数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础湖北第二师范学院湖北第二师范学院湖北第二师范学院湖北第二师范学院 物理与电子工程系物理与电子工程系物理与电子工程系物理与电子工程系 黄晓明黄晓明黄晓明黄晓明 ( ( ( (版权所有版权所有版权所有版权所有) ) ) ) 027- 027-6715102367151023 H1_X2_M321YAHOO.COM.CNH1_X2_M321YAHOO.COM.CN第六章第六章 脉冲单元电路脉冲单元电路6.6.2 2 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器6.6.3 3 施密特触发器施密特触发器施密特触发器施密特触发器本章小结本章小结本章小结本章小结概述概述概述概述6.1 6.1 多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器 概概 述述 数字信号实质上就是矩形波信号。矩形波数字信号实质上就是矩形波信号。矩形波有有哪些技术指标？如何通过某些特定的电路获得哪些技术指标？如何通过某些特定的电路获得不不同频率的矩形波？如何将其它波形转换成矩形同频率的矩形波？如何将其它波形转换成矩形波？这些都是本章要讨论的内容。波？这些都是本章要讨论的内容。 本章重点讨论用本章重点讨论用“555定时器定时器”组成的多组成的多谐振谐振荡器荡器(矩形波产生矩形波产生)、单稳态触发器、单稳态触发器(定时、整定时、整形或形或延迟延迟)和施密特触发器和施密特触发器(矩形波变换与整形矩形波变换与整形) 。一、矩形波一、矩形波1、脉冲幅度、脉冲幅度 ；2、脉冲宽度、脉冲宽度 ；3、脉冲周期、脉冲周期 ；4、上升时间、上升时间(上升沿上升沿) ；5、下降时间、下降时间(下降沿下降沿) 。注：理想的上升时间注：理想的上升时间 和下降时间和下降时间 都都有为有为0。二、二、555定时器定时器1、555 内部结构内部结构 555 定时器属中规模集成电路，只要在外定时器属中规模集成电路，只要在外部配部配上适当的阻容元件，就可组成各种脉冲单元电上适当的阻容元件，就可组成各种脉冲单元电路。路。由五大部分组成：由五大部分组成： 分压器；分压器； 电压比较器；电压比较器； 基本基本RS锁存器；锁存器； 输出缓冲器；输出缓冲器； 晶体管开关。晶体管开关。 3脚：输出端脚：输出端uO； 1脚：接地端；脚：接地端；2、555 芯片各引脚功能芯片各引脚功能 2脚：脚： 触发输入端触发输入端 ； 5脚：脚： 控制输入端控制输入端CO； 4脚：脚： 复位输入端复位输入端 ； 6脚：阈值电压输入端脚：阈值电压输入端TH； 7脚：电容放电端脚：电容放电端uD； 8脚：供电电源端脚：供电电源端Vcc。123456783、555 芯片内部功能芯片内部功能 Vcc经过三个经过三个5K 的电阻分压之后，的电阻分压之后， 在在P点的基准电点的基准电位位 为：为： UP=2Vcc/3 在在N点的基准电点的基准电位位 为：为： UN=Vcc/3当当 时：时： C2 输出低电平输出低电平“0”。 当当 时：时： C1 输出高电平输出高电平“1”；此时此时RS锁存器锁存器 ，导致，导致TD管截止。管截止。当当 时：时： C2 输出高电平输出高电平“1”。 当当 时：时： C1 输出低电平输出低电平“0”；此时此时RS触发器触发器 ，导，导致致TD管饱和导通。管饱和导通。当当 时：时： C2 输出高电平输出高电平“1”。 当当 时：时： C1 输出高电平输出高电平“1”；RS触发器触发器 ，状态不变。，状态不变。不变不变导通导通截止截止导通导通放电管放电管TD不变不变010输输 出出 uOVcc/3(UN)Vcc/3(UN)Vcc/3(UN)触发输入触发输入2Vcc/3(UP)Vcc/3(UN)Vcc/3(UN)触发输入触发输入2Vcc/3(UP)阈值输入阈值输入UTH11 复位复位可看出可看出uO为为0 ，TD管导通，电路出现了一条放电回管导通，电路出现了一条放电回路。路。 放电时间常数为：放电时间常数为： 电路进入了第二个暂电路进入了第二个暂稳稳态态TL过程。