《数字电路实训指导》（含实训工单）教案 -教学设计项目4 矩形脉冲信号电路技能训练

第第4页项目四 矩形脉冲信号电路技能训练矩形脉冲信号是数字电路中应用最广泛的一种脉冲信号。获得脉冲波形的方法主555555）知识目标知识目标（1）了解石英晶体稳频原理和使用石英晶体构成振荡器的方法。（2）掌握利用与非门电路构成单稳态触发器的方法。（3）掌握集成双单稳态触发器MC14528、集成六施密特触发器CC40106的逻辑功能。（4）掌握555集成定时器的结构、工作原理及特点。*（5）掌握由石英晶体和CMOS反相器构成的多谐振荡器的工作原理。技能目标技能目标（1）掌握由门电路构成的矩形脉冲信号产生电路的测试技能。（2）掌握由与非门电路构成的单稳态触发器、集成单稳态触发器CC14528和集成六施密特触发器CC40106逻辑功能的测试技能。（55技能。*（4）掌握秒矩形脉冲信号电路的测试技能。素养目标素养目标（1）引导学生明确实训目标，合理分配实训资源，确保实训过程高效聚焦。（2）激发学生对实训内容的好奇心和热情，提升实训效率。（3）鼓励学生自主学习，通过指导和反馈帮助其养成自主学习习惯，提高学习成效。课题：任务1 多谐振荡电路产生矩形脉冲信号授课教师：授课日期：授课班级：教学目标（1）掌握使用门电路构成矩形脉冲信号产生电路的基本方法。（2）掌握影响输出脉冲波形参数的定时元件数值的计算方法。（3）了解石英晶体稳频原理和使用石英晶体构成振荡器的方法。工作任务（1）掌握由门电路构成的矩形脉冲信号产生电路的测试技能。（2）应用SmartEDA（或Multisim）仿真软件搭建电路并进行验证。（3）应用嘉立创EDA软件绘制印制电路板图。实训器材训练电路元器件明细表如表4-1-1所示。表4-1-1 训练路器明细表序号代号名称型号与规格数量1ICTTL集成电路74LS0012ICCMOS集成电路CC401113BC石英晶体32768Hz14C云母电容0.1µF15C瓷云母电容0.047µF26C瓷片电容30pF27C瓷片电容20pF28RW可调电阻1kΩ19R电阻RJ-0.25W-100kΩ1%110R电阻RJ-0.25W-1kΩ1%21111R电阻RJ-0.25W-100Ω1%1工具、设备、仪器、材料如表4-1-2所示。表4-1-2 工具设、器、料工具、设备、仪器材料数字示波器一台集成电路实验板一块数字万用表一台连接导线若干直流稳压电源一台元器件（见表4-1-1）实践操作基础知识在数字电路中常使用矩形脉冲作为信号来进行信息传递，或者作为时钟脉冲信号来控制和驱动电路，使各部分协调动作。多谐振荡器不需要外加触发信号系统，它在接通电源后，能自动反复地输出一定脉宽的矩形脉冲，常用于产生矩形脉冲信号。多谐振荡器有对称型多谐振荡器和环形多谐振荡器。VT1．对称型多谐振荡器4-1-1RCRCR≤1kΩR=1kΩC=100pF～100µFftw1=tw2=0.7RC，T=1.4RC。图4-1-1 由与非门构成的RC耦合对称型多谐振荡器2．环形多谐振荡器4-1-2RwCRw1kΩR3路利用电容C的充放电过程控制D点的电压VD，从而控制与非门的自动启闭，进而形成多谐振荡。电容而形成多谐振荡。电容C的充电时间tw1、放电时间tw2和总的振荡周期T分别为tw1≈0.94RC，tw2≈1.26RC，T≈2.2RC调节R和C的值可改变电路输出的振荡频率。与非门4用于输出波形整形。以上这些电路的状态转换都发生在与非门输入电压达到门的阈值电压VT的时刻。在接近VT时，电容的充放电速度已经变缓了，而且VT本身也不够稳定，易受温度、电源电压变化等因素的影响，因此，电路输出频率的稳定性较差。3．石英晶体稳频多谐振荡器4-1-3CMOSf0=32768Hz。图4-1-2 环形多谐振荡器图4-1-3 由CMOS集成器件组成的石英晶体稳频多谐振荡器技能训练1）测试对称型多谐振荡器74LS00TTL274LS004-1-1多谐振荡器电路，注意其中三个与非门要设置成非门，取R=1kΩ、C=0.047µF，用示波器观察输出波形，并记入实训工单【表4-1-3】中。2）测试环形多谐振荡器在集成电路实验板的合适位置按定位标记插好74LS00集成电路。TTL274LS004-1-2电路，注意其中四个与非门要设置成非门，用一个阻值为1kΩ的可调电阻RW代替定时电阻，取R=100Ω、C=0.1µF。（（1）RWuoAB、D、EuoT4-1-4】（2）改变可调电阻RW的阻值，观察输出信号uo波形的变化情况。