数字钟脉冲产生ppt课件

1、实验七实验七 脉冲波的产生与脉冲波的产生与555555运用运用 一、实验目的一、实验目的1 1、掌握石英晶体振荡器及集成分频器的运用方法、掌握石英晶体振荡器及集成分频器的运用方法2 2、熟习、熟习555555电路的任务原理及分析方法。电路的任务原理及分析方法。3 3、掌握、掌握555555集成定时器构成脉冲电路的方法及设计过程。集成定时器构成脉冲电路的方法及设计过程。4 4、掌握定时元件、掌握定时元件RCRC对振荡周期和脉冲宽度的影响及对振荡周期和脉冲宽度的影响及tWtW计算。计算。二、实验器材二、实验器材 数字电路实验箱、双踪示波器、频率计各一台；数字电路实验箱、双踪示波器、频率计各一台；

2、CD4060CD4060、 32.768KHz32.768KHz晶振、晶振、NE555NE555各一只；各一只；10K10K、100K100K电阻；电阻；1uF1uF、0.1uF0.1uF电容；电位器。电容；电位器。三、实验原理三、实验原理1 1、脉冲波的获得、脉冲波的获得 在数字系统中，常需求各种不同频率的在数字系统中，常需求各种不同频率的脉冲信号，或者需求一定宽度和幅度的脉冲脉冲信号，或者需求一定宽度和幅度的脉冲信号，来完成各种不同的控制要求。有如下信号，来完成各种不同的控制要求。有如下两种方法获得脉冲波：两种方法获得脉冲波： 1 1自激多谐振荡器自激多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡器

3、，在接通多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需求外加触发信号，便能自动电源以后，不需求外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的地产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。器叫做多谐振荡器。 常用门电路和单片集成电路组成多谐振常用门电路和单片集成电路组成多谐振荡器、环形振荡器和石英振荡器，它不需求荡器、环形振荡器和石英振荡器，它不需求外接输入信号。外接输入信号。 2 2脉冲整形电路脉冲整形电路 它是把外界输入信号如正弦波等变它是把外界输入信号如正弦波等变换成为脉冲波。常用门电路和

4、单片集成电路换成为脉冲波。常用门电路和单片集成电路组成单稳态触发器和施密特触发器。组成单稳态触发器和施密特触发器。下面给出了三种由下面给出了三种由TTLTTL门门构成的多谐振荡器电路构成的多谐振荡器电路1 1、对称式多谐振荡器电路、对称式多谐振荡器电路 2 2、非对称多谐振荡器电路、非对称多谐振荡器电路 3 3、最简单的环形振荡器、最简单的环形振荡器 这种由门电路构成的几种多谐振荡器电路难以这种由门电路构成的几种多谐振荡器电路难以满足要求。由于在这些多谐振荡器中振荡频率主满足要求。由于在这些多谐振荡器中振荡频率主要取决于门电路输入电压在充、放电过程中到达要取决于门电路输入电压在充、放电过程中到

5、达转换电平所需求的时间，所以频率稳定性不能够转换电平所需求的时间，所以频率稳定性不能够很高。很高。由于：由于：1 1这些振荡器中门电路的转换电平这些振荡器中门电路的转换电平VTHVTH本身就不够本身就不够稳定，容易受电源电压和温度变化的影响；稳定，容易受电源电压和温度变化的影响；2 2 这些电路的任务方式容易受干扰，呵斥电路形这些电路的任务方式容易受干扰，呵斥电路形状转换时间的提早或滞后；状转换时间的提早或滞后；3 3 在电路形状临近转换时电容的充、放电曾经比在电路形状临近转换时电容的充、放电曾经比较缓慢，在这种情况下转换电平微小的变化或细微较缓慢，在这种情况下转换电平微小的变化或细微的干扰都

6、会严重影响振荡周期。的干扰都会严重影响振荡周期。所以：所以：TTLTTL门多谐振荡器只适用于对频稳度要求不高门多谐振荡器只适用于对频稳度要求不高的场所。的场所。 在许多运用场所下都对多谐振荡器的振荡频率稳在许多运用场所下都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严厉的要求。例如在将多谐振荡器作为数字定性有严厉的要求。例如在将多谐振荡器作为数字钟的脉冲源运用时，它的频率稳定性直接影响着计钟的脉冲源运用时，它的频率稳定性直接影响着计时的准确性。时的准确性。对频率稳定度有较高要求时，必需采取稳频措施。目对频率稳定度有较高要求时，必需采取稳频措施。目前普遍采用的一种稳频方法是在多谐振荡器电路中前普遍采用的一种稳

7、频方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。2 2、石英晶体多谐振荡器、石英晶体多谐振荡器石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决议，具有极高的方向和外形尺寸所决议，具有极高的频率稳定性。它的频率稳定度频率稳定性。它的频率稳定度( (fofofo)fo)可达可达10-610-610-1110-11，足以满足大多，足以满足大多数数字系统对频率稳定度的要求。数数字系统对频率稳定度的要求。石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率石英晶体的固有谐振频

