数字电路第九章

1、 9.1 多谐振荡器 9.2 单稳态触发器 9.3 施密特触发器 9.4 555定时器及其应用教学基本要求1、正确理解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的电路组成及工作原理。2、掌握多谐、单稳、施密特MSI器件的逻辑功能及主要指标计算。3、掌握555定时器的工作原理。4、掌握由555定时器组成的多谐、单稳、施密特电路工作原理及外接参数及电路指标的计算。9.1.1 门电路组成的多谐振荡器9.1.2 石英晶体振荡器9.1 9.1 多谐振荡器多谐振荡器 电路的组成及工作原理 振荡周期的计算 多谐振荡器是一种自激振荡器，电路在接通电源多谐振荡器是一种自激振荡器，电路在接通电源后无需外接触发信号就能

2、产生一定频率和幅值的矩后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形波脉冲波或方波。形波脉冲波或方波。 多谐振荡器 VCC9.1 多谐振荡器9.1.0 概 述 开关电路 延时环节9.1 多谐振荡器开关器件：产生高、低电平； 多谐振荡器电路应由哪几部分组成？反馈延迟环节：利用RC电路的充放电特性实现延时，将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态，以获得所需要的振荡频率。9.1.0 概 述 1. 电路组成 1 1 vI vO1 vO C R G1 G2 开关器件：反馈延迟环节：由CMOS门电路组成的多谐振荡器逻辑门电路R、C 电路 2. 工作原理假定vO1 = 1，vO2 = 0 Vth=V

3、ON=VOFF=VDD/2 vI D1 D2 TP TN vO1 R C D4 D3 TP TN vO2 G1 G2 +VDD VC进入 第二暂稳态 vIvO 1vO2 t t1 t2 t t vO1VDD0vIVDDVth0vO2VDD0(1) 第一暂稳态及电路自动翻转过程 01 vI D1 D2 TP TN vO1 R C D4 D3 TP TN vO2 G1 G2 +VDD VCvO1 = 0，vO2 = 1 Vth=VON=VOFF=VDD/2(2) 第二暂稳态及电路自动翻转过程 二 t t1 t2 t t vO1VDD0vIVDDVth0vO2VDD0T1T2vIvO1vO10 2.

4、 工作原理工作原理 3. 振荡周期振荡周期T的计算的计算 t t1 t2 t t vO1VDD0vIVDDVth0vO2VDD0T1T2thDDDD1lnVVVRCT thDD2lnVVRCT ththDD221)(lnVVVVRCTTTDDTRC1n41.4RC T = T1(充) + T2(放)( )( )(0 )( )ettvvvv (0 )( )ln( )( )vvtv tv4 4、加补偿电阻的、加补偿电阻的CMOSCMOS多谐振荡器多谐振荡器 1 1 vI vO1 vO C R G1 G2 R RON(P)+RON(N)电源电压波动时，会使振荡频率不稳定。RSC C分布（分布电容），

5、RsR (一般取 Rs=10R )。 当2DDthVV 由门电路组成的多谐振荡器，周期 T 取决于R C 和 Vth，频率稳定性较差。 X 0 fs fp 电感性 电容性 f 电路符号 阻抗频率特性 1 1 G1 G2 C1 R R C2 R：使反相器工作在线性放大区 C1：两个反相器间的耦合 C2：抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出。 石英晶体振荡器优点：振荡频率稳定性高，常用作基准信号源1、石英晶体振荡器电路2 2、石英晶体振荡器应用、石英晶体振荡器应用 1 2 1 & 石 英 晶 体 振 荡 器 1J 1K VCC CP vO Q Q & C1 CPQ129.2.1 门电

6、路组成的微分型单稳态触发器9.2.2 集成单稳态触发器9.2.3 单稳态触发器的应用9.2 9.2 单稳态触发器单稳态触发器 电路有一个稳态，一个暂稳态。一、单稳态触发器的工作特点：9.2 单稳态触发器 在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态; 电路中RC延时环节的作用，暂稳态不能长久保持,经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间仅取决于RC电路的参数值。概述二、单稳态触发器的组成：9.2 单稳态触发器由门电路和 R C电路组成三、单稳态触发器的分类概述根据RC电路的不同接法单稳态触发器分为微分型和积分型两大类。9.2.1 门电路组成的微分型单稳态触发器 1. 电路 vO1

