脉冲产生电路和定时电路.ppt

主讲 郭世香 课件可登陆以下邮箱下载：sdly_ 登录密码：000000 培训内容 重点掌握各种典型电子电路的功能重点掌握各种典型电子电路的功能 、工作原理、性能指标和分析方法。、工作原理、性能指标和分析方法。 1 1、掌握典型组合逻辑电路掌握典型组合逻辑电路的分析和的分析和 设计方法设计方法 2 2、掌握典型时序逻辑电路的分析与、掌握典型时序逻辑电路的分析与 设计方法设计方法 3 3、集成集成555555定时器定时器应用与电路设计应用与电路设计 第二节第二节 施密特触发器施密特触发器 第四节第四节 多谐振荡器多谐振荡器 第五节第五节 555555定时器及其应用定时器及其应用 退出退出 第三节第三节 单稳态触发器单稳态触发器 第一节第一节 概述概述 第4章 脉冲产生电路和定时电路 第一节第一节 概述概述 在数字电路中，常常需要各种脉冲波形，这些脉冲波 形的获取方法主要有两种：一种是通过整形电路对已有的非 脉冲波形进行变换获取；另一种则是利用脉冲信号产生器（ 即多谐振荡器）直接获取。 施密特触发器和单稳态触发器是两种不同用途的脉 冲波形的整形、变换电路。施密特触发器主要用以将变化缓 慢的或快速变化的非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡 峭的矩形脉冲，而单稳态触发器则是主要用以将宽度不符合 要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。 555定时器是一种多用途集成电路，只要其外部配接 少量阻容元件就可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多 谐振荡器等，使用方便、灵活。因此，在波形变换与产生、 测量控制、家用电器等方面都有广泛的应用。 第二节 施密特触发器 主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿 陡峭的矩形波。 特点： 电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持 和转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平 触发。 电压传输特性特殊，电路有两个转换电平（ 上限触发转换电平UT+和下限触发转换电平UT）。 状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡 峭的矩形脉冲。 一、一、 由门电路构成的施密特触发器由门电路构成的施密特触发器 二、二、 集成施密特触发器集成施密特触发器 三、三、 施密特触发器的应用举例施密特触发器的应用举例 退出退出 一、 由门电路组成的施密特触发器 施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合 于数字电路需要的矩形脉冲的电路。 1.电路结构 两个CMOS反相器，两个分压电阻 。 （a） 电路 （b）逻辑符号 同相输出 反相输出 2.工作原理 设CMOS反相器的阈值电压UTHVDD/2，输入信 号uI为三角波， 。 施密特触发器的工作波形 （1）初始状态 当输输入电压电压时时，G1 ，G2开通，输输出 关闭闭，输输出 （2）电路状态的第一次翻转 输输入电压电压 uI增大时时, 增大，由于u02=0V,所以 也随着 当输输入电压电压 uI上升，使 时时, G1工作在电压传输电压传输 特性的转转折 区(放大区), 正反馈馈使电电路状态态在极短的 时间时间 内发发生翻转转： G2关闭闭 。 G1开通 的微小增大就 会使电电路产产生正反馈过馈过 程: 这时, 输输入电压电压 uI上升到使电电路 状态发态发 生翻转时转时 的值值,称为为正向 阈值电压阈值电压 ,用UT+表示. 可得 此后输输入电压电压 U继续继续 增大时时,由于 UTH,电电路状态态保持不变变。 则 根据 （3）电路状态的第二次翻转 当输输入电压电压 uI由高电电平下降时时, 也随之下降 这时这时 u02=UOH=VDD 所以 当输输入电压电压 uI下降到使UTH时时 电电路又产产生另一个正反馈过馈过 程 正反馈馈又使电电路状态态在极短的时时 间间内产产生另一次翻转转： G2开通 。 G1关闭闭 输输入电压电压 uI下降到使电电路状态发态发 生 翻转时转时 的值值,称为为负负向阈值电压阈值电压 ,用 表示. 根据 可得 将VDD=2UTH代入上式 则 施密特触发发器的两个稳稳定状态态的维维持和转换转换 完全取决于输输入电压电压 的大小.只要输输入电压电压 uI 上 或下降到略小于时时,施密特触升到略大于 峭的矩形脉冲。 