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毕业设计论文
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0514、电子学习数字电路教案,毕业设计论文
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第 9章 脉冲信号的产生与整形 学习要点： 多谐振荡器、单稳态触 发器、施密特触 发器的工作原理及逻辑功能。 555定时器的工作原理及逻辑功能。 由 555定时器构成单稳、多谐、施密特触 发器的方法。 nts第六章 脉冲波形的产生和整形 概述 6.2 单稳态触发器 6.1 多谐振荡器 6.3 施密特触发器 6.4 555定时器的原理和应用 nts概述 数字电路区别于模拟电路的主要特点之 一是：它的工作信号是离散时间的脉冲信号。最常用的脉冲信号是方波 (矩形波 )。如何产生方波以及对不理想的方波如何整形，是本章讨论的重点。 脉冲波形的获取： 1）利用脉冲信号产生器直接产生； 2）对已有的信号进行变换，使之满足系统的要求。 nts脉冲信号的产生与整形电路 : 单稳态触发器 多谐振荡器 施密特触发器 脉冲波形的获取： 1）利用脉冲信号产生器直接产生； 2）对已有的信号进行变换，使之满足系统的要求。 nts1. 环形多谐振荡器 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 : & & & 3 2 1 vo3 vo2 vo1 9.1 多谐振荡器 能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。 nts& & & 3 2 1 vo3 vo2 vo1 设 vo3 的初始状态为 0: 0 1 0 1 0 1 用波形图来表示 ,则为 : 0 t vo2 优点 : 电路结构简单 ,所用元件少。 缺点 : 频率太高 , 且不可调整。 f=(1/6)tpd 0 t vo1 0 t vo3 tpd T=6tpd 1. 环形多谐振荡器 nts3 2 1 vo3 vo2 vo1 在该电路的基础上添加 RC延时电路 ,便可以克服上述不足 : 下面将结合它的工作波形说明其工作原理 : v1 vo1 vo2 R C nts0 t vo1 0 t vo2 0 t vo2 0 t vA VT 假设：开始时 v1=1 电容上的放电 电流， vA下降 vAVT时， vo1不翻转。 v1 vo1 vo2 R C A 1 0 1 2. 多谐振荡器 1 1 第二暂稳态。 nts0 t vo1 0 t vo2 0 t vo2 0 t vA VT 当 vA=VT时， vo1翻转，vo2也翻转。 1 v1 vo1 vo2 R C 0 1 0 A 1 第二暂稳态结束，电路进入第一暂稳态。 nts0 t vo1 0 t vo2 0 t vo2 0 t vA VT 由于电容电压不能 突变 ,当 vo2 发生下跳时 ,vA有一突变。 V v1 vo1 vo2 R C A 00 1 1 1 第一暂稳态。 nts0 t vo1 0 t vo2 0 t vo2 0 t vA VT V vo1vo2，电容充电 ,vA上升。 只要 vAtw时， V02的输出边沿变缓，可在其输入端加入微分电路。 rew ttT 11m inntsuiCuA 1 1uo2RG1G2uo1VDDC1R1电路的改进 当 ui的宽度很宽时 ， 可在单稳态触发器的输入端加一个 RC微分电路 ， 否则 ， 在电路由暂稳态返回到稳态时 ， 由于门 G1被 ui封住了 ， 会使 uo2的下降沿变缓 。 nts 14 13 1 2 1 1 1 0 9 8741221 2 3 4 5 6 7( b ) 7 4 1 2 2 的引脚排列图T R- TR-BT R+ AT R+ B RD QG N DRe x t/ Ce x tVCC NCCe x tN C RinQTR-A、 TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端 ， TR+A、TR+B是两个上升沿有效的触发信号输入端 。 Q和是两个状态互补的输出端 。Rext/Cext、 Cext、 Rin3个引出端是供外接定时元件使用的 ，外接定时电阻 R（ R=5k50k） 、 电容 C（ 无限制 ）的接法与 74121相同 。 RD为直接复位输入端 ， 低电平有效 。 