1、数字电子技术基础,制作人：吴亚联 湘潭大学信息工程学院,第十章 脉冲波形的产生和整形,10.3 单稳态触发器,10.2 施密特触发器,10.4 多谐振荡器,10.5 555定时器及其应用,10.1 概述,10.1 概 述,获得矩形脉冲波形的两种方法 ：,1）利用各种形式的多谐振荡器电路，直接产生矩形脉冲；,2）通过整形电路把已有的周期性变化的波形变换为矩形脉冲。,实现这一变换功能的过程，称作“整形”。,常用的整形电路 有单稳态触发器和施密特触发器 。,图10.1.1 描述矩形脉冲特性的主要参数,1、脉冲周期T; 2、脉冲幅度Vm 3、脉冲宽度tw 4、上升时间tr,5、下降时间tf 6、占空比
2、qq= tw / T,10. 2 施密特触发器,施密特触发器(schmitt Trigger)的特点：,（1）属于电平触发,当输入信号达到一定电压值时,输出电压会发生突变，输入信号增加和减少时，电路有不同的阈值电平。,（2）在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程，使输出电压波形的边沿变得很陡。,VT-,VT+,施密特触发器的电压传输特性,“回差特性”,10.2.1 用门电路组成的施密特触发器,(b)图形符号,（a）电路,1、工作原理：,设G1、G2是CMOS电路，阈值电压Vth=VDD /2, R1 R2 ; VI 为三角波。,根据叠加原理：,G1,G2,（1）VI=0时，VO=0, VI
3、10;,（2）VI增加到使VI1= Vth时，发生正反馈：,输入电压VI 由小变大使电路输出发生突变所对应的值称为VT+,即正向阈值电压；,使VO迅速跳变为VDD；,VI1,VO1,VO,此时对应的VI称为VT-,即负向阈值电压；,（3）VI上升到最大值后开始下降，当VI1= Vth时，发生正反馈：,当VI1Vth时,电路状态维持VO=VDD不变。,VO从VDD跳变为0;,VI1,VO1,VO,2、工作波形图和传输特性曲线：,回差电压,通过调节R1, R2 的比值， 调节回差电压的大小。,*10.2.2 集成施密特触发器,TTL集成施密特触发器7413,图10.2.3 带与非功能的TTL集成施
4、密特触发器,CMOS集成施密特触发器CC40106：,10.2.3 施密特触发器的应用,利用施密特触发器的回差特性，可以用于对信号进行整形、波形变换、幅度限幅等。,1.用于波形变换,图10.2.7 用施密特触发器实现波形变换,2.用于脉冲整形,图10.2.8 用施密特触发器对脉冲整形,(a)当传输线上电容较大时，波形的上升沿和下降沿将明显变坏。,(b)当传输线较长而且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象。,(c)当其他脉冲信号叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。,3.用于脉冲幅度鉴别,例如，输入信号为幅度不等的一串脉冲，需要消除幅度较小的脉冲，而保
5、留幅度大于Vth的脉冲。,只要将施密特触发器的正向阈值电压VT+调到规定的Vth，便可实现：,图10.2.9 用施密特触发器鉴别脉冲幅度,10. 3 单稳态触发器,单稳态触发器具有以下特点：,1）电路有一个稳态、一个暂稳态；,2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态转到暂稳态；暂稳态维持一段时间后，电路会自动返回稳态。,3）暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。,着重理解 :,1.为什么电路可以自动返回稳态 ?,2.在“暂稳态”上停留的时间有多长 ? 该时间由什么决定 ?,单稳态触发器的电路形式:,单稳态触发器可以由分立元件构成、门电路构成、还有专门的单稳集成电路以
6、及由555电路构成等等。,下面介绍门电路组成的单稳态触发器：,t1,当t1 时刻输入触发信号， 即vI 发生正跳变后，,?,?,vo1 应该产生负跳变。,10. 3. 1 用门电路组成的单稳态触发器,1.电路组成及工作原理,1,1,G1,G2,vI,VDD,R,C,vR,vO1,vO2,(1) 稳态：,vo1=1，vo2 =0,一、微分型单稳态触发器,图10.3.1,只要 vR Vth ，仍然维持暂稳态。,1,1,G1,G2,vI,VDD,R,C,vR,vO1,vO2,vI,vO1,vR,vO2,(2) 电路进入暂稳态：,vO1 0 ，vO2 1,电容C应该充电,0,1,同时：,所以,一旦 v
