電子技術(shù)基礎(chǔ)

電子技術(shù)基礎(chǔ)第1頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖作為時鐘信號控制和協(xié)調(diào)著整個數(shù)字系統(tǒng)的工作，所以時鐘脈沖的好壞直接關(guān)系著整個系統(tǒng)能否正常工作。實際應(yīng)用中的矩形脈沖信號形狀如圖13.1.1所示。13.1脈沖波形的基本知識第2頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.1.1描述矩形脈沖特性的主要參數(shù)第3頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月13.2.1555集成定時器的電路結(jié)構(gòu)

CB555的電路結(jié)構(gòu)圖如圖13.2.1所示，它主要由四部分組成：3個5kΩ電阻組成的分壓器，兩個高精度電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器和一個作為放電通路的三極管及其驅(qū)動電路。

1.分壓器

2.比較器

3.基本RS觸發(fā)器

4.開關(guān)放電管和輸出緩沖

13.2555集成定時器第4頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.2.1CB555的電路結(jié)構(gòu)圖第5頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月13.2.2555定時器的邏輯功能

當(dāng)5腳控制電壓輸入端UCO懸空時，很容易得到CB555定時器的功能表，如表13.2.1所示。表13.2.1CB555定時器的功能表第6頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月13.3.1用555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

1.電路組成

如圖13.3.1所示，將555定時器的兩個觸發(fā)輸入端ui1(2腳)和ui2(6腳)連接在一起作為信號輸入端ui，uo(3腳)作為輸出端，即可構(gòu)成施密特觸發(fā)器。

2.工作原理13.3施密特觸發(fā)器第7頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.3.1用555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器第8頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月正向閾值電壓

負(fù)向閾值電壓

將UT+與UT－之差定義為回差電壓ΔUT，即

ΔUT=UT+－UT－

(13.3.3)

由此得到電路的回差電壓為(13.3.1)(13.3.2)(13.3.4)第9頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月綜上所述，用555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的工作波形如圖13.3.2所示。由工作波形中ui和uo的對應(yīng)關(guān)系可畫出uo=f(ui)的關(guān)系曲線，如圖13.3.3所示，此關(guān)系曲線就是施密

特觸發(fā)器的電壓傳輸特性。第10頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.3.2施密特觸發(fā)器的工作波形第11頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.3.3施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性第12頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

【例13.3.1】如圖13.3.4(a)所示是用555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，試對應(yīng)于圖13.3.4(b)所示的輸入三角波，畫出輸出波形。圖13.3.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形(a)用555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器；(b)輸入三角波形第13頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

解：由式(13.3.1)和式(13.3.2)得

正向閾值電壓

負(fù)向閾值電壓

如圖13.3.5所示的輸出波形。第14頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.3.5例13.3.1的輸出波形第15頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月13.3.2用CMOS門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

將兩級CMOS反相器串接起來，再通過分壓電阻將輸出端的電壓反饋到輸入端，就構(gòu)成了如圖13.3.6所示的施密特觸發(fā)器電路。圖13.3.6用CMOS門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器第16頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)ui=0時，因G1、G2構(gòu)成了正反饋電路，所以uo=UOL≈0。此時，G1的輸入ui1≈0。

當(dāng)ui逐漸升高并達(dá)到ui1=UTH時，由于G1進(jìn)入了電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)(放大區(qū))，因此ui1的增加將引發(fā)如下的正反饋過程：

第17頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月于是電路的狀態(tài)迅速地轉(zhuǎn)化為uo=UOH≈UDD。此時便可以求出ui上升過程中電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平UT+。由于

因此

(13.3.5)第18頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)ui從高電平UDD逐漸下降并達(dá)到ui1=UTH時，ui的下降會引發(fā)又一個正反饋過程：

于是電路的狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為uo=UOL≈0。此時又可以求出ui下降過程中電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平UT－。因為這時

所以第19頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月將UDD=2UTH帶入上式可得

(13.3.6)

由此得到電路的回差電壓為

(13.3.7)