发发器的输输出状态态就 会发发生翻转转,从而输输出边边沿陡 3. 回差电压 电压传输特性 反相输出 同向输出 上限触发转 换电平UT+ 下限触发转 换电平UT 二、 集成施密特触发器 1. CMOS集成施密特触发器 集成施密特触发器CC40106和外引线功能图 2. TTL集成施密特触发器 集成施密特触发器74LS14外引线功能图 TTL集成施密特触发器几个主要参数的典型值 器件型号 延迟时间迟时间 （ ns） 每门门功耗（ mW） UT+（ U） UT（U ） UT（U ） 74LS140.6 74LS1320.6 74LS1316.56.7 TTL施密特触发发与非门门和缓缓冲器具有以 下特点： （1）输输入信号边边沿的变变化即使非常缓缓 慢，电电路也能正常工作。 （2）对对于阈值电压阈值电压 和滞回电压电压 均有温 度补偿补偿 。 （3）带负载能力和抗干扰能力都很强 。 三、施密特触发器的应用举例 1. 用于波形变换 将三角波、正弦波及其它不规则信号变换成矩形脉冲。 三角波 矩形波正弦波 矩形波 2. 用作整形电路把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲 。 在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变， 或者边沿产生振荡等。可利用施密特触发器的回差特性，将 受到干扰的信号整形较好的矩形脉冲。 脉冲整形 波形 畸变 边沿 振荡 3. 用于脉冲鉴幅将幅值大于UT+的脉冲选出 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，只有那些幅度大于UT+的脉冲才会在输出端产生输出信号 。可见，施密特触发器具有脉冲鉴幅能力。 脉冲鉴幅 本节小结 在数字电路中，施密特触发器实质上 是具有滞后特性的逻辑门，它有两个阈 值电压。电路状态与输入电压有关，不 具备记忆功能。除施密特反相器外还有 施密特与非门、或非门等。 施密特触发器是一种能够把输入波形 整形成为适合于数字电路需要的矩形脉 冲的电路。而且由于具有滞回特性，所 以抗干扰能力也很强。 施密特触发器在脉冲的产生和整形电 路中应用很广。 特点: 1. 只有两种状态: 稳态和暂稳态； 2. 外来触发脉冲使: 稳态暂稳态稳态； 3. 暂稳态持续时间仅取决于电路参数, 与触发脉冲无关。 用途： 定时：产生一定宽度的方波。 延时：将输入信号延迟一定时间后输出。 整形：把不规则波形变为宽度、幅度都相等的脉冲。 第三节 单稳态触发器 一、一、 由门电路构成的单稳态触发器由门电路构成的单稳态触发器 退出退出 二、二、 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用 1. 电路组成及工作原理 暂稳态是靠RC电路的充放电过程来维持的。 由于图示电路的RC电路接成微分电路形式，故 该电路又称为微分型单稳态触发器。 集成门电路构成的单稳态触发器 一、 由门电路构成的单稳态触发器 （1） 输入信号uI为0时，电路处于稳态。 uI2=VDD，uO=UOL =0，uO1UOH =VDD。 （2）外加触发信号，电路翻转到暂稳态。 当uI产生正跳变时，uO1产生负跳变，经过电容C 耦合，使uI2产生负跳变，G2输出uO产生正跳变；uO的 正跳变反馈到G1输入端，从而导致如下正反馈过程： 工作原理 使电路迅速变为G1导通、G2截止的状态，此时 ，电路处于uO1=UOL、uO=uO2=UOH的状态。然而这一状 态是不能长久保持的，故称为暂稳态。 （3）电容C充电，电路由暂稳态自动返回稳态。 在暂稳态期间，VDD经R对C充电，使uI2上升。当 uI2上升达到G2的UTH时，电路会发生如下正反馈过程： 使电路迅速由暂稳态返回稳态，uO1=UOH、uO= uO2=UOL。 从暂稳态自动返回稳态之后，电容C将通过电阻 R放电，使电容上的电压恢复到稳态时的初始值。 单稳态触发器工作波形 2. 主要参数 （2）输出脉冲宽度tw 输出脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间。根据 uI2的波形可以计算出： tw 0.7RC （1） 恢复时间tre 暂稳态结束后，电路需要一段时间恢复到初始状 态。一般，恢复时间tre为（35）放电时间常数（通 常放电时间常数远小于RC）。 设触发信号的时间间隔为T，为了使单稳态触发 器能够正常工作，应当满足Ttw +tre的条件，即 Tmin= tw +tre。