數(shù)電課件哈工大part數(shù)字第8章

第八章脈沖波形的產(chǎn)生與整形集成555定時(shí)器施密特觸發(fā)器多諧振蕩器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)8.1

集成555定時(shí)器電壓比較器的功能：v+>

v-，vO=1v+<

v-，vO=0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。C1v+v－vO&&&1RSG5kΩ5kΩ5k

ΩC1C2vI2vO(2)(6)(5)(8)(4)(3)VCC

電源RD

復(fù)位vICvI1閾值輸入控制電壓觸發(fā)輸入O(7)Tv,放電端(1)（3）基本RS觸發(fā)器，帶復(fù)位端（4）放電三極管T及緩沖器G。&&1R

&SG5kΩ5k

ΩC1C2vI1vI2O(2)(6)(5)(8)(4)(3)VCC

電源RD

復(fù)位vICv閾值輸入5kΩ控制電壓觸發(fā)輸入O(7)Tv,放電端(1)12658437vO,vI2I1vvICVCCvO555RD電路符號(hào)二．工作原理（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)o如何，輸出v

為低電平。正常工作時(shí)，應(yīng)將其接高電平。（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

。C&&&1RSG5kΩ5kΩ5k

ΩC12vICvI2vO(2)(6)(5)(8)(4)(3)VCC

電源RD

復(fù)位vI1閾值輸入控制電壓觸發(fā)輸入O(7)Tv,放電端(1)1/3VCC2/3VCC（3）2腳為觸發(fā)輸入端，6腳為閾值輸入端，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)，也決定了T是否導(dǎo)通。&&1R

&SG5kΩ5kΩC1C2vI2vO(2)(6)(5)(8)(4)(3)VCC

電源RD

復(fù)位vICvI1觸發(fā)輸入5k

ΩO(7)Tv,放電端(1)閾值輸入1/3VCC2/3VCC控制電壓&&1R

&SG5kΩ5k

ΩC1C2vI2vO(2)(6)(5)(8)(4)(3)VCC

電源RD

復(fù)位vICvI1閾值輸入5kΩ控制電壓觸發(fā)輸入O(7)Tv,放電端(1)VI1>2/3VCCVI2<1/3VCC輸出狀態(tài)不定8.2

施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器——有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，具有回差電壓特性，能將邊沿變化緩慢的電壓波形整形為邊沿陡峭的矩形脈沖。一.

用555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器1.

電路組成及工作原理1265VCCRD5553v7vI2vI1vIC84O2VCCVCC2RvO1SC1(2)(7)(6)(3)G&vI1vO1VCC(4)T5kΩvI2(8)5kΩ5k

ΩC2R

&2/3VCC放電端(1)&11/3VCCR1vIvO2VCC2VIvItvO1t1/3VCC2/3VCCCS1(2)(7)(6)放電端G&vI1(3)vO1VCC(4)T5kΩvI2(8)5kΩ5k

ΩC2R

&2/3VCC(1)&11/3VCCO2R1vIvVCC2VOVI電路符號(hào)1。電壓上升：輸出狀態(tài)在VT+=2/3VCC時(shí)從1翻轉(zhuǎn)為02。電壓下降：輸出狀態(tài)在T+V

=1/3VCC時(shí)從0翻轉(zhuǎn)為12.

電壓滯回特性和主要參數(shù)（2）主要靜態(tài)參數(shù)上限閾值電壓VT+——vI上升過程中，輸出電壓vO由高電平VOH跳變到低電平VOL時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值。VT+=2/3VCC。下限閾值電壓VT———vI下降過程中，vO由低電平VOL跳變到高電平VOH時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值。VT—=1

/3VCC。（3）回差電壓ΔVT

ΔVT=

VT+－VT—=1

/3VCC（1）電壓滯回特性VOVI電路符號(hào)VoVi傳輸特性VOHVOL01/3VCC

2/3VCCVT-

VT+二．集成施密特觸發(fā)器12345678910111213141A1Y2A2Y4A4Y5A5Y6A6YVDD3A3YVSSCC4010612345671A1Y2A2Y3A3YGND8910111213144A4Y5A5Y6A6YVCC74LS14CMOS集成施密特觸發(fā)器CC40106TTL集成施密特觸發(fā)器74LS14TTL集成施密特觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理三．施密特觸發(fā)器的應(yīng)用舉例1.

用作接口電路——將緩慢變化的輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)換成為符合TTL系統(tǒng)要求的脈沖波形。2.

用作整形電路——把不規(guī)則的輸入信號(hào)整形成為矩形脈沖。正弦波振蕩器1VO輸入輸出VT+VT-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VT+的輸入脈沖。VIVO1tVIVT+VT-OV

00tt0t8.3

多諧振蕩器多諧振蕩器——能產(chǎn)生矩形脈沖波的自激振蕩器。一．用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器1.

