第7章數(shù)字電子技術(shù)

*7.2施密特觸發(fā)器第七章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形*7.4多諧振蕩器7.1概述7.5集成555定時(shí)器*7.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器引言

在前幾章的學(xué)習(xí)中，我們常說(shuō)：“在輸入端加一個(gè)方波。”或者說(shuō)：“給計(jì)數(shù)器加一個(gè)時(shí)鐘脈沖。”也許，你早就有個(gè)疑問了，這些脈沖信號(hào)是怎么來(lái)的呢？它們的頻率和脈寬又是怎樣調(diào)整的呢？本章就為你解答這些問題。脈沖信號(hào)的獲取，通常采用兩種方法：一是利用多諧振蕩器直接產(chǎn)生；二是通過對(duì)已有信號(hào)進(jìn)行整形與變換得到。本章將圍繞這兩種方法，重點(diǎn)討論用于脈沖整形與變換的施密特觸發(fā)器，能直接產(chǎn)生脈沖波形的多諧振蕩器和用于定時(shí)、延時(shí)、調(diào)整信號(hào)脈寬的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及它們的典型應(yīng)用。本章介紹的中規(guī)模集成電路555定時(shí)器也是一個(gè)學(xué)習(xí)重點(diǎn)，因?yàn)樗拖褚缓蟹e木中那塊“最大的”，有了它，再稍微搭配上幾個(gè)“小塊”就可以方便的搭成各種常用的脈沖電路了。一、常見的脈沖信號(hào)

脈沖信號(hào)是指在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的電壓或電流信號(hào)。一般來(lái)講，凡是不具有連續(xù)正弦波形狀的信號(hào)，都可以稱為脈沖信號(hào)。7.1概述（a）矩形波（b）鋸齒波（c）微分波（d）鐘形波

二、典型的數(shù)字信號(hào)

一個(gè)理想的周期性數(shù)字信號(hào)，可用以下幾個(gè)參數(shù)來(lái)描繪：

Um——信號(hào)幅度。

T——信號(hào)的重復(fù)周期。

tW——脈沖寬度。

q——占空比。其定義為：

5U(V)0t(ms)twTUm三個(gè)周期相同（T=20ms），但幅度、脈沖寬度及占空比各不相同的數(shù)字信號(hào)。Ut(V)(ms)501020304050Ut(V)(ms)01020304050Ut(V)(ms)010203040503.610(a)(b)(c)tr——上升時(shí)間。是指從脈沖幅值的10%上升到90%所需要的時(shí)間。tf——下降時(shí)間。是指從脈沖幅值的90%下降到10%所需要的時(shí)間。tW——脈沖寬度。為脈沖幅值的50%的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間。

三、實(shí)際的矩形脈沖信號(hào)

t0UUmUmUmUm0.10.50.9twtrtf7.5集成555定時(shí)器

一、電壓比較器1.基本功能：

若u+＞u－，則uo為高電平若u+＜u－，則uo為低電平

-+uouu7654321Vcc-+-+-+118910141312-+GND集成電壓比較器LM339的管腳排列圖在反相輸入端加一基準(zhǔn)電壓UREF=3V，在同相輸入端加一可變的電壓Ui，當(dāng)Ui＞3V時(shí)，Uo為高電平；當(dāng)Ui＜3V時(shí)，Uo為低電平。2.典型應(yīng)用iutUREFtuoou－u+u+5VRR+5V3VWREFUiu7.5.1集成555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理由以下幾部分組成：（1）三個(gè)5k電阻組成的分壓器。（2）兩個(gè)電壓比較器

C1和C2。1.555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)（3）基本RS觸發(fā)器，（4）放電三極管T

及緩沖器G。CC&&&1RSTG5k5k5k12VRCCDI1D(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)電源復(fù)位高電平觸發(fā)端控制端低電平觸發(fā)端放電端UI2UICUUoUR1UR2UQQUo7.5集成555定時(shí)器12658437I2I1ICVCC555DRUoUUUUDCC&&&1RSTG5k5k5k12VRCCDI1D(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)電源復(fù)位高電平觸發(fā)端控制端低電平觸發(fā)端放電端UI2UICUUoUR1UR2UQQUo555定時(shí)器的電路符號(hào)CC&&&1RSTG5k5k5k12VRCCDI1D(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)電源復(fù)位高電平觸發(fā)端控制端低電平觸發(fā)端放電端UI2UICUUoUR1UR2UQQUo2．555定時(shí)器的工作原理1/3VCC2/3VCC（1）4腳為復(fù)位輸入端（RD

