第9章内容提要

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克元
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1 第 9 章脉冲单元电路本章主要介绍了 (1) 脉冲信号 ( 矩形脉冲 ) 的波形及其参数 (2) 施密特触发器单稳态触发器多谐振荡器工作原理及其应用 (3) 用门电路构成施密特触发器单稳态触发器多谐振荡器的基本原理及主要参数计算 (4)555 定时器的电路结构和工作原理 (5) 用 555 定时器构成施密特触发器单稳态触发器多谐振荡器的电路结构和参数计算教学基本要求掌握施密特触发器单稳态触发器多谐振荡器的工作原理及应用掌握 555 定时器构成施密特触发器单稳态触发器多谐振荡器的电路结构和主要参数计算理解集成单稳态触发器和晶体多谐振荡器基本工作原理 ; 了解用门电路构成施密特触发器单稳态触发器多谐振荡器的电路结构重点与难点本章重点 :555 定时器构成施密特触发器单稳态触发器多谐振荡器的电路以及主要参数计算本章难点 : 定时电路中电容充放电过程和定时参数的计算主要教学内容 1

2 9.1 脉冲信号 9.2 集成门构成的脉冲单元电路施密特触发器单稳态触发器多谐振荡器定时器的应用用 555 定时器构成施密特触发器用 555 定时器构成单稳态触发器用 555 定时器构成自激多谐振荡器 9.1 脉冲信号从广义上讲, 凡不具有连续正弦波形状的信号, 几乎都可以统称为脉冲信号最常见的脉冲波形是方波和矩形波, 如图所示图常见脉冲波形实际脉冲电压波形从零值跃升到最大值, 或从最大值降到零值时, 都需要经历一定的时间, 一般用上升时间 t r 和下降时间 t f 表示图为矩形脉冲信号的实际波形图 2

3 图矩形脉冲信号的实际波形图 9.2 集成门构成的脉冲单元电路施密特触发器常用的脉冲单元电路有施密特触发器单稳态触发器和多谐振荡器, 脉冲单元电路可由集成逻辑门构成 1. 施密特触发器特点施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路它有两种稳定工作状态, 触发器处于哪一种工作状态, 取决于输入信号电平的高低当输入信号由低电平逐步上升到上限触发电平 (V T+ ) 时, 电路状态发生一次转换 ; 当输入信号由高电平逐步下降到下限触发电平 (V T ) 时, 电路状态又会发生转换两次状态转换时对应的输入电平值是不同的施密特触发器电压传输特性如图所示施密特触发器的上限触发电平 V T+ 和下限触发电平 V T 的差值称为施密特触发器的回差电压 ΔV T 在脉冲与数字技术中, 施密特触发器常用于波形变换脉冲整形及脉冲幅度鉴别等图施密特触发器电压传输特性 2. 用两级 CMOS 反相器构成的施密特触发器 3

4 用两级 CMOS 反相器构成的施密特触发器如图所示设 CMOS 电源为 V DD, 阈值电压为, 则施密特触发器的上限触发电平 V T+ 下限触发电平 V T 和回差电压 ΔV T 分别为图用两级 CMOS 反相器构成的施密特触发器改变电阻 R 1 和 R 2 的大小, 可以调整回差电压值的大小 3. 用 TTL 门构成的施密特触发器用 TTL 门构成的施密特触发器如图所示设 TTL 阈值电平为 V th, 则施密特触发器的上限触发电平 V T+ 下限触发电平 V T 和回差电压 ΔV T 分别为图用 TTL 门构成的施密特触发器 4