7、R = Vth ,立即回到稳态：vO2= 0, vO1=1。,（3）从暂稳态自动返回稳态,C充电,vR,vO2,vO1,当 vR = Vth时，发生以下正反馈：(设此时触发脉冲已消失),2. 主要参数计算：,（1）输出脉冲宽度tW,即暂稳态维持时间。,t1,t2,tW 0.7RC,当Vth = VDD /2时,（2）恢复时间tre,即暂稳态结束后，电路恢复到初始状态所需的时间。主要指电容在暂稳态期间所充电荷的释放时间，tre约为3倍放电时间常数。,（3）最高工作频率fmax,由于tW和tre的存在，加入触发信号的时间间隔T应满足T tW +tre ，即,3. 讨论：,（1）暂态结束瞬间，加在G
8、2门输入端的高压，可能损坏G2。为了避免这种现象发生，CMOS器件内部设有保护二极管。,（2）当输入vI的脉冲宽度tpi tW 时，则在V02变为低电平后，将不能影响G1的变化，也就形成不了前述正反馈过程，使V02输出边沿变缓。此时需在G1输入端加一微分电路。,（3）若采用TTL与非门构成单稳电路，G2输入端的电阻R应小于0.7K。,Vth+ VDD,VDD+ 0.7v,t1,当输入的触发信号 vi 发生正跳变后，,0,1,1,1,?,?,0,vo1 应该产生负跳变。,1,二、 积分型单稳态触发器,1.工作原理,电容C应该放电:,VTH,只要 vA VTH ，仍然有 VA 1，,那么，vo2
9、应该由 1 变成 0。,0,那么，vo2 应该由 0 变成 1。,一旦 vA VTH ，立即会有 VA 0，,电容C继续放电:,那么电容C就不断地放电.,电路各点的逻辑状态如图所示。,只要 vi 仍为 1 状态，,vo1 就会保持 0 状态，,当vi 由 1 变回 0 时，,0,1,从此，电容C将进入充电过程 ，,vo1 自然由 0 变到 1 ，,t3,波形如右图所示 ：,0,思考 ：,vo2 又该如何呢 ?,0,对与非门 2 来说 ，,它已有一个输入端为 0 了，,另一输入端 A的电位尽管在变化 ，,却不会影响其输出值 ，,vo2 继续保持为 1 。,电容C 的充电主要回路如右图示：,停留在
10、暂稳态的时间与电路参数的关系：,tw,“单稳态触发器”小结,1、为什么可以自动返回 ?,因为电容的充、放电过程所至 。,与 R、C 的乘积成正比。,2.在“暂稳态”上停留的时间有多长 ? 该时间由什么决定 ?,(a)微分型单稳,(b)积分型单稳,不可重复触发单稳态触发器：,10. 3. 2 集成单稳态触发器,可重复触发单稳态触发器：,指在暂稳态期间，电路不能被再次触发翻转， tW只与R、C有关。,指在暂稳态期间，电路在触发脉冲的作用下能被重新触发翻转。,两种单稳电路工作波形比较：,一、TTL集成单稳态触发器74121,图10.3.9 集成单稳态触发器74121的逻辑图,触发信号控制电路：,微分
11、型单稳态触发器：,输出缓冲电路：,由G1 G4构成。,由G5 G7及R、C 构成。,由G8、 G9构成，用来提高电路的带负载能力。,a,A1、 A2、B:,引脚介绍：,触发输入端；,单稳触发器输出端；,Rext/ Cext（11脚）:,与定时电容相连端/外部定时电阻输入端；,Rint:,内部定时电阻引脚；,定时电容输入端。,Cext:,工作原理：,（1）稳态：,（2）暂稳态：,当a点有正脉冲触发信号时，电路进入暂稳态；,电路为不可重复触发单稳触发器,2、触发与定时：,（1）两种触发方式（表10.3.1 74121功能表）：, A1A2=0, 且B为上升沿；, B=1, A1 、A2中一个为下降