当定时电容 C 1000pF时 ，74122的输出脉冲宽度： tp0.32RC ntsRext/Cext、 Cext是外接定时电阻和电容的连接端，（ R=1.4k40k）接在 VCC和 Rext/Cext之间，（ C=10pF10F）接在 Cext（正）和 Rext/Cext之间。 74121内部已设置了一个2k的定时电阻，Rin是其引出端，使用时只需将 Rin与 VCC连接起来即可，不用时则应将 Rin开路。 2 集成单稳态触发器 nts ( a ) 7 4 1 2 1 的引脚排列图 14 13 1 2 1 1 1 0 9 8 74121 1 2 3 4 5 6 7 Re x t/ Ce x tVCC NCNCCe x tRinNC Q N C A1 A2B Q G N D A1、 A2是两个下降沿有效的触发信号输入端 ， B是上升沿有效的触发信号输入端 。Q和是两个状态互补的输出端 。 74121的输出脉冲宽度： tp0.7RC nts74121的输出脉冲宽度： tp0.7RC A1、 A2是两个下降沿有效的触发信号输入端 ， B是上升沿有效的触发信号输入端 。 Q和是两个状态互补的输出端 。 该电路属于不可重复触发的触发器 。 nts可重复触发式 单稳态触发器的输出波形： tW tW B Q 这种单稳可以通过加重复触发脉冲增大输出脉冲的宽度 ,所以 ,可用于检测失落脉冲。 ntsnts3 . 单稳态触发器的应用 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 uo&uiuAu o( a ) 电路示意图 ( b ) 波形图单稳态触发器uou ouiuAtpnts3 . 单稳态触发器的应用 2).延时 利用单稳可以取得延时作用 ,延长的时间可以通过 R、 C调节。 3).方波发生器（多谐振荡） P362 4).消噪声 P363 5).整形 uiuotpntsQA QC QB QD CP CLR R S0 S1 QA QC QB QD CP CLR R S0 S1 A B C D E F G H 7 4 L S 1 9 4 ( 1 ) 7 4 L S 1 9 4 ( 2 ) R2 C2 A Q2 R1 C1 A Q1 B + 5V 移位输入 DW1 DW2 时钟 7 4 L S 1 9 4-四位双向移位寄存器 ntsCP A B C D E F G H Q 1 Q 2 t0 t1 t2 t3 用波形图表示如下 : ntsCP A B C D E F G H Q 1 Q 2 t0 t1 t2 t3 用波形图表示如下 : 移位寄存器清零 H灯上升沿触发 Q1 Q1的下降沿触发 Q2 移位寄存器串行输入为 1 循环重新开始 nts 9.3 施密特触发器 Vi Vi2 R1 R2 Vo2 Vo1 1。起始 Vi=0， Vo2=1 Vi2=0， Vo1=0 ， 2. Vi=VT时 ,由于 Vo1=0 ,所以状态不变 . Vi 使得 Vi 2=VT时 , Vo1=1 , Vo2=0(翻转 ). 此时 Vi 2=R2/(R1+R2) Vi = VT 所以 Vi =(1+R1/R2) VT 1 0 0 1 0 1 1 0 ntsVi Vi2 R1 R2 Vo2 Vo1 3. Vi=VT时 ,翻转 Vo2=1 , Vo1=0. 正向增长的阈值： VT- = VT VT+ =(1+R1/R2) VT 负向增长的阈值 回差电压： VT = VT+ - VT- =(R1/R2) VT VT+ VT- VI VO 0 1 0 1 0 ntsuou i( b ) 逻辑符号( a ) 传输特性uiuoUT UT+0下限阈值电压 上限阈值电压 回差电压 （ 滞回电压 ） ： VT VT VT nts三、施密特触发器的应用： 1、波形的整形及变换，利用回差电压的选择来控制波形。 2、幅度鉴别： 3、多谐振荡器： nts( a ) 4 0 1 0 6 的引脚排列图14 13 1 2 1 1 1 0 9 8401061 2 3 4 5 6 7VDD 4 A4 Y5 A5 Y 6 A 6 Y1 A 1 Y 2 A 2 Y 3 A 3 Y VSS14 13 1 2 1 1 1 0 9 840931 2 3 4 5 6 7( b ) 4 0 9 3 的引脚排列图VDD 3 A3 B3 Y4 Y 4 B 4 A1 A 1 B 1 Y 2 Y 2 B 2 A VSS( a ) 7 4 1 4 的引脚排列图14 13 1 2 1 1 1 0 9 874141 2 3 4 5 6 7VCC 4 A4 Y5 A5 Y 6 A 6 Y1 A 1 Y 2 A 2 Y 3 A 3 Y G N D14 13 1 2 1 1 1 0 9 8741321 2 3 4 5 6 7( b ) 7 4 1 3 2 的引脚排列图VCC 3 A3 B3 Y4 A 4 B 4 Y1 A 1 B 1 Y 2 A 2 B 2 Y G N D集成施密特触发器 nts 9.4 555定时器的原理和应用 555定时器是集模拟电路和数字电路于 一体的电子器件。