3）石英晶体稳频多谐振荡器在集成电路实验板的合适位置按定位标记插好CC4011集成电路和石英晶体BC。CMOS24-1-332768Hz4-1-5】中。技能评价问题探究（1）复习自激多谐振荡器的工作原理。（2）分析带RC电路的环形振荡器的振荡频率受哪些参数影响。课后反思（实训课程设计理念，学生掌握技能效果及改进设想）第第1页课题：任务2 波形变换电路产生矩形脉冲信号教学目标（教学目标（1）掌握集成双单稳态触发器MC14528的逻辑功能。（2）掌握集成六施密特触发器CC40106的逻辑功能。工作任务MC14528CC40106（2）应用SmartEDA（或Multisim）仿真软件搭建电路并进行验证。（3）应用嘉立创EDA软件绘制印制电路板图。实训器材训练电路元器件明细表如表4-2-3所示。表4-2-3 训练路器明细表序号 代号 名称 型号与规格 数量CMOS集成电1 IC MC14528 1路CMOS集成电2 IC CC40106 1路3 CX1 云母电容 0.1µF 24 CX2 云母电容 0.01µF 15 R 电阻 RJ-0.25W-100Ω1% 16 R 电阻 RJ-0.25W-47kΩ1% 27 RX1 电阻 RJ-0.25W-20kΩ1% 18 RX2 电阻 RJ-0.25W-10kΩ1% 1工具、设备、仪器、材料如表4-2-4所示。表4-2-4 工具设、器、料工具、设备、仪器材料数字示波器一台集成电路实验板一块数字信号发生器一台连接导线若干数字万用表一块元器件（见表4-2-3）直流稳压电源一台实践操作基础知识波形变换产生矩形脉冲信号主要依赖于单稳态触发器和施密特触发器这两种具有不同用途的脉冲波形整形、变换电路。1．集成双单稳态触发器MC14528单稳态触发器的特点之一是电路只有一个稳定的状态，另一个状态是暂稳态，不加触发信号时，它始终处于稳态。74LS12174LS12274LS123CC4098、CC4538MC14528CC145384-2-1MC14528的引脚排列及逻辑符号，该器件应用较为广泛，它由两个高精度可重触发的单稳RXCXRXCXQ和QRXCXQ和Q图4-2-1 集成双单稳态触发器MC14528的引脚排列及逻辑符号图4-2-2所示为集成双单稳态触发器MC14528的逻辑示意图。图4-2-2 集成双单稳态触发器MC14528的逻辑示意图集成双单稳态触发器MC14528的引脚功能如表4-2-1所示。表4-2-1 集成单态发器MC14528引能引脚符号功能说明Q1、Q2单稳态正脉冲触发输出端Q1、Q2单稳态负脉冲触发输出端RESET(1)、RESET(2)直接复位端RXCX(1)、RXCX(2)外接电阻电容端+TR(1)、+TR(2)正脉冲（上升沿）触发输入端-TR(1)、-TR(2)负脉冲（下降沿）触发输入端VCC接正电源端VSS接地端集成双单稳态触发器MC14528可采用上升沿触发+TR，也可用下降沿触发-TR，为使用带来了很大的方便。其内部每个触发器都具有上升沿+TR和下降沿-TR触发输入端，+TR和-TR带有施密特触发器，使上升和下降时间不受限制。不用的+TR应接地；不用的-TR应接电源正极。对于非可重触发工作方式，当采用上升沿触发+TR时，-TR应接至Q端；当采用下降沿触发-TR时，+TR应接至QMC145284-2-2表4-2-2 集成单态发器MC14528逻能表 集成双单稳态触发器MC14528的时间周期约为TX=RXCX。所有的输出级都有缓冲级，以提供较大的驱动电流。（1）利用集成双单稳态触发器MC14528构成输出脉冲延时电路。单稳态触发器应用时，常采用输出脉冲延时的形式，即把输入信号延迟一定时间后，输出需要的矩形脉冲信号。MC145284-2-3所示，该电路中第一个单稳态触发器为上升沿触发，第二个单稳态触发器为下降沿图4-2-3 利用集成双单稳态触发器MC14528构成的输出脉冲延时电路（2）利用集成双单稳态触发器MC14528构成多谐振荡器。输 入输 出输 入输 出功 能+TR-TRRESETQQ11上升沿连续触发01QQ触发沿无效11QQ触发沿无效01下降沿连续触发××001复位为初态MC145284-2-4Q2．集成六施密特触发器CC40106施密特触发器是脉冲数字系统波形变换中常用的一种电路，它具有以下特点。①电路具有两个稳定的触发阈值电压（V和V。当输入电压由低向高T T高过上升阈值电压（V）时，输出状态翻转；当输入电压由高向低低于下降阈值T电压（V）时，输出状态再次翻转。