12、沿，另一个为1或A1 、A2 都为下降沿；,（2）定时：,单稳电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。,定时电容接引脚10 ，定时电阻R有两种选择：, 利用内部定时电阻Rint ，则接法如下：, 利用外接定时电阻Rext ，则接法如下：,tW 0.7RC,Rext通常取2k 30K ,Rint约为2K ,*可重复触发单稳态触发器74LS123,1、74LS123管脚图,74LS123 包括两个独立的单稳，各管脚以字头 1、2 相区别。单稳输出脉冲的宽度，主要由外接的定时电阻 ( RT ) 和定时电容 ( CT ) 决定。 单稳的翻转时刻决定于 A、B、CLR 三个输入 相与的结果，具体参见它
13、的功能表。,74LS123功能表,74LS123输出脉冲的宽度有三种控制方法:,1. 基本脉冲宽度由外接电阻 ( RT ) 、电容 ( CT ) 决定：当CT 1000PF 时，脉宽 tW 应为,t W = 0. 45 RT CT,74LS123,RT / CT,CT,VCC,CT,RT,74LS123输出脉冲的宽度有三种控制方法:,2. 在清零端 ( CLR ) 加清 0 负脉冲，可提前终止输出脉冲，如下图所示 ：,CLR,Q,图中tW是由电路参数决定的暂稳态时间 ；,实线所表示的 Q 波形则是 CLR 作用的结果。,3. 通过在 A 端或 B 端加再触发脉冲， 可使输出脉冲的宽度加宽 ：,
14、tW 为B的第一次触发所产生的暂稳态时间；,tW 为B的第二次触发所产生的暂稳态时间。,第一次触发尚未结束，又施加第二次触发信号，,其效果如 Q 的实线波形所示。,由于这种单稳可以通过加再触发脉冲增大输出脉冲的宽度，,所以，,它被称为可再触发式单稳 。,单稳的应用多种多样，如 ：整形、延时控制、定时顺序控制等等。,1、定时,利用单稳电路产生脉宽为tW的矩形输出脉冲作为定时信号，去控制某电路，使其在tW时间内动作（或不动作）。,补充: 单稳态触发器的应用,2、延时,1）如延时开关：当按一下开关时路灯就亮了，但当手松开后灯并没有立即灭掉，而是经过一段时间后才灭掉，这里就是单稳态电路的延时应用。,2
15、）从单稳态触发器的工作波形可看出，输出端vo1的上升沿相对于输入信号vi 的上升沿延迟了tW时间。,这种延迟作用常应用于时序控制。,3、构成多谐振荡器,S为起振开关，将S打开，电路开始振荡。,工作原理：,B=1, A1 、A2中一个为下降沿，另一个为1或A1 、A2 都为下降沿。,触发方式： A1A2=0, 且B为上升沿；,设初始状态Q1 =0, Q2=0, S打开后：,第1片：A1 =Q2 =0, A2=1,B由0跳变为1，所 以Q1 从0 跳变为1；,第2片：A2 =B=1, A1= Q1,当Q1暂稳态结束时A1 有下降沿，所以Q2 从0 跳变为1；,设初始状态Q1 =0, Q2=0, S
16、打开后：,第1片：当Q2 暂稳态结束时，A2=B=1, A1=Q2有下降沿，所以Q1 又从0跳变为1；,第2片：A2 =B=1, A1= Q1,当Q1暂稳态结束时A1 有下降沿，所以Q2 又从0跳变为1；,周而复始，形成振荡。,振荡周期T=0.7(R1C1+R2C2),工作波形：,Q1,Q2,4、噪声消除电路,VO,噪声,利用单稳电路，将输出脉宽调节到大于噪声宽度而小于信号宽度，即可消除噪声。,10. 4 多谐振荡器,10. 4. 2 非对称式多谐振荡器,1、电路组成及工作原理：,假定CMOS反相器的电压输出特性为理想化折线，即VON=VOFF ，称之为门坎电平Vth 。,多谐振荡器也叫矩形波
17、振荡器，是一种自激振荡电路，在接通电源后，不需要外加触发信号，就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲。是无稳态电路。,(1)第一暂稳态及电路自动翻转的过程：,设t=0时刻接通电源，电容C尚未充电，初始状态为：,VO1=1,VO2=0,电容C充电,充电,当VI上升到Vth 时:,VI,VO1,VO2,电路迅速翻转为：,VO1=0,VO2=1,正反馈过程,(第二暂稳态),设Vth= VDD/2：,1,0,(第一暂稳态),0,(2)第二暂稳态及电路自动翻转的过程：,电路进入第二暂态的瞬间，,电容C放电,当VI 降至Vth 时:,VI,VO1,VO2,电路迅速翻转为：,VO1=1，,VO2=0,VO2上升到