根據(jù)式(13.3.5)和式(13.3.6)可以畫出施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性，如圖13.3.7(a)所示。圖形符號如圖13.3.7(b)所示。第20頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.3.7同相輸出的施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性和圖形符號(a)電壓傳輸特性；(b)圖形符號第21頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月電壓傳輸特性如圖13.3.8(a)所示。圖形符號如圖13.3.8(b)所示。圖13.3.8反相輸出的施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性和圖形符號(a)電壓傳輸特性；(b)圖形符號第22頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月13.3.3集成施密特觸發(fā)器

如圖13.3.9所示為CMOS集成六反相施密特觸發(fā)器CD40106和四2輸入與非門施密特觸發(fā)器CD4093的引腳功能圖。第23頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.3.9CD40106和CD4093施密特觸發(fā)器的引腳功能圖(a)CD40106；(b)CD4093第24頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月13.3.4施密特觸發(fā)器的應(yīng)用舉例

1.波形的變換

利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用，可以將邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。

如圖13.3.10所示。第25頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.3.10用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)波形變換第26頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.波形的整形

如圖13.3.11(a)、(b)所示,只要施密特觸發(fā)器的UT+和

UT－設(shè)置得合適，均能收到滿意的整形效果。圖13.3.11用施密特觸發(fā)器對脈沖整形第27頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.幅度鑒別

如圖13.3.12所示，若將一系列幅度各異的脈沖信號加到施密特觸發(fā)器的輸入端，只有那些幅值大于UT+的脈沖才會在輸出端產(chǎn)生輸出信號。圖13.3.12用施密特觸發(fā)器鑒別脈沖幅度第28頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月13.4.1用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.電路組成

圖13.4.1所示是由555定時器和少量外圍器件構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。13.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第29頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.4.1用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第30頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.工作原理

圖13.4.2所示為在觸發(fā)信號作用下uC和uo相應(yīng)的波形。圖13.4.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形第31頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.4.2所示為在觸發(fā)信號作用下uC和uo相應(yīng)的波形。輸出脈沖寬度tw就是暫穩(wěn)態(tài)維持時間，也就是定時電容的充電時間。由圖13.4.2可知，tw等于電容電壓在充電過程中從0上升到所需要的時間，因此得到

(13.4.1)第32頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月13.4.2用集成門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1. 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

由CMOS門電路和RC微分電路構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖13.4.3所示。圖13.4.3微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第33頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)ud上升到UTH以后，將引發(fā)如下的正反饋過程：

第34頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月隨著充電過程的進(jìn)行,ui2逐漸升高，當(dāng)升至ui2=UTH時，

又引發(fā)另一個正反饋過程：

第35頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月電路中各點的電壓波形如圖13.4.4所示。圖13.4.4微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電壓波形圖第36頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月在電容充、放電過程中，電容上的電壓uC從充、放電開始到變化至某一數(shù)值UTH所經(jīng)過的時間可以用下式計算：

(13.4.2)

將uC(0)=0，uC(∞)=UDD代入式(13.4.2)可得

(13.4.3)第37頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出脈沖的幅度為

Um=UOH－UOL≈UDD

(13.4.4)

在uo返回低電平以后，還要等到電容C放電完畢,電路才恢復(fù)為起始狀態(tài)。一般認(rèn)為經(jīng)過3~5倍于電路時間常數(shù)的時間以后，RC電路基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)?；謴?fù)時間為

tre≈(3~5)RONC

(13.4.5)

分辨時間td是指在保證電路能正常工作的前提下，允許兩個相鄰觸發(fā)脈沖之間的最小時間間隔，故有

td=tw+tre

第38頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

由門電路和RC積分電路構(gòu)成的積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖13.4.5所示。圖13.4.5積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第39頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月在ui輸入脈沖寬度為TTR的觸發(fā)信號作用下，電路中各點的電壓波形如圖13.4.6所示。由理論分析可知，輸出脈沖uo的寬度tw為

(13.4.6)

