数字电子技术基础制作人:吴亚联湘潭大学信息工程学院第十章 脉冲波形的产生和整形
§ 10.3 单稳态触发器
§ 10.2 施密特触发器
§ 10.4 多谐振荡器
§ 10.5 555定时器及其应用
§ 10.1 概述
10.1 概 述获得矩形脉冲波形的 两种方法,
1)利用各种形式的 多谐振荡器电路,
直接产生 矩形脉冲;
2)通过整形电路把已有的周期性变化的波形 变换 为矩形脉冲。 实现这一变换功能的过程,称作,整形,。
常用的整形电路 有 单稳态触发器 和 施密特触发器 。
图 10.1.1 描述矩形脉冲特性的主要参数
1、脉冲周期 T;
2、脉冲幅度 Vm
3、脉冲宽度 tw
4、上升时间 tr
5、下降时间 tf
6、占空比 q
q= tw / T
10,2 施密特触发器施密特触发器 (schmitt Trigger)的特点:
( 1)属于 电平 触发,当输入信号达到一定电压值时,输出电压会发生突变,输入信号增加和减少时,电路有不同的 阈值电平 。
( 2)在电路状态转换时,通过电路内部的正反馈过程,
使输出电压波形的边沿变得 很陡 。
VT- VT+
VO
VI
VOL
VOH
施密特触发器的电压传输特性
“回差特性
” V= V
T+ - VT-
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
1 1R1
R2
VI1
VI V
O1 VO
1V
I VO
(b)图形符号( a)电路
1、工作原理,设 G1,G2是 CMOS电路,阈值电压
Vth=VDD /2,R1< R2 ; VI 为三角波。
根据叠加原理,
OII
V
RR
RV
RR
RV
21
1
21
2
1?
G1 G2
1 1R1
R2
VI1
VI V
O1 VO
( 1) VI=0时,VO=0,∴ VI1≈0;
( 2) VI增加到使 VI1= Vth时,发生 正反馈,
th
2
1
T )VR
R(1V
输入电压 VI 由小变大使电路输出 发生突变 所对应的值称为 VT+,即 正向阈值电压 ;
TthI VRR
RVV
21
2
1
使 VO迅速跳变为 VDD;VI1 VO1 VO
OII VRR
RV
RR
RV
21
1
21
2
1
此时对应的 VI称为 VT-,即 负向阈值电压 ;
th
2
1
T )VR
R-(1V?
( 3) VI上升到最大值后开始 下降,当 VI1= Vth
时,发生 正反馈,
当 VI1>Vth时,电路状态维持 VO=VDD不变。
VO从 VDD跳变为 0;
DDTthI VRR
RV
RR
RVV?
21
1
21
2
1
VI1 VO1 VO
1 1R1
R2
VI1
VI V
O1 VO
2、工作波形图和传输特性曲线:
VO
VIVT- VT+
0
VDD
V
IVT+
VT-
t0
VO
VDD
t0 th
2
1
T VR
R2V?
回差电压通过调节 R1,R2 的比值,
调节回差电压的大小。
*10.2.2 集成施密特触发器
TTL集成施密特触发器 7413
图 10.2.3 带 与非 功能的 TTL集成施密特触发器
CMOS集成施密特触发器 CC40106:
1V
I VO
10.2.3 施密特触发器的应用利用施密特触发器的回差特性,可以用于对信号进行整形、波形变换、幅度限幅等
。1.用于波形变换
0
VI
VT-
VT-’
VT+
t
t
t
0
0
VO
V’O
1V
I VO
2.用于脉冲整形图 10.2.8 用 施密特触发器对脉冲整形
(a)当传输线上电容较大时,波形的上升沿和下降沿将明显变坏。
(b)当传输线较长而且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时,在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象。
(c)当其他脉冲信号叠加到矩形脉冲信号时,信号上将出现附加的噪声。
3.用于脉冲幅度鉴别例如,输入信号为幅度不等的一串脉冲,需要 消除幅度较小的脉冲,而保留幅度大于 Vth的脉冲。
只要将施密特触发器的正向阈值电压 VT+调到规定的
Vth,便可实现:
图 10.2.9 用 施密特触发器鉴别脉冲幅度本节小结施密特触发器是一种能够把输入波形 整形 成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路 。 施密特触发器在脉冲的整形电路中应用很广 。 而且由于具有 滞回特性,所以抗干扰能力也很强 。
施密特触发器可以由分立元件构成,
也可以由门电路及 555定时器构成 。
10,3 单稳态触发器单稳态触发 器具有以下特点:
1)电路有一个 稳态,一个 暂稳态 ;
2)在 外来触发脉冲 作用下,电路由稳态转到暂稳态;
暂稳态维持一段时间后,电路会 自动返回 稳态。
3)暂稳态维持时间的长短取决于 电路本身的参数,与触发脉冲的宽度和幅度无关。
稳定状态 稳定状态暂稳态由外界触发 自动返回着重理解,
1.为什么 电路可以自动返回稳态?
2.在,暂稳态,上停留的时间 有多长? 该时间由什么决定?
单稳态触发器的 电路形式,
单稳态触发器可以由 分立元件构成,门电路构成,还有 专门的单稳集成电路 以及由 555电路构成等等
。
下面介绍门电路组成的单稳态触发器:
0 t
vI
vo1
vR
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
当 t1 时刻输入触发信号,
即 vI 发生正跳变后,
v
o1 应该产生负跳变。
10,3,1 用门电路组成的单稳态触发器
1.电路组成及工作原理
≥1 1G1 G2
vI VDD
RC
vR
vO1 vO2
(1) 稳态,vo1=1,vo2 =0一、微分型 单稳态触发器图 10.3.1
只要 vR < Vth,仍然 维持 暂稳态。
≥1 1G1 G2
vI VDD
RC
vR
vO1 vO2
+5V
R4
T4
T5
vo1
R
C
VDD
vI vO1 vR vO2
(2) 电路进入暂稳态:
vR
0 t
Vth
vO1 = 0,vO2 = 1,
电容 C应该充电
0 1
同时:
vo2
0 t
所以,一旦 vR = Vth,立即回到稳态,vO2= 0,vO1=1。
( 3)从暂稳态自动返回稳态
C充电 vR vO2 vO1 0
t
vi
vo1
vR
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
Vth
≥1 1G1 G2
vI VDD
RC
vR
vO1 vO2
当 vR = Vth时,发生以下正反馈,(设此时触发脉冲已消失 )
0 t
vi
vo1
vR
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
Vth
≥1 1G1 G2
vI VDD
RC
vR
vO1 vO2
2,主要参数计算:
tW
( 1)输出脉冲宽度 tW
即暂稳态维持时间。
t1 t2RC
Vvv DDRR
)(,0)0(
tW ≈0.7RC当 Vth = VDD /2时,
tRRRR evvvtv )()0()()(
RC
Vvv DDRR
)(,0)0(
)1()( / RCtDDthWR WeVVtv
thDD
DD
W VV
VRCt
ln
( 2)恢复时间 tre
即暂稳态结束后,电路恢复到初始状态所需的时间。主要指电容在暂稳态期间所充电荷的释放时间,tre约为 3倍放电时间常数。
( 3)最高工作频率 fmax
fmax= t
w +tre
1 (微分型单稳)
由于 tW和 tre的存在,加入触发信号的时间间隔 T应满足 T> tW +tre,即
3,讨论:
≥1 1G1 G2
vI V
DD
RC
vR
vO1 vO2
vR
0 t
Vth
( 1)暂态结束瞬间,加在 G2门输入端的高压,可能损坏 G2。为了避免这种现象发生,CMOS器件内部设有保护二极管。
( 2)当输入 vI的脉冲宽度 tpi >tW
时,则在 V02变为低电平后,将不能影响 G1的变化,也就形成不了前述正反馈过程,使 V02输出边沿变缓。
此时需在 G1输入端加一微分电路。
( 3)若采用 TTL与非门构成单稳电路,
G2输入端的电阻 R应小于 0.7K?。
Vth+ VDDVDD+ 0.7v
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
当输入的触发信号 vi
发生正跳变后,
0 1
1
1
1 0
0
vo1 应该产生负跳变。
1
二,积分型 单稳态触发器
1.工作原理
vO1 v
O2
R
C
1 &
vi vAG
1
G2
vA
0 t
电容 C应该放电,
VTH
只要 vA > VTH,
仍然有 VA = 1,
+5V
R4
T4
T5
vo1 AR
C
+
-
1 0
vo1 v
o2
R
C
1 &
vi vA
1
1 0
1
那么,vo2 应该由 1 变成 0。
电容 C应该放电,
vA
0 t
VTH
vo1 v
o2
R
C
1
&
vi vA
1
1 0
1 01
只要 vA > VTH,仍然有 VA = 1,那么,vo2
应该由 1 变成 0。
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
vA
0 t
VTH
1
vo1 v
o2
R
C
1
&
vi VA
1
1 0
01
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
0
那么,
vo2 应该由 0 变成 1。
一旦 vA < VTH,立即会有 VA = 0,
t
2
电容 C继续放电,
1v
o1 v
o2
R
C
1
&
vi VA
1
1 0
1
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
0
t
2
那么电容 C就 不断地 放电,
电路各点的逻辑状态如图所示。
只要 vi 仍为 1 状态,
vo1 就会保持 0 状态,
1&v
o1 v
o2
R
C
1v
i VA
1
1 0
1
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
0
t
2
当 vi 由 1 变回 0 时,
0 1
从此,电容 C将进入 充电 过程,
vo1 自然由 0 变到 1,
t3
波形如右图所示,
0
1
1 &vo1 v
o2
R
C
vi VA
1
1 0
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
0
t
2
当 vi 由 1 变回 0 时,
0 1
从此,电容 C将进入 充电 过程,
vo1 自然由 0 变到 1,
t3
思考,vo2 又该如何呢?