18、 UDD ：,正反馈过程,1,VI也上跳 UDD，,2、工作波形图：,VDD+ V+,充电,放电,-V-,忽略导通门的导通电阻，充电和放电的时间常数均为RC，用三要素法求解:,1）充电时：VI（0+）0，VI（）=VDD ， =RC,3、振荡周期T的计算：,T1,T2,VDD+ V+,-V-,=Vth,2）放电时：VI（0+） VDD ，VI（）=0 ， =RC,则T= T1+T21.4RC,若Vth=VDD / 2,2）其振荡频率主要取决于R、C的参数及Vth 的大小。而Vth本身就不稳定，因此其频率的稳定性不高。,1）这种形式的多谐振荡器电路是利用回路中的正反馈作用产生自激振荡的；,结论,
19、10.4.3 环形振荡器,环形振荡器:,例如，利用逻辑门电路的传输延迟时间，将奇数个与非门首尾相接，就可以构成一个简单的环形振荡器:,利用闭合回路中的延迟负反馈作用产生自激振荡。,设 uo3 的初始状态为0:,0,1,0,1,0,1,用波形图来表示,则为:,优点: 电路结构简单,所用元件少而精。,缺点: 频率太高,并且不可调整。T=2ntpd,10.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器,T1,T2,T=T1 + T2,若电路使用的是CMOS施密特触发器，且VOHVDD,VOL0,则,图10.4.17 脉冲占空比可调的多谐振荡器,通过改变R1和R2的比值，就能改变占空比。,石英晶体振荡器常用作
20、数字系统的基准信号。,为获得稳定的振荡频率， 可在振荡电路中串接石英晶体，组成石英晶体振荡器，如下图所示。,10. 4. 5 石英晶体多谐振荡器,石英晶体,1、石英晶体的符号和阻抗频率特性：,容性,感性,容性,当外加电压的频率为f0时，它的阻抗最小，因此只有频率为f0 的电压信号最容易通过它，并在电路中形成正反馈，而其他频率的信号均会被石英晶体衰减。,电阻性,f0串联谐振频率,因此，石英晶体振荡器的频率仅由石英晶体固有的串联谐振频率f0 所决定，而与外接电阻、电容无关。,其频率稳定度f0/f0 甚至可达 1010 10-11 量级，因而得到广泛的应用。,2、石英晶体振荡器:,10.5 555定
21、时器及其应用,555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，,由于使用灵活、方便，555定时器在波形的产生与变换、信号的测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到广泛的应用。,利用它能极方便地构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器及其它实用电路。,如：NE555、556（双555）,如：7555、7556 （双555）,电源电压范围为5 16v，最大负载电流可达200mA；,电源电压范围为3 18v，最大负载电流在4mA以下。,10.5.1 555定时器的结构及工作原理,放电端,触发输入,阈值输入,控制电压,3个阻值为5K 的电阻组成的分压器；两个模拟电压比较器 C1、C2 ；,
22、一个SR锁存器 ；一个放电三极管TD 和缓冲器G4。,(1) 电路结构：,(2) 555定时器的工作原理：,5脚悬空时，比较器C1、C2 的比较电压分别为：,比较器C1输出低电平，,比较器C2输出高电平，,SR锁存器被置0，放电三极管TD导通，输出端v0为低电平。,1),比较器C1输出高电平，,比较器C2输出低电平，,SR锁存器被置1，放电三极管TD截止，输出端v0为高电平。,2),比较器C1输出高电平，,比较器C2输出高电平，,SR锁存器状态不变，v0和TD的状态保持。,3),比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，,输出端v0为高电平，放电三极管TD截止。,4),10. 5. 2 用5
23、55定时器接成的施密特触发器,如果5脚外接控制电压vCO ，则改变vCO的大小，就可以调节回差电压的范围。,（1）电源接通瞬间，电路自动进入vo=0的稳定状态；,（2）加入触发信号，电路进入暂稳态1；,vC(0+)=0, vC()=VCC, =RC,tw=RCln31.1RC,？,10. 5. 3 用555定时器接成的单稳触发器,由555定时器构成可重复触发单稳电路：,放电,该电路与前面的电路不同的地方就是在电容两端并接了一个三极管T。,只有在两次触发时间间隔大于tw时，电路才会回到稳态。,t,0,vI,t,0,t,0,vC,vO,这样，当vI 在单稳触发器的暂稳态期间连续触发时，由于T导通能