），當(dāng)RD為低電平時(shí)，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出Uo為低電平。（2）5腳為電壓控制端，當(dāng)其懸空時(shí)，比較器C1和C2的比較電壓分別為2/3VCC

和1/3VCC

。（3）2腳為低電平觸發(fā)端，6腳為高電平觸發(fā)端，兩端的電位高低控制比較器C1和C2的輸出，從而控制RS觸發(fā)器，決定輸出狀態(tài)。555定時(shí)器功能表（UIC端開路時(shí)）高電平觸發(fā)端（UI1）低電平觸發(fā)端（UI2）R端S端復(fù)位端（RD）輸出端（UO）放電管T功能××××00導(dǎo)通復(fù)位＜2/3VCC＜1/3VCC1011截止置1＞2/3VCC＞1/3VCC0110導(dǎo)通置0＜2/3VCC＞1/3VCC111不變不變保持7.5.2555構(gòu)成施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器是一種整形電路，其特點(diǎn)是:（1）具有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，但沒有記憶作用，輸出狀態(tài)需要相應(yīng)的輸入電壓來(lái)維持。（2）電平觸發(fā)。只要輸入信號(hào)達(dá)到某一額定值，輸出即發(fā)生翻轉(zhuǎn)。（3）具有回差特性。uItOut2/3VCC1/3VCC1.電路組成及工作原理1265VCCRD5553784CCVVCC2RUICI1UI2UIUOUOU電路符號(hào)OUIUCU5kS1(2)2/3V(7)(6)u&放電端I1(3)GV&uOCC(4)TCCCI2(8)5k5k2RCC(1)&11/3VVORUIU’CC2UOQQ555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器內(nèi)部電路圖uItOut2.電壓滯回特性1/3VCCUoUi0傳輸特性UOHUOL2/3VCCUT+UT—ΔUTUT+UT—ΔUT3.主要參數(shù)（1）上限閾值電壓UT+UT+=2/3VCC。（2）下限閾值電壓UT—UT—=1/3VCC。（3）回差電壓ΔUT

ΔUT=UT+－UT—=1/3VCC1/3VCC2/3VCCOU’tOUtVCC21265VCCRD5553784CCVVCC2RUICI1UI2UIUOUOU

4.輸出端U’O的作用CU5kS1(2)2/3V(7)(6)u&放電端I1(3)GV&uOCC(4)TCCCI2(8)5k5k2RCC(1)&11/3VVORUIU’CC2UOQQ

改變輸出高電平的數(shù)值5.施密特觸發(fā)器的應(yīng)用舉例（1）用于波形變換IU1UOtUI0Ut0OT+T-UU（2）

用作脈沖整形IU1UOtUI0Ut0OT+T-UU

當(dāng)信號(hào)受到干擾而發(fā)生畸變時(shí)，將其整成標(biāo)準(zhǔn)的矩形脈沖。

（3）用于脈沖鑒幅從一系列幅度不同的脈沖信號(hào)中，選出那些幅度大于UT+的輸入脈沖。00UUIOUUT+T-tt1UOIU7.5.3555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（1）無(wú)觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)uI=1時(shí)，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，即uO=0，uC=0。1.電路組成及工作原理單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器——有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)；在觸發(fā)脈沖作用下，由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)；暫穩(wěn)狀態(tài)維持一段時(shí)間后，自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)。26VCCRDO5553I2I1847RVCCC150.01μFC1CIUUUUU（2）uI下降沿觸發(fā)當(dāng)uI下降沿到達(dá)時(shí)，uO由0跳變?yōu)?，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。26VCCRDO5553I2I1847RVCCC150.01μFC1CIUUUUU2Ou3CCOtVOtCuOItu555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器內(nèi)部電路圖CU5kS1(2)2/3V(7)(6)u&I1(3)GV&uOCC(4)TCCCI2(8)5k5k2RCC(1)&11/3VUOQQUCPRCUI充電放電（3）暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間在暫穩(wěn)態(tài)期間，三極管T截止，VCC經(jīng)R向C充電。時(shí)間常數(shù)τ1=RC，uC由0V開始增大，在uC上升到2/3VCC之前，電路保持暫穩(wěn)態(tài)不變。（4）自動(dòng)返回時(shí)間——當(dāng)uC上升至2/3VCC時(shí)，uO變0，電路回到由穩(wěn)態(tài)。（5）恢復(fù)過程——C通過飽和導(dǎo)通的T放電，τ2=RCESC，由于RCES很小，所以放電很快。C放電完畢，恢復(fù)過程結(jié)束。2Ou3CCOtVOtCuOItu26VCCRDO5553I2I1847RVCCC150.01μFC1CIUUUUU2.主要參數(shù)估算（2）恢復(fù)時(shí)間tre

tre=（3～5）τ2（3）最高工作頻率fmax

uI周期的最小值：

Tmin=tW＋tre

最高工作頻率:TTW(1)輸出脈沖寬度Tw（用三要素法計(jì)算）tOu2Ou3CCOVtCOItu基本單穩(wěn)的缺點(diǎn)：需要“窄脈沖”觸發(fā)