7、vO2vcRvI & &vO1vO2vcvI1 1 RCMOS与非门构成的微分型单稳态触发器 CMOS或非门构成的微分型单稳态触发器 vO1vO2vRvIvDDvDDvDD+ vthtttttpivthtwt1t22. 2. 工作原理a)没有触发信号时，电路处于一种稳态 vO1vO2vcvI1 1 RvRvDD000119.2.1 门电路组成的微分型单稳态触发器vO1vO2vRvIvDDvDDvDD+ vthttttvthtpitwt1t22. 2. 工作原理工作原理vo1v RvO2vIvRvO 2vO1vO1vO2vcvI1 RvRvDD111109.2.1 门电路组成的微

8、分型单稳态触发器b)外加触发信号后，电路进入暂稳态c)电容放电，电路由暂稳态自动返回到稳态1 03. 3. 主要参数的计算主要参数的计算vO1vO2vRvIvDDvDDvDD+ vthtttttpivthtwt1t2DDwDDtlnhVtRCVVtw0.7RC (1) 输出脉冲宽度tw (2) 恢复时间tre tre 3d (3) 最高工作频率 fmax maxminwre11fTtt9.2.1 门电路组成的微分型单稳态触发器R(t)=VR()VR(0+)VR() teR(0+) = 0 R() =VDD =RC vO1vO2vcvI1 1 RvRVCC4. 4. 讨论CdRdvDvI1vo2

9、如果输入端采用微分电路时，Rd应大于2k，使得稳态时D大于G1的开门电平(VON) 。9.2.1 门电路组成的微分型单稳态触发器电阻R的取值可以是任意的吗？采用TTL与非门构成单稳电路时，电阻R要小于0.7k。在暂稳态结束(t= t2)瞬间，门G2的输入电压R达到VDD+VT，可能损坏G2门，怎么办？输入的触发脉冲的宽度可以是任意的吗？如触发脉冲的宽度太宽会有什么问题？9.2.2 9.2.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器(a)vOvItwtw(b)vOvItwtw不可重复触发可重复触发被重复触发不可重复触发 1. 1. 不可重复触发的集成单稳态触发器不可重复触发的集成单稳态触发器 7412

10、1741211G8 G4G1G2G3G5G6G7G9&B&1111RextRintCextRintCext/RextQQA1A2a触发信号控制电路微分型单稳触发器输出缓冲电路1234567101112131498BCextRintCext/RextQQA1A2GNDNCNCNCVCCNC9.2.2 集成单稳态触发器 (1) (1)工作原理工作原理1G8 G4G1G2G3G5G6G7G9&B&1111RextRintCextRintCext/RextQQA1A2a电路稳态 : Q=0,1 Q01000 在暂稳态期间即使有触发信号输入，在a点不产生触发脉冲，只有等电

11、路返回稳态后，电路才会被再次触发，电路属于不可重复触发单稳态触发器。 9.2.2 集成单稳态触发器1. 不可重复触发的集成单稳态触发器 74121电路暂稳态 : Q=1,1 Q输出脉冲宽度： tw0.7RC (2) (2) 功能表功能表74121功能表 两种触发方式 1234567101112131498BCextRintCext/RextQQA1A2GNDNCNCNCVCCNC定时电容定时电阻用内部2k电阻用外部电阻HHQA1A2BQLXHLXLHLXXLLHHHXLHHHHHHLXXL9.2.2 集成单稳态触发器1. 不可重复触发的集成单稳态触发器 74121（3）电路连接2. 2. 可重