它使用方便 ,带负载能力较强 , 目前得到了非常广泛的应用。 1。 555定时器的工作原理 555定时器的内部电路包括以下几部分 : 一个由三个相等电阻组成的分压器 两个电压比较器 : A1、 A2 一个 RS 触发器 一个反相器和一个晶体管 T 具体的 结构见后图。 nts1、 555定时器工作原理 触发输入 阈值输入 控制电压 复位端 低 电平有效 放电端 4.5 16V 输出 接地 ntsR S Q Q + + - - A1 A2 VCC TH CO TR D T uo RD 8 7 6 4 5 3 2 1 R R R uo 电源 放电 阈值 控制电压 复位 输出 触发 地 555定时器的原理电路图 ntsnts分压器 比较器 : C1、 C2 RS 触发器 反相器和晶体管 ntsR S Q Q + + - - A1 A2 VCC TH CO TR D T uo RD 8 7 6 4 5 3 2 1 R R R 三个电阻构成的分压器给 两个比较器提供 基准电压 : A1 的为 2VCC / 3 , A2 的为 VCC / 3 。 首先讨论上图中 加彩色部分 的电路的工作原理。 nts1 0 1 0 0 0 阈值端 触发端 TH TR R S 比较的结果 2VCC / 3 小于 2VCC / 3 小于 VCC / 3 大于 VCC / 3 小于 VCC / 3 大于 大于 2VCC / 3 S R + + - - A1 A2 VCC TH CO TR 8 7 6 5 2 1 R R R 阈值端 触发端 ntsR S Q Q + + - - A1 A2 VCC TH CO TR D T uo RD 8 7 6 4 5 3 2 1 R R R 晶体管 T R S Q uo 1 0 0 1 0 0 保持 0 1 1 0 保持 保持 导通 截止 R S Q 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 保持 保持 Q 1 1 禁止 禁止 RS 触发器功能表 nts 综合以上的分析结果 ,便可得到 555的功能表 : 阈值端 触发端 TH TR 2VCC / 3 VCC / 3 大于 大于 2VCC / 3 2VCC / 3 VCC / 3 VCC / 3 小于 小于 小于 大于 保持 保持 RD 晶体管 T uo 0 1 1 1 0 0 1 导通 导通 截止 R S Q Q + + - - A1 A2 VCC TH CO TR D uo RD 8 7 6 4 5 3 2 1 R R R T 同高出低 同低出高 不同保持 复位 ntsVCC / 3 2VCC / 3 vI vO 同高出低 同低出高 不同保持 v I1 v I2 t t ntsCR1uc8 47 36 5 5 52 510 . 0 1 FuoVCCR2ucuotttP1tP20VCC/ 32 VCC/ 30( a ) 电路 ( b ) 工作波形2、由 555定时器构成的多谐振荡器 接通 VCC后 ， VCC经 R1和 R2对 C充电 。 当 uc上升到 2VCC/3时 ， uo=0，T导通 ， C通过 R2和 T放电 ， uc下降 。 当 uc下降到 VCC/3时 ， uo又由0变为 1， T截止 ， VCC又经 R1和 R2对 C充电 。 如此重复上述过程 ，在输出端 uo产生了连续的矩形脉冲 。 ntsCR1uc8 47 36 5 5 52 510 . 0 1 FuoVCCR2ucuotttP1tP20VCC/ 32 VCC/ 30( a ) 电路 ( b ) 工作波形第一个暂稳态的脉冲宽度 t p1 ，即 u c 从 V CC /3 充电上升到 2V CC /3 所需的时间：t p1 0 . 7 ( R 1 + R 2 ) C第二个暂稳态的脉冲宽度 t p2 ，即 u c 从 2V CC /3 放电下降到 V CC /3 所需的时间：t p2 0 . 7 R 2 C振荡周期： T t p1 t p2 0 . 