数字电子技术基础全套课件-10[课件材料]

1、第第 十十 章章 脉 冲 波 形 的 -产生和整形 1行业材料 教学内容 10.1 概述 10.2 施密特触发器 10.3 单稳态触发器 10.4 多谐振荡器 10.5 555定时器及其应用 教学要求教学要求 一一. .重点掌握的内容：重点掌握的内容： (1)555定时器及其应用定时器及其应用. (2)石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器. 二二. .一般掌握的内容：一般掌握的内容： (1)施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工 作特点和典型应用。作特点和典型应用。 (2)施密特触发器、单稳态触发器输入电压与输出电施密特触发器、单稳态触发器输入电压

2、与输出电 压之间的关系；多谐振荡器振荡周期的估算方法。压之间的关系；多谐振荡器振荡周期的估算方法。 10.1 概述概述 矩形脉冲信矩形脉冲信 号的获取方号的获取方 法有两种：法有两种： 产生产生:不用信号源，加上电源自不用信号源，加上电源自 激振荡，直接产生波形。激振荡，直接产生波形。 整形整形:输入信号源进行整形输入信号源进行整形. 脉冲产生电路脉冲产生电路:多谐振荡器多谐振荡器 脉冲整形（变换）电路脉冲整形（变换）电路:施密特触发器、施密特触发器、 单稳态触发器单稳态触发器 脉冲周期脉冲周期T 脉冲幅度脉冲幅度 Vm 脉冲宽度脉冲宽度 W t 上升时间上升时间tr 下降时间下降时间 tf

3、占空比：占空比： Ttq W / 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。数字电路需要的矩形脉冲的电路。 10.2 施密特触发器施密特触发器 10.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器 设设G1、G2阈值电阈值电 压压VTHVDD/2， R1R2（否则电（否则电 路进入自锁状态路进入自锁状态, 不能正常工作）不能正常工作） 01 0 0 I v OOAI vvvv 1 TTHA V RR R Vv 21 2 THTHT V R R V R RR V)1 ( 2 1 2 21 1 I v

4、OOAI vvvv 1 THT V R R V)1 ( 2 1 正向阈值电压正向阈值电压 负向阈值电压负向阈值电压 回差电压：回差电压： V VT T V VT T V VT T 滞回电压传输特性滞回电压传输特性，即输入电压的上升过程和下降过，即输入电压的上升过程和下降过 程的阈值电平不同。这是施密特触发器固有的特性。程的阈值电平不同。这是施密特触发器固有的特性。 同相输出的施密特触发器同相输出的施密特触发器 反相输出的施密特触发器反相输出的施密特触发器 10.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用 1.用于波形变换：用于波形变换： 2. 用用 于于 脉脉 冲冲 整整 形：形： 3. 用

5、用 于于 脉脉 冲冲 鉴鉴 幅：幅： 施密特触发器能将幅度大于施密特触发器能将幅度大于VT+的脉冲选出。的脉冲选出。 4.用于构成多谐振荡器：用于构成多谐振荡器： 本节小结本节小结 施密特触发器具有施密特触发器具有两个稳定的状态两个稳定的状态，是一种能，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。而且由于具有脉冲的电路。而且由于具有滞回特性滞回特性，所以抗干扰，所以抗干扰 能力也很强。能力也很强。 施密特触发器可以由分立元件构成，也可以由施密特触发器可以由分立元件构成，也可以由 门电路及门电路及555555定时器构成。定时器构

6、成。 施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用 很广。很广。 10.3 单稳态触发器单稳态触发器 工作特点：工作特点： 1 1、电路中有、电路中有一个稳态一个稳态和和一个暂稳态一个暂稳态两个工作状态；两个工作状态； 2 2、在外界触发脉冲作用下，电路能从稳态翻、在外界触发脉冲作用下，电路能从稳态翻 转转 至暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动翻转至暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动翻转 至稳态；至稳态； 3 3、暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的、暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的 参参 数与触发脉冲无关。数与触发脉冲无关。 10.3.1 用门

7、电路组成的单稳态触发器用门电路组成的单稳态触发器 单稳态触发器因为电路具有一个稳定状态单稳态触发器因为电路具有一个稳定状态 而得名。它由两个门电路、一个而得名。它由两个门电路、一个RC电路组成。电路组成。 它的暂稳态通常都是靠它的暂稳态通常都是靠RC电路的充、放电过电路的充、放电过 程来维持的，根据程来维持的，根据RC电路的不同接法，分为电路的不同接法，分为 微分型和积分型。微分型和积分型。 0 1 0 1 0 1 稳态稳态 没有触发器电平时，没有触发器电平时， vI为低电平，为低电平，vO为低电为低电 平，平，vO1为高电平。为高电平。 稳态至暂稳态稳态至暂稳态 当当vI正跳变时，正跳变时，