12、复触发的集成单稳态触发器可重复触发的集成单稳态触发器MC14528MC14528G11G12G10G13G14G15G16G1G2G3G4G5G6G7G8G9&111111111111RextvcvDDCextvDDTR+TR-RDQQTPTNv12v10vo4vo7三态门控制电路输出缓冲电路(1)电路9.2.2 集成单稳态触发器2. 2. 可重复触发的集成单稳态触发器可重复触发的集成单稳态触发器MC14528MC14528功能表1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Q1Q11Cextc1Rext/Cext1RD1TR+1TR_VssVDD2Ce

13、xtQ2Q22Rext/Cext2RD2TR+2TR_DRQ单 稳单 稳H禁 止HLL禁 止HLH清 零HLLQTRTR功能 输 出 输 入HHL引脚图9.2.2 集成单稳态触发器2. 2. 可重复触发的集成单稳态触发器可重复触发的集成单稳态触发器MC14528MC14528G11G12G10G13G14G15G16G1G2G3G4G5G6G7G8G9&111111111111RextvavDDCextvDDTR+TR-RDQQTPTNv12v10vo4vo7001001vcc异步清零9.2.2 集成单稳态触发器2. 2. 可重复触发的集成单稳态触发器可重复触发的集成单稳态触发器MC1

14、4528MC14528G11G12G10G13G14G15G16G1G2G3G4G5G6G7G8G9&111111111111RextvcvDDCextvDDTR+TR-RDQQTPTNv12v10vo4vo7101 00101010101还未充电如果为0合上电源时， v04=1当TR+=1, TR_=0,时，电路处于稳定状态9.2.2 集成单稳态触发器2. 2. 可重复触发的集成单稳态触发器可重复触发的集成单稳态触发器MC14528MC14528G11G12G10G13G14G15G16G1G2G3G4G5G6G7G8G9&111111111111RextvcvDDCextv

15、DDTR+TR-RDQQTPTNv12v10vo4vo7101011 0101100电路发生第一次翻转，进入暂稳态。01001电路发生第二次翻转，进入稳态。当TR+=1, TR_输入正脉冲时，电路发生翻转9.2.2 集成单稳态触发器2. 2. 可重复触发的集成单稳态触发器可重复触发的集成单稳态触发器MC14528MC14528工作波形Qt1TR+TR-0000VCVth13Vth9t2t3t4t5t6t7twtwt +twtttt(0 )( )ln( )( )fftf tfDD9wDDt 13lnthhVVtRCVV脉冲宽度包括电容充电和放电两段。9.2.2 集成单稳态触发器9.2.3 9.2

16、.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用1. 定时 与与 门门 单稳态触发器单稳态触发器 vA vB vO vI tw t vI VOH 0 vB VOH 0 t tPo t vA VOH 0 t vO VOH 0 t w9.2.3 9.2.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用2. 延时 vO1vO2vRvIvDDvDDvDD+ vthtttttpivthtwt1t2单稳进入暂稳态，脉宽为0.7R1C1 9.2.3 9.2.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用 vccBA1 A2vccSR1R2C1C2CextCext/RextCextCext/RextQQ2Q1Q74121()74

17、121()vovccvccB A1 A2vcc3. 组成多谐振荡器 00HHQA1A2BQLXHLXLHLXXLLHHHXLHHHHHHLXXL011 01 0单稳进入暂稳态，脉宽为0.7R2C2 1 0单稳进入暂稳态，脉宽为0.7R1C1 单稳进入暂稳态，脉宽为0.7R2C2 T=0.7(R1C1+R2C2)9.2.3 9.2.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用 (a) 逻辑图逻辑图 RCCextCext/RextQ74121vovccB A1 A2vIQC1DR4. 组成噪声消除电路 噪声 (b) 波形图波形图 QvovIDCP(R) (b) 波形图波形图 QvovI噪声多表现为尖脉

18、冲，宽度较窄，而有用的信号的宽度较宽。注意：单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度 而小于信号脉宽，才可消除噪声。 9.3.1 门电路组成的施密特触发器 9.3.2 集成施密特触发器CC401469.3 9.3 施密特触发器施密特触发器 电路的组成及工作原理 振荡周期的计算9.3.3 施密特触发器的应用9.3 9.3 施密特触发器施密特触发器施密特触发器的工作特点： 施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。 电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时，电路的阈值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性 。 o vI vO VOH VOL