因此，单稳态触发器的最高工作频率 为fmax = 1/ Tmin = 1/（tw +tre） 在使用微分型单稳态触发器时，输入触发脉冲uI的 宽度tw1应小于输出脉冲的宽度tw，即tw1tw，否则电 路不能正常工作。 如出现tw1tw的情况时，可在触发信号源uI和G1 输入端之间接入一个RC微分电路。 3. 对输入触发脉冲宽度的要求 （3）最高工作频率fmax（或最小工作周期Tmin） 1. 脉冲延时 单稳态触发器的主要应用是整形、定时和延时。 单稳电路的延时作用 如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳 电路来实现。 uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间。 二、单稳态触发器的应用 2. 脉冲定时 单稳态触发器能够产生一定宽度tw的矩形脉冲 ，利用这个脉冲去控制某一电路，则可使它在tw时 间内动作(或者不动作)。 脉冲定时 本节小结 单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成 的单稳态触发器和基本RS触发器在结构上也极为 相似，只有用于反馈的耦合网络不同。 在单稳态触发器中，由一个暂稳态过渡到稳 态，其“触发”信号也是由电路内部电容充（放 ）电提供的，暂稳态的持续时间即脉冲宽度也由 电路的阻容元件决定。 单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但 却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途 很广。 多谐振荡器是一种在接通电源后，就能产生一定 频率和一定幅值矩形脉冲波的自激振荡，常用来做脉 冲信号源。 多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有 两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形脉冲 信号，因此它又称作无稳态电路。 第四节 多谐振荡器 多谐振荡器的逻 辑符号 1. 电路结构 由两个TTL反相器经电容交叉耦合而成。 通常令C1=C2=C，R1=R2=RF。 为了使静态时反相器工作在转折区，具有较强的 放大能力，应满足ROFFRFRON的条件。 对称式多谐振荡器 2.工作原理 假定接通电源后，由于某种原因使uI1有微小正跳 变，则必然会引起如下的正反馈过程 ： 使uO1迅速跳变为低电平、uO2迅速跳变为高电平 ，电路进入第一暂稳态。 此后，uO2的高电平对C1电容充电使uI2升高，电 容C2放电使uI1降低。由于充电时间常数小于放电时 间常数，所以充电速度较快，uI2首先上升到G2的阈 值电压UTH，并引起如下的正反馈过程： 使uO2迅速跳变为低电平、uO1迅速跳变为高电平 ，电路进入第二暂稳态。 此后，C1放电、C2充电，C2充电使uI1上升，会 引起又一次正反馈过程，电路又回到第一暂稳态。 这样，周而复始，电路不停地在两个暂稳态之 间振荡，输出端产生了矩形脉冲。 对称式多谐振荡器的工作波形 3. 主要参数 矩形脉冲的振荡周期为 T1.4RFC 当取RF1k、CI00 pF100 F时，则该电 路的振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内变化。 本节小结 多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输 入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。 由门电路构成的多谐振荡器和基本RS触发器在结 构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。RS触 发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以又称 为无稳电路。 在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂 稳态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电 提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡 周期与电路的阻容元件有关。 第五节 555定时器及其应用 555555定时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式 定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个三个5k5k的电阻而得名 。