8、vO1由高到由高到 低，低，vI2为低电平。于是为低电平。于是vO为为 高电平。即使高电平。即使vI 触发器信号触发器信号 撤除，由于撤除，由于vO的作用，的作用，vO1仍仍 可为低电平。可为低电平。 1 1 0 1 0 暂稳态至稳态暂稳态至稳态 暂稳态期间，电源经电阻暂稳态期间，电源经电阻 R和门和门G1对电容对电容C充电，充电，vI2升升 高，当高，当vI2=VTH时，时，vO下降，下降， vO1上升，但使上升，但使vI2再次升高，再次升高， 最终最终vO1=1，vO=0。 00 1 0 1 脉冲宽度要窄脉冲宽度要窄 tW=0.69RC 当当vI的脉冲宽度很宽时，在单稳态触发器的脉冲宽度很

9、宽时，在单稳态触发器 的输入端加一个的输入端加一个RC微分电路，否则，在电路由微分电路，否则，在电路由 暂稳态返回到稳态时，由于门暂稳态返回到稳态时，由于门G1被被vI封住了，封住了， 会使会使vo的下降沿变缓。的下降沿变缓。 10.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 功能表见表功能表见表10.3.1 tW=0.69RextCext 图图10.3.10 外接电阻外接电阻 （下降沿触发）（下降沿触发） 内部电阻内部电阻 （上升沿触发）（上升沿触发） 目前使用的集成单稳态触发器目前使用的集成单稳态触发器 有有不可重复触发型不可重复触发型和和可重复触发可重复触发 型型两种。不可重复触发的单稳态

10、两种。不可重复触发的单稳态 触发器一旦被触发进入暂稳态后，触发器一旦被触发进入暂稳态后， 再加入触发脉冲不会影响电路的再加入触发脉冲不会影响电路的 工作过程，必须在暂稳态结束后，工作过程，必须在暂稳态结束后， 才接受下一个触发脉冲而转入暂才接受下一个触发脉冲而转入暂 稳态。可重复触发的单稳态触发稳态。可重复触发的单稳态触发 器进入暂稳态后，如果再次加入器进入暂稳态后，如果再次加入 触发脉冲，电路将重新被触发，触发脉冲，电路将重新被触发， 使输出脉冲再继续维持一个使输出脉冲再继续维持一个tW宽度。宽度。 不可重复触发型不可重复触发型 可重复触发型可重复触发型 10.3.3 单稳态触发器的应用单稳

11、态触发器的应用 1、定时、定时 只有在脉冲宽度只有在脉冲宽度 tpo内内 的信号才能通过。的信号才能通过。 2、延时与整形、延时与整形 可将脉冲宽可将脉冲宽 度不等的矩形脉度不等的矩形脉 冲整形成脉冲宽冲整形成脉冲宽 度相等的矩形波。度相等的矩形波。 通常噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号都具有通常噪声多表现为尖脉冲，宽度较窄，而有用的信号都具有 一定的宽度。因此，利用单稳态电路，将输出脉宽调节到大一定的宽度。因此，利用单稳态电路，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。于噪声宽度而小于信号宽度即可消除噪声。 3、消除噪声、消除噪声 本节小结本节小结 单稳态触发器具有

12、单稳态触发器具有一个稳态一个稳态和和一个暂稳态一个暂稳态。 在在单稳态触发器中单稳态触发器中,由稳态到暂稳态需要输入触发由稳态到暂稳态需要输入触发 脉冲脉冲,暂稳态的持续时间即暂稳态的持续时间即脉冲宽度脉冲宽度是由电路的阻是由电路的阻 容元件容元件RC决定的决定的,与输入信号无关。与输入信号无关。 单稳态触发器可以由门电路构成，也可以单稳态触发器可以由门电路构成，也可以 由由555555定时器构成。定时器构成。 单稳态触发器可以用于产生固定宽度的脉冲单稳态触发器可以用于产生固定宽度的脉冲 信号，用途很广。信号，用途很广。 10.4 多谐振荡器多谐振荡器 多谐振荡器又称无稳电路多谐振荡器又称无稳