5 改变电阻 R 1 和 R 2 的大小, 可以调整回差电压值的大小 4. 集成施密特触发器在集成门电路中, 有带施密特触发器输入的反相器和与非门, 带施密特触发器的反相器逻辑符号如图所示图带施密特触发器的反相器逻辑符号单稳态触发器 1. 单稳态触发器特点单稳态触发器是广泛应用于脉冲整形延时和定时的常用电路, 它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态在外界触发脉冲的作用下, 能从稳定状态翻转到暂稳态, 暂稳态维持一段时间后, 电路又自动地翻转到稳态暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数, 与外界触发脉冲无关 2. 集成门构成的单稳态触发器 (1) 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器及其输出波形如图所示触发器由两个 TTL 与非门组成其中 R i C i 构成输入端微分电路,R C 构成微分型定时电路其输出脉宽 t W 取决于 RC 充电速度, 近似估算公式为 t w 0.7(R o + R)C R o = 100 Ω 5

6 图微分型单稳态触发器及其输出波形在定时电路中, 为了调整 t W, 通常以改变 C 作为粗调, 改变 R 作为细调 R 值选取应在 64 Ω<R<0.91 kω 之间 (2) 积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器及其输出波形如图所示, 此电路要求输入 v I 比输出 v O 脉冲宽如果要求在输入窄的触发脉冲时能够得到较宽的输出脉冲, 可以采用如图所示的电路, 这时输入与输出均为负脉冲图积分型单稳态触发器及其输出波形图宽脉冲输出电路 (3) 施密特触发器构成单稳态触发器利用 CMOS 施密特触发器的回差特性, 可以方便地构成单稳态触发器, 如图所示 6

7 图施密特触发器构成的单稳态电路及其输出波形 3. 集成单稳态触发器 (1) 非可重触发集成单稳态触发器非可重触发单稳态触发器, 是指在暂稳态定时时间 t W 之内, 若有新的触发脉冲输入, 电路不会产生任何响应, 其波形示意图如图所示常用的非可重触发集成单稳态触发器有 CT54121/CT74121 CT54221/CT74221 CC74HC123 等图非可重触发单稳态触发器波形 (2) 可重触发集成单稳态触发器可重触发单稳态触发器, 是指在暂稳态定时时间 t W 之内, 若有新的触发脉冲输入, 可被新的输入脉冲重新触发, 其波形示意图如图所示常用的可重触发集成单稳态触发器有 CT54122/CT74122 CT54123/CT74123 CC14528 CC14538 等 7

8 图可重触发单稳态触发器波形多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器, 在接通电源后, 不需要外加触发信号, 能自动地产生矩形脉冲它是常用的矩形脉冲产生电路多谐振荡器有电容正反馈多谐振荡器带 RC 定时电路的环形振荡器施密特触发器构成的多谐振荡器和晶体稳频的多谐振荡器等类型, 如图所示如果对频率稳定性要求不高且要求的振荡频率较低, 可采用前三种主要依靠电容 C 充放电构成的多谐振荡器在这类多谐振荡器中, 可以调节振荡器的输出频率, 一般以电容 C 作为粗调, 电阻 R 用电位器细调在要求多谐振荡器的频率稳定度较高的情况下, 通常采用晶体稳频的多谐振荡器 8

9 图四种多谐振荡器定时器的应用用 555 定时器构成施密特触发器 555 定时器是一种多用途单片集成电路, 利用它可以极方便地构成施密特触发器单稳态触发器和多谐振荡器 555 定时器内部电路结构如图所示图定时器内部电路结构 9

10 用 555 定时器构成施密特触发器电路如图 9 3 2(a) 所示图中 0.01 μf 电容起滤波作用, 以提高比较器参考电压的稳定性其工作波形如图 9 3 2(b) 所示图用 555 定时器构成施密特触发器其施密特触发器的上限触发电平 V T+ 下限触发电平 V T 和回差电压 ΔV T 分别为用 555 定时器构成单稳态触发器用 555 定时器构成单稳态触发器电路如图 9 3 3(a) 所示, 电阻 R 和电容 C 构成积分型单稳态触发器, 其工作波形如图 9 3 3(b) 所示 10