電路組成及工作原理26VCCRD5553vI2vI14vO87VCCR1R2C150.01μFC1vCPvc2/3VCC1/3VCC0vo(6)(2)1T&5kΩ&R

&GSC1C25kΩ5k

Ω(4)(3)(7)vO放電端(1)(8)VCCvCPR1CvI2R2vI12/3VCC1/3VCC(1)剛上電時(shí),VC=0,

VO為1,

T截止,電容充電.VC上升(2)VC上升到2/3VCC時(shí),VO翻轉(zhuǎn)為0,

T導(dǎo)通,電容放電.VC下降(3)VC下降到1/3VCC時(shí),VO翻轉(zhuǎn)為1, T截止,

電容充電.VC上升2.

振蕩頻率的估算（5）輸出波形占空比q1

1C

C

1C

Cv

(￥

)

-

v

(T

)v

(￥

)

-

v

(0

)+T

=

t

ln=

0.7(

R1

+

R2

)CCC

CC231VCC

-

3

VCCV

-

1

V=

t

ln1

1.43T

(

R1

+

2R2

)C?f

=T

R1

+

2R2=

R1

+

R2q=

T1（2）電容放電時(shí)間T2T2

=

0.7

R2C（

3

）電路振蕩周期TT=T1+T2=0.7(R1+2R2)C（4）電路振蕩頻率fTT1T2t0tvc2/3VCC1/3VCC0vo-T1t（1）電容充電時(shí)間T

：（用三要素法計(jì)算）v

(T

)

=

v

(￥

)

+[v

(0+

)

-

v

(￥

)]

e1

C

1

C

C

C2．占空比可調(diào)的多諧振蕩器電路利用二極管的單向?qū)щ娦?，把電容C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。可計(jì)算得：T1=0.7R1CT2=0.7R2C占空比：RT1

T1qR1

+

R2=

1

0.7R1C

+

0.7R2C==

T

=

T

+

T1

20.7R1C26VCCRD5553vI284vO7VCCC150.01μFC1vCD1vI1D2R1R2二．自激多諧振蕩器1。電路結(jié)構(gòu)及工作原理：=

0.7RCDDDD2V

-

1

VVDD

-

0=tlnvI

(￥

)

-

vI

(T1

)v

(￥

)

-

v

(0+

)T1

=

tln

I

I

vI

(￥

)

-

vI

(T1

)v

(￥

)

-

v

(0+

)T2

=

tln

I

I

DD20

-

1

V0

-V=

tln

DD

=

0.7RCT=T1+T2=1.4RC三。石英晶體多諧振蕩電路（1）.頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度一般由Df

來衡量f0Df

——頻率偏移量。f0——振蕩頻率。Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。LC振蕩電路

Q

——數(shù)百石英晶體振蕩電路

Q

——10000

~

500000（2

）石英晶體的壓電效應(yīng)極板間加機(jī)械力晶體產(chǎn)生電場極板間加電場晶體機(jī)械變形壓電效應(yīng)機(jī)械振動(dòng)交變電壓

交變電壓機(jī)械振動(dòng)的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時(shí)，振幅最大。壓電諧振（3）石英晶體的等效電路等效電路C0:

晶片兩極板間的靜態(tài)電容及支架電容

100-101pfC:晶片彈性的等效電容，10-2－10-1pfR:振動(dòng)損耗的等效電阻102歐姆L:晶片慣性的等效電感10-3－102HA.串聯(lián)諧振時(shí)阻抗最小,分子為0fs=

12p

LC晶體等效阻抗為純阻性B.并聯(lián)諧振時(shí)阻抗無窮大,分母為0p1Cf

=2p

LC0

0sC1

+

C

=

f

1

+

C通常C

<<C0所以fs

與fp

很接近0

0w

2LC

-

1X

=w(C

+

C

-

w

2LCC

)（4）石英晶體的特性及諧振頻率2p

LC1sf

=0sC=

f

1

+

Cfp當(dāng)f

<f

s

時(shí)，X

呈現(xiàn)容性當(dāng)f=f

s

時(shí)，X

呈現(xiàn)阻性當(dāng)fs

<f

<f

p

時(shí)，X

呈現(xiàn)感性當(dāng)f=fp

時(shí)，X

呈現(xiàn)感性，無窮大當(dāng)f>f

p

時(shí)，X

呈現(xiàn)容性（5）石英晶體的頻率微調(diào)實(shí)際使用時(shí)外接一小電容Cs則新的串聯(lián)諧振頻率為：0

ss1

CC

+

Cf

￠=2p

LC由于C

<<C0

+Css0sCC

+

C1

+ =

f

1

+由此看出

￠0

ss s

2(C

+

C

)