13、电路，主要用于产生各种，主要用于产生各种 方波或时间脉冲信号方波或时间脉冲信号。它是一种自激振荡器，在接。它是一种自激振荡器，在接 通电源之后，不需要外加触发信号，便能自动地产通电源之后，不需要外加触发信号，便能自动地产 生矩形脉冲波。由于矩形脉冲波中含有丰富的高次生矩形脉冲波。由于矩形脉冲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器称为多谐谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器称为多谐 振荡器。振荡器。 性能特点：性能特点： 没有稳态，有没有稳态，有两个暂稳态 两个暂稳态。 工作工作不需要外加信号源不需要外加信号源，只需要电源。，只需要电源。 10.4.1 对称式多谐振荡器对称式多

14、谐振荡器 T1.3RFC 10.4.2 非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器 T2.2RFC 10.4.3 环形振荡器环形振荡器 利用延迟负反馈产生振荡。将任何大于、利用延迟负反馈产生振荡。将任何大于、 等于等于3的的奇数个奇数个反相器首尾相连接成环形电路，反相器首尾相连接成环形电路， 都能产生自激振荡。电路简单，但不实用。都能产生自激振荡。电路简单，但不实用。 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0T=2ntpd 10.4.4 施密特触发器构成的多谐振荡器施密特触发器构成的多谐振荡器 10.4.5 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频在许多应用

15、场合下都对多谐振荡器的振荡频 率稳定性有严格的要求。前面几种电路频率稳定率稳定性有严格的要求。前面几种电路频率稳定 性不是很高。在对性不是很高。在对频率稳定性有较高要求频率稳定性有较高要求时，应时，应 采用石英晶体多谐振荡器。采用石英晶体多谐振荡器。 电路的振荡频电路的振荡频 率取决于石英率取决于石英 晶体的固有振晶体的固有振 荡频率。荡频率。 本节小结本节小结 多谐振荡器没有稳定状态，只有多谐振荡器没有稳定状态，只有两两 个暂稳态个暂稳态。 工作工作不需要外加信号源不需要外加信号源，只，只 需要电源。需要电源。 要想得到要想得到频率稳定性高频率稳定性高的多谐振荡器的多谐振荡器 时，应采用时，

16、应采用石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器。 10.5 555定时器及其应用定时器及其应用 555 555定时器定时器是一种多用途的数字模拟混是一种多用途的数字模拟混 合集成电路。该电路功能灵活、适用范围广，合集成电路。该电路功能灵活、适用范围广， 只要外围电路稍作配置，即可构成只要外围电路稍作配置，即可构成单稳态触单稳态触 发器发器、多谐振荡器多谐振荡器或或施密特触发器施密特触发器，因而可，因而可 应用于定时、检测、控制、报警等方面。应用于定时、检测、控制、报警等方面。 集成集成555555定时器定时器因为其内部有因为其内部有3 3个精密的个精密的5K5K电电 阻而得名。后来国内外许多公司和

17、厂家都相继生阻而得名。后来国内外许多公司和厂家都相继生 产出双极型和产出双极型和CMOSCMOS型型555555集成电路。虽然集成电路。虽然CMOSCMOS 型型3 3个分压电阻不再是个分压电阻不再是5K,5K,但仍然延用但仍然延用555555名称。名称。 目前一些厂家在同一基片上集成目前一些厂家在同一基片上集成2 2个个555555单元，单元， 型号后加型号后加556556，同一基片上集成，同一基片上集成4 4个个555555单元，型号单元，型号 后加后加558558。 集成集成555555定时器具体元件简介定时器具体元件简介 555555定时器的封装一般有两种：定时器的封装一般有两种： 八

18、脚圆形封装八脚圆形封装 八脚双列直插式封装。八脚双列直插式封装。 10.5.1 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能 放电三极管放电三极管 精密电阻精密电阻 比较器比较器 SR锁存器锁存器 控制电压控制电压 触发输入触发输入 复位端复位端 输出输出 放电端放电端 阈值输入阈值输入 电源电源516V 注意：工作中不使用注意：工作中不使用VCO时，一般时，一般 都通过一个都通过一个0.01F的电容接地的电容接地(交流交流 接地），以旁路高频干扰。接地），以旁路高频干扰。 当当VCO悬空时，悬空时，VR1=2/3Vcc, VR2=1/3Vcc 比较器比较器C1输出输出vC1=0,比较器