T②在电路转换时，电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡直。图4-2-4 利用集成双单稳态触发器MC14528构成的多谐振荡器CC40106同点开、关。上升阈值电压（V）和下降阈值电压（V）之差被定义为滞后电T T压。图4-2-5所示为集成六施密特触发器CC40106的引脚排列及逻辑符号，它可用于波形的整形，也可用作反相器或构成单稳态触发器和多谐振荡器。图4-2-5 集成六施密特触发器CC40106的引脚排列及逻辑符号（1）利用集成六施密特触发器CC40106将正弦波转换为方波如图4-2-6所示。图图4-2-6 利用集成六施密特触发器CC40106将正弦波转换为方波CC401064-2-7所示。图4-2-7 利用集成六施密特触发器CC40106构成的多谐振荡器（3）利用集成六施密特触发器CC40106构成的上升沿触发的单稳态触发器如图4-2-8所示。图4-2-8 利用集成六施密特触发器CC40106构成的上升沿触发的单稳态触发器（4）利用集成六施密特触发器CC40106构成的下降沿触发的单稳态触发器如图4-2-9所示。图4-2-9 利用集成六施密特触发器CC40106构成的下降沿触发的单稳态触发器技能训练1）测试集成双单稳态触发器MC14528的逻辑功能及应用在集成电路实验板的合适位置按定位标记插好MC14528集成电路。（1）测试连续触发脉冲对集成双单稳态触发器MC14528的触发作用。4-2-3RX1=10kΩ、CX1=0.1µF、RX2=20kΩ、CX2=0.1µF。MC1452841kHz、VP-P=10V1335124-2-3】中。（2测试利用集成双单稳态触发器C1428MC145284-2-4RX1=10kΩ、CX1=0.1µF、RX2=20kΩ、CX2=0.1µF。4-2-4】2）测试集成六施密特触发器CC40106的逻辑功能及应用在集成电路实验板的合适位置按定位标记插好CC40106集成电路。（1）测试集成六施密特触发器CC40106将正弦波转换为方波。（2）测试由集成六施密特触发器CC40106构成的多谐振荡器。按图4-2-7所示接线，用数字示波器观测输出波形，测定振荡频率并记入实训工单【表4-2-6】中。（3）测试由集成六施密特触发器CC40106构成的上升沿触发的单稳态触发器。4-2-81kHzVP-P=10V4-2-7中。（4）测试由集成六施密特触发器CC40106构成的下降沿触发的单稳态触发器。4-2-91kHzVP-P=10V4-2-8中。技能评价问题探究（1）分析集成双单稳态触发器MC14528脉宽的决定因素。（2）简述集成六施密特触发器CC40106的特点。课后反思（实训课程设计理念，学生掌握技能效果及改进设想）第第2页课题任务3 555集成定时器产生矩形脉冲信号教学目标（教学目标（1）掌握555集成定时器的结构、工作原理及特点。555（3）掌握由555集成定时器组成的施密特触发器电路及其产生的矩形脉冲。工作任务（1）掌握由555集成定时器组成的三种矩形脉冲信号产生电路的测试技能。（2）应用SmartEDA（或Multisim）仿真软件搭建电路并进行验证。（3）应用嘉立创EDA软件绘制印制电路板图。实训器材训练电路元器件明细表如表4-3-1所示。表4-3-1 训练路器明细表序号 代号 名称 型号与规格 数量1 IC 集成电路 555 22 VD 晶体二极管 2CK13（1N4148） 23 C 电解电容 10µF/50V 14 C 云母电容 0.1µF 25 C 云母电容 0.01µF 36 R 电阻 RJ-0.25W-4.7kΩ1% 27 R 电阻 RJ-0.25W-5.1kΩ1% 28 R 电阻 RJ-0.25W-10kΩ1% 19 R 电阻 RJ-0.25W-100kΩ1% 1RW1、RW2 可调电阻 100kΩ 1RW 可调电阻 4.7kΩ 1工具、设备、仪器、材料如表4-3-2所示。表4-3-2 工具设、器、料工具、设备、仪器材料数字示波器一台集成电路实验板一块数字信号发生器一台连接导线若干数字万用表一台元器件（见表4-3-1）直流稳压电源一台实践操作基础知识5555551．555集成定时器的工作原理5554-3-1RSVT5kΩ5kΩ的电A1A22 1电压为 V 和V 。3CC 3A1与A2的输出端控制RS触发器的状态和放电开关管的开关状态。