用下 电路将从稳态翻转到暂稳态 经一段时间后 电路又自动返回到原来的稳态 暂稳态时间长短取决于电路本身的参数 与外加触发脉冲
7、无关 9 2集成门构成的脉冲单元电路 1 集成门构成的单稳态触发器 按照维持暂态的RC定时电路的不同接法 单稳态触发器分为微分型和积分型 1 微分型单稳态触发器 输入端微分电路 微分型定时电路 9 2集成门构成的脉冲单元电路 0 t1稳定状态 触发器处于稳定状态vO1 VOL vO2 VOH 工作过程 Ri 3 2k vI 开门电平 vO1 0 3V R 0 9k v2 关门电平 vO2 3 6V vI v1 vO1 vO2 v2 3 6V 0 3V 0 3V 1 4V 3 6V 0 3V 3 6V 0 3V 1 4V 1 5V 3 6V 0 3V 0 t1 t2 9 2集成门构成的脉冲单元电
8、路 当t t1时 vI v1 vO1 vO2 v2 3 6V 0 3V 0 3V 1 4V 3 6V 0 3V 3 6V 0 3V 1 4V 1 5V 3 6V 0 3V 0 t1 t2 vO1上跳至高电平 v1产生一个负尖峰脉冲 v2跳变为高电平 vO2为低电平 触发器受触发发生一次翻转 进入暂稳态 vO1 VOH vO2 VOL 输入端vI下跳变 由于电容器上电压不能突变 9 2集成门构成的脉冲单元电路 vI v1 vO1 vO2 v2 3 6V 0 3V 0 3V 1 4V 3 6V 0 3V 3 6V 0 3V 1 4V 1 5V 3 6V 0 3V 0 t1 t2 t1 t2暂稳态
9、触发器进入暂稳态 vO2 VOL G1关闭 电容C充电 v2 t 下降 当t t2时 v2 Vth 触发器自动翻转一次 回到初始稳定状态 vO1 VOL vO2 VOH vO2 VOH 反馈线 G1开态 9 2集成门构成的脉冲单元电路 vI v1 vO1 vO2 v2 3 6V 0 3V 0 3V 1 4V 3 6V 0 3V 3 6V 0 3V 1 4V 1 5V 3 6V 0 3V tw 0 t1 t2 t1 t2暂稳态 暂态时间 电容C开始放电 电路进入恢复阶段 t t2电路的恢复过程 恢复时间为 当下一个触发脉冲出现时 触发器再次进入暂稳态 经过tw时间后 回到稳态 9 2集成门构成的
10、脉冲单元电路 2 积分型单稳态触发器 vO1 VOHvO2 VOH 当t t1时 vI上跳变 积分型定时电路 0 t1稳定状态 vI VOL 电容C充电结束 触发器处于稳定状态 触发器翻转一次 进入暂稳态 9 2集成门构成的脉冲单元电路 2 积分型单稳态触发器 vO1 VOL t1 t2暂稳态 vI VOH 电容C放电 电压v2下降 当t t2时 电压v2下降至Vth vO2 VOH 触发器状态自动翻转一次 9 2集成门构成的脉冲单元电路 3 施密特触发器构成单稳态触发器 稳状 当vI 0时 vO VOL 0V vi VOH vA随之上跳 只要大于VT 则输出vO VDD 触发器发生一次翻转
11、进入暂稳态 电容C充电 vA下降 一旦达到VT 施密特触发器发生自动翻转 vO VOL 0V 返回至稳态 暂稳态 暂稳态持续时间为 9 2集成门构成的脉冲单元电路 集成单稳态触发器分为非可重触发和可重触发两种类型 非可重触发单稳态触发器指在暂稳态定时时间tW之内 若有新的触发脉冲输入 电路不会产生任何响应 输出脉冲宽度tW仍从第一次触发开始计算 2 集成单稳态触发器 1 工作特点 9 2集成门构成的脉冲单元电路 可重触发单稳态触发器指在暂稳态定时时间tW之内 若有新的触发脉冲输入 可被新的输入脉冲重新触发 暂稳态期间如再次被触发 输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽tW 下面通过工作波
12、形的分析来说明可重触发和非可重触发单稳态触发器的区别 9 2集成门构成的脉冲单元电路 非可重触发单稳态触发器输出波形 O uI t O uO t O uO t 暂稳态期间不能再次触发 暂稳态期间能再次触发 其输出脉宽将在原暂稳态时间基础上再展宽tW 可重触发单稳态触发器输出波形 输入波形 9 2集成门构成的脉冲单元电路 2 TTL集成单稳态触发器 CT54121 74121非可重触发单稳态触发器 外接元件和连线少 触发方式灵活 可使用输入脉冲的正跳沿触发 又可用负跳沿触发 使用方便 工作稳定 因此应用广泛 9 2集成门构成的脉冲单元电路 有3个触发信号输入端 TR A和TR B用负跳沿触发 T