7 ( R 1 2 R 2 ) CntsC1R1uo18 47 36 5 5 5 2 510 . 0 1 Fuo1VCCR2(a) 电路( b ) 工作波形C2R3uo28 47 36 5 5 5 2 510 . 0 1 Fuo2R4C模拟声响电路 将振荡器 的输出电压 uo1，接到振荡器 中 555定时器的复位端（ 4脚），当 uo1为高电平时振荡器 振荡，为低电平时555定时器复位，振荡器 停止震荡。 nts3 由 555定时器构成的单稳态触发器 CRui8 47 36 5 5 52 510 . 0 1 FuoVCCuiuotttP00(a) 电路 ( b ) 工作波形uct02 VCC/3输出脉冲宽度 t p 。t p 1 . 1 RCntsCRui8 47 36 5 5 52 510 . 0 1 FuoVCCuiuotttP00uct02 VCC/3接通 VCC后瞬间 ， VCC通过 R对 C充电 ， 当 uc上升到 2VCC/3时 ，比较器 C1输出为 0， 将触发器置 0， uo 0。 这时 Q=1， 放电管 T导通 ， C通过 T放电 ， 电路进入稳态 。 ui到来时 ， 因为 ui VCC/3， 使 C2 0， 触发器置 1， uo又由 0变为 1， 电路进入暂稳态 。 由于此时 Q=0， 放电管 T截止 ， VCC经 R对C充电 。 虽然此时触发脉冲已消失 ， 比较器 C2的输出变为 1， 但充电继续进行 ， 直到 uc上升到 2VCC/3时 ， 比较器 C1输出为 0， 将触发器置 0， 电路输出 uo 0， T导通 ， C放电 ， 电路恢复到稳定状态 。 nts4 由 555定时器构成的施密特触发器 Rui8 46 75 5 5 32 51uo1+ VCCuiuott00( a ) 电路 ( b ) 工作波形+ VCC1uouCOUT+UT 2 VCC/ 3VCC/ 3控制电压调节回差（ 1 ）当 u i 0 时，由于比较器 C 1 =1 、 C 2 =0 ，触发器置 1 ，即 Q 1 、 0Q ，u o1 u o 1 。 u i 升高时，在未到达 2V CC /3 以前， u o1 u o 1 的状态不会改变。ntsRui8 46 75 5 5 32 51uo1+ VCCuiuott00( a ) 电路 ( b ) 工作波形+ VCC1uouCOUT+UT 2 VCC/ 3VCC/ 3控制电压调节回差（ 1 ）当 u i 0 时，由于比较器 C 1 =1 、 C 2 =0 ，触发器置 1 ，即 Q 1 、 0Q ，u o1 u o 1 。 u i 升高时，在未到达 2V CC /3 以前， u o1 u o 1 的状态不会改变。（ 2 ） u i 升高到 2V CC /3 时，比较器 C 1 输出为 0 、 C 2 输出为 1 ，触发器置 0 ，即Q 0 、 1Q ， u o1 = u o =0 。此 后 ， u i 上升到 V CC ， 然 后 再降 低 ， 但在 未 到 达V CC /3 以前， u o1 u o 0 的状态不会改变。ntsRui8 46 75 5 5 32 51uo1+ VCCuiuott00( a ) 电路 ( b ) 工作波形+ VCC1uouCOUT+UT 2 VCC/ 3VCC/ 3控制电压调节回差（ 1 ）当 u i 0 时，由于比较器 C 1 =1 、 C 2 =0 ，触发器置 1 ，即 Q 1 、 0Q ，u o1 u o 1 。 u i 升高时，在未到达 2V CC /3 以前， u o1 u o 1 的状态不会改变。（ 2 ） u i 升高到 2V CC /3 时，比较器 C 1 输出为 0 、 C 2 输出为 1 ，触发器置 0 ，即Q 0 、 1Q ， u o1 = u o =0 。此 后 ， u i 上升到 V CC ， 然 后 再降 低 ， 但在 未 到 达V CC /3 以前， u o1 u o 0 的状态不会改变。（ 3 ） u i 下降到 2V CC /3 时，比较器 C 1 输出为 1 、 C 2 输出为 0 ，触发器置 1 ，即 Q 1 、 0Q ， u o1 = u o =1 。此后， u i 继续下降到 0 ，但 u o1 u o 1 的状态不会改变。nts4.3.3 施密特触发器的应用 C M O SM O C 等正弦波振荡器11( a ) 慢输入波形的 TTL 系统接口 ( b ) 整形电路的输入、输出波形输入输出UT+UT 1输入输出UT+UT ( c ) 幅度鉴别的输入、输出波形 ( d ) 多谐振荡器CRucuouonts 6.4.2 555定时器的应用 (1). 