过程。C上的电压将上的电压将朝朝0的终值按指数规律减小。的终值按指数规律减小。 3、当、当C上的电压放电到上的电压放电到 时时(见下表见下表)可看出可看出uO为为1 ，TD管截止，电路又出现一条充电回管截止，电路又出现一条充电回路。路。 不变不变截止截止放电管放电管TD不变不变1输输 出出 uOVcc/3(UN)Vcc/3(UN)触发输入触发输入2Vcc/3(UP)Vcc/3(UN)Vcc/3(UN)触发输入触发输入2Vcc/3(UP)Vcc/3(UN)Vcc/3(UN)触发输入触发输入2Vcc/3(UP)阈值输入阈值输入UTH11 复位复位 放电时间放电时间常数趋于常数趋于0，很快结束。，很快结束。4、工作波形分析：、工作波形分析：注意：注意： 稳态时稳态时TD导通，输出低导通，输出低电平，暂稳态电平，暂稳态时时TD截止，输截止，输出高电平。出高电平。 输入负脉输入负脉冲的幅度低于冲的幅度低于 Vcc/3 (UN)为为可靠触发。可靠触发。暂稳态暂稳态稳态稳态三、单稳态触发器输出脉冲宽度三、单稳态触发器输出脉冲宽度 TW 的估算的估算 从工作波形中可以看出：输出脉冲宽度就从工作波形中可以看出：输出脉冲宽度就是电是电路的延迟时间。换句话说：就是暂稳态时电容路的延迟时间。换句话说：就是暂稳态时电容从从 0 充电至充电至2Vcc/3所需的时间。所需的时间。暂稳态暂稳态稳态稳态四、单稳态触发器恢复时间四、单稳态触发器恢复时间 TR 的估算的估算根据电路分析课程中根据电路分析课程中 RC 过渡过程三要素公式可得：过渡过程三要素公式可得：整理得：整理得：所以：所以：因为：因为：五、单稳态触发器最高工作频率五、单稳态触发器最高工作频率 fmax 的估算的估算 为了使电路能够可靠触发，即要保证在下为了使电路能够可靠触发，即要保证在下一个一个触发负脉冲到来时，电路应处在稳定的状态。触发负脉冲到来时，电路应处在稳定的状态。 触发脉触发脉冲冲的周期：的周期： 单稳态单稳态触触发器的最高发器的最高工工作频率：作频率：暂稳态暂稳态稳态稳态六、注意六、注意1、输入脉冲之间的最小间隔、输入脉冲之间的最小间隔 Tmin TW+TR ，否则电路，否则电路 的暂稳态还未结束时，又的暂稳态还未结束时，又 有新触发负脉冲输入，此有新触发负脉冲输入，此 时电路状态将出现混乱。时电路状态将出现混乱。2、触发负脉冲的宽度必须小、触发负脉冲的宽度必须小 于暂态宽度于暂态宽度TW，一般常用，一般常用 微分电路解决这个问题。微分电路解决这个问题。6.2.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 此触发器分为可重复和非重复触发两大类：此触发器分为可重复和非重复触发两大类：可可重复触发是在暂态期间允许新的触发脉冲进入；重复触发是在暂态期间允许新的触发脉冲进入；非非重复触发是在暂态期间不允许新的触发脉冲进重复触发是在暂态期间不允许新的触发脉冲进入。入。一、非重复触发的单稳态集成电路一、非重复触发的单稳态集成电路(74121)1、芯片逻辑符号及引脚功能、芯片逻辑符号及引脚功能 TR-A、TR-B是两个下降沿触发信号的输入是两个下降沿触发信号的输入端；端； TR+是一个上升沿触发信号的输入端；是一个上升沿触发信号的输入端； Q 和和 是两个互补输出端；是两个互补输出端； Rext/Cext、Cext为外接定时电阻和电容的端为外接定时电阻和电容的端口；口； Rint为内置为内置2k定时电阻的引出端口。定时电阻的引出端口。 表表示示非非重重触触发发 只要只要TR不发生变化，电路就一直保持在稳态。不发生变化，电路就一直保持在稳态。2、状态功能表、状态功能表10110上升沿触发上升沿触发01下降沿触发下降沿触发1110101001111TR+TR-B0Q输输 出出TR-A保持稳态保持稳态 备备 注注0输输 入入 外部外部TR有三种下降沿的触发方式，但内部有三种下降沿的触发方式，但内部TR仍是仍是 上升沿触发（上升沿触发（ ）。）。 