0
1
1 &vo1 v
o2
R
C
vi VA
1
1 0
0
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
t
2
0 1 t
3
思考,vo2 又该如何呢?
对与非门 2 来说,
它已有一个输入端为
0 了,另一输入端 A
的电位尽管在变化,
却不会影响其输出值,
vo2 继续保持为 1 。
电容
C 的充电主要回路如右图示:
+5V
R4
T4
T5
vo1
t3
1
1 &vo1 v
o2
R
C
vi VA
1
1 0
1
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
t
2
0 1
0
AR
C
+
-
t30 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
1 &vo1 v
o2
R
C
vi VA
停留在 暂稳态 的时间与电路参数的关系:
tw
CRR
VV
VV
CRRt
O
THOL
OHOL
OW
)(7.0
ln)(
+5V
R4
T4
T5
vo1 AR
C+-
“单稳态触发器”小结
1、为什么 可以自动返回?
因为电容的充、放电过程所至 。
与 R,C 的乘积成正比。
≥1 1G1 G2
vI VDD
RC
vR
vO1 vO2
2.在,暂稳态,上停留的时间 有多长? 该时间由什么决定?
1 &vo1 v
o2
R
C
vi VA
t30 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
0 t
vi
vo1
vR
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
Vth
(a)微分型单稳 (b)积分型单稳不可重复触发单稳态触发器:
10,3,2 集成单稳态触发器可重复触发单稳态触发器:
指在暂稳态期间,电路 不能 被再次触发翻转,tW只与 R,C有关。
指在暂稳态期间,电路在触发脉冲的作用下 能 被重新触发翻转。
两种单稳电路工作波形比较:
tW tW
tW tWt△
(a)不可重复触发 单稳态触发器工作波形
(b)可重复触发 单稳态触发器工作波形
vI
vI
vO
vO
一,TTL集成单稳态触发器 74121
图 10.3.9 集成单稳态触发器 74121的逻辑图触发信号控制电路:
微分型单稳态触发器:
输出缓冲电路:
由 G1~ G4构成。
由 G5~ G7及 R,C 构成。
由 G8,G9构成,用来提高电路的带负载能力。
a
A1,A2,B,
引脚介绍:
触发输入端;
单稳触发器输出端;vo,vo:
Rext/ Cext( 11脚),与定时电容相连端 /外部定时电阻输入端;
Rint,内部定时电阻引脚;
定时电容输入端。Cext:
工作原理:
( 1)稳态,vo =1vo =0,
( 2)暂稳态:
当 a点有正脉冲触发信号时,电路进入暂稳态;
vo =0vo =1,
暂稳态期间 vo =0,将 G4封锁,所以即使有触发信号输入,a点也不会出现触发脉冲。
电路为不可重复触发单稳触发器
2、触发与定时:
( 1)两种触发方式(表 10.3.1 74121功能表):
① A1A2=0,且 B为上升沿;
② B=1,A1,A2中一个为下降沿,另一个为 1或 A1,A2 都为下降沿;
( 2)定时:
单稳电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。
定时电容接引脚 10,定时电阻 R有两种选择:
① 利用内部定时电阻 Rint,则接法如下:
② 利用外接定时电阻 Rext,则接法如下:
A2
A1
B
Rext VCCCext Rint
vo
vo
GND
C VCC
74121
A2
A1
B
Rext VCCCext Rint
vo
vo
GND
C R VCC
74121 t
W ≈0.7RC
Rext通常取
2k~ 30K?
Rint约为 2K?
*可重复触发单稳态触发器 74LS123
1,74LS123管脚图
916 15 14 13 12 11 10
2 43 65 7 81
CLR
CLR
Q
Q
Q
Q
2B 2A
1B1A 2Q
1Q
1Q
2Q
1CLR
2CLR1CT
2CT
VCC
GND2RT /CT
1RT /CT
74LS123 包括两个独立的单稳,
各管脚以字头 1,2 相区别。单稳输出脉冲的宽度,主要由外接的定时电阻 ( RT ) 和定时电容 ( CT ) 决定。
单稳的翻转时刻决定于 A,B,CLR
三个输入 相与的结果,具体参见它的功能表。
CLR A B Q Q 说 明
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
稳态触发
X X
X X
X X
74LS123功能表
74LS123输出脉冲的宽度有三种控制方法,
1,基本脉冲宽度由外接电阻 ( RT ),电容 ( CT ) 决定:当 CT > 1000PF 时,脉宽 tW
应为 t
W = 0,45 RT CT
74LS123
RT / CT
CT
VCC CT
RT
74LS123输出脉冲的宽度有三种控制方法,
2,在清零端 ( CLR ) 加清 0 负脉冲,可提前终止输出脉冲,如下图所示,
tW
CLR
Q
图中 tW是由电路参数决定的暂稳态时间 ;
实线所表示的 Q 波形则是 CLR 作用的结果。
3,通过在 A 端或 B 端加再触发脉冲,
可使输出脉冲的宽度加宽,
tW
tW
B
Q
tW 为 B的第一次触发所产生的暂稳态时间;
tW 为 B的第二次触发所产生的暂稳态时间。
第一次触发尚未结束,又施加第二次触发信号,
其效果如 Q 的实线波形所示。
3,通过在 A 端或 B 端加再触发脉冲,
可使输出脉冲的宽度加宽,
tW
tW
B
Q
由于这种单稳可以通过加再触发脉冲增大输出脉冲的宽度,所以,
它被称为 可 再触发 式 单稳 。
单稳的应用多种多样,如,整形、延时控制、定时顺序控制等等。
1、定时利用单稳电路产生脉宽为 tW的矩形输出脉冲作为定时信号,去控制某电路,使其在 tW时间内动作(或不动作)。
补充,单稳态触发器的应用与门单稳触发器 tW
2、延时
1)如延时开关:当按一下开关时路灯就亮了,但当手松开后灯并没有立即灭掉,而是经过一段时间后才灭掉,这里就是单稳态电路的延时应用。
0 t
vi
vo1
vR
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
Vth
2)从 单稳态触发器的工作波形可看出,输出端 vo1的上升沿相对于输入信号 vi 的上升沿 延迟了 tW时间 。
tW
这种延迟作用常应用于 时序控制 。
3、构成多谐振荡器
A2
A1
B
Rext/Cext VCCCext
Q
GND
C1 R1 V
CC
VCC
1 74121( 1) A2A1
B
VCCCext
Q
GND
C2 R2 V
CC
Rext/Cext
VCC
74121(2) VO
Q1
Q2
S
S为起振开关,将 S打开,电路开始振荡。
工作原理:
② B=1,A1,A2中一个为下降沿,
另一个为 1或 A1,A2 都为下降沿。
触发方式,① A1A2=0,且 B为上升沿;
A2
A1
B
Rext/Cext VCCCext
Q
GND
C1 R1 V
CC
VCC
1 74121( 1) A2A1
B
VCCCext
Q
GND
C2 R2 V
CC
Rext/Cext
VCC
74121(2) VO
Q1
Q2
设初始状态 Q1 =0,Q2=0,S打开后:
第 1片,A1 =Q2 =0,A2=1,B由 0跳变为 1,所以 Q1 从 0 跳变为 1;
第 2片,A2 =B=1,A1= Q1,当 Q1暂稳态结束时 A1 有下降沿,所以 Q2 从 0 跳变为 1;
A2
A1
B
Rext/Cext VCCCext
Q
GND
C1 R1 V
CC
VCC
1 74121( 1) A2A1
B
VCCCext
Q
GND
C2 R2 V
CC
Rext/Cext
VCC
74121(2) VO
Q1
Q2
设初始状态 Q1 =0,Q2=0,S打开后:
第 1片,当 Q2 暂稳态结束时,A2=B=1,A1=Q2
有下降沿,所以 Q1 又从 0跳变为 1;
第 2片,A2 =B=1,A1= Q1,当 Q1暂稳态结束时 A1 有下降沿,所以 Q2 又从 0跳变为 1;
周而复始,形成振荡。 振荡周期 T=0.7(R1C1+R2C2)
工作波形:
Q1
Q2
B1
tW1
tW2
4、噪声消除电路
A2
A1
B
Rext VCCCext
74121 Q
C R VCC
1D
C1
R
Q VO
VI
VI
VO
Q tW tW tW
噪声利用单稳电路,将 输出脉宽 调节到 大于噪声宽度而 小于 信号宽度,即可消除噪声。
本节小结单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成的单稳态触发器和基本 RS触发器在结构上也极为相似,只有用于反馈的耦合网络不同。
单稳态触发器可以由门电路构成,也可以由