双稳态触发器 : 微电机起动停车控制电路。 4 8 1 6 2 3 5 S2 S1 R R C VCC TH TR uo M 微电机 555 S1 : 起动按钮 S2 : 停车按钮 nts4 8 1 6 2 3 5 S2 S1 R R C VCC TH TR M 微电机 555 uo 阈值端 触发端 TH TR 大于 大于 小于 小于 小于 大于 保持 保持 RD 晶体管 T uo 0 1 1 1 0 0 1 导通 导通 截止 VCC /3 2VCC /3 VCC /3 2VCC /3 2VCC /3 VCC /3 仅 按下 起动按钮 S1 , 则 TR VCC / 3 , TH 2VCC / 3 , 未按 S1 , 当然 TR VCC / 3 , 这时 uo = 0 , 电机停止运行 。 如果松开 S2 , 电机仍不转动 。 nts(2). 单稳态触发器 : 4 8 1 6 2 3 5 7 uo ui VCC R RT CT D TH TR S 0 t 0 t 0 t ui uCT uo 2VCC /3 TW R S Q Q + + - - A1 A2 VCC TH CO TR D uo RD 8 7 6 4 5 3 2 1 R R R T nts4 8 1 6 2 3 5 7 uo ui VCC R RT CT D TH TR S 若 S打开 , 则 ui = 1 ; 若 S合上 , 则 ui = 0。 0 t ui TH 2VCC /3 , TR VCC /3 按钮 S 处于打开状态时： uo = 0 , 555内的管 T导通 , 电容 CT 被短路 , TH =0.3V 。 0 t uCT 2VCC /3 0 t uo nts4 8 1 6 2 3 5 7 uo ui VCC R RT CT D TH TR S 0 t ui 0 t uCT 2VCC /3 0 t uo 按一下 S , TR 2VCC /3 , 且已 有 TR VCC /3 , uo = 0 ; 555内的晶体管 T也由截止变成导通 , 电容 CT 迅速放电而变成 0V。 0 t ui 0 t uCT 2VCC /3 0 t uo nts4 8 1 6 2 3 5 7 uo ui VCC R RT CT D TH TR S 0 t ui 0 t uCT 2VCC /3 0 t uo 由以上过程可以看出 : 按钮每按动一次 , uo 便输出一个正脉冲 ,其宽度 TW 由 RT CT 决定 。 nts4 8 1 6 2 3 5 7 uo ui VCC R RT CT D TH TR S J J 红 白 D1 D2 按一下 按钮 S 未按 uo 0 J的线圈 不通电 J 的结点 不动作 红灯 白灯 亮 灭 1 通电 闭合 亮 灭 白灯亮的时间即为曝光时间 TW TW = 1.1 RT CT 洗相曝光定时器： （延时灯控制电路） nts(3). 多谐振荡器 : 4 8 1 6 2 3 5 7 R1 R2 C uC 555 D TH TR uo VCC 0 t uo uC 0 t VCC /3 2VCC /3 首先说明如何用 555 定时器构成多谐振荡器 : 输出波形 R S Q Q + + - - A1 A2 VCC TH CO TR D uo RD 8 7 6 4 5 3 2 1 R R R T nts4 8 1 6 2 3 5 7 R1 R2 C uC 555 D TH TR uo VCC 设电容 C 原先未充电 , 故 TH = TR 2VCC /3 , 立即 uo = 0 , 同时 555内的管 T 导通 ,电容 C 经 R2 7# T 1# 放电 , 一直至 VCC /3 , 使得 uo 回到 1 , 进入循环 . t1 t2 t3 4 8 1 6 2 3 5 7 R1 R2 C uC 555 D TH TR uo VCC nts0 t uo uC 0 t VCC /3 2VCC /3 T1 T2 输出方波的 周期 T的计算 : T = T1 + T2 = 0.7 ( R1 + 2R2 ) C 4 8 1 6 2 3 5 7 R1 R2 C uC 555 D TH TR uo VCC nts0 t uo uC 0 t VCC /3 2VCC /3 T1 T2 4 8 1 6
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