此电路后来竟风靡世界。 555定时器可以说是模拟电路与数字电 路结合的典范。两个比较器 C1和C2各有一个输入端连接到三个电 阻R组成的分压器上，比较器的输出接RS触发器。此外还有输出级 和放电管。 无论是用555做单稳电路单稳电路（也就是定时电路定时电路），还是无稳电路 （也就是振荡器），都是靠其外部所接电容的充放电来完成的，其 定时时间或振荡频率，都与电容的充放电的快慢有关，再者当初设 计这款电路只是为了定时，并没有想到它的功能会那么强大，应用 会那么普遍，起初就叫它为定时器起初就叫它为定时器了，但它后来的用途远远超出了 定时作用。 第五节 555定时器及其应用 555定时器是一种多用途的单片中规模集成电 路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容 元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而 在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电 子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。 目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型， 其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。 通常，双极型产品型号最后的三位数码都是555， CMOS产品型号的最后四位数码都是7555，它们的结 构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。 一、一、 555555定时器的电路结构与工作原理定时器的电路结构与工作原理 三、三、用用555555定时器组成的单稳态触发器定时器组成的单稳态触发器 四、四、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 退退 出出 二、二、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 一、 555定时器的电路结构与工作原理 1. 电路结构 CB555CB555的电路结构图的电路结构图 电阻分压器 电压比较器 基本RS触发器 缓冲器 放电三极管 （1） 电阻分压器 由3个5k的电阻R组成，为电压比较器C1和C2 提供基准电压。 （2） 电压比较器 C1和C2。当UU时， UC输出高电平，反之 则输出低电平。 CO为控制电压输入端。 当CO悬空时，VR12/3VCC，VR21/3VCC。 当COVCO时，VR1UCO，VR21/2UCO 高触发端 低触发端 （3） 基本RS触发器 其置0和置1端为低电平有效触发。 为复位输入端.为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo 为低电平。正常工作时，一般应将其接高电平。 （4） 放电管T T是集电极开路的三极管。相当于一个受控电子开关。 输出为0时，T导通，输出为1时，T截止。 （5）缓冲器 缓冲器由G3和G4构成，用于提高电路的负载能 力。 2、工作原理 （1）当vI1 ，vI2 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V导通，输 出端vO为低电平。 （2）当vI1 时，比较器 C1输出高电平， C2也输出高电平，即基本RS触发器R=1，S=1，触发器状态不 变，电路亦保持原状态不变。 不变不变1 导通01 截止11 导通00 放电管 T 输出 (VO) 复位(RD) 触发输入 (VI2) 阈值输入 (VI1) 输 出输 入 555定时器功能表 思考：施密特触发器的特点？ 回差特性：上升过程和下降过程有不同的转 换电平UT和UT。 如何与555定时器发生联系？ 将定时器5G555的阈值输入端TH和触发输入端连 在一起，作为触发信号vI的输入端，并从OUT端取输 出v0，便构成了一个反相输出的施密特触发器。 二、 由555定时器接成的施密特振荡器 1. 电路组成 555定时器构成的施密特触发器 滤波电容， 提高基准电 压VR1和VR2 的稳定性。 施密特触发器的工作波形 2.工作原理 当输入vI 时，电压 比较器C1和C2的输出vC1=1、 vC2=0,基本RS触发器置1，Q=1 、=0,这时，输出v0=VOH。 当输入 vI 时，两 个电压比较器C1和C2的输出vC1=1 、vC2=1，基本RS触发器保持原 状态不变，即输出v0=VOH。