555定时器构成。在单稳态触发器中,由一个暂稳态过渡到稳态,其,触发,信号也是由电路内部电容充(放)电提供的,暂稳态的持续时间即脉冲宽度也由电路的阻容元件决定。
单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲,但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波,用途很广。
10,4 多谐振荡器
10,4,2 非对称式多谐振荡器
1、电路组成及工作原理:
1
G1
1
G2
R C
VI VO1 VO2
图 10.4.6 由 CMOS门电路组成的多谐振荡器假定 CMOS反相器的电压输出特性为理想化折线,即
VON=VOFF,称之为门坎电平 Vth 。
多谐振荡器也叫矩形波振荡器,是一种 自激 振荡电路,在接通电源后,不需要 外加触发信号,就能产生一定频率和幅值的 矩形脉冲 。是 无稳态 电路。
(1)第一暂稳态及电路自动翻转的过程:
+UDD
TP1
TN1
D1
D2
TP2
TN2
D3
D4
VO1 VO2VI
R
C
设 t=0时刻接通电源,
电容 C尚未充电,初始状态为,VO1=‘1’
VO2=‘0’ 电容 C充电,
充电当 VI上升到 Vth 时,
VI VO1 VO2 电路迅速 翻转为,V
O1=‘0’ VO2=‘1’
正反馈过程 (第二暂稳态 )
设 Vth= VDD/2:
1 0
(第一暂稳态 )
0
(2)第二暂稳态及电路自动翻转的过程:
+UDD
TP1
TN1
D1
D2
TP2
TN2
D3
D4
VO1 VO2VI
R
C
电路进入第二暂态的瞬间,
电容 C放电,
放电当 VI 降至 Vth 时,
VI VO1 VO2 电路迅速 翻转为,
VO1=1,VO2=0
VO2上升到
UDD,
VI= UDD + V+
正反馈过程
1
VI也上跳 UDD,
1
0
2、工作波形图:
Vth
VI
t0
t
VO2
0
VDD
VDD+ △ V+
1
G1
1
G2
R C
VI VO1 VO2
充电放电
-△ V-
忽略导通门的导通电阻,充电和放电的时间常数均为 RC,用三要素法求解,
1)充电时,VI( 0+) ≈0,VI( ∞) =VDD,?=RC
teVVVtV )()0()()(
Vth
VI
t0
t
VO2
0
VDD
t1 t2
3、振荡周期 T的计算:
T1 T2
VDD+ △ V+
-△ V-
RCT
DDDDI eVVTV
/
1
1)0()(
=Vth
thDD
RCT
DD VVeV
/1
DD
thDDRCT
V
VVe /
1
thDD
DD
VV
VRCT
ln
1
2)放电时,VI( 0+) ≈ VDD,VI( ∞) =0,?=RC
th
DD
2 V
VR C lnT?
Vth
VI
t0
t
VO2
0
VDD
t1 t2
T1 T2
ththDD
DD
VVV
VRCTTT
)(ln
2
21
则 T= T1+T2≈1.4RC若 Vth=VDD / 2,
2)其振荡频率主要取决于 R,C的参数及 Vth 的大小 。 而 Vth本身就不稳定,因此其 频率的稳定性不高。
1)这种形式的多谐振荡器电路是利用回路中的 正反馈作用 产生自激振荡的;
结论
10.4.3 环形振荡器环形振荡器,
例如,利用逻辑门电路的传输延迟时间,将 奇数个 与非门首尾相接,就可以构成一个 简单 的环形振荡器,
& &&
321
uo3uo2uo1
利用闭合回路中的 延迟负反馈作用 产生自激振荡。
& &&
321
uo3uo2uo1
设 uo3 的初始状态为 0:
01 0 10 1
用波形图来表示,则为,
优点,电路结构简单,所用元件少而精。
缺点,频率太高,并且不可调整。 T=2ntpd
0 t
uo3
10.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器
1V
I VO
R
C
VI
VT+
VT-
0 t
VO
t0
T1 T2T=T1 + T2
)l n (
lnln
T
T
TDD
TDD
T
T
TDD
TDD
V
V
VV
VV
RC
V
V
RC
VV
VV
RCT
若电路使用的是 CMOS
施密特触发器,且
VOH≈VDD,VOL≈0,则图 10.4.17 脉冲占空比可调的多谐振荡器通过改变 R1和 R2的比值,就能改变占空比。
石英晶体振荡器常用作数字系统的基准信号。
为获得稳定的振荡频率,可在振荡电路中串接 石英晶体,组成 石英晶体振荡器,如下图所示。
10,4,5 石英晶体多谐振荡器石英晶体
1 1
RFRF
C
C
G1 G2
vo
1、石英晶体的符号和阻抗频率特性:
容性感性容性
0
X
f0 f
当外加电压的频率为 f0时,它的阻抗最小,因此只有频率为 f0 的电压信号最容易通过它,并在电路中形成正反馈,而其他频率的信号均会被石英晶体 衰减 。
电阻性
(a)符号
f0—串 联谐振频率因此,石英晶体振荡器的频率 仅由石英晶体固有的 串 联谐振频率 f0 所决定,而与外接电阻、电容无关。
其频率稳定度△ f0/f0 甚至可达 10- 10~ 10-11 量级,因而得到广泛的应用。
2、石英晶体振荡器,
1 1
RFRF
C
C
G1 G2
vo
本节小结多谐振荡器可以由门电路构成,也可以由 555
定时器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本 RS
触发器在结构上极为相似,只是用于反馈的耦合网络不同。 RS触发器具有两个稳态,多谐振荡器没有稳态,所以又称为无稳电路。
在多谐振荡器中,由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态,其,触发,信号是由电路内部电容充(放)
电提供的,因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。
10.5 555定时器及其应用
555定时器是一种多用途的数字 -模拟混合集成电路,
由于使用灵活、方便,555定时器在波形的产生与变换、信号的测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到广泛的应用。
利用它能极方便地构成 单稳态触发器、
多谐振荡器 和 施密特触发器 及其它实用电路。
555定时器双极型
CMOS型如,NE555,556(双 555)
如,7555,7556 (双 555)
电源电压范围为 5 ~ 16v,最大负载电流可达 200mA;
电源电压范围为 3 ~18v,最大负载电流在 4mA以下。
10.5.1 555定时器的结构及工作原理放电端触发输入阈值输入控制电压
3个阻值为 5K?的电阻组成的分压器;两个 模拟电压比较器 C1,C2 ; 一个 SR锁存器 ;一个放电三极管 TD 和缓冲器 G4。
(1) 电路结构:
(2) 555定时器的工作原理:
5脚悬空时,
比较器 C1、
C2 的比较电压分别为:
CCCC VV 3
1
3
2 和比较器 C1输出 低 电平,
比较器 C2输出 高 电平,SR锁存器被 置 0,放电三极管 TD导通,输出端 v0为 低电平 。
当 vI1> 23 VCC,vI2> 1
3 VCC时,1)
VCC 8 4
3
v0
1 GND
vo’ 7
触发输入 vI2 2
阈值输入 vI1 6
控制电压 vCO 5 R &
& & 1
+
-
+
-
C1
C2
5k?
5k?
5k?
S
TD
Q
Q
G4
VR2
VR1
比较器 C1输出 高 电平,
比较器 C2输出 低 电平,SR锁存器 被 置 1,放电三极管 TD
截止,输出端 v0为 高电平 。
当 vI1< 23 VCC,vI2< 1
3 VCC时,2)
比较器 C1输出 高 电平,
比较器 C2输出 高 电平,SR锁存器 状态不变,v0和 TD的状态 保持 。
当 vI1< 23 VCC,vI2> 1
3 VCC时,3)
VCC 8 4
3
v0
1 GND
vo’ 7
触发输入 vI2 2
阈值输入 vI1 6
控制电压 vCO 5 R &
& & 1
+
-
+
-
C1
C2
5k?
5k?
5k?
S
TD
Q
Q
G4
VR2
VR1
比较器 C1输出 低 电平,比较器 C2输出 低 电平,
输出端 v0为 高电平,放电三极管 TD截止 。
当 vI1> 23 VCC,vI2< 1
3 VCC时,
4)
阈值端 触发端
vI1 vI2
VCC / 3
2VCC / 3 VCC / 3
RD 晶体管 T
D
vo
2VCC / 3 大于小于 保持 保持1
大于 2VCC / 3 VCC / 3大于1 0 导通小于小于1 1 截止
0 0 导通X X
555的功能表
10,5,2 用 555定时器接成的施密特触发器
t
vI
0
t
vo
0
工作波形图
CCV3
1
CCV3
2
vI
vo
0
电压传输特性
CCV3
1 CCV32
如果 5脚 外接控制电压
vCO,则改变 vCO的大小,就可以调节回差电压的范围。
vo
t
0 tw
vC
t
0
2
3 VCC
t
vI
0
( 1)电源接通瞬间,电路自动进入 vo=0的 稳定状态;
( 2)加入触发信号,电路进入暂稳态 1;
vC(0+)=0,vC(?)=VCC,?=RC tw=RCln3≈1.1RC
?