8、率fofo，而与外，而与外接电阻，电容无关。接电阻，电容无关。 图示电路中，假设取图示电路中，假设取TTLTTL电路电路74LS0474LS04用作用作G1G1和和G2G2两个反相器，两个反相器，RF=1K,C=0.01RF=1K,C=0.01F F，那么其任务，那么其任务频率可达几十频率可达几十MHzMHz，频率稳定度，频率稳定度可保证频率偏向在数十可保证频率偏向在数十HzHz以下。以下。 3 3、集成振荡、集成振荡/ /分频集成电路分频集成电路CD4060CD4060 CD4060CD4060是是CMOS14CMOS14位二进制串行计数分频器，任位二进制串行计数分频器，任务电压范围务电压范

9、围3-15V3-15V。 CD4060CD4060片内集成了振荡电路，在其外引脚上只需片内集成了振荡电路，在其外引脚上只需接一个晶振和两个电容、一个电阻即可很容易地接一个晶振和两个电容、一个电阻即可很容易地起振。起振。 右图中右图中Q4Q4、Q5Q5、Q14 Q14 分别对应分别对应于晶振频率的于晶振频率的2n2n分频方波频率输出；分频方波频率输出； Reset Reset为复位端，高电平复位，运为复位端，高电平复位，运用时接低电平；用时接低电平； Clock Clock与与OUT1OUT1是外部振荡电路输入是外部振荡电路输入端，端，OUT2OUT2为振荡反向输出端。为振荡反向输出端。CD40

10、60的外引脚图。的外引脚图。CD4060CD4060内部构造详图内部构造详图 从图中可见，最大从图中可见，最大214214分频实践上是经过分频实践上是经过1414位异位异步计数器级联实现的。步计数器级联实现的。CD4060CD4060内部未将内部未将2121、2222、2323分频引出分频引出CD4060CD4060构成振荡器典型电路构成振荡器典型电路 RC振荡器振荡器 晶体振荡器晶体振荡器从图中可见从图中可见CLOCKCLOCK、OUT1OUT1、OUT2OUT2的内部衔接与外引脚关系的内部衔接与外引脚关系 555555定时器是一种多用途的数字定时器是一种多用途的数字- -模拟混合集成电模拟

11、混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。态触发器和多谐振荡器。 由于运用灵敏、方便，所以由于运用灵敏、方便，所以555555定时器在波形的产定时器在波形的产生与变换、丈量与控制、家用电器、电子玩具等生与变换、丈量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了运用。许多领域中都得到了运用。 4 4、555555定时器定时器1 1 用用555555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器 将将555555定时器的定时器的UI1UI1和和UI2 UI2 两个输入端连在一同两个输入端连在一同 2 2脚与脚与6 6脚作为

12、脚作为UIUI信号输入端，即构成施密特触信号输入端，即构成施密特触发器。发器。 电路的回差电压为电路的回差电压为 假设参考电压由外接的电压假设参考电压由外接的电压VCCVCC供应，那么不难看供应，那么不难看出这时：出这时： 经过改动经过改动VCOVCO值可以调理回差电压的大小。值可以调理回差电压的大小。13TTTCCVVVVTCOVV12TCOVV12TCOVV2 2用用555555定时器接成的单稳态触发器定时器接成的单稳态触发器 假设以假设以555555定时器的定时器的UI2UI2端作为触发信号的输入端，端作为触发信号的输入端，并将由并将由TDTD和和R R组成的反相器输出电压组成的反相器输

13、出电压UCUC接至接至UI1UI1端，同端，同时在时在UI1UI1对地接入电容对地接入电容C C，就构成了单稳态触发器。，就构成了单稳态触发器。 电压波形图电压波形图 输出脉冲的宽度输出脉冲的宽度twtw等于暂稳态的继续时间，而暂等于暂稳态的继续时间，而暂稳态的继续时间取决于外接电阻稳态的继续时间取决于外接电阻R R和电容和电容C C的大小。的大小。由电压波形图可知，由电压波形图可知，twtw等于电容电压在充电过程中等于电容电压在充电过程中从从0 0上升到上升到 所需求的时间，因此得到：所需求的时间，因此得到：23CCV0ln23ln 31.1CCwCCCCVtRCVVRCRC 通常通常R的取

14、值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范围为几百皮法到几百微法，围为几百皮法到几百微法，tw的范围为几微秒到几分钟。但必的范围为几微秒到几分钟。但必需留意，随着需留意，随着tw的宽度添加它的精度和稳定度也将下降。的宽度添加它的精度和稳定度也将下降。3 3用用555555定时器接成的多谐振荡器定时器接成的多谐振荡器 将555定时器的UI1和UI2连在一同接成施密特触发器，然后再将UO经RC积分电路接回输入端就构成了多谐振荡器。 分析电路可知，电容上的电压分析电路可知，电容上的电压UCUC将在将在VT+VT+与与VT-VT-之间之间往复振荡，往复振荡，U

