实验一门电路逻辑功能及测试

28 数字电子技术实验指导书 实验六实验六 脉冲波形的产生与变换脉冲波形的产生与变换 一 实验目的一 实验目的 1 学习利用集成逻辑门 555 定时器设计脉冲信号产生电路 2 掌握影响脉冲波形参数的定时元件参数的计算方法 3 学习脉冲波形整形和分频方法 二 实验用元器件二 实验用元器件 555 定时器 1 CD4060 计数器 1 CD4017 计数译码器 1 电 阻 10M 10k 2 电位器 100k 1 电容器 20pF 2 0 01 F 1 22 F 1 晶体振荡器 32 768k 1 1 555 集成定时器 555 集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件 外加 电阻 电容可以组成性能稳定而精确的多谐振荡器 单稳电路 施密特触发器等 TTL 集成定时器 555 定时器的外引线排列图和内部原理框图如图 6 1 6 2 所示 它 是由上 下两个电压比较器 三个 5k 电阻 一个 RS 触发器 一个放电三极管 T 以及功 率输出级组成 比较器 C1的同相输入端 接到由三个 5 k 电阻组成的分压网络的 2 3Vcc 处 反相输入端 为阀值电压输入端 比较器 C2的反相输入端接到分压电阻网络的 1 3Vcc 处 同相输入端 为触发电压输入端 用来启动电路 两个比较器的输出端控制 RS 触发器 RS 触发器设置有复位端 当复位端处干低电平时 输出 为低电平 控制电压端 是R 比较器 C1的基准电压端 通过外接元件或电压源可改变控制端的电压值 即可改变比较器 C1 C2的参考电压 不用时可将它与地之间接一个 O 01 F 的电容 以防止干扰电压引入 555 的电源电压范围是 4 5 18V 输出电流可达 100 200mA 能直接驱动小型电机 继电 实验六 脉冲波形的产生与变换 29 器和低阻抗扬声器 CMOS 集成定时器 CC7555 的功能和 TTL 集成定时电路完全一样 但驱动 能力小一些 内部结构也不同 555 定时器的功能表见表 6 1 图 6 1 555 电路引脚图 图 6 2 TTL 电路 555 电路结构 表 6 1 555 芯片功能表 TR 触发 TH 阈值 R 复位 D 放电端 OUT 输出 H 导通 L H 原状态 H 截止 H L 导通 L 2 555 定时器的应用 单稳态电路 单稳态电路的组成和波形如图 6 3 所示 当电源接通后 Vcc 通过电阻 R 向电容 C 充电 待电容上电压 Vc 上升到 2 3Vcc 时 RS 触发器置 0 即输出 Vo 0 同时电容 C 通过三极管 T 放电 RS 触发器输入变位 1 1 输出保持不变 当触发端 的外接输入信号电压 CCV 3 1 CCV 3 2 CCV 3 1 CCV 3 2 CCV 3 1 CCV 3 2 30 数字电子技术实验指导书 Vi 1 3Vcc 时 RS 触发器置 1 即输出 Vo 1 同时 三极管 T 截止 电源 Vcc 再次通过 R 向 C 充电 输出电压维持高电平的时间取决于 RC 的充电时间 待电容上电压 Vc 上升到 2 3Vcc 时 RS 触发器置 0 即输出 Vo 0 当 t tW时 电容上的充电电压为 CC RC t CCC VeVv w 3 2 1 所以输出电压的脉宽 tW RCln3 1 1RC 一般 R 取 1k 10M C 1000pF 值得注意的是 t 的重复周期必须大于 tW 才能保证每一个负脉冲起作用 由上式可知 单 稳态电路的暂态时间与 VCC 无关 因此用 555 定时器组成的单稳电路可以作为精密定时器 图 6 3 单稳态电路的电路图和波形图 多谐振荡器 多谐振荡器的电路图和波形图如图 6 4 所示 电源接通后 Vcc 通过电阻 R1 R2向电容 C 充电 当电容上电 VC 2 3Vcc 时 阀值输入端 受到触发 比较器 C1翻转 输出电压 Vo 0 同时放电管 T 导通 电容 C 通过 R2放电 当电容上电压 Vc 1 3Vcc 时 比较器 C2输 出 0 输出电压 Vo 1 C 放电终止 又重新开始充电 周而复始 形成振荡 其振荡周期与 充放电的时间有关 充电时间 CRR VV