10,5,3 用 555定时器接成的单稳触发器由 555定时器构成 可重复触发 单稳电路:
tw
放电该电路与前面的电路不同的地方就是在电容两端并接了一个三极管 T。
只有在两次触发时间间隔大于 tw时,电路才会回到稳态。
8 4
7
6 3
5
2 1
0.01?F
C
T
vI
VCC
vO
R
555
t0
vI
t0
t
0
vC
vO
CCV3
2
这样,当 vI 在 单稳触发器的暂稳态期间连续触发 时,
由于 T导通能将电容 C上的电荷放掉,使‘ 6’端电压达不到
2/3VCC,从而实现重复触发。
vC
555构成的单稳电路作为 脉冲宽度调制器,
8 4
2
5
3
7
6vCO
1
Vcc
R
C
vOvI
555
vO
t0
vCO
t0
CCV
CCV3
2
CCV3
1
vI
t
0
vC
t0当控制电压 升高 时,电路的阈值电压也升高,输出 脉冲宽度 随之增加 ;反之,输出脉冲宽度随之减少。
比较电压分别是,vco 和 COv21
该电路可以实现 电压 --频率转换 。
vC
tPH tPL
电路状态 保持,vo仍为 1;
定时器状态 翻转为 0,内部放电管 TD导通 ;
3 VCC
1 2
3
VCC<v
C<当 vC上升到:
当 vC上升到 23 VCC 时,
电容 C通过 R2,TD放电,vC下降,降至 时,vO又从 0翻转到 1,内部放电管 TD截止 。
CCV3
1
t
vo
O
t
vc
O
CCV3
1
CCV3
2
当电源接通时,电容 C上初始电压为 0,电源 VCC通过
R1和 R2对电容 C充电,vC上升,在 vC< 时,由于 2端、
6端相连,定时器处于 置 1状态,内部放电管 TD截止 ;
CCV3
1
10,5,4 用 555定时器接成的多谐振荡器振荡频率的计算:
1)矩形波高电平时间 tPH,即充电时间,
tPH =(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)C
2)矩形波低电平时间 tPL,即放电时间,
tPL =R2Cln2≈0.7R2C
占空比 q,脉冲高电平时间与周期的百分比。
CRRttf PLPH )2(
43.11
21?
21
21
2 RR
RR
tt
tq
PLPH
PH
t
vo
O
tPH
tPL
t
vc
O
CCV3
1
CCV3
2
0.01?FC
8 47
6
2
3
5vc
Vcc
vo
R1
R2
1
555
占空比可调的多谐振荡器 (图 10.5.8 )
CRRttf PLPH )(
43.11
21?
10 0
21
1?
RR
Rq ℅
充电放电
4 8
1
62
3
5
7
R1
C
555 uo
VCC
R21R28
S8 S1
简易电子琴 -- 555定时器构成的 多谐振荡器:
简易电子琴就是通过改变 R2 的阻值来改变输出方波的频率,使外接的喇叭发出不同的音调 。
本章小结
1、施密特触发器,单稳态触发器、多谐振荡器的工作特点和主要用途;
2,555定时器的应用;
3、波形分析方法:
( 1)分析电路的工作过程,定性地画出电路中各点电压的波形,找出决定电路状态发生转换的控制电压;
( 2)画出控制电压充、放电的等效电路,并将得到的电路化简;
( 3)确定每个控制电压充、放电的起始值、终了值和转换值;
( 4)计算充、放电时间,求出所需的计算结果。
习 题
10.2,10.8,10.12,10.15,10.20,
10.24,10.25,10.28
思考题,6.31,6.32
该双稳态触发器 作为微电机起动、停车的控制电路。
4 8
1
6
2
3
5
S2
S1
R
R
C
VCC
TH
TR
vo M
微电机
555
S1,起动按钮
S2,停车按钮补充,555定时器构成双稳态触发器
4 8
1
6
2
3
5
S2
S1
R
R
C
VCC
TH
TR
M
微电机
555 vo
导通阈值端 触发端
TH TR
大于大于小于小于小于大于保持 保持
RD 晶体管 Tvo
0
1
1 0
0
1
导通截止
VCC /3
2VCC /3
VCC /3
2VCC /3
2VCC /3
VCC /3
1
X X
则 TR < VCC / 3 ;
未按 S2,
TH < 2VCC / 3,
故 vo = 1,
电机转动 。
1)仅 按下 起动按钮 S1
即使 放开 S1,
TR > VCC / 3,
TH < 2VCC / 3,
vo 保持为 1,
电机继续转动 。
4 8
1
6
2
3
5
S2
S1
R
R
C
VCC
TH
TR
M
微电机
555 vo
电机在转
2)按下 停止 按钮 S2,
TH > 2VCC / 3,
且 TR > VCC / 3,
这时 vo = 0,
电机 停转 。
电机停转再 松开 S2,
TH < 2VCC / 3,
TR > VCC / 3,
这时 vo保持为 0,
电机 依然停转 。
阈值端 触发端
TH TR
大于大于小于小于小于大于保持 保持
RD 晶体管 Tvo
0
1
1 0
0
1
导通截止
VCC /3
2VCC /3
VCC /3
2VCC /3
2VCC /3
VCC /3
1
X X 导通
*多点温度巡回检测第一路测温电桥第二路测温电桥
CC 4 0 5 1
多路开关
C B A
14
13 3
5 0 倍电压放大器 电压表数 字
NE555
74LS90
计数器
QB
QA
B
A
74LS48
译码器 显示器
7
D C
重点讲解,测温电桥模拟多路开关
“测温电桥,的工作原理
+
_
R1
R2
R3
+
-R
测温探头
U 接 4051
70K?
10
K?
6V =
测温探头也称温度传感器,其种类很多,本电路中使用的是一个具有保护外套的半导体二极管。
可知
“测温电桥,的工作原理
+
_
R1
R2
R3
+
-R
测温探头
U 接 4051
70K?
10
K?
6V =
U+ = - 0.75 V
通过电阻 R2 和 R3 对
6V 稳压值进行分压,
“测温电桥,的工作原理
+
_
R1
R2
R3
+
-R
测温探头
U 接 4051
70K?
10
K?
6V =
U+ = - 0.75 V
而 U-
故 U- = - 0.75 V
= U+,
“测温电桥,的工作原理
+
_
R1
R2
R3
+
-R
测温探头
U 接 4051
70K?
10
K?
6V =
U- = - 0.75 V
I1
ID
ID =
I1
= 75?A.
这是一个静态电流值,
可以通过调节电阻 R3 的大小改变它的数值 。
为使测稳探头具有较明显的温敏特性,
“测温电桥,的工作原理
+
_
R1
R2
R3
+
-R
测温探头
U 接 4051
70K?
10
K?
6V =
U- = - 0.75 V
ID =
I1
= 75?A.
I1
ID
通常 ID 被偏置在 100?A 左右 。
“测温电桥,的工作原理
+
_
R1
R2
R3
+
-R
测温探头接 4051
70K?
10
K?
6V
ID
U
uo
U 为 PN 结的正向压降,
ID 为它的正向电流; IS 为反向饱和电流;
k 为波尔兹曼常数; q 为一个电子所带的电荷量;
T 为绝对温度 ; 室温下,UT 近似为 26 mV 。
U = uo - U- = uo + 0.75V
“测温电桥,的工作原理
+
_
R1
R2
R3
+
-R
测温探头接 4051
70K?
10
K?
