1、数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回6 脉冲的产生与整形电路脉冲的产生与整形电路6.5 555定时器及其应用定时器及其应用6.1 脉冲的基本知识脉冲的基本知识 6.4 施密特触发器施密特触发器6.3 单稳态触发器单稳态触发器6.2 多谐振荡器多谐振荡器数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回6.1 脉冲的基本知识脉冲的基本知识 数字电路中，为了控制和协调整个系统的工作，常常数字电路中，为了控制和协调整个系统的工作，常常需要时钟脉冲信号。需要时钟脉冲信号。获得时钟脉冲的方法有：获得时钟脉冲的方法有：1. 利用多谐振荡器直接产生；利用多谐振荡器直接产生；2. 通
2、过整形电路变换而成。通过整形电路变换而成。整形电路又分为两类：施密特触发器和单稳态触发器。整形电路又分为两类：施密特触发器和单稳态触发器。整形电路可以使脉冲的边沿变陡峭，或形成规定的矩形脉冲。整形电路可以使脉冲的边沿变陡峭，或形成规定的矩形脉冲。将既非直流又非正弦交流的电信号统称为脉冲信号。将既非直流又非正弦交流的电信号统称为脉冲信号。 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回Um0.9Um0.5Um0.1UmTwTtrtf表述矩形脉冲性能指标的主要参数：表述矩形脉冲性能指标的主要参数：周期周期T T周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间的周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间
3、的时间间隔。时间间隔。频率频率f = 1/T， 代表单位时间内脉冲重复的次数。代表单位时间内脉冲重复的次数。脉冲幅度脉冲幅度Um脉冲电压最大变化的幅值。脉冲电压最大变化的幅值。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回下降时间下降时间tf 脉冲从脉冲从0.9Um下降到下降到0.1Um所需的时间。所需的时间。Um0.9Um0.5Um0.1UmTwTtrtf脉冲宽度脉冲宽度Tw从脉冲前沿从脉冲前沿0.5Um始，到脉冲后沿始，到脉冲后沿0.5Um止的止的一段时间。一段时间。上升时间上升时间tr 脉冲从脉冲从0.1Um上升到上升到0.9Um所需的时间。所需的时间。占空比占空比q脉冲宽度与
4、脉冲周期之比。即脉冲宽度与脉冲周期之比。即TTqW 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回6.2 多谐振荡器多谐振荡器 由于输出的矩形波中含有很多谐波分量，故由于输出的矩形波中含有很多谐波分量，故通常将它称为多谐振荡器，又称方波发生器。通常将它称为多谐振荡器，又称方波发生器。 多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源以多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源以后，不需外加触发信号，就能自动地不断来回翻转，后，不需外加触发信号，就能自动地不断来回翻转，产生矩形脉冲。产生矩形脉冲。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回6.2.1 集成门电路构成的多谐振荡器集成门
5、电路构成的多谐振荡器11uIuO1uF1. TTL集成门电路构成的多谐振荡器集成门电路构成的多谐振荡器这些门组成一个环形，所以称为环形振荡器。这些门组成一个环形，所以称为环形振荡器。它是利用门电路的时延它是利用门电路的时延tpd来产生方波振荡的。来产生方波振荡的。 (1) 电路的组成电路的组成数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回11uIuO1uF(2) 工作原理工作原理a. 先假设在虚线所示处断开。先假设在虚线所示处断开。b. 在在uI处输入一方波，经过时延处输入一方波，经过时延tpd之后，得之后，得uO的波形。的波形。uIuOtpd环行振荡器的工作波形环行振荡器的工作波形
6、uO与与uI比较，除延迟比较，除延迟tpd外，两者反相。外，两者反相。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回c. uO再经过两个非门总共再经过两个非门总共2 tpd时延之后，得时延之后，得uF 波形。波形。uIuOuFtpd2tpd11uIuO1uF环行振荡器的工作波形环行振荡器的工作波形若若uI的周期为的周期为6tpd，则，则uI与与uF波形同相。波形同相。此时此时, 若把若把uF直接作为直接作为uI时，电路就可以自激。时，电路就可以自激。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回uIuOuFtpd2tpd11uIuO1uF环行振荡器的工作波形环行振荡器的工作
7、波形(3) 振荡频率振荡频率振荡器的振荡频率取决于振荡器的振荡频率取决于tpd及环路中非门的个数。及环路中非门的个数。图示电路的振荡频率为图示电路的振荡频率为pd061tf 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回a. TTL非门的非门的tpd约为几十纳秒，自激振荡的频率较高。约为几十纳秒，自激振荡的频率较高。(4) 电路特点电路特点为了降低振荡频率，通常在环形通路中串入为了降低振荡频率，通常在环形通路中串入RC延时环节。延时环节。 b. 振荡频率无法调节。振荡频率无法调节。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回2. CMOS集成门电路构成的多谐振荡器集成门电