1下降沿触发下降沿触发1111TR+TR-BQ输输 出出TR-A备备 注注输输 入入0上升沿触发上升沿触发0TR+TR-BQ输输 出出TR-A备备 注注输输 入入 外部外部TR有两种上升沿的触发方式，内部有两种上升沿的触发方式，内部TR也也是上是上 升沿触发（升沿触发（ ）。）。3、实用电路、实用电路 当触发信号还没当触发信号还没 有输入时：有输入时： 由状态功能由状态功能 表得知电路处于表得知电路处于 稳态，稳态，uO=0。1011101010011TR+TR-B0Q输输 出出TR-A保持稳态保持稳态 备备 注注0输输 入入 当有负触发信号当有负触发信号 输入时：输入时：1下降沿触发下降沿触发1111TR+TR-BQ输输 出出TR-A备备 注注输输 入入 由状态功能表由状态功能表得得知电路变到暂稳态，知电路变到暂稳态，uO=1。暂稳态的时。暂稳态的时间间由由RC来确定。来确定。 电路相关参数：电路相关参数： 输入脉冲最小输入脉冲最小 周期周期Tmin: 最大占空比最大占空比 qmax : 输出脉冲宽度输出脉冲宽度TW: 外接定时电阻外接定时电阻R的取值范的取值范围围 : 外接定时电容外接定时电容C的取值范的取值范围围 : 若使用内置的定时电阻时，若使用内置的定时电阻时，9脚直接接电源。脚直接接电源。二、可重触发的单稳态集成电路二、可重触发的单稳态集成电路(74122/74LS122)1、芯片逻辑符号及引脚功能、芯片逻辑符号及引脚功能 表表示示可可重重触触发发 TR-A、TR-B 是两个下降沿触发信号的输入端；是两个下降沿触发信号的输入端； TR+A、TR+B是两个上升沿触发信号的输入端；是两个上升沿触发信号的输入端； Q 和和 是两个互补输出端；是两个互补输出端； 是直接复位输入端；是直接复位输入端； Rext/Cext、Cext为外接定时电阻和电容的端口；为外接定时电阻和电容的端口； Rint为内置为内置2k定时电阻的引出端口。定时电阻的引出端口。2、状态功能表、状态功能表保持稳定保持稳定111111111110TR+B11111110TR+A10001TR-B10001TR-A0000输输 出出下降沿下降沿触发触发上升沿上升沿触发触发复复 位位备备 注注11111110输输 入入 只要只要 无论有否触发输入，电无论有否触发输入，电路都复位。路都复位。1TR+BTR+ATR-BTR-A0输输 出出复复 位位备备 注注0输输 入入 只要只要TR不发生变化，电路就一直保持在稳态。不发生变化，电路就一直保持在稳态。此稳此稳 态与复位后的状态相同。态与复位后的状态相同。保持稳定保持稳定1110TR+B0TR+A1TR-B1TR-A000输输 出出备备 注注输输 入入 外部外部TR有六种上升沿的触发方式，内部有六种上升沿的触发方式，内部TR也是也是上上 升沿触发（升沿触发（ ）。）。 1111TR+B1111TR+A000TR-B000TR-A输输 出出上升沿上升沿触发触发备备 注注1111输输 入入注意：当注意：当 清清0后若回到后若回到1，这就有可能给，这就有可能给单稳态电单稳态电 路发出触发信号。为了避免这种情况，可路发出触发信号。为了避免这种情况，可采用采用 改变上表中最后两行其它条件的方法。改变上表中最后两行其它条件的方法。 外部外部TR有三种下降沿的触发方式，但内部有三种下降沿的触发方式，但内部TR仍然仍然是是 上升沿触发（上升沿触发（ ）。）。3、实用知识、实用知识 输出脉冲宽度由外接定时元件确定。输出脉冲宽度由外接定时元件确定。R 的选取的选取范围范围 为：为：550k；C的选取范围为：的选取范围为：10pF以上。常以上。常用于用于 较长时间的延时用途。较长时间的延时用途。(电路连接图与电路连接图与74121相相同同) 当当C1000pF时：时：111TR+B111TR+A1TR-B1TR-A输输 出出下降沿下降沿触发触发备备 注注111输输 入入 恢复时间恢复时间tre，与，与74121相同，电路也需要一段相同，电路也需要一段恢复恢复 时间后才能从暂稳态返回到稳态。时间后才能从暂稳态返回到稳态。优优 点点1、利用可重触发功能，可以增、利用可重触发功能，可以增加加 脉冲的宽度和延迟时间。换脉冲的宽度和延迟时间。