Cf

=

f

1

+Cs

fi

0

時(shí)，

fs

=

fp

；Cs

fi

￥

時(shí)，fs

=fs調(diào)整Cs

可使fs￠在fs

和fp

之間變化石英晶體的選頻特性有兩個(gè)諧振頻率。當(dāng)f=fs

時(shí)，為串聯(lián)諧振，石英晶體的電抗X=0；當(dāng)

f

=f

p時(shí)，為并聯(lián)諧振，石英晶體的電抗無窮大。由晶體本身的特性決定：f

s

≈f

p

≈f

0（晶體的標(biāo)稱頻率）石英晶體的選頻特性極好，f

0

十分穩(wěn)定，其穩(wěn)定度可達(dá)10-10～10-11。uu石英晶體fX感性0fs

fp容性2.

反相器工作在放大狀態(tài)(1) CMOS反相器RF：10MΩ—20M

Ω(2) TTL反相器RF：0.7KΩ—2KΩ3.

石英晶體多諧振蕩器（1）串聯(lián)式振蕩器R1、R2：使兩個(gè)反相器都工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，成為具有高放大倍數(shù)的放大器。對(duì)于TTL門，常取R1=R2=0.7～2kΩ，對(duì)于CMOS門，常取R1=R2=10～100MΩ；C1=C2是耦合電容。石英晶體工作在串聯(lián)諧振頻率f0下，只有頻率為f0的信號(hào)才能通過，滿足振蕩條件。因此，電路的振蕩頻率=f0，與外接元件R、C無關(guān)，所以這種電路振蕩頻率的穩(wěn)定度很高。1R1G11R2G1C1C2vo（2）并聯(lián)式振蕩器RF

是偏置電阻，保證在靜態(tài)時(shí)使G1工作轉(zhuǎn)折區(qū)，構(gòu)成一個(gè)反相放大器。晶體工作在略大于f

S與f

P

之間，等效一電感，與C

1

、C

2

共同構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩電路。電路的振蕩頻率=

f0

。反相器G

2

起整形緩沖作用，同時(shí)G

2

還可以隔離負(fù)載對(duì)振蕩電路工作的影響。C111G2G1RF10MΩC220pF5～50pFvo四．多諧振蕩器應(yīng)用實(shí)例1.

簡易溫控報(bào)警器26VCCRD5553vI2vI1847R1R2C1510μ/10VC220k100kR32kVCC（+6V）T3AX310.01μ0.01μC12.

雙音門鈴。vI181R25555CR1RD4276vI2VCC3k3k0.1μ0.01μR44.7k

C347μC1D1D22CPR33.9kVCC（+6V）C247μ38ΩPAN3.

秒脈沖發(fā)生器CMOS石英晶體多諧振蕩器產(chǎn)生f=32768Hz的基準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)T/觸發(fā)器構(gòu)成的15級(jí)異步計(jì)數(shù)器分頻后，便可得到穩(wěn)定

度極高的秒信號(hào)。這種秒脈沖發(fā)生器可做為各種計(jì)時(shí)系統(tǒng)

的基準(zhǔn)信號(hào)源。11C1C2Q1

Q2C14Q14C15Q15FF1

FF

2FF14FF15RC1C2f032768Hzf116384Hzf28192Hzf142Hzf1Hz秒脈沖T

觸發(fā)器8.4

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(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)。（1）無觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)v

=1時(shí)，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，I即vO=0，vC=0。一．用555定時(shí)器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.

電路組成及工作原理26VCCRD5553vI2vI184vO7VCCC15vCvIRC10.01μFa.

無觸發(fā)信號(hào)時(shí)，電路工作在穩(wěn)態(tài)。VI=1，VC=0，VO=0c.電路的暫穩(wěn)態(tài)由RC的充電過程決定。d.

自動(dòng)返回。VI上跳為

1后，當(dāng)VC上升到2/3VCC時(shí)，VO下跳為0，T導(dǎo)通，C放電，返回穩(wěn)態(tài)e.

恢復(fù)過程(3)b.

VI下降沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn)。VI下跳時(shí)，VO上跳為1，進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，T截止，C充電上升。VCCS1/3VCC(8)&C&vI2C(7)I5k

Ω放電端(1)5kΩGR5kΩv1CC2v(6)2/3VCC1TR

&(2)vI1(4)vO26VCCRD5553vI1vI284vO7C15vCvIRC10.01μFO3vOt

2VCCOtO（2）vI下降沿觸發(fā)當(dāng)vI下降沿到達(dá)時(shí)，vO由0跳變?yōu)?，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。vIVCCtvC（1）無觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)vI=1時(shí)，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，即vO=0，vC=0。（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，vC由0V開始增大，在vC上升到2/3VCC之前，電路保持暫穩(wěn)態(tài)不變。26VCC5553vI2vI184vO7VCCRDC15vCvIR0.01μFC1O3

CCvOt

2VOtOtvC（4）自動(dòng)返回時(shí)間——當(dāng)vC上升至2/3VCC時(shí)，vO變0，電路由暫穩(wěn)態(tài)重新轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。（5）恢復(fù)過程——當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，C通過飽和導(dǎo)通的T放電，時(shí)間常數(shù)

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。vIOvOtOtOvItvC

2VCC

3O3vOt

2VCCOtOvItvC2.