6V
ID
U
uo
通 过 分 析 推 导,
U = UT? n IDI
S
k T
q? n
ID
IS=
“模拟多路开关,CC 4051 的功能介绍
INE
A
B
C
8
Y
模拟信号模拟信号数字信号功能特点,
1,用数字信号控制模拟信号 ;
2,模拟信号为双向传送方式 。
这是一个 CMOS芯片
CC 4051 功能表
INE C B A CH0 ~ CH7 输出选中
1 X X X 0
0 0 0 0 CH0
0 0 0 1 CH1
0 0 1 0 CH2
0 0 1 1 CH3
0 1 0 0 CH4
0 1 0 1 CH5
0 1 1 0 CH6
0 1 1 1 CH7
八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入多点温度巡回检测第一路测温电桥第二路测温电桥
CC 4 0 5 1
多路开关
C B A
14
13 3
5 0 倍电压放大器 电压表数 字
NE555
74LS90
计数器
QB
QA
B
A
74LS48
译码器 显示器
7
D C
讲解该逻辑电路的工作过程第六章结 束
§ 10.3 单稳态触发器
§ 10.2 施密特触发器
§ 10.4 多谐振荡器
§ 10.5 555定时器及其应用
§ 10.1 概述
10.1 概 述获得矩形脉冲波形的 两种方法,
1)利用各种形式的 多谐振荡器电路,
直接产生 矩形脉冲;
2)通过整形电路把已有的周期性变化的波形 变换 为矩形脉冲。 实现这一变换功能的过程,称作,整形,。
常用的整形电路 有 单稳态触发器 和 施密特触发器 。
图 10.1.1 描述矩形脉冲特性的主要参数
1、脉冲周期 T;
2、脉冲幅度 Vm
3、脉冲宽度 tw
4、上升时间 tr
5、下降时间 tf
6、占空比 q
q= tw / T
10,2 施密特触发器施密特触发器 (schmitt Trigger)的特点:
( 1)属于 电平 触发,当输入信号达到一定电压值时,输出电压会发生突变,输入信号增加和减少时,电路有不同的 阈值电平 。
( 2)在电路状态转换时,通过电路内部的正反馈过程,
使输出电压波形的边沿变得 很陡 。
VT- VT+
VO
VI
VOL
VOH
施密特触发器的电压传输特性
“回差特性
” V= V
T+ - VT-
10.2.1 用门电路组成的施密特触发器
1 1R1
R2
VI1
VI V
O1 VO
1V
I VO
(b)图形符号( a)电路
1、工作原理,设 G1,G2是 CMOS电路,阈值电压
Vth=VDD /2,R1< R2 ; VI 为三角波。
根据叠加原理,
OII
V
RR
RV
RR
RV
21
1
21
2
1?
G1 G2
1 1R1
R2
VI1
VI V
O1 VO
( 1) VI=0时,VO=0,∴ VI1≈0;
( 2) VI增加到使 VI1= Vth时,发生 正反馈,
th
2
1
T )VR
R(1V
输入电压 VI 由小变大使电路输出 发生突变 所对应的值称为 VT+,即 正向阈值电压 ;
TthI VRR
RVV
21
2
1
使 VO迅速跳变为 VDD;VI1 VO1 VO
OII VRR
RV
RR
RV
21
1
21
2
1
此时对应的 VI称为 VT-,即 负向阈值电压 ;
th
2
1
T )VR
R-(1V?
( 3) VI上升到最大值后开始 下降,当 VI1= Vth
时,发生 正反馈,
当 VI1>Vth时,电路状态维持 VO=VDD不变。
VO从 VDD跳变为 0;
DDTthI VRR
RV
RR
RVV?
21
1
21
2
1
VI1 VO1 VO
1 1R1
R2
VI1
VI V
O1 VO
2、工作波形图和传输特性曲线:
VO
VIVT- VT+
0
VDD
V
IVT+
VT-
t0
VO
VDD
t0 th
2
1
T VR
R2V?
回差电压通过调节 R1,R2 的比值,
调节回差电压的大小。
*10.2.2 集成施密特触发器
TTL集成施密特触发器 7413
图 10.2.3 带 与非 功能的 TTL集成施密特触发器
CMOS集成施密特触发器 CC40106:
1V
I VO
10.2.3 施密特触发器的应用利用施密特触发器的回差特性,可以用于对信号进行整形、波形变换、幅度限幅等
。1.用于波形变换
0
VI
VT-
VT-’
VT+
t
t
t
0
0
VO
V’O
1V
I VO
2.用于脉冲整形图 10.2.8 用 施密特触发器对脉冲整形
(a)当传输线上电容较大时,波形的上升沿和下降沿将明显变坏。
(b)当传输线较长而且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时,在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象。
(c)当其他脉冲信号叠加到矩形脉冲信号时,信号上将出现附加的噪声。
3.用于脉冲幅度鉴别例如,输入信号为幅度不等的一串脉冲,需要 消除幅度较小的脉冲,而保留幅度大于 Vth的脉冲。
只要将施密特触发器的正向阈值电压 VT+调到规定的
Vth,便可实现:
图 10.2.9 用 施密特触发器鉴别脉冲幅度本节小结施密特触发器是一种能够把输入波形 整形 成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路 。 施密特触发器在脉冲的整形电路中应用很广 。 而且由于具有 滞回特性,所以抗干扰能力也很强 。
施密特触发器可以由分立元件构成,
也可以由门电路及 555定时器构成 。
10,3 单稳态触发器单稳态触发 器具有以下特点:
1)电路有一个 稳态,一个 暂稳态 ;
2)在 外来触发脉冲 作用下,电路由稳态转到暂稳态;
暂稳态维持一段时间后,电路会 自动返回 稳态。
3)暂稳态维持时间的长短取决于 电路本身的参数,与触发脉冲的宽度和幅度无关。
稳定状态 稳定状态暂稳态由外界触发 自动返回着重理解,
1.为什么 电路可以自动返回稳态?
2.在,暂稳态,上停留的时间 有多长? 该时间由什么决定?
单稳态触发器的 电路形式,
单稳态触发器可以由 分立元件构成,门电路构成,还有 专门的单稳集成电路 以及由 555电路构成等等
。
下面介绍门电路组成的单稳态触发器:
0 t
vI
vo1
vR
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
当 t1 时刻输入触发信号,
即 vI 发生正跳变后,
v
o1 应该产生负跳变。
10,3,1 用门电路组成的单稳态触发器
1.电路组成及工作原理
≥1 1G1 G2
vI VDD
RC
vR
vO1 vO2
(1) 稳态,vo1=1,vo2 =0一、微分型 单稳态触发器图 10.3.1
只要 vR < Vth,仍然 维持 暂稳态。
≥1 1G1 G2
vI VDD
RC
vR
vO1 vO2
+5V
R4
T4
T5
vo1
R
C
VDD
vI vO1 vR vO2
(2) 电路进入暂稳态:
vR
0 t
Vth
vO1 = 0,vO2 = 1,
电容 C应该充电
0 1
同时:
vo2
0 t
所以,一旦 vR = Vth,立即回到稳态,vO2= 0,vO1=1。
( 3)从暂稳态自动返回稳态
C充电 vR vO2 vO1 0
t
vi
vo1
vR
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
Vth
≥1 1G1 G2
vI VDD
RC
vR
vO1 vO2
当 vR = Vth时,发生以下正反馈,(设此时触发脉冲已消失 )
0 t
vi
vo1
vR
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
Vth
≥1 1G1 G2
vI VDD
RC
vR
vO1 vO2
2,主要参数计算:
tW
( 1)输出脉冲宽度 tW
即暂稳态维持时间。
t1 t2RC
Vvv DDRR
)(,0)0(
tW ≈0.7RC当 Vth = VDD /2时,
tRRRR evvvtv )()0()()(
RC
Vvv DDRR
)(,0)0(
)1()( / RCtDDthWR WeVVtv
thDD
DD
W VV
VRCt
ln
( 2)恢复时间 tre
即暂稳态结束后,电路恢复到初始状态所需的时间。主要指电容在暂稳态期间所充电荷的释放时间,tre约为 3倍放电时间常数。
( 3)最高工作频率 fmax
fmax= t
w +tre
1 (微分型单稳)
由于 tW和 tre的存在,加入触发信号的时间间隔 T应满足 T> tW +tre,即
3,讨论:
≥1 1G1 G2
vI V
DD
RC
vR
vO1 vO2
vR
0 t
Vth
( 1)暂态结束瞬间,加在 G2门输入端的高压,可能损坏 G2。为了避免这种现象发生,CMOS器件内部设有保护二极管。
( 2)当输入 vI的脉冲宽度 tpi >tW
时,则在 V02变为低电平后,将不能影响 G1的变化,也就形成不了前述正反馈过程,使 V02输出边沿变缓。
此时需在 G1输入端加一微分电路。
( 3)若采用 TTL与非门构成单稳电路,
G2输入端的电阻 R应小于 0.7K?。
Vth+ VDDVDD+ 0.7v
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
当输入的触发信号 vi
发生正跳变后,
0 1
1
1
1 0
0
vo1 应该产生负跳变。
1
二,积分型 单稳态触发器
1.工作原理
vO1 v
O2
R
C
1 &
vi vAG
1
G2
vA
0 t
电容 C应该放电,
VTH
只要 vA > VTH,
仍然有 VA = 1,
+5V
R4
T4
T5
vo1 AR
C
+
-
1 0
vo1 v
o2
R
C
1 &
vi vA
1
1 0
1
那么,vo2 应该由 1 变成 0。
电容 C应该放电,
vA
0 t
VTH
vo1 v
o2
R
C
1
&
vi vA
1
1 0
1 01
只要 vA > VTH,仍然有 VA = 1,那么,vo2
应该由 1 变成 0。
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
vA
0 t
VTH
1
vo1 v
o2
R
C
1
&
vi VA
1
1 0
01
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
0
那么,
vo2 应该由 0 变成 1。
一旦 vA < VTH,立即会有 VA = 0,
t
2
电容 C继续放电,
1v
o1 v
o2
R
C
1
&
vi VA
1
1 0
1
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
0
t
2
那么电容 C就 不断地 放电,
电路各点的逻辑状态如图所示。
只要 vi 仍为 1 状态,
vo1 就会保持 0 状态,
1&v
o1 v
o2
R
C
1v
i VA
1
1 0
1
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
0
t
2
当 vi 由 1 变回 0 时,
0 1
从此,电容 C将进入 充电 过程,
vo1 自然由 0 变到 1,
t3
波形如右图所示,
0
1
1 &vo1 v
o2
R
C
vi VA
1
1 0
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
0
t
2
当 vi 由 1 变回 0 时,
0 1
从此,电容 C将进入 充电 过程,
vo1 自然由 0 变到 1,
t3
思考,vo2 又该如何呢?
