数字电路基础 课件 第7章 脉冲单元电路

数

字

逻

辑概述施密特触发器单稳态触发器本章导读矩形波是一种脉冲波形，它不仅可以代表数字信息，而且可以作为时序电路的时钟信号。本周重点是介绍矩形脉冲信号的产生和整型电路。多谐振荡器是脉冲产生电路；脉冲整型电路包括施密特触发器和单稳态触发器。555定时器是一种多用途的数字/模拟混合集成电路，本章以555定时器为主，介绍用它构成的多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器电路。同时还介绍永其他方式构成的脉冲单元电路。理解矩形脉冲信号的产生和整型电路01熟悉555定时器的工作原理02熟悉并掌握施密特触发器和单稳态触发器03学习目标概述施密特触发器单稳态触发器7.1.1脉冲单元电路的分类和波形参数脉冲波形的途径有两种：一种是利用多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲，另一种则是通过整形电路把已有的周期变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。因此把脉冲电路分为脉冲产生电路和脉冲整形电路两大类。矩形波如图7.1.1所示是数字系统常用的信号，波形的好坏直接影响到系统的性能。图7.1.1脉冲波形参数

7.1.1脉冲单元电路的分类和波形参数

为了描述矩形波，常用以下参数表示，其中，各个参数代表的意义为：脉冲周期T—周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲的时间间隔。脉冲幅度Vm—脉冲电压的最大变化幅度。脉冲宽度tw—从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿到达0.5Vm止的时间。上升时间tr—脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需时间。下降时间tf—脉冲下降沿从0.9Vm上升到0.1Vm所需时间。占空比q——脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q=tw/T。7.1.2555定时器555定时器(时基电路)是一种用途广泛的模拟数字混合集成电路。555定时器于1972年由西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制，其设计新颖、构思奇巧，备受电子专业设计人员和电子爱好者青睐。555定时器结构简单、使用灵活、用途广泛，因而在控制、定时、检测、仿声、报警等方面有着广泛的应用，它具有如下三个特点:①外部只需连接几个阻容元件便可以方便地构成施密特触发器、多谐振荡器、单稳态触发器和压控振荡器等多种应用电路。②电源电压范围宽(3~18V)，能够提供与TTL及CMOS集成电路兼容的逻辑电平。③具有一定的输出功率，可驱动微电机、指示灯和扬声器等。7.1.2555定时器