19、(a) VT+VT_ o vI vO1 VOH VOL (b) VT+VT_ 1 vovI 1 vovI9.3.1 9.3.1 门电路组成的施密特触发器门电路组成的施密特触发器 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 v I1 1 vovI21I1IO1212RRRRRRDDT2VV R1 R2I为三角波 作如下假定： 9.3.1 9.3.1 门电路组成的施密特触发器21I12120thRRRRRR 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI1O211I2121I RRRRRR00只要vI1Vth，则保持vO=VOH当vI1=Vth，电路产生如下正反馈 ： 1T-th

20、2(1)RVVR当vI下降， vI1也下降01T+th2(1)RVVR1TT+Tth22RVVVVR回差电压 vI vI1 vO 1 vO 9.3.1 9.3.1 门电路组成的施密特触发器vI VT+VT_vO00tt0vIvOVT+VT_VDD(a) 工作波形(b) 传输特性曲线 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI19.3.2 9.3.2 集成施密特触发器集成施密特触发器-CC40146-CC40146 vovDDvITP1TN4TP2TP3TP7TP11TN5TN6TN8TN10TP9TN12vO施密特触发器 整形级 输出缓冲级 o vI vO1 VOH VOL (b

21、) VT+VT_ 1 vovI9.3.3 9.3.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用vIVT+VT 0tvOVOHVOL 0ttpovOvI11. 波形的整形及变换 vovIvovT2vT1ttt合理选择回差电压，可消除干扰信号。 为去掉干扰信号回差电压应如何选择？9.3.3 9.3.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用2. 幅度鉴别 vovI00ttVth(VT+)9.3.3 9.3.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用2. 多谐振荡器 CvovIR112DDTT+DDTTDDTT+DDTT-lnln()lnTTTVVVRCRCRVVVVVCVVVVvovIVT+VT_VOLV

22、OHT1T20t0t 9.4.1 555定时器 9.4.2 定时器应用举例9.4 5559.4 555定时器及其应用定时器及其应用 电路的组成 用555定时器组成单稳态触发器 用555定时器组成多谐振荡器 用555定时器组成施密特触发器 工作原理555定时器是一种应用方便的中规模集成电路,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。广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。 9.4.1 5559.4.1 555定时器定时器电阻分压器电压比较器基本RS触发器复位输入端(0)输出缓冲反相器集电极开路输出三极管 TvovICvI1vI2voC1C2+-+(1)(2)(3)(4)(5)(6)

23、(7)RS&5 k 5 k 5 k &1RDVCC(8)G1、电路组成0109.4.1 555定时器 TvovICvI1vI2voC1C2+-+(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)RS&5 k 5 k 5 k &1RDVCC(8)G CC32VCC31V如果悬空CC32V CC31V 01010CC32V CC31V 101101CC32V CC31V 11保持保持2、工作原理 555定时器功能表不变不变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CC31V CC31V CC31V CC32V

24、CC32V CC32V 9.4.1 555定时器9.4.2 9.4.2 定时器应用举例定时器应用举例 VCC vI R vO 0.01 F C vC 8 4 555 7 6 2 3 5 1 一、用555定时器组成单稳态触发器不可重复触发单稳不变不变导通0截止1导通0 T VOVI2VI1输 出输 入CC31V CC31V CC31V CC32V CC32V CC32V vO vI o v o C t t2 t1 )(-CCVa、接通电源电路进入稳态O =0t t 2 3 VCC o Vc=0 23 VCC 13 VCC1、工作原理 t vO VOH o vI o t vC o 1 3 VCC 2 3 VCC t t2 t1 0 9.4.2 9.4.2 定时器应用举例 VCC vI R vO 0.01 F C vC 8 4 555 7 6 2 3 5 1 C1_C2+一、用555定时器组成单稳态触发器不变不变导通0截止1导通0 T VOVI2VI1输 出输 入CC31V CC31V CC31V CC32V CC32V CC32V b、当