0
1
1 &vo1 v
o2
R
C
vi VA
1
1 0
0
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
t
2
0 1 t
3
思考,vo2 又该如何呢?
对与非门 2 来说,
它已有一个输入端为
0 了,另一输入端 A
的电位尽管在变化,
却不会影响其输出值,
vo2 继续保持为 1 。
电容
C 的充电主要回路如右图示:
+5V
R4
T4
T5
vo1
t3
1
1 &vo1 v
o2
R
C
vi VA
1
1 0
1
0 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
t
2
0 1
0
AR
C
+
-
t30 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
1 &vo1 v
o2
R
C
vi VA
停留在 暂稳态 的时间与电路参数的关系:
tw
CRR
VV
VV
CRRt
O
THOL
OHOL
OW
)(7.0
ln)(
+5V
R4
T4
T5
vo1 AR
C+-
“单稳态触发器”小结
1、为什么 可以自动返回?
因为电容的充、放电过程所至 。
与 R,C 的乘积成正比。
≥1 1G1 G2
vI VDD
RC
vR
vO1 vO2
2.在,暂稳态,上停留的时间 有多长? 该时间由什么决定?
1 &vo1 v
o2
R
C
vi VA
t30 t
vi
vo1
vA
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
VTH
0 t
vi
vo1
vR
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
Vth
(a)微分型单稳 (b)积分型单稳不可重复触发单稳态触发器:
10,3,2 集成单稳态触发器可重复触发单稳态触发器:
指在暂稳态期间,电路 不能 被再次触发翻转,tW只与 R,C有关。
指在暂稳态期间,电路在触发脉冲的作用下 能 被重新触发翻转。
两种单稳电路工作波形比较:
tW tW
tW tWt△
(a)不可重复触发 单稳态触发器工作波形
(b)可重复触发 单稳态触发器工作波形
vI
vI
vO
vO
一,TTL集成单稳态触发器 74121
图 10.3.9 集成单稳态触发器 74121的逻辑图触发信号控制电路:
微分型单稳态触发器:
输出缓冲电路:
由 G1~ G4构成。
由 G5~ G7及 R,C 构成。
由 G8,G9构成,用来提高电路的带负载能力。
a
A1,A2,B,
引脚介绍:
触发输入端;
单稳触发器输出端;vo,vo:
Rext/ Cext( 11脚),与定时电容相连端 /外部定时电阻输入端;
Rint,内部定时电阻引脚;
定时电容输入端。Cext:
工作原理:
( 1)稳态,vo =1vo =0,
( 2)暂稳态:
当 a点有正脉冲触发信号时,电路进入暂稳态;
vo =0vo =1,
暂稳态期间 vo =0,将 G4封锁,所以即使有触发信号输入,a点也不会出现触发脉冲。
电路为不可重复触发单稳触发器
2、触发与定时:
( 1)两种触发方式(表 10.3.1 74121功能表):
① A1A2=0,且 B为上升沿;
② B=1,A1,A2中一个为下降沿,另一个为 1或 A1,A2 都为下降沿;
( 2)定时:
单稳电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。
定时电容接引脚 10,定时电阻 R有两种选择:
① 利用内部定时电阻 Rint,则接法如下:
② 利用外接定时电阻 Rext,则接法如下:
A2
A1
B
Rext VCCCext Rint
vo
vo
GND
C VCC
74121
A2
A1
B
Rext VCCCext Rint
vo
vo
GND
C R VCC
74121 t
W ≈0.7RC
Rext通常取
2k~ 30K?
Rint约为 2K?
*可重复触发单稳态触发器 74LS123
1,74LS123管脚图
916 15 14 13 12 11 10
2 43 65 7 81
CLR
CLR
Q
Q
Q
Q
2B 2A
1B1A 2Q
1Q
1Q
2Q
1CLR
2CLR1CT
2CT
VCC
GND2RT /CT
1RT /CT
74LS123 包括两个独立的单稳,
各管脚以字头 1,2 相区别。单稳输出脉冲的宽度,主要由外接的定时电阻 ( RT ) 和定时电容 ( CT ) 决定。
单稳的翻转时刻决定于 A,B,CLR
三个输入 相与的结果,具体参见它的功能表。
CLR A B Q Q 说 明
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
稳态触发
X X
X X
X X
74LS123功能表
74LS123输出脉冲的宽度有三种控制方法,
1,基本脉冲宽度由外接电阻 ( RT ),电容 ( CT ) 决定:当 CT > 1000PF 时,脉宽 tW
应为 t
W = 0,45 RT CT
74LS123
RT / CT
CT
VCC CT
RT
74LS123输出脉冲的宽度有三种控制方法,
2,在清零端 ( CLR ) 加清 0 负脉冲,可提前终止输出脉冲,如下图所示,
tW
CLR
Q
图中 tW是由电路参数决定的暂稳态时间 ;
实线所表示的 Q 波形则是 CLR 作用的结果。
3,通过在 A 端或 B 端加再触发脉冲,
可使输出脉冲的宽度加宽,
tW
tW
B
Q
tW 为 B的第一次触发所产生的暂稳态时间;
tW 为 B的第二次触发所产生的暂稳态时间。
第一次触发尚未结束,又施加第二次触发信号,
其效果如 Q 的实线波形所示。
3,通过在 A 端或 B 端加再触发脉冲,
可使输出脉冲的宽度加宽,
tW
tW
B
Q
由于这种单稳可以通过加再触发脉冲增大输出脉冲的宽度,所以,
它被称为 可 再触发 式 单稳 。
单稳的应用多种多样,如,整形、延时控制、定时顺序控制等等。
1、定时利用单稳电路产生脉宽为 tW的矩形输出脉冲作为定时信号,去控制某电路,使其在 tW时间内动作(或不动作)。
补充,单稳态触发器的应用与门单稳触发器 tW
2、延时
1)如延时开关:当按一下开关时路灯就亮了,但当手松开后灯并没有立即灭掉,而是经过一段时间后才灭掉,这里就是单稳态电路的延时应用。
0 t
vi
vo1
vR
vo2
0 t
0 t
0 t
t1
Vth
2)从 单稳态触发器的工作波形可看出,输出端 vo1的上升沿相对于输入信号 vi 的上升沿 延迟了 tW时间 。
tW
这种延迟作用常应用于 时序控制 。
3、构成多谐振荡器
A2
A1
B
Rext/Cext VCCCext
Q
GND
C1 R1 V
CC
VCC
1 74121( 1) A2A1
B
VCCCext
Q
GND
C2 R2 V
CC
Rext/Cext
VCC
74121(2) VO
Q1
Q2
S
S为起振开关,将 S打开,电路开始振荡。
工作原理:
② B=1,A1,A2中一个为下降沿,
另一个为 1或 A1,A2 都为下降沿。
触发方式,① A1A2=0,且 B为上升沿;
A2
A1
B
Rext/Cext VCCCext
Q
GND
C1 R1 V
CC
VCC
1 74121( 1) A2A1
B
VCCCext
Q
GND
C2 R2 V
CC
Rext/Cext
VCC
74121(2) VO
Q1
Q2
设初始状态 Q1 =0,Q2=0,S打开后:
第 1片,A1 =Q2 =0,A2=1,B由 0跳变为 1,所以 Q1 从 0 跳变为 1;
第 2片,A2 =B=1,A1= Q1,当 Q1暂稳态结束时 A1 有下降沿,所以 Q2 从 0 跳变为 1;
A2
A1
B
Rext/Cext VCCCext
Q
GND
C1 R1 V
CC
VCC
1 74121( 1) A2A1
B
VCCCext
Q
GND
C2 R2 V
CC
Rext/Cext
VCC
74121(2) VO
Q1
Q2
设初始状态 Q1 =0,Q2=0,S打开后:
第 1片,当 Q2 暂稳态结束时,A2=B=1,A1=Q2
有下降沿,所以 Q1 又从 0跳变为 1;
第 2片,A2 =B=1,A1= Q1,当 Q1暂稳态结束时 A1 有下降沿,所以 Q2 又从 0跳变为 1;
周而复始,形成振荡。 振荡周期 T=0.7(R1C1+R2C2)
工作波形:
Q1
Q2
B1
tW1
tW2
4、噪声消除电路
A2
A1
B
Rext VCCCext
74121 Q
C R VCC
1D
C1
R
Q VO
VI
VI
VO
Q tW tW tW
噪声利用单稳电路,将 输出脉宽 调节到 大于噪声宽度而 小于 信号宽度,即可消除噪声。
本节小结单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成的单稳态触发器和基本 RS触发器在结构上也极为相似,只有用于反馈的耦合网络不同。
单稳态触发器可以由门电路构成,也可以由
555定时器构成。在单稳态触发器中,由一个暂稳态过渡到稳态,其,触发,信号也是由电路内部电容充(放)电提供的,暂稳态的持续时间即脉冲宽度也由电路的阻容元件决定。