24、将电容C上的电荷放掉，使6端电压达不到2/3VCC，从而实现重复触发。,vC,555构成的单稳电路作为脉冲宽度调制器：,当控制电压升高时，电路的阈值电压也升高，输出脉冲宽度随之增加；反之，输出脉冲宽度随之减少。,比较电压分别是： vco 和,该电路可以实现电压-频率转换。,vC,tPH,tPL,电路状态保持， vo仍为1；,定时器状态翻转为0，内部放电管TD导通；,电容C通过R2,TD放电，vC下降，降至 时，vO又从0翻转到1，内部放电管TD截止。,当电源接通时，电容C上初始电压为0，电源VCC通过R1和R2对电容C充电，vC上升，在vC 时，由于2端、6端相连，定时器处于置1状态，内部放电
25、管TD截止；,10. 5. 4 用555定时器接成的多谐振荡器,振荡频率的计算：,1)矩形波高电平时间tPH，即充电时间:,tPH =(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C,2)矩形波低电平时间tPL，即放电时间:,tPL =R2Cln20.7R2C,占空比q :脉冲高电平时间与周期的百分比。,占空比可调的多谐振荡器(图10.5.8 ),充电,放电,简易电子琴- 555定时器构成的多谐振荡器：,简易电子琴就是通过改变R2 的阻值来改变输出方波的频率 ， 使外接的喇叭发出不同的音调 。,本章小结,1、施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工作特点和主要用途；,2、555定时器的应用；,3
26、、波形分析方法： （1）分析电路的工作过程，定性地画出电路中各点电压的波形，找出决定电路状态发生转换的控制电压； （2）画出控制电压充、放电的等效电路，并将得到的电路化简； （3）确定每个控制电压充、放电的起始值、终了值和转换值； （4）计算充、放电时间，求出所需的计算结果。,课后练习,10.2（施密特触发器）； 10.7（微分型单稳），10.11（74121）； 10.12（对称式多谐）； 10.20，10.21，10.22（555） 思考题：10.25，10.26,第十章 结 束,该双稳态触发器作为微电机起动、停车的控制电路。,S1 : 起动按钮,S2 : 停车按钮,补充：555定时器构成
27、双稳态触发器,则 TR VCC / 3 ；,未按 S2 ，,TH 2VCC / 3 ，,故 vo = 1 ，,电机转动 。,1）仅按下起动按钮 S1,即使放开 S1 ，,TR VCC / 3 ，,TH 2VCC / 3 ，,vo 保持为 1 ，,电机继续转动 。,电机在转,2）按下停止按钮 S2 ，,TH 2VCC / 3 ，,且 TR VCC / 3 ，,这时 vo = 0 ，,再 松开 S2 ，,TH 2VCC / 3，,TR VCC / 3，,这时 vo保持为 0 ，,电机依然停转。,*多点温度巡回检测,D,C,重点讲解：,测温电桥,模拟多路开关,测温探头也称温度传感器，,其种类很多，,
28、本电路中使用的是一个具有保护外套的半导体二极管。,可知,U+,= - 0.75 V,通过电阻 R2 和 R3 对 6V 稳压值进行分压，,而 U-,故 U- = - 0.75 V,= U+ ，,ID,= I1,这是一个静态电流值 ，,可以通过调节电阻 R3 的大小改变它的数值 。,为使测稳探头具有较明显的温敏特性，,通常 ID 被偏置在 100 A 左右 。,U 为 PN 结的正向压降，,ID 为它的正向电流；,IS 为反向饱和电流；,k 为波尔兹曼常数；,q 为一个电子所带的电荷量；,T 为绝对温度 ；,室温下，UT 近似为 26 mV 。,U = uo - U- = uo + 0.75V,通 过 分 析 推 导 ，,“模拟多路开关” CC 4051 的功能介绍,模拟信号,模拟信号,数字信号,功能特点 ：,1. 用数字信号控制模拟信号 ；,2. 模拟信号为双向传送方式 。,这是一个 CMOS芯片,讲解该逻辑电路的工作过程,