VV CRRt CCCC CCCC PH 7 0 3 2 3 1 ln 2121 实验六 脉冲波形的产生与变换 31 放电时间 CR VV VV CRt CCCC CCCC PL22 7 0 3 2 3 1 ln 振荡周期 T tPH tPL 0 7 R1 2R2 C 振荡频率 f 1 T CRRtt PLPH 2 43 1 1 21 占空系数 当 R2 R1时 占空系数近似为 50 21 21 2RR RR T t D PH 图 6 4 多谐振荡器的电路图和波形图 由上分析可知 a 电路的振荡周期 T 占空系数 D 仅与外接元件 R1 R2和 C 有关 不受电源电压变化 的影响 b 改变 R1 R2 即可改变占空系数 其值可在较大范围内调节 c 改变 C 的值 可单独改变周期 而不影响占空系数 另外 复位端 也可输入 1 个控制信号 复位端 为低电平时 电路停振 施密特触发器 施密特触发器电路图和波形图如图 6 5 所示 其回差电压为 1 3Vcc 当输入电压大于 2 3Vcc 时输出低电平 当输入电压小于 1 3Vcc 时输出高电平 若在电压控制端 外接可调 32 数字电子技术实验指导书 电压 Vco 1 5 5V 可以改变回差电压 VT 施密特触发器可方便的地把非矩形波变换为矩形波 如三角波到方波 施密特触发器可以将一个不规则的矩形波转换为规则的矩形波 施密特触发器可以选择幅度达到要求的脉冲 虑掉小幅的杂波 图 6 5 施密特触发器电路图和波形图 3 CD4060 是 14 位二进制串行计数器 其 引脚图如图 6 6 由 14 级二进制计数器和非门组成 的振荡器组成 外接振荡电路可以 做时钟源 时钟输入端 下降沿计数 1CP CP0 时钟输出端 反向0CP 时钟输出端 RD清零端为异步清零 作为 2Hz 4Hz 8Hz 等时钟脉 冲源时 典型接线方法如图 6 7 从计数器输出端可以得 到多种 32 678kHz 的分频脉冲 图 6 6 CD4060 引脚图 实验六 脉冲波形的产生与变换 33 可以加上 RC 回路构成时钟源 如图 6 8 其中 T 1 4RC 4 CD4017 是十进制计数器 时序译码器 内部有一个十进 制计数器和一个时序译码器 图 6 9 是其引脚图 CP 为时 钟脉冲输入 上升沿计数 为允许计数 低电平有效 EN 计数时 Q0 Q9 的十个输出端依次为高电平 RD为异步清 零端 RD 1 时 Q0 1 计数器的输出 Q0 Q4 1 时 进位 Co 1 Q5 Q9 1 时 Co 0 普通计数器作为分频时 从计数器输出引脚 可以得到 CP 的 2 4 8 分频的信号 用 N 进制 计数器可以得到 N 分频信号 依此原理用 CD4017 可以方便得到 2 10 分频信号 将 CD4017 输出 端 Q2 Q9 分别与复位端相连 可以构成 2 9 的 分频 如图 6 10 所示构成 3 分频 当高电平移到 Q3 时 计数 器复位 重新计数 3 分频信号可以从 Q0 Q2 中一个输出 不 接反馈复位则可以得到 10 分频 三 预习要求三 预习要求 1 熟悉用 555 集成定时器和外接电阻 电容构成的单稳触 发器 多谐振荡器和施密特触发器的工作原理 2 熟悉 CMOS 门电路与 RC 电路或晶体振荡器组成时钟源的 方法 3 图 6 3 接线图中 当 C 22 F 时 计算 Rw 为多少时 Tw 为 1 秒 4 图 6 4 接线图中 R1 10k R2 10k C 22 F 计算 Rw 为多少时 T 为 1 秒 5 熟悉时钟信号分频的方法 四 实验内容四 实验内容 图 6 6 CD4060 引脚图 图 6 7 4060 作为时钟源 图 6 8 RC 回路作为时钟源 图 6 10 CD4017 应 用 图 6 9 CD4017 引脚图 34 数字电子技术实验指导书 1 用 555 集成定时器构成单稳态电路 按图 6 3 接线 当 C 22 F 时 用负单脉冲输入 到信号 Vi 调节电位器 RW观察单稳时间变化 计算周期 TW的变化范围 2 按图 6 4 所示电路组装占空比可调的多谐振荡器 取 R1 10k R2 10k C 22 F 调节电位器 RW观察振荡信号周期变化 计算周期 T 的变化