单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲,但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波,用途很广。
10,4 多谐振荡器
10,4,2 非对称式多谐振荡器
1、电路组成及工作原理:
1
G1
1
G2
R C
VI VO1 VO2
图 10.4.6 由 CMOS门电路组成的多谐振荡器假定 CMOS反相器的电压输出特性为理想化折线,即
VON=VOFF,称之为门坎电平 Vth 。
多谐振荡器也叫矩形波振荡器,是一种 自激 振荡电路,在接通电源后,不需要 外加触发信号,就能产生一定频率和幅值的 矩形脉冲 。是 无稳态 电路。
(1)第一暂稳态及电路自动翻转的过程:
+UDD
TP1
TN1
D1
D2
TP2
TN2
D3
D4
VO1 VO2VI
R
C
设 t=0时刻接通电源,
电容 C尚未充电,初始状态为,VO1=‘1’
VO2=‘0’ 电容 C充电,
充电当 VI上升到 Vth 时,
VI VO1 VO2 电路迅速 翻转为,V
O1=‘0’ VO2=‘1’
正反馈过程 (第二暂稳态 )
设 Vth= VDD/2:
1 0
(第一暂稳态 )
0
(2)第二暂稳态及电路自动翻转的过程:
+UDD
TP1
TN1
D1
D2
TP2
TN2
D3
D4
VO1 VO2VI
R
C
电路进入第二暂态的瞬间,
电容 C放电,
放电当 VI 降至 Vth 时,
VI VO1 VO2 电路迅速 翻转为,
VO1=1,VO2=0
VO2上升到
UDD,
VI= UDD + V+
正反馈过程
1
VI也上跳 UDD,
1
0
2、工作波形图:
Vth
VI
t0
t
VO2
0
VDD
VDD+ △ V+
1
G1
1
G2
R C
VI VO1 VO2
充电放电
-△ V-
忽略导通门的导通电阻,充电和放电的时间常数均为 RC,用三要素法求解,
1)充电时,VI( 0+) ≈0,VI( ∞) =VDD,?=RC
teVVVtV )()0()()(
Vth
VI
t0
t
VO2
0
VDD
t1 t2
3、振荡周期 T的计算:
T1 T2
VDD+ △ V+
-△ V-
RCT
DDDDI eVVTV
/
1
1)0()(
=Vth
thDD
RCT
DD VVeV
/1
DD
thDDRCT
V
VVe /
1
thDD
DD
VV
VRCT
ln
1
2)放电时,VI( 0+) ≈ VDD,VI( ∞) =0,?=RC
th
DD
2 V
VR C lnT?
Vth
VI
t0
t
VO2
0
VDD
t1 t2
T1 T2
ththDD
DD
VVV
VRCTTT
)(ln
2
21
则 T= T1+T2≈1.4RC若 Vth=VDD / 2,
2)其振荡频率主要取决于 R,C的参数及 Vth 的大小 。 而 Vth本身就不稳定,因此其 频率的稳定性不高。
1)这种形式的多谐振荡器电路是利用回路中的 正反馈作用 产生自激振荡的;
结论
10.4.3 环形振荡器环形振荡器,
例如,利用逻辑门电路的传输延迟时间,将 奇数个 与非门首尾相接,就可以构成一个 简单 的环形振荡器,
& &&
321
uo3uo2uo1
利用闭合回路中的 延迟负反馈作用 产生自激振荡。
& &&
321
uo3uo2uo1
设 uo3 的初始状态为 0:
01 0 10 1
用波形图来表示,则为,
优点,电路结构简单,所用元件少而精。
缺点,频率太高,并且不可调整。 T=2ntpd
0 t
uo3
10.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器
1V
I VO
R
C
VI
VT+
VT-
0 t
VO
t0
T1 T2T=T1 + T2
)l n (
lnln
T
T
TDD
TDD
T
T
TDD
TDD
V
V
VV
VV
RC
V
V
RC
VV
VV
RCT
若电路使用的是 CMOS
施密特触发器,且
VOH≈VDD,VOL≈0,则图 10.4.17 脉冲占空比可调的多谐振荡器通过改变 R1和 R2的比值,就能改变占空比。
石英晶体振荡器常用作数字系统的基准信号。
为获得稳定的振荡频率,可在振荡电路中串接 石英晶体,组成 石英晶体振荡器,如下图所示。
10,4,5 石英晶体多谐振荡器石英晶体
1 1
RFRF
C
C
G1 G2
vo
1、石英晶体的符号和阻抗频率特性:
容性感性容性
0
X
f0 f
当外加电压的频率为 f0时,它的阻抗最小,因此只有频率为 f0 的电压信号最容易通过它,并在电路中形成正反馈,而其他频率的信号均会被石英晶体 衰减 。
电阻性
(a)符号
f0—串 联谐振频率因此,石英晶体振荡器的频率 仅由石英晶体固有的 串 联谐振频率 f0 所决定,而与外接电阻、电容无关。
其频率稳定度△ f0/f0 甚至可达 10- 10~ 10-11 量级,因而得到广泛的应用。
2、石英晶体振荡器,
1 1
RFRF
C
C
G1 G2
vo
本节小结多谐振荡器可以由门电路构成,也可以由 555
定时器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本 RS
触发器在结构上极为相似,只是用于反馈的耦合网络不同。 RS触发器具有两个稳态,多谐振荡器没有稳态,所以又称为无稳电路。
在多谐振荡器中,由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态,其,触发,信号是由电路内部电容充(放)
电提供的,因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。
10.5 555定时器及其应用
555定时器是一种多用途的数字 -模拟混合集成电路,
由于使用灵活、方便,555定时器在波形的产生与变换、信号的测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到广泛的应用。
利用它能极方便地构成 单稳态触发器、
多谐振荡器 和 施密特触发器 及其它实用电路。
555定时器双极型
CMOS型如,NE555,556(双 555)
如,7555,7556 (双 555)
电源电压范围为 5 ~ 16v,最大负载电流可达 200mA;
电源电压范围为 3 ~18v,最大负载电流在 4mA以下。
10.5.1 555定时器的结构及工作原理放电端触发输入阈值输入控制电压
3个阻值为 5K?的电阻组成的分压器;两个 模拟电压比较器 C1,C2 ; 一个 SR锁存器 ;一个放电三极管 TD 和缓冲器 G4。
(1) 电路结构:
(2) 555定时器的工作原理:
5脚悬空时,
比较器 C1、
C2 的比较电压分别为:
CCCC VV 3
1
3
2 和比较器 C1输出 低 电平,
比较器 C2输出 高 电平,SR锁存器被 置 0,放电三极管 TD导通,输出端 v0为 低电平 。
当 vI1> 23 VCC,vI2> 1
3 VCC时,1)
VCC 8 4
3
v0
1 GND
vo’ 7
触发输入 vI2 2
阈值输入 vI1 6
控制电压 vCO 5 R &
& & 1
+
-
+
-
C1
C2
5k?
5k?
5k?
S
TD
Q
Q
G4
VR2
VR1
比较器 C1输出 高 电平,
比较器 C2输出 低 电平,SR锁存器 被 置 1,放电三极管 TD
截止,输出端 v0为 高电平 。
当 vI1< 23 VCC,vI2< 1
3 VCC时,2)
比较器 C1输出 高 电平,
比较器 C2输出 高 电平,SR锁存器 状态不变,v0和 TD的状态 保持 。
当 vI1< 23 VCC,vI2> 1
3 VCC时,3)
VCC 8 4
3
v0
1 GND
vo’ 7
触发输入 vI2 2
阈值输入 vI1 6
控制电压 vCO 5 R &
& & 1
+
-
+
-
C1
C2
5k?
5k?
5k?
S
TD
Q
Q
G4
VR2
VR1
比较器 C1输出 低 电平,比较器 C2输出 低 电平,
输出端 v0为 高电平,放电三极管 TD截止 。
当 vI1> 23 VCC,vI2< 1
3 VCC时,
4)
阈值端 触发端
vI1 vI2
VCC / 3
2VCC / 3 VCC / 3
RD 晶体管 T
D
vo
2VCC / 3 大于小于 保持 保持1
大于 2VCC / 3 VCC / 3大于1 0 导通小于小于1 1 截止
0 0 导通X X
555的功能表
10,5,2 用 555定时器接成的施密特触发器
t
vI
0
t
vo
0
工作波形图
CCV3
1
CCV3
2
vI
vo
0
电压传输特性
CCV3
1 CCV32
如果 5脚 外接控制电压
vCO,则改变 vCO的大小,就可以调节回差电压的范围。
vo
t
0 tw
vC
t
0
2
3 VCC
t
vI
0
( 1)电源接通瞬间,电路自动进入 vo=0的 稳定状态;
( 2)加入触发信号,电路进入暂稳态 1;
vC(0+)=0,vC(?)=VCC,?=RC tw=RCln3≈1.1RC
?