换句句 话说：在下一个触发脉冲的话说：在下一个触发脉冲的作作 用下原暂稳态被中止，又开用下原暂稳态被中止，又开始始 新的暂稳态新的暂稳态 (在数控系统中在数控系统中常常 用于硬件用于硬件“看门狗看门狗”技术技术) ；优优 点点2、利用异步清、利用异步清 0 功能还可以缩功能还可以缩短短 输出脉冲的宽度，使单稳态输出脉冲的宽度，使单稳态触触 发器的应用价值得到提升；发器的应用价值得到提升；3、器件内部设有补偿电路，因、器件内部设有补偿电路，因此此 脉宽的稳定性高，脉宽的稳定性高，Vcc 及环及环境境 温度的变化对温度的变化对TW的影响较小。的影响较小。 因此单稳态电路可以做因此单稳态电路可以做波波 形整形、定时及延迟电路。形整形、定时及延迟电路。返回返回6.3 施密特触发器施密特触发器6.3.1 用用555定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器 施密特电路在受到不同电平的触发脉冲施密特电路在受到不同电平的触发脉冲作用作用时，具有两个稳定的状态。另外施密特电路时，具有两个稳定的状态。另外施密特电路的阈的阈值电压不相等，具有滞后特性（回差现象）。值电压不相等，具有滞后特性（回差现象）。一、电路结构一、电路结构1、2 和和 6 短接，两个短接，两个运放运放 共用一个输入电压；共用一个输入电压；2、VDD对对7脚脚TD管提供管提供集集 流，流， TD管截止时输管截止时输出出 的高电位由的高电位由VDD确定；确定； 3、3脚输出端脚输出端Q(uO2)与与7 脚脚uO1的相位相同；的相位相同；二、工作原理二、工作原理4、5脚脚UCO 端若开路，端若开路，电电 路的阈值电压就是路的阈值电压就是555 电路原始阈值电压。电路原始阈值电压。1、当、当uI = 0 时：时： 相当于相当于 2 脚和脚和 6 脚脚都都输入了低电平，则输入了低电平，则 3 脚和脚和7 脚都输出高电平。脚都输出高电平。2、当、当uI由由0增加，但小增加，但小于于 2Vcc/3(P点电位点电位)时：时： 电路状态同电路状态同 1 所所述，不发生变化。述，不发生变化。3、当、当uI大于大于2Vcc/3时：时： 相当于相当于 2 脚和脚和 6 脚脚都输入高电平，则都输入高电平，则 3 脚脚和和7 脚都输出低电平。脚都输出低电平。4、当、当uI由大于由大于2Vcc/3且且 继续增加时：继续增加时： 电路状态同电路状态同 3 所所述，不发生变化。述，不发生变化。5、当、当 uI 开始下降，处开始下降，处于于 2Vcc/3 uI Vcc/3 (在在N点电位以上点电位以上)时：时： 电路状态同电路状态同 4 所所述，不发生变化。述，不发生变化。6、当、当uI小于小于Vcc/3时：时： 相当于相当于 2 脚和脚和 6 脚脚都输入低电平，则都输入低电平，则 3 脚脚和和7 脚都输出高电平。脚都输出高电平。7、当、当uI由小于由小于Vcc/3，且且 继续下降时：继续下降时： 电路状态同电路状态同 6 所所述，不发生变化。述，不发生变化。三、工作波形三、工作波形四、滞回特性四、滞回特性我们规定我们规定 当输出当输出Q由由UOH跳到跳到UOL时，所对时，所对应应的输入电压称为的输入电压称为UT+(上限阈值电压上限阈值电压)；当当输出输出Q由由UOL跳到跳到UOH时，所对应的输时，所对应的输入入电压称为电压称为UT-(下限阈值电压下限阈值电压) 。它们的。它们的差差值叫回差电压值叫回差电压UT 。 一般常用电压传输特性曲线来描一般常用电压传输特性曲线来描述。述。1、定义、定义2、电压传输特性曲线（、电压传输特性曲线（UCO开路）开路）3、回差电压的调整、回差电压的调整 若给若给 5 脚输入一脚输入一个个控制电压控制电压US ，则改变了，则改变了P和和N点的电位。因此可点的电位。因此可以调整回差电压的大小。以调整回差电压的大小。在在P点：点：在在N点：点：所以：所以： 今后我们只要改变今后我们只要改变US就可以任意调整回差。就可以任意调整回差。一、电路结构及表示符号一、电路结构及表示符号1、由两级、由两级CMOS反相器构成；反相器构成；6.3.2 由由CMOS构成的施密特触发器构成的施密特触发器2、R1为限流电阻，为限流电阻，R2为反馈电阻，且为反馈电阻，且R1R2 ；3、CMOS门输出的高电平为门输出的高电平为VDD，低电平为，低电平为0 ；4、CMOS门的阈值电压门的阈值电压UTVDD/2 。