13、R 用正跳沿触发 有2个互补输出端 RICXRX CX 非可重复触发型单稳态触发器 外接定时元件端 CT54121 74121非可重触发单稳态触发器的逻辑符号 9 2集成门构成的脉冲单元电路 CT54121 74121非可重触发单稳态触发器的功能表 稳态 暂稳态 9 2集成门构成的脉冲单元电路 CT54121 74121Rint Cext和Rext Cext端的使用 一般接法 9 2集成门构成的脉冲单元电路 3 CMOS集成单稳态触发器 CC14528可重触发单稳态触发器逻辑图 9 2集成门构成的脉冲单元电路 CC14528可重触发单稳态触发器功能表 9 2集成门构成的脉冲单元电路 3 单稳态
14、触发器的应用 1 脉冲展宽 9 2集成门构成的脉冲单元电路 门的定时时间即为单稳态触发器的暂稳态持续时间 2 脉冲定时 9 2集成门构成的脉冲单元电路 多谐振荡器即矩形波形产生电路 由于矩形波形中含有丰富的谐波分量 故常称多谐振荡器 1 不需输入信号 2 无稳定状态 只有两个暂稳态 9 2 3多谐振荡器 工作特点 通过电容的充电和放电 使两个暂稳态相互交替 从而产生自激振荡 输出周期性的矩形脉冲信号 9 2集成门构成的脉冲单元电路 电容正反馈多谐振荡器 1 基本工作原理 设某时刻电容C充电 vd上升至vd Vth G1变为开态 va VOL G2变为关态 vb VOH 由于电容C两端电压不能突
15、变 使vd随vb的上跳而上跳 维持G1处于开态 G2处于关态 9 2集成门构成的脉冲单元电路 tw1 t1 t2 t3 tw2 充 电 放 电 V 1 4V 0 3V 0 3V 3 6V vd vb va 暂态 t1 t2 电容C放电 vd下降 在vd下降至Vth之前的时间tw1 当vd下降至Vth时 G1变为关态 va VOH G2变为开态 vb VOL 电路又一次翻转 电容C再次充电 vd电位上升 在vd上升至Vth之前 这段时间称为暂态 暂态 t2 t3 9 2集成门构成的脉冲单元电路 tw1 t1 t2 t3 tw2 充 电 放 电 V 1 4V 0 3V 0 3V 3 6V vd v
16、b va 不断重复上述过程 从而形成周期振荡 在输出端获得矩形波vb 2 振荡周期的计算 振荡周期 9 2集成门构成的脉冲单元电路 带有RC定时电路的环形振荡器 利用电容C的充 放电过程 控制电压v3 从而控制与非门的自动开闭 1 基本工作原理 9 2集成门构成的脉冲单元电路 暂稳态t1 t2 设t t1时 G1为开态 G2 G3为关态 Vo VOH 电容C充电 当t t1时 V3 Vth G3发生翻转 通过电容C的耦合 v3随v1上跳 振荡器自动翻转一次 进入t1 t2的暂稳态 VO VOL G1发生翻转 V1 VOH tw1 t t1时 电容C开始放电 直至t2 9 2集成门构成的脉冲单元
17、电路 暂稳态t2 t3 tw1 当t t2时 v3下降至Vth 上述过程自动周期重复 形成多谐振荡 vo VOH G1为开态 v1 VOL v3经电容C耦合 随v1下跳 振荡器自动翻转一次 进入t2 t3的暂稳态 G2为关态 v2 VOH t t2时 电容C开始充电 直至t3 tw2 9 2集成门构成的脉冲单元电路 tw1 tw2 根据分析 可求得 通过调节电容C和电阻R可以调节振荡器的频率 9 2集成门构成的脉冲单元电路 3 石英晶体多谐振荡器 振荡频率 晶体频率 特点 振荡频率稳定 9 2集成门构成的脉冲单元电路 4 施密特触发器构成的多谐振荡器 工作原理 设电容初始电压vC 0 0 则接
18、通电源后vO输出高电平VOH 输出端通过R向电容C充电 使vC升高 电容如此周而复始地充电和放电 电路便产生了振荡 输出周期性矩形波 当vC下降到VT 时 触发器又翻转 vO重新跃变为高电平VOH 电路又充电 当vC上升到VT 时 施密特触发器状态翻转 vO跃变为低电平VOL 电容C经R和施密特触发器的输出电阻RO放电 使vC下降 O t O vO t VT VT 9 2集成门构成的脉冲单元电路 555定时器是一种结构简单 使用方便灵活 用途广泛的数字 模拟混合集成电路 它可产生精确的时间延迟和振荡 内部有3个5K 的电阻分压器 故称555 在其外部配上少量阻容元件 就可以构成单稳态触发器 多
19、谐振荡器 施密特触发器等脉冲电路 应用电路有上千种 9 3555定时器及其应用 555定时器简介 第九章脉冲单元电路 1 555定时器电路结构与符号 9 3 1555定时器的工作原理和逻辑功能 9 3555定时器及其应用 2 555定时器的工作原理与逻辑功能 9 3555定时器及其应用 2 555定时器的工作原理与逻辑功能 5 比较器基准电压VREF1 VREF2经三个5K精密电阻分压得到 当控制电压VCO悬空时 当控制电压VCO为外加固定电压时 555定时器的主要功能取决于两个比较器对RS触发器和放电管V的控制 9 3555定时器及其应用 放电管导通 VO 0 1 0 1 0 1 0 0 1