11 图用 555 定时器构成单稳态触发器暂稳态的持续时间主要取决于外接电阻 R 和电容 C, 输出脉冲的宽度 t W 为定时器的应用用 555 定时器构成自激多谐振荡器电路如图 9 3 4(a) 所示, 其工作波形如图 9 3 4(b) 所示图用 555 定时器构成多谐振荡器在电容 C 充电时, 暂稳态持续时间为 11

12 在电容 C 放电时, 暂稳态持续时间为因此, 电路输出矩形脉冲的周期和占空比分别为自我检测题 1. 已知如图 P9 1 所示电路由 CMOS 组成, 试分析 (1) 稳态时 v I v O v C 的逻辑电平 ; (2) 画出一个工作周期内 v I v O v C 的工作波形, 并说明该电路的名称图 P 有一电路如图 P9 2 所示, 门 1 和门 2 构成单稳态触发器, 暂稳态持续时间为 5μs,R 2 C 2 电路起延迟作用, 延迟时间为 1.5μs 已知输入信号 v I 的周期为 10μs, 脉宽 t W1 为 1 μs 试画出 A B 和 Q 的波形 (Q 初态为 0), 并说明该电路功能 12

13 图 P 如图 P9 3 所示电路, 分析电容 C 的充放电回路, 说明 E 的作用及该电路的功能图 P 由 J K 触发器和 555 定时器组成的电路如图 P9 4 所示, 已知 CP 为 10 Hz 方波,R 1 =10 kω,r 2 =56 kω,c 1 =1 000 pf,c 2 =4.7 μf,j K 触发器输出 Q 和 555 输出 v O 初始均为 0, 试 (1) 画出 J K 触发器输出 Q 及 v 1 v O 的波形 (2) 求输出波形的周期图 P 图 P9 5 是由 555 定时器构成的脉冲发生器, 试回答 13

14 (1) 每一个 555 定时器各构成什么电路? (2) 开关 S 在右端时, 计算 v O1 和 v O2 的频率 f Ⅰ 和 f Ⅱ (3) 开关 S 在左端时, 画出 v O1 和 v O2 的波形图 P 在如图 P9 6(a) 所示电路中,R 1 C 1 构成微分电路,G 为具有施密特性能的非门, 其阈值电压分别为 0.8 V 和 1.6 V, 由 555 定时器构成的单稳态电路暂稳态持续时间为 3.5 ms 求在如图 P9 6(b) 输入波形 v I 作用下, 画出 A B C D 和 Y 1 Y 2 的波形图 P9 6 14

15 7. 图 P9 7 为一个电子门铃电路, 要求每按一次开关按钮 S, 扬声器就以 1.2 Hz 的频率鸣响 10 s, 请确定电路中 R 1 R 2 和 R 3 的值图 P9 7 思考题 1. 什么是脉冲信号? 矩形脉冲的主要技术参数有哪些? 2. 施密特触发器电压传输特性有什么特点? 上限触发电平下限触发电平及回差电压的定义是什么? 3. 施密特触发器的主要应用? 4. 单稳态触发器有什么特点? 微分型和积分型单稳态触发器在电路结构上有什么不同点? 如何计算暂态时间? 5. 什么是可重触发单稳态? 它的暂稳态持续时间如何计算? 6. 单稳态触发器的主要应用? 7. 如何计算多谐振荡器的工作频率? 定时器的电路结构? 采用 555 定时器构成施密特触发器单稳态触发器及多谐振荡器的电路特点和区别? 各电路的主要技术参数如何计算? 15

第十五章脉冲波形的产生和整形

第十五章脉冲波形的产生和整形第十五章脉冲波形的产生和整形... 9 第一节概述... 9 5.. 脉冲电路的分析... 94 5.. 电路的应用... 95 第二节单稳态触发器... 98 5.. 用门电路组成的单稳态触发器... 98 5.. 集成单稳态触发器... 40 5.. 单稳态触发器的应用... 404 第三节多谐振荡器... 405 5.. 自激多谐振荡器... 405 5.. 环形振荡器...