19、比较器 C2输出输出vC2=1，SR锁存器置锁存器置 0， ，TD导通，同时导通，同时vO为低电 为低电 平。平。 0 1 0 1 0 比较器比较器C1输出输出vC1=1,比较器比较器 C2输出输出vC2=1，SR锁存发器锁存发器 状态保持不变，状态保持不变，TD和和vO均均 保持不变。保持不变。 1 1 比较器比较器C1输出输出vC1=1,比较器比较器 C2输出输出vC2=0，SR锁存器置锁存器置 1， ，TD截止，同时截止，同时vO为高电 为高电 平。平。 1 0 1 0 1 比较器比较器C1输出输出vC1=0,比较器比较器 C2输出输出vC2=0，SR锁存器违锁存器违 反约束条件，输出为

20、反约束条件，输出为1，TD 截止。截止。 0 0 1 0 1 由电路框图和功能表可以得出如下结论：由电路框图和功能表可以得出如下结论： 1555定时器有两个阈值电压，分别是定时器有两个阈值电压，分别是 和和 。 2输出端输出端3脚和放电端脚和放电端7脚的状态一致，输出低电平脚的状态一致，输出低电平 对应放电管饱和，在对应放电管饱和，在7脚外接有上拉电阻时，脚外接有上拉电阻时，7脚脚 为低电平。输出高电平对应放电管截止，在有上为低电平。输出高电平对应放电管截止，在有上 拉电阻时，拉电阻时，7脚为高电平。脚为高电平。 3.输出端状态的改变有滞回现象，回差电压为输出端状态的改变有滞回现象，回差电压为

21、 。 CC V 3 2 CC V 3 1 CC V 3 1 10.5.2 555定时器接成施密特触发器定时器接成施密特触发器 二六搭一二六搭一 8 4 6 2 15 3 Vcc I v O v 交流 接地 VT- VT+ 回差电压回差电压: CCTTT VVVV 3 1 VT+ =VCOVT- =1/2VCO 回差电压回差电压: COTTT VVVV 2 1 10.5.3 555定时器接成单稳态触发器定时器接成单稳态触发器 七六搭一，上七六搭一，上R下下C vI下降沿到达 下降沿到达,vO输出高电平，输出高电平，TD截止，截止，VCC经 经R向向C充电，充电， 当当vC=2/3VCC时，触发器

22、翻转，时，触发器翻转，vO输出低电平，输出低电平，TD导通，电导通，电 容容C经经TD迅速放电。迅速放电。vI下一个下降沿到达下一个下降沿到达,重复上述过程。重复上述过程。 00 1 10 0 0 10 w特性特性： n这个这个单稳态触发器单稳态触发器是是负脉冲负脉冲触发的。触发的。 n稳态稳态时，这个单稳态触发器输出时，这个单稳态触发器输出低低电平。电平。 n暂稳态暂稳态时，这个触发器输出时，这个触发器输出高高电平。电平。 n该电路输出脉冲宽度为该电路输出脉冲宽度为tw w1.11.1RC 。 10.5.4 555定时器接成多谐振荡器定时器接成多谐振荡器 2ln)(ln)( 21211 CR

23、R VV VV CRRT TCC TCC 充电时间：充电时间： 2ln 0 0 ln 222 CR V V CRT T T 放电时间：放电时间： 振荡周期：振荡周期：T=0.69(R1+2R2)C 输出脉冲占空比输出脉冲占空比: 21 21 2RR RR q 例例10.5.1 占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器 输出脉冲占空比输出脉冲占空比: BA BA RR RR q 2 输出脉冲占空比输出脉冲占空比: BA A RR R q P505 题题10.26 两个两个555定时器均接成了多谐振荡器。定时器均接成了多谐振荡器。 I输出接输出接IIVCO,控制其阈值电压控制其阈值电压VT+和和VT-。I的输的输 出高低电平的持续时间决定了电路高低音持续时间，出高低电平的持续时间决定了电路高低音持续时间， II的频率决定了高低音频率。的频率决定了高低音频率。 （1） ）vO1的高电平持续时间为：的高电平持续时间为： sCRRtH1 . 169. 0101010)15010(2ln)( 63 121 此时，此时，vO1为为11V. VCC=12V,由叠加定由叠加定 理可求得右边理可求得右边555定时器定时器5脚电压脚电压 VCO=8.8V.因此，因此，VT+=8