26VCCRDO5553I2I1847RVCCC150.01μFC1CIUUUUUCCt00UUIOU0WC3V2輸入脈寬暫穩(wěn)態(tài)沒有結(jié)束ttt“寬脈沖”觸發(fā)的波形

在輸入端加一“窄脈沖形成電路”。最簡(jiǎn)單的“窄脈沖形成電路”可采用RC微分電路。3.可以“寬脈沖”觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

I2CCUCCDRC34O1U0.01μFV7UCCR85UV2I161555R1DC1IUI0tUCUWVO002t3tCCUtU0I2tVCCCCV+UD在暫穩(wěn)態(tài)期間，加入新的觸發(fā)脈沖，電路的暫穩(wěn)態(tài)將延續(xù)。4．可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器ttOUC3CCUI2tOUVWOtO3pUCIT64VUO8RCC7521555C15．單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用（2）調(diào)整信號(hào)脈寬（1）整形IUOWtUI單穩(wěn)1UOUtWUO1TUO單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器多諧振蕩器1UOR22CO1UCCVC11R（3）定時(shí)1）觸摸定時(shí)開關(guān)CC1CL5C83R61R4P555(+6V)+V100μF2100k7UO555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

用手觸摸一下金屬片P時(shí)，由

于人體感應(yīng)電壓相當(dāng)于在觸發(fā)

輸入端加入一個(gè)負(fù)脈沖，輸出

高電平，燈泡（RL）發(fā)光，

當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間（tW）結(jié)束時(shí)，

輸出端恢復(fù)低電平，燈泡熄滅。

該觸摸開關(guān)可用于夜間定時(shí)

照明，定時(shí)時(shí)間可由RC參數(shù)

調(diào)節(jié)。2）產(chǎn)生定時(shí)門控信號(hào)與門&1I單穩(wěn)UUOFU計(jì)數(shù)器OU（Cp）被測(cè)信號(hào)IUWOtUFUOU例：數(shù)字測(cè)頻計(jì)7.5.4555構(gòu)成多諧振蕩器0UctUo0t多諧振蕩器——能產(chǎn)生矩形脈沖波的自激振蕩器。2/3VCC1/3VCC26VCCRDO5553I2I1847RRVCC12C15C1CPUUUU0.01μF1.電路組成及工作原理CU5kS1(2)2/3V(7)(6)u&放電端I1(3)GV&uOCC(4)TCCCI2(8)5k5k2RCC(1)&11/3VRUOQQUCPRRC21555構(gòu)成的多諧振蕩器內(nèi)部電路圖充電放電2.振蕩頻率的估算（2）電容放電時(shí)間T2（3）電路振蕩周期T

T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C（5）輸出波形占空比q（4）電路振蕩頻率fTT1T2（1）電容充電時(shí)間T1：（用三要素法計(jì)算）0UctUo0t2/3VCC1/3VCC3．占空比可調(diào)的多諧振蕩器電路

可計(jì)算得：T1=0.7R1C

T2=0.7R2C

占空比：

利用二極管的單向?qū)щ娦裕央娙軨充電和放電回路隔離開，再加上一個(gè)電位器，便可構(gòu)成占空比可調(diào)的多諧振蕩器。R61V22C4555CC8OV1DD5I27C0.0131I1DCCCUUUUμF2R1R4．多諧振蕩器應(yīng)用實(shí)例（1）

簡(jiǎn)易溫控報(bào)警器26VCCRD5553I2I1847RRVCC23C150.01C310μ/10VC220k100k0.011R2k（+6V）T3AX31?FμFUU1（2）雙音門鈴3I1812R55515CR427I263k3k0.1R44.7k4C47μCDD122CP3R3.9kCCV（+6V）C247μF38ΩPANDCCVRμF0.01μF1UU（3）雙音報(bào)警器0.01RR3C610k1k