10,5,3 用 555定时器接成的单稳触发器由 555定时器构成 可重复触发 单稳电路:
tw
放电该电路与前面的电路不同的地方就是在电容两端并接了一个三极管 T。
只有在两次触发时间间隔大于 tw时,电路才会回到稳态。
8 4
7
6 3
5
2 1
0.01?F
C
T
vI
VCC
vO
R
555
t0
vI
t0
t
0
vC
vO
CCV3
2
这样,当 vI 在 单稳触发器的暂稳态期间连续触发 时,
由于 T导通能将电容 C上的电荷放掉,使‘ 6’端电压达不到
2/3VCC,从而实现重复触发。
vC
555构成的单稳电路作为 脉冲宽度调制器,
8 4
2
5
3
7
6vCO
1
Vcc
R
C
vOvI
555
vO
t0
vCO
t0
CCV
CCV3
2
CCV3
1
vI
t
0
vC
t0当控制电压 升高 时,电路的阈值电压也升高,输出 脉冲宽度 随之增加 ;反之,输出脉冲宽度随之减少。
比较电压分别是,vco 和 COv21
该电路可以实现 电压 --频率转换 。
vC
tPH tPL
电路状态 保持,vo仍为 1;
定时器状态 翻转为 0,内部放电管 TD导通 ;
3 VCC
1 2
3
VCC<v
C<当 vC上升到:
当 vC上升到 23 VCC 时,
电容 C通过 R2,TD放电,vC下降,降至 时,vO又从 0翻转到 1,内部放电管 TD截止 。
CCV3
1
t
vo
O
t
vc
O
CCV3
1
CCV3
2
当电源接通时,电容 C上初始电压为 0,电源 VCC通过
R1和 R2对电容 C充电,vC上升,在 vC< 时,由于 2端、
6端相连,定时器处于 置 1状态,内部放电管 TD截止 ;
CCV3
1
10,5,4 用 555定时器接成的多谐振荡器振荡频率的计算:
1)矩形波高电平时间 tPH,即充电时间,
tPH =(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)C
2)矩形波低电平时间 tPL,即放电时间,
tPL =R2Cln2≈0.7R2C
占空比 q,脉冲高电平时间与周期的百分比。
CRRttf PLPH )2(
43.11
21?
21
21
2 RR
RR
tt
tq
PLPH
PH
t
vo
O
tPH
tPL
t
vc
O
CCV3
1
CCV3
2
0.01?FC
8 47
6
2
3
5vc
Vcc
vo
R1
R2
1
555
占空比可调的多谐振荡器 (图 10.5.8 )
CRRttf PLPH )(
43.11
21?
10 0
21
1?
RR
Rq ℅
充电放电
4 8
1
62
3
5
7
R1
C
555 uo
VCC
R21R28
S8 S1
简易电子琴 -- 555定时器构成的 多谐振荡器:
简易电子琴就是通过改变 R2 的阻值来改变输出方波的频率,使外接的喇叭发出不同的音调 。
本章小结
1、施密特触发器,单稳态触发器、多谐振荡器的工作特点和主要用途;
2,555定时器的应用;
3、波形分析方法:
( 1)分析电路的工作过程,定性地画出电路中各点电压的波形,找出决定电路状态发生转换的控制电压;
( 2)画出控制电压充、放电的等效电路,并将得到的电路化简;
( 3)确定每个控制电压充、放电的起始值、终了值和转换值;
( 4)计算充、放电时间,求出所需的计算结果。
习 题
10.2,10.8,10.12,10.15,10.20,
10.24,10.25,10.28
思考题,6.31,6.32
该双稳态触发器 作为微电机起动、停车的控制电路。
4 8
1
6
2
3
5
S2
S1
R
R
C
VCC
TH
TR
vo M
微电机
555
S1,起动按钮
S2,停车按钮补充,555定时器构成双稳态触发器
4 8
1
6
2
3
5
S2
S1
R
R
C
VCC
TH
TR
M
微电机
555 vo
导通阈值端 触发端
TH TR
大于大于小于小于小于大于保持 保持
RD 晶体管 Tvo
0
1
1 0
0
1
导通截止
VCC /3
2VCC /3
VCC /3
2VCC /3
2VCC /3
VCC /3
1
X X
则 TR < VCC / 3 ;
未按 S2,
TH < 2VCC / 3,
故 vo = 1,
电机转动 。
1)仅 按下 起动按钮 S1
即使 放开 S1,
TR > VCC / 3,
TH < 2VCC / 3,
vo 保持为 1,
电机继续转动 。
4 8
1
6
2
3
5
S2
S1
R
R
C
VCC
TH
TR
M
微电机
555 vo
电机在转
2)按下 停止 按钮 S2,
TH > 2VCC / 3,
且 TR > VCC / 3,
这时 vo = 0,
电机 停转 。
电机停转再 松开 S2,
TH < 2VCC / 3,
TR > VCC / 3,
这时 vo保持为 0,
电机 依然停转 。
阈值端 触发端
TH TR
大于大于小于小于小于大于保持 保持
RD 晶体管 Tvo
0
1
1 0
0
1
导通截止
VCC /3
2VCC /3
VCC /3
2VCC /3
2VCC /3
VCC /3
1
X X 导通
*多点温度巡回检测第一路测温电桥第二路测温电桥
CC 4 0 5 1
多路开关
C B A
14
13 3
5 0 倍电压放大器 电压表数 字
NE555
74LS90
计数器
QB
QA
B
A
74LS48
译码器 显示器
7
D C
重点讲解,测温电桥模拟多路开关
“测温电桥,的工作原理
+
_
R1
R2
R3
+
-R
测温探头
U 接 4051
70K?
10
K?
6V =
测温探头也称温度传感器,其种类很多,本电路中使用的是一个具有保护外套的半导体二极管。
可知
“测温电桥,的工作原理
+
_
R1
R2
R3
+
-R
测温探头
U 接 4051
70K?
10
K?
6V =
U+ = - 0.75 V
通过电阻 R2 和 R3 对
6V 稳压值进行分压,
“测温电桥,的工作原理
+
_
R1
R2
R3
+
-R
测温探头
U 接 4051
70K?
10
K?
6V =
U+ = - 0.75 V
而 U-
故 U- = - 0.75 V
= U+,
“测温电桥,的工作原理
+
_
R1
R2
R3
+
-R
测温探头
U 接 4051
70K?
10
K?
6V =
U- = - 0.75 V
I1
ID
ID =
I1
= 75?A.
这是一个静态电流值,
可以通过调节电阻 R3 的大小改变它的数值 。
为使测稳探头具有较明显的温敏特性,
“测温电桥,的工作原理
+
_
R1
R2
R3
+
-R
测温探头
U 接 4051
70K?
10
K?
6V =
U- = - 0.75 V
ID =
I1
= 75?A.
I1
ID
通常 ID 被偏置在 100?A 左右 。
“测温电桥,的工作原理
+
_
R1
R2
R3
+
-R
测温探头接 4051
70K?
10
K?
6V
ID
U
uo
U 为 PN 结的正向压降,
ID 为它的正向电流; IS 为反向饱和电流;
k 为波尔兹曼常数; q 为一个电子所带的电荷量;
T 为绝对温度 ; 室温下,UT 近似为 26 mV 。
U = uo - U- = uo + 0.75V
“测温电桥,的工作原理
+
_
R1
R2
R3
+
-R
测温探头接 4051
70K?
10
K?
6V
ID
U
uo
通 过 分 析 推 导,
U = UT? n IDI
S
k T
q? n
ID
IS=
“模拟多路开关,CC 4051 的功能介绍
INE
A
B
C
8
Y
模拟信号模拟信号数字信号功能特点,
1,用数字信号控制模拟信号 ;
2,模拟信号为双向传送方式 。
这是一个 CMOS芯片
CC 4051 功能表
INE C B A CH0 ~ CH7 输出选中
1 X X X 0
0 0 0 0 CH0
0 0 0 1 CH1
0 0 1 0 CH2
0 0 1 1 CH3
0 1 0 0 CH4
0 1 0 1 CH5
0 1 1 0 CH6
0 1 1 1 CH7
八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入八路模拟输入多点温度巡回检测第一路测温电桥第二路测温电桥
CC 4 0 5 1
多路开关
C B A
14
13 3
5 0 倍电压放大器 电压表数 字
NE555
74LS90
计数器
QB
QA
B
A
74LS48
译码器 显示器
7
D C
讲解该逻辑电路的工作过程第六章结 束