15、CUC和和UOUO的波形如下图。的波形如下图。 C 由由 的波形求得电容的波形求得电容C的充的充电时间电时间T1和放电时间和放电时间T2各为：各为：11212()ln()ln2CCTCCTVVTRR CVVRR C2220ln0ln 2TTVTR CVR C故电路的振荡周期为：故电路的振荡周期为：1212(2)ln2TTTRR C振荡频率为：振荡频率为： 1211(2)ln2fTRR C经过改动经过改动R R和和C C的参数即可改动振荡频率。的参数即可改动振荡频率。 输出脉冲的占空比为：输出脉冲的占空比为： 112122TRRqTRR四、实验内容四、实验内容1 1、晶体振荡器及分频实验、晶体振

16、荡器及分频实验 在实验箱上完成以下图电路衔接在实验箱上完成以下图电路衔接 CD4060 CD4060外引脚图外引脚图 CD4060CD4060振荡电路衔接图振荡电路衔接图 测试内容：测试内容：1 1用示波器依次察看用示波器依次察看Q4Q4、Q5Q14Q5Q14输出端输出端波形，记录周期，并计算出频率；并画出波形，记录周期，并计算出频率；并画出Q4Q4、Q5Q5端波形端波形2 2用频率计依次丈量用频率计依次丈量Q4Q4、Q5Q14Q5Q14输出信输出信号的频率，并与前面的计算值比较；号的频率，并与前面的计算值比较；3 3Q14Q14输出端所接的输出端所接的D D触发器构成二分频电触发器构成二分频

17、电路，在其输出接路，在其输出接LEDLED，Q14Q14、Q13Q13分别接分别接2 2个个LEDLED，察看并定性记录实验景象。，察看并定性记录实验景象。4 4经过计算，得出经过计算，得出CD4060CD4060各输出端实际上各输出端实际上的输出频率，与前面的测试值列表比较。的输出频率，与前面的测试值列表比较。 留意：示波器在测留意：示波器在测试很低的频率时，扫试很低的频率时，扫描线呈闪烁状，此时描线呈闪烁状，此时估算周期即可。估算周期即可。 想想这是为什么？想想这是为什么？2 2、555555多谐振荡器多谐振荡器对照以下图接线，输出端对照以下图接线，输出端3 3接接LEDLED和示波和示波

18、器；器；接通电源，仔细调整接通电源，仔细调整47K47K电位器电位器RW RW ，使使555555起振，这时可看到起振，这时可看到LEDLED发光管闪发光管闪烁，调理烁，调理RWRW的值，可从示波器上观测的值，可从示波器上观测到脉冲波形的周期发生变化；到脉冲波形的周期发生变化；(3)(3)向两个方向分别调理向两个方向分别调理RWRW，在示波器上，在示波器上读出使电路起振时所对应的信号波形读出使电路起振时所对应的信号波形的最大周期与最小周期，并计算出此的最大周期与最小周期，并计算出此振荡器所对应的频率。振荡器所对应的频率。(4)(4)调理调理RWRW使占空比使占空比 为为50%,50%,记录此时

19、记录此时 的波形周期，计算的波形周期，计算 频率。频率。3 3、555555施密特触发器施密特触发器对照以下图接线。其中对照以下图接线。其中555555的的2 2和和6 6脚接在脚接在一同，用函数信号发生器提供一同，用函数信号发生器提供Vp-pVp-p为为5V5V，频率为，频率为1KHz1KHz的三角波，的三角波，UIUI和和UOUO端端接双踪示波器。接双踪示波器。(2) (2) 接线无误后，接通电源，在示波器接线无误后，接通电源，在示波器的跟踪下，将输入三角波加适当的直的跟踪下，将输入三角波加适当的直流偏移使其为单极性三角波；流偏移使其为单极性三角波； (3) (3) 调理调理RWRW，察看

20、示波器输出波形的变，察看示波器输出波形的变化。察看并画出输入、输出波形的外化。察看并画出输入、输出波形的外形。形。留意：由于函数信号发生器输出留意：由于函数信号发生器输出的三角波为双极性的，而的三角波为双极性的，而555555为为单电源供电，因此需求给输出三单电源供电，因此需求给输出三角波加直流偏移，使其恰好为单角波加直流偏移，使其恰好为单极性三角波，才干提供应极性三角波，才干提供应555555做做整形用，否那么回出现底部切顶整形用，否那么回出现底部切顶景象。景象。4 4、555555单稳态触发器单稳态触发器(1) (1) 按以下图接线，按以下图接线，UIUI接接1KHz1KHz延续脉冲，延续脉冲，输出输出UOUO接示波器。接示波器。(2) (2) 调理调理10k10k电位器，在电位器的两个电位器，在电位器的两个临界位置点，察看并画出输入、输出临界位置点，察看并