8、路构成的多谐振荡器(1) 电路的组成电路的组成(a)电路图电路图 (b)传输特性曲线传输特性曲线 假定门电路的电压传输特性曲线具假定门电路的电压传输特性曲线具有理想特性。有理想特性。 输出低电平输出低电平UOL=0 门电路的阈值电平门电路的阈值电平UT=VDD/2输出高电平输出高电平UOH=VDD数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回(2) 工作原理工作原理a. 若若uI有正向扰动，必然引起下有正向扰动，必然引起下述正反馈过程述正反馈过程 uO1uIuO2此时，电容此时，电容C通过通过R到到uO1放电，进而通过放电，进而通过uO2反向充电。反向充电。 使使uO1迅速变成低电平
9、，而迅速变成低电平，而uO2迅速变成高电平，电路进入迅速变成高电平，电路进入第一暂稳态。第一暂稳态。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回电容电容C通过通过R到到uO1放电，通过放电，通过uO2反向充电。反向充电。电容电容C的放电等效电路的放电等效电路 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回b. 随着电容随着电容C的放电，的放电，uI不断下不断下降，当达到降，当达到uI=UT(VDD/2)时，电时，电路又经历另一个正反馈过程路又经历另一个正反馈过程 uO1uIuO2 从而使从而使uO1迅速变成高电平，迅速变成高电平，uO2迅速变成低电平，电迅速变成低电平，电
10、路进入第二暂稳态。路进入第二暂稳态。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回同时，电容同时，电容C通过通过uO1、R、C和和uO2充电。充电。 电容电容C的充电等效电路的充电等效电路 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回c. 随着电容随着电容C的不断充电，的不断充电，uI不不断上升，当达到断上升，当达到uIUT时时,电路又电路又迅速跃变到第一暂稳态。迅速跃变到第一暂稳态。 如此周而复始，电路不停地在如此周而复始，电路不停地在两个暂稳态之间转换，产生方波输两个暂稳态之间转换，产生方波输出。出。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回(2) 工作
11、波形工作波形数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回(3) 电路的振荡周期电路的振荡周期根据一阶根据一阶RC电路的三要素法电路的三要素法 )()()0()(lnIIIItuuuut 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回当输入电压当输入电压uI由由VDD下降到下降到UT时，有时，有 RC 0)(I uDDI)0(Vu 忽略门电路的输出电阻及忽略门电路的输出电阻及 UD（ UD较小）较小） 。T1I)(UTu 当当t=T1时，时，数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回故：故： TDD1lnUVRCT 输入电压输入电压uI由由0上升到上升到UT的
12、时间的时间T2，由，由RC 0)0(I uDDI)(Vu T2I)(UTu 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回得得TDDDD2lnUVVRCT 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回电路的振荡周期为电路的振荡周期为 21TTT TDDln2UVRC =2RCln2 21.4RC数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回 在上述多谐振荡电路中，由于决定振荡频率的主要因素在上述多谐振荡电路中，由于决定振荡频率的主要因素是电路的定时元件是电路的定时元件RC以及门电路的阈值电压以及门电路的阈值电压UT。而它们都容。而它们都容易受温度的影响，所以易受
13、温度的影响，所以RC振荡器的频率稳定性只有约振荡器的频率稳定性只有约10-3或或更差。更差。6.2.2 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器门电路的组成的多谐振荡电路的特点：门电路的组成的多谐振荡电路的特点： 因此，在对频率稳定性要求比较高的场合，普遍采用石因此，在对频率稳定性要求比较高的场合，普遍采用石英晶体振荡器。英晶体振荡器。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回1. 石英晶体的基本特性石英晶体的基本特性 高质量石英晶体振荡器高质量石英晶体振荡器(其晶片置于恒温盒内其晶片置于恒温盒内 )，频率，频率稳定性可达稳定性可达10-11。(1) 石英晶体的电路符号石英晶体的电路
14、符号 是将切成薄片的石英晶体置于两平是将切成薄片的石英晶体置于两平板之间构成的。板之间构成的。 (2) 石英晶体振荡器的频率稳定性石英晶体振荡器的频率稳定性 石英晶体振荡器的频率稳定性能达到石英晶体振荡器的频率稳定性能达到10-510-8。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回 石英晶体振荡器的频率稳定性高，走时准确，在通常石英晶体振荡器的频率稳定性高，走时准确，在通常的气温条件下，可以保证每天不差半秒的误差。的气温条件下，可以保证每天不差半秒的误差。 目前较好的家用电子钟表几乎都采用具有石英晶体谐目前较好的家用电子钟表几乎都采用具有石英晶体谐振器的方波发生器。振器的方波发生