二、工作原理（若给下电路输入一个三角波形）二、工作原理（若给下电路输入一个三角波形）1、当、当uI=0时：时：G1门截止，门截止，G2门导通，门导通，uO=0V，这是第一个稳，这是第一个稳态。态。2、当、当uI 继续上升，继续上升， 但未到但未到CMOS 门开门的阈值门开门的阈值 电压电压UT时：时：由于由于uO=0V，所以：，所以： 电路仍在第一个稳态。电路仍在第一个稳态。 结果导致结果导致G1门导通，门导通，G2门截止，门截止，uO1=0V， uO=VDD，电路翻转到第二个稳态并维持下去。，电路翻转到第二个稳态并维持下去。3、当、当uI 继续上升，继续上升， 到了到了CMOS门开门开 门的阈值电压门的阈值电压UT 并且超过并且超过UT时：时：电路产生正反馈过程：电路产生正反馈过程：4、当、当uI 开始下降，开始下降， 但未到但未到CMOS 门关门的阈值门关门的阈值 电压电压UT时：时：由于由于uO=VDD，所以：，所以： 电路仍在第二个稳态。电路仍在第二个稳态。 结果又导致结果又导致G1门截止，门截止，G2门导通，门导通，uO1=VDD， uO=0V，电路翻转回第一个稳态并维持下去。，电路翻转回第一个稳态并维持下去。5、当、当uI 继续下降，继续下降， 到了到了CMOS门关门关 门的阈值电压门的阈值电压UT 并且低于并且低于UT时：时：电路又产生正反馈过程：电路又产生正反馈过程：三、三、CMOS门的回差特性门的回差特性1、上限阈值电压、上限阈值电压UT+的估算：的估算： 因为因为UT+是发生在是发生在uI 增加直到电路发生翻增加直到电路发生翻转的转的过程中对应过程中对应(UT+=uI) 的，那么从下式可推出：的，那么从下式可推出：所以：所以：2、下限阈值电压、下限阈值电压UT-的估算：的估算： 因为因为UT-是发生在是发生在uI 下降直到电路发生翻下降直到电路发生翻转的过程中对应转的过程中对应(UT-=uI) 的，那么从下式可推的，那么从下式可推出：出：所以：所以：3、回差电压、回差电压U的估算：的估算：所以：所以：四、波形分析：四、波形分析： 注意输出注意输出波形的相位，波形的相位，与前面与前面 555 施施密特电路不同。密特电路不同。第第一一稳稳态态第第二二稳稳态态第第一一稳稳态态一、波形变换（再经过一个非门倒相）一、波形变换（再经过一个非门倒相） 将三角波、正弦波等缓慢变化的不规将三角波、正弦波等缓慢变化的不规则则的波形，转换成矩形波。的波形，转换成矩形波。6.3.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用二、波形整形二、波形整形 可以对传输过程中发生了形变的可以对传输过程中发生了形变的矩形波矩形波的波峰，进行整形。的波峰，进行整形。三、鉴幅（幅度鉴别）三、鉴幅（幅度鉴别） 增大回差，可以对传输过程中的干扰信号和增大回差，可以对传输过程中的干扰信号和杂波杂波信号进行清除，仅保留本色波形。信号进行清除，仅保留本色波形。(常用于雷达系常用于雷达系统统)返回返回本章小结：本章小结：一、典型脉冲波形矩一、典型脉冲波形矩 形波的定义、和形波的定义、和 相关参数。相关参数。二、二、555 定时器芯片定时器芯片 的引脚功能、内的引脚功能、内 部结构以及工作部结构以及工作 原理。原理。三、用三、用555定时器组定时器组 成的多谐振荡器成的多谐振荡器 的工作原理及相的工作原理及相 关参数关参数(振荡周期振荡周期) 的估算。的估算。四、用四、用555及其它集及其它集 成芯片组成的单成芯片组成的单 稳态触发器的工稳态触发器的工 作原理和相关参作原理和相关参 数数(定时定时)的估算。的估算。四、用四、用555及及CMOS 芯片组成的施密芯片组成的施密 特触发器的工作特触发器的工作 原理和相关参数原理和相关参数 (回差电压回差电压)的估算。的估算。返回返回返回导学目返回导学目返回导学目返回导学目录录录录谢谢谢谢 谢谢谢谢 版版权权所所有有9.02版本版本