20、 1 1 1 2 555定时器的工作原理与逻辑功能 当VCO悬空时 放电管截止 VO 1 放电管截止 VO保持 9 3555定时器及其应用 由以上分析得 2 555定时器的工作原理与逻辑功能 555定时器功能表 通常不用CO端 为了提高电路工作稳定性 将其通过0 01 F电容接地 9 3555定时器及其应用 VT 2 3VCCVT 1 3VCC VT VT VT 1 3VCC 9 3 2用555定时器构成施密特触发器 9 3555定时器及其应用 例 画出下图中的输出波形 0 uI V t 3 6 UT 2 3VCC 6V UT 1 3VCC 3V 9V 9 3555定时器及其应用 1 电路结构
21、 R C为定时元件 9 3 3用555定时器构成单稳态触发器 9 3555定时器及其应用 2 工作原理 1 稳态 接通电源时 从VCC经R向C充电 uC上升 uC O t O uO t UOL UOH tW O t UIH uI tWI VCC 该电路触发信号为负脉冲 不加触发信号时 uI UIH 1 3VCC TH uC 0 2 3VCC uO保持低电平不变 uO为低电平 放电管V导通 电容C经V迅速放电完毕 uC 0V 0 9 3555定时器及其应用 uC O t O uO t tW O t uI tWI VCC 2 暂稳态 当输入uI跳变为低电平 1 3VCC 时 uO跳变为高电平 放电
22、管V截止 从VCC又经R向C充电 uC上升 进入暂稳态 1 UOL UOH UIH 3 自动返回稳定状态 当uC上升到uC 2 3VCC时 uO跳变为低电平 放电管导通 C经V迅速放电 uC 0V 放电完毕后 电路返回稳态 输出脉冲宽度tW主要取决于充放电元件R C 估算公式tW 1 1RC 9 3555定时器及其应用 1 电路结构 9 3 1用555定时器构成多谐振荡器 9 3555定时器及其应用 2 工作原理 uC O t O uO t UOL UOH tW1 tW2 uO为高电平 放电管截止 VCC经R1 R2向C充电 uC上升 这时电路处于暂稳态 uO跳变为低电平 放电管V导通 C经R
23、2和V放电 uC下降 电路进入暂稳态 uO重新跳变为高电平 放电管V截止 C又被充电 uC上升 电路又返回到暂稳态 电路如此不断重复形成振荡 在VO端得到连续方波 9 3555定时器及其应用 3 暂态宽度tW1 tW2的计算 uC充电时 uC 0 1 3VCCuC VCC 由于第一个周期电路没有进入稳定状态 因此不计算暂态时间 R1 R2 C 充电结束时uC tW1 2 3VCC uC放电时 uC 0 2 3VCCuC 0 R2C 放电结束uC tW2 1 3VCC 电路输出矩形波的周期 T tw1 tw2 0 7 R1 2R2 C uC O t O uO t UOL UOH tW1 tW1
24、暂态 持续时间tW1为 暂态 持续时间tW2为 占空比 9 3555定时器及其应用 4 占空比可调多谐振荡器电路 电路特点 电容C的充 放电分别使用二极管D1和D2隔离 RW为可调电阻 经过R1对电容C充电 经过R2进行放电 通过改变RW来改变R1 而R1 R2之和不变 从而改变占空比 电路振荡周期T 0 7 R1 R2 C 输出波形占空比 9 3555定时器及其应用 本章介绍了各种产生和处理脉冲信号的电路 施密特触发器具有回差特性 两种稳态 可将任意波形变换成矩形脉冲 输出脉冲宽度取决于输入信号的波形和回差电压的大小 还可用来进行幅度鉴别 构成单稳态触发器等 常选用集成施密特触发器或采用55
25、5定时器构成施密特触发器 本章小结 单稳态触发器具有一个稳态和一个暂稳态 输出脉冲宽度取决于电路本身R C定时元件 与输入信号无关 输入信号只起到触发电路进入暂稳态的作用 单稳态触发器可将输入的触发脉冲变换为宽度都符合要求的矩形脉冲 常用于脉冲的定时 整形和展宽等 常选用集成单稳态触发器或采用555定时器构成单稳态触发器 第九章脉冲单元电路 多谐振荡器只有两个暂稳态 两个暂稳态之间的转换 是通过电路内部电容的充 放电作用自动进行的 不需要外加触发信号 只要接通电源就能自动产生周期性矩形脉冲信号 改变R C定时元件数值的大小 可调节振荡频率 在振荡频率稳定度要求很高的情况下 可采用石英晶体振荡器 555定时器是一种多用途的集成电路 只需外接少量阻容元件便可构成施密特触发器 单稳态触发器和多谐振荡器等 此外 它还可组成其它多种实用电路 本章小结