15、器。 通常选用固有频率为通常选用固有频率为32768Hz的石英谐振器，因为的石英谐振器，因为32768=215，将此振荡频率经过，将此振荡频率经过15次二分频，即可得次二分频，即可得1Hz的的时钟脉冲，作为计时基准。时钟脉冲，作为计时基准。 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回2. CMOS石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 石英谐振器石英谐振器QR及及C1、C2为外接分为外接分立元件。立元件。1G1C2RuOC1图中虚线以上部分制作在集成电路内；图中虚线以上部分制作在集成电路内； 晶体谐振器工作频率位于其串联谐振晶体谐振器工作频率位于其串联谐振频率频率fs和并联谐振频率
16、和并联谐振频率fp之间。之间。电路就形成一个由反相器组成的电容三点式振荡器电路就形成一个由反相器组成的电容三点式振荡器 。 振荡器输出的波形并不理想，还需进行整形，才能得到振荡器输出的波形并不理想，还需进行整形，才能得到矩形脉冲输出。矩形脉冲输出。 QR数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回6.3 单稳态触发器单稳态触发器3. 单稳态触发器常用于数字系统的整形、延时和定时电路中。单稳态触发器常用于数字系统的整形、延时和定时电路中。 1. 单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态。单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态。单稳态触发器的特点：单稳态触发器的特点：2. 在触发脉冲的作用下，单
17、稳态触发器从稳态翻转到暂在触发脉冲的作用下，单稳态触发器从稳态翻转到暂稳态，经过时间稳态，经过时间tw后又自动翻回稳态，并在输出端产一后又自动翻回稳态，并在输出端产一个宽度为个宽度为tw的矩形脉冲。的矩形脉冲。 暂稳态的时间取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度暂稳态的时间取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度无关。无关。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回6.3.1 门电路构成的单稳态触发器门电路构成的单稳态触发器 按定时元件按定时元件R和和C的不同联接，这类单稳态触发器可分为微的不同联接，这类单稳态触发器可分为微分型和积分型两种分型和积分型两种 。&G1G2RuIuO1
18、uO2uI2&C1. 微分型单稳态触发器的组成微分型单稳态触发器的组成微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器电路处于稳态时，电路处于稳态时，uI为高电平，为高电平，uO1为低电平。为低电平。为了使为了使uO2可靠为高电平，应选可靠为高电平，应选R Roff，一般取，一般取R0.5k。 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回2. 工作原理工作原理 (1) uI为高电平，电路处于稳态。为高电平，电路处于稳态。uO1= 0，uO2 =1 &G1G2RuIuO1uO2uI2&C 由于电容两端电压不会突变，因此由于电容两端电压不会突变，因此uI2亦由低变高，使亦由低变高，使uO2由由高变
19、低，从而引起如下反馈过程：高变低，从而引起如下反馈过程： 使电路迅速进入暂稳态：使电路迅速进入暂稳态：uO1=1。 (2) uI的负跳沿到来时，电路触发翻转。的负跳沿到来时，电路触发翻转。uO1由低变高由低变高uO1uIuI2uO2数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回(3) 在暂稳态期间在暂稳态期间1.4VtuI2OUOHUTtW&G1G2RUOHuI2CRO 门门1的输出高电平的输出高电平UOH经电容经电容C和电阻和电阻R到地的方向给电到地的方向给电容充电，使门容充电，使门2的输入电压的输入电压uI2以时间常数以时间常数 1 = (R+Ro)C (Ro为为门门1的输出电阻
20、的输出电阻)按指数曲线下降。按指数曲线下降。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回 当当uI2下降到门坎电平下降到门坎电平(UT = 1.4V)时，产生如下正反馈过程：时，产生如下正反馈过程： &G1G2RuIuO1uO2uI2&CuI2uO2uI = 1uO1 使电路结束暂稳态，自动返回稳态：使电路结束暂稳态，自动返回稳态：uO1= 0，uO2= 1。 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回 uI2以时间常数以时间常数 2 = (R1R)C按指数曲线上升，电路经历一按指数曲线上升，电路经历一个恢复阶段回到稳态时的初始状态。个恢复阶段回到稳态时的初始状态。
21、(4) 恢复阶段恢复阶段+5V T3 R1 R T1uI2CG1G2uO1 0 暂稳态时间结束后，暂稳态时间结束后，电容电容C放电。放电。恢复阶段恢复阶段C的放电回路的放电回路数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回&G1G2RuIuO1uO2uI2&CttttW1UOHUOL1.4vtWuI2 1 2 tOOOOuIuO2uO1UOHUOLUT工作波形图工作波形图2. 工作波形工作波形数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回 (1) 输出脉冲宽度输出脉冲宽度(暂稳态时间暂稳态时间) tw&G