第40頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.4.6積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電壓波形圖第41頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月13.4.3集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

圖13.4.7是TTL集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的邏輯符號，該器件是在普通微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的基礎(chǔ)上附加以輸入控制電路和輸出緩沖電路而形成的。

表13.4.1是集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的功能表，圖13.4.8是集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的工作波形。第42頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.4.7單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的邏輯符號第43頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月表13.4.1集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121第44頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.4.8單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的工作波形第45頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.4.9所示為集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的外部元件連接方法。第46頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.4.9集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的外部元件連接方法(a)用外部電阻Rext(下降沿觸發(fā))；(b)用內(nèi)部電阻Rint(上升沿觸發(fā))第47頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)一旦被觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)以后，再加入觸發(fā)脈沖不會影響電路的工作過程，必須在暫穩(wěn)態(tài)

結(jié)束以后，它才能接受下一個觸發(fā)脈沖而轉(zhuǎn)入下一個暫穩(wěn)態(tài)，如圖13.4.10(a)所示。而可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)在電路被觸發(fā)而進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)以后，如果再次加入觸發(fā)脈沖，電路將重新被觸發(fā)，使輸出脈沖再繼續(xù)維持一個tw寬度，如圖13.4.10(b)所示。第48頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.4.10不可重復(fù)觸發(fā)型和可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形(a)不可重復(fù)觸發(fā)型；(b)可重復(fù)觸發(fā)型第49頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月13.4.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用

1.延時

2.用于噪聲消除

由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的噪聲消除電路及波形如圖

13.4.11所示。第50頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.4.11利用74121構(gòu)成的噪聲消除電路(a)邏輯圖；(b)工作波形第51頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月13.5.1用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器

如圖13.5.1所示。13.5多諧振蕩器第52頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.5.1用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器第53頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月由圖13.5.2中uC的波形可求得電容C的充電時間T1和放電時間T2分別為

(13.5.1)

(13.5.2)第54頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月故電路的振蕩周期為

T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2

(13.5.3)

振蕩頻率為

(13.5.4)

(13.5.5)第55頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.5.2多諧振蕩器的工作波形第56頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖13.5.3所示的改進(jìn)電路。圖13.5.3用555定時器構(gòu)成的占空比可調(diào)的多諧振蕩器第57頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月電容的充電時間變?yōu)?/p>

而放電時間為

故得輸出脈沖的占空比為

第58頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月13.5.2用集成門電路構(gòu)成的多諧振蕩器

如圖13.5.4所示是用集成門電路構(gòu)成的多諧振蕩器的典型電路。圖13.5.4用集成門電路構(gòu)成的多諧振蕩器第59頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月假定接通電源的瞬間，由于某種原因使ui1有微小的正跳變，則必然會引起如下的正反饋過程：

第60頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

C1

充電速度較快，ui2

首先上升到G2的閾值電壓UTH，并引起如下的正反饋過程：

第61頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.脈沖整形電路的工作原理

施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是廣泛采用的脈沖波形整形電路。施密特觸發(fā)器輸出的高、低電平是隨輸入信號電平的大小改變的，所以其輸出脈沖寬度是由輸入信號決定的。施密特觸發(fā)器在將邊沿變化緩慢的信號波形整形為矩形波時，由于具有回差電壓以及內(nèi)部的正反饋過程，因而輸出脈沖邊沿陡直，抗干擾能力也比較強(qiáng)。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度僅決定于外圍定時元件R、C的取值，與輸入觸發(fā)信號和電源電壓無關(guān)，調(diào)節(jié)R、C的取值，即可方便地調(diào)節(jié)脈沖寬度。

本章小結(jié)第62頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.脈沖產(chǎn)生電路的工作原理

脈沖產(chǎn)生電路又稱為多諧振蕩器，接通電源以后，不需要外加觸發(fā)信號，便能自動產(chǎn)生矩形脈沖。本章分析了脈沖產(chǎn)生電路參數(shù)和性能的定性關(guān)系。