555定时器有TTL型和CMOS型两类产品，TTL型产品型号最后三位为555，CMOS型产品型号最后四位为7555。它们的功能和外部引脚排列完全相同。因此人们习惯地把它们统称为555定时器。该器件的内部结构如图7.1.2所示，它由三个阻值为5kΩ的电阻构成的电阻分压器、两个高精度电压比较器、基本RS触发器和泄放三极管V组成。图7.1.3为逻辑符号图。图7.1.2555内部电路结构7.1.2555定时器图7.1.3555定时器电路结构图7.1.2555定时器表7.1.1555定时器的功能表输入输出THRQT××00导通大于2/3VCC大于1/3VCC10导通小于2/3VCC小于1/3VCC11截止小于2/3VCC大于1/3VCC1保持原态概述施密特触发器单稳态触发器7.2.1用555定时器构成施密特触发器用555定时器构成的施密特触发器如图7.2.1所示。在电路中，将555定时器的VI1和VI2输入端连接在一起，作为信号输入端VI，由Vcc经三个电阻分压产生C1和C2的参考电压，即VR1=Vcc，VR2=Vcc。控制电压输入端Vco未用，为了防止引脚悬空引入干扰，将Vco通过0.01μF的电容接到地端。图7.2.1555定时器构成的施密特触发器7.2.1用555定时器构成施密特触发器施密特触发器的主要用途是将缓变的输入波形变换为边沿陡峭的矩形波。下面以三角波作为输入信号，分析施密特触发器的工作过程。电路的输入波形如图7.2.2所示，输入信号经历上升和下降两个过程。在VI由0开始逐渐上升的过程中，当VI<Vcc(VI1<VR1，VI2<VR2)时，Vc1=1，Vc2=0，基本RS触发器被置1，输出为高电平，即Vo=VOH。7.2.1用555定时器构成施密特触发器图7.2.2图7.2.1电路的电压波形图7.2.1用555定时器构成施密特触发器当VI上升到Vcc<VI<Vcc(VI1<VR1，VI2<VR2)时，Vc1=1，Vc2=1，基本RS触发器处于保持状态，故Vo=VOH不变。当VI上升到VI>Vcc(VI1>VR1，VI2>VR2)时，Vc1=1，Vc2=1，基本RS触发器处于保持状态，故Vo=VOL。当VI从高于Vcc开始下降过程中，即当VI>Vcc(VI1>VR1，VI2>VR2)时，Vc1=0，Vc2=1，基本RS触发器为0，输出为低电平，Vo=VOL。当VI下降到Vcc<VI<Vcc(VI1<VR1，VI2>VR2)时，Vc1=1，Vc2=1，基本RS触发器处于保持状态，故Vo=VOL。当VI下降到VI<Vcc(VI1<VR1，VI2<VR2)时，Vc1=1，Vc2=0，基本RS触发器被置1，输出为高电平，故Vo=VOL。7.2.1用555定时器构成施密特触发器上述的分析可见，施密特触发器可以将缓变的输入波形转换为边沿陡峭的矩形波。同时也看出，在输入信号的上升过程中，输出状态转换时刻对应的输入电平VT+，与输入信号下降过程中，输出状态转换时刻对应的输入电平VT+，与输入信号下降过程中，输出状态时刻对应的输入电平VT-的值是不同的。它们之间的差值称为“回差”，记作VT，即VT=VT+-VT-。在本电路中，VT=VT+-VT-=Vcc-Vcc=Vcc。施密特触发器的主要用途是波形变换，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿陡峭的矩形波信号。7.2.2集成施密特触发器由于施密特触发器的应用非常广泛，所以无论是在TTL电路中是在CMOS电路中，都有单片集成的施密特触发器产品。TTL电路产品有施密特4输入双与非门CT5413/CT7413、施密特六反相器CT5414/CT7414、施密特2输入四与非门CT54132/CT74132特反相器16特输入与非门CC14093等。概述施密特触发器单稳态触发器7.3.1用555定时器构成单稳态触发器单稳态触发器的特点如下。①它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。②在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态。在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态。③暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。由于具备这些特点，单稳态触发器被广泛应用于脉冲整形、延时（产生滞后于触发脉冲的输出脉冲）以及定时（产生固定时间宽度的脉冲信号）等电路。7.3.1用555定时器构成单稳态触发器用555定时器构成的单稳态触发器电路如图7.3.1所示。在电路中，555定时器的入端是电路的外触发信号输入端，把输入端与放电三极管的放电端(DISC)连接在一起，并接到RC回路中的Vc端。单稳态触发器的外触发信号的有效电平是低电平，如果没有触发信号时，处于高电平(VI2>Vcc)，这时，放电三极管VTD导通，Vc≈0，即VI<Vcc，使得Vc1=1、Vc2=1，基本RS触发器处于保持状态，Q=0，Vo=0，单稳态触发器处于稳态。假如单稳态触发器处于Q=1，Vo=1状态，是不稳定的，称为暂稳态。因为Q=1时，VTD截止，Vcc可以经过R对电容C充电，使得Vc(VI1)电压上升。当Vc>Vcc时，Vc1=0，Vc2=1，基本RS触发器被置0，使得Q=0，Vo=0，电路回到稳态。7.3.1用555定时器构成单稳态触发器在输入脉冲下降沿的触发下，VI2跳变到Vcc以下，由于Vc2=0(此时Vc1=1)，基本RS触发器被置1，输出Vo跳变到高电平，使Q=1，Vo=1，电路进入暂稳态。在暂稳态时，VTD截止，Vcc开始经过R对电容C充电，使电容器上的电压Vc上升。当Vc上升Vc（VI1）>Vcc时，Vc1=0。如果此时输入端的触发已消失，回到高电平，则基本RS触发器将被置0，输出返回Vo=0状态。同时VTD又变为导通状态，电容C通过VTD迅速放电，直至Vc≈0，电路自动恢复到稳态。在输入触发信号作用下，单稳态触发器的Vc和Vo的电压波形如图7.3.1所示。7.3.1用555定时器构成单稳态触发器图7.3.1用555定时器构成的单稳态触发器电路7.3.1用555定时器构成单稳态触发器图7.3.2单稳态触发器的电压波形图输出脉冲宽度tw是单稳态触发器的主要技术参数，它是暂稳态的持续时间。由如图7.3.2所示的电压波形可见，等于电容电压Vc在充电过程中从0上升到Vc所需时间。本章小结1.一般的脉冲电路是由开关电路和惰性电路构成的。常用的脉冲单元电路有多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器。2.单稳态触发器的主要用途是脉冲整形和定时，它的主要技术指标是输出脉冲宽度。3.施密特触发器为双稳态触发器。与前几章讨论过双稳态触发器不同之处是它由电平触发而不是由脉冲触发。学习中药注意施密特触发器在外加电平变化时从一个稳态向另一个稳态转换的过程、回差的概