主要參數(shù)估算(1)

輸出脈沖寬度Tw（用三要素法計(jì)算）reWT+

t=

tf

=11minmaxC

WC21W

1VCC

-

3

VCCv

(￥

)

-

v

(t

)v

(￥

)

-

v

(0+

)

V

-

0t

=

t

ln

C

C

=

t

ln

CC

=

1.1R

C恢復(fù)時(shí)間tretre=（3～5）τ2最高工作頻率fmaxvI周期的最小值：Tmin=

tW＋tre最高工作頻率:TTW(3)VCCS1/3VCC(8)&C&vI2C5k

Ω(7)放電端(1)5kΩGR5kΩvIC1C2v(6)2/3VCC1TR

&(2)vI1(4)vO單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器必須由窄脈沖觸發(fā)二．集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121vovoCextRintRextCextVCC10111491635A14A2BGND774121輸入輸出工作特征A1A2BvOvO0×101×0101保持穩(wěn)態(tài)××00111×011↓↓↓

1×

1↓

1下沿觸發(fā)0××

↑0

↑上沿觸發(fā)A1、A2是下沿有效的觸發(fā)信號(hào)輸入端，B是上沿有效的觸發(fā)信號(hào)輸入端。74121功能表(1)

穩(wěn)態(tài)VI=0，VR=1，VO=0，VO1=1（2）觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)VI=1，VO1=0，VR=0，

VO=1，電容C反向充電。自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)VI=0，VR=VTH時(shí)，VO=0，VO1=1恢復(fù)DD

DD2=

0.7R

CV

-

1

VVDD

-

0=

t

lnvC

(￥

)

-

vC

(tW

)v

(￥

)

-

v

(0+

)tW

=

t

ln

C

C

集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的外部元件連接方法:BvovoCextRintRextCextVCCGND101114916345A1A2774121VCCRext1vICext(a)BvovoCextRext

RintCextVCCGND10111491634A1A2774121vI

5

CextVCC(b)使用外部電阻Rext且電路為下降沿觸發(fā)的連接方式。使用內(nèi)部電阻Rint且電路為上升沿觸發(fā)的連接方式。74121的主要參數(shù)(1)輸出脈沖寬度tW使用外接電阻：使用內(nèi)部電阻：tW

≈0.7RextCtW

≈0.7RintC輸入觸發(fā)脈沖最小周期TminTmin=

tW＋tre周期性輸入觸發(fā)脈沖占空比q定義：

q

=

tW/T最大占空比：qmax=tW/

Tmin74121內(nèi)部電阻=2kΩ，外接電阻Rext可在1.4～40kΩ之間選擇，外接電容C可在10pF～10μF之間選擇，所以，當(dāng)R=2kΩ時(shí)，最大占空比qmax為67%；當(dāng)R=40kΩ時(shí)，最大占空比qmax可達(dá)90%。三．單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的重復(fù)觸發(fā)（1）不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（2）可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器三．單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用1.延時(shí)與定時(shí)（1）延時(shí)圖中，v/O的下降沿比vI的下降沿滯后了時(shí)間tW。（2）定時(shí)當(dāng)v/O=1時(shí)，與門打開，vO=vF。當(dāng)v/O=0時(shí)，與門關(guān)閉，vO為低電平。與門打開的時(shí)間是單穩(wěn)輸出脈沖v/O的寬度tW。1&vIvO單穩(wěn)與門vFvOvItWvOvFOv2.

整形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠把不規(guī)則的輸入信號(hào)vI，整形成為幅度和寬度都相同的標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖vO。vO的幅度取決于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的高、低電平，寬度tW決定于暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間。vIvO

tW3.

觸摸定時(shí)控制開關(guān)555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。只要用手觸摸一下金屬片P，由于人體感應(yīng)電壓相當(dāng)于在觸發(fā)輸入端（管腳2）加入一個(gè)負(fù)

脈沖，555輸出端輸出高電平，燈泡（RL）發(fā)光，當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)

時(shí)間（tW）結(jié)束時(shí)，555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)。48762153555+VCCRLR100kC100μC10.01μ(+6V)P4.

觸摸、聲控雙功能延時(shí)燈48762153C447μ

C0.01μN(yùn)E

555A~220VR3R

21M20kSCRMCR1004.7M4.7MR4R5R71MR610kC50.022μT29014T19013HTD555和T