3.555定時器的應(yīng)用

555定時器是一種多用途的數(shù)字—模擬混合集成電路，采用它可構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。

4.脈沖電路的形式與分析方法

脈沖電路既可以由555定時器構(gòu)成，也可以由集成門電路以及專門的集成電路構(gòu)成，分析方法我們采用的是圖形分析法，該方法的物理概念清楚、步驟簡單實用。

第63頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月學(xué)習(xí)本章后應(yīng)達(dá)到下列要求：

(1)了解脈沖信號參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系。

(2)了解脈沖信號產(chǎn)生與整形的方法。

(3)了解555定時器的電路結(jié)構(gòu)，掌握其符號和功能。

(4)掌握用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器的方法。第64頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

13.1圖T13.1是用555定時器組成的開機(jī)延時電路。若給定C=25μF，R=91kΩ，UCC=12V，試計算常閉開關(guān)經(jīng)過多長的延遲時間，uo才跳變?yōu)楦唠娖?。?xí)題第65頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖T13.1第66頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

13.2利用555定時器芯片構(gòu)成一個鑒幅電路，實現(xiàn)如圖T13.2所示的鑒幅功能。圖中，UT+=3.2V，UT－=1.6V。要求畫出電路圖，并標(biāo)明電路中相關(guān)的參數(shù)值。

圖T13.2第67頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

13.3圖T13.3是用555定時器構(gòu)成的壓控振蕩器，試求輸入控制電壓ui和振蕩頻率之間的關(guān)系式。當(dāng)ui升高時,頻率是升高還是降低？

圖T13.3第68頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

13.4555定時器連成如圖T13.4(a)所示，圖(b)是輸入波形，請畫出輸出uo的波形。

圖T13.4第69頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

13.5在圖13.3.6所示的用CMOS門組成的施密特觸發(fā)器電路中，若R1=50kΩ，R2=100kΩ，UDD=5V，UTH=，試求電路的輸入轉(zhuǎn)換電平UT+、UT－以及回差電壓ΔUT。

13.6圖T13.5是用CMOS門接成的壓控施密特觸發(fā)器電路，試分析它的轉(zhuǎn)換電平UT+、UT－以及回差電壓ΔUT與控制電壓UCO的關(guān)系。第70頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖T13.5第71頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

13.7用集成芯片555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路及輸入波形ui如圖T13.6(a)、(b)所示，試畫出對應(yīng)的輸出波形Uo。

圖T13.6第72頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

13.8CMOS或非門微分型單穩(wěn)態(tài)電路如圖13.4.3所示。

(1)說明在穩(wěn)態(tài)條件下，ui、uo的電平值；

(2)分析電路的輸出脈寬tW和哪些參量有關(guān)。

13.9在圖13.4.3給出的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路中，若已知R=51kΩ，C=0.01μF，電源電壓UDD=10V，試求在觸發(fā)信號作用下輸出脈沖的寬度和幅值。第73頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

13.10由門電路和RC積分電路構(gòu)成的積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖13.4.5所示。

(1)和微分型單穩(wěn)態(tài)電路相比有何不同；

(2)說明在穩(wěn)態(tài)條件下，ui、uo的電平值；

(3)R的取值有何限制？

(4)電路對輸入脈沖的寬度有何要求？若輸入脈寬不滿足要求，可采用什么辦法解決？

第74頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

13.11在圖T13.7所示的整形電路中，輸入電壓ui的波形如圖中所示，假定它的低電平持續(xù)時間比R、C電路的時間常數(shù)大得多。

(1)試畫出輸出電壓uo的波形;

(2)能否用圖T13.7中的電路作單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使用？試說明理由。第75頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月圖T13.7第76頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

13.12試用555定時器設(shè)計一個單穩(wěn)態(tài)電路，其輸入ui、輸出uo波形如圖T13.8所示。已知UCC=5V，給定電容C=

0.47μF，畫出電路圖，并確定電阻R的大小。

圖T13.8第77頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

13.13由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

(1)電源電壓UCC=+5V，外接電阻R=10kΩ，外接電