当输入2信号从6脚（电触输入）入超参电压 V 时，发复，3CC555集成定时器的3脚（输出端）输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信1号从2低平发入端输并于V 时发器位集定时3CC器的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。图4-3-1 555集成定时器的引脚排列及内部电路框图RD4脚D=0555RD开路2或接源O是电压（5脚平时输出 V 作为比较器A1的参考3CC电压，当5脚外接一个输入电压时，比较器的参考电压发生了改变，从而实现对输出的另一种控制。在不接外加电压时，通常接一个0.01μF的电容再接地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电压的稳定。VTVT72．由555集成定时器构成的矩形脉冲电路（1）构成单稳态触发器电路。4-3-2555暂稳态的持续时间tw（延时时间）取决于R、C的大小。tw=1.1RC（2）构成多谐振荡器电路。图C脚与6CC1 2在V 和V 放，形图图4-3-3（b）所。输信的间3CC 3参数为t=tw1+tw2，tw1=0.7（R1+R2）C，tw2=0.7R2C555R1R2R1+R23.3MΩ。图4-3-3 由555集成定时器构成的多谐振荡器电路外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555集成定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率并具有较强的功率输出能力，因此这种形式的多谐振荡器应用非常广泛。（3）组成占空比可调的多谐振荡器电路。占空比为t 0.7RC RP= w1 A Atw1tw2 0.7C(RA) 可见，若取RA=RB，电路即可输出占空比为50%的方波信号。图4-3-4 由555集成定时器构成的占空比可调的多谐振荡器电路（4）组成占空比连续可调且能调节振荡频率的多谐振荡器电路。图4-3-5 由555集成定时器构成的占空比连续可调且能调节振荡频率的多谐振荡器电路（5）组成施密特触发器电路。5554-3-62脚和64-3-7us、uiuo图4-3-6 由555集成定时器构成的施密特触发器电路图4-3-7 us、ui和uo的波形图usVD同时加到552集成时的2脚和6，得半整波形ui当ui升到 V 时，uo3CC1电平转低电平；当ui下降到V 时，uo又从低电平翻转为高电平电路的3CC电压传输特性曲线如图4-3-8所示。图4-3-8 电路的电压传输特性曲线回差电压为U=2V -1V =1V3CC3CC 3技能训练1）测试由555集成定时器构成的单稳态触发器在集成电路实验板的合适位置放置555集成定时器和元器件。按图4-3-2所示连线，取R=100kΩ，C=0.01μF，将负极性单次脉冲信号ucuo2）测试由555集成定时器构成的多谐振荡器在集成电路实验板的合适位置放置555集成定时器和元器件。（1）测试由555集成定时器构成的多谐振荡器。按图按图4-3-3所示接线，用数字示波器观测uc与uo的波形，测定波形频率，并记入实训工单【表4-3-4】中。（2）测试由555集成定时器构成的占空比为50%的方波信号发生器。uo4-3-5RW1RW2uo4-3-6】中。3）测试由555集成定时器构成的施密特触发器的电压传输特性4-3-61kHzVP-P=15Vusuo输4-3-7】技能评价问题探究（1）复习有关555集成定时器的工作原理及其应用。（2）分析在占空比连续可调且能调节振荡频率的多谐振荡器中RW1和RW2的调节顺序。课后反思（实训课程设计理念，学生掌握技能效果及改进设想）第第1页课题：*任务4 秒矩形脉冲信号电路测试教学目标（教学目标（1）掌握由石英晶体和CMOS反相器构成的多谐振荡器的工作原理。（2）掌握秒矩形脉冲信号电路的工作原理。工作任务（1）掌握秒矩形脉冲信号电路的测试技能。（2）应用SmartEDA（或Multisim）仿真软件搭建电路并进行验证。（3）应用嘉立创EDA软件绘制印制电路板图。实训器材训练电路元器件明细表如表4-4-1所示。表4-4-1 训练路器明细表序号 代号 名称 型号与规格IC CMOS集成电路 CD4060IC TTL集成电路 74LS74BC 石英晶体 32.768kHzC 瓷片电容 33pF5 R 电阻 RJ-0.25W-10MΩ1%工具、设备、仪器、材料如表4-4-2所示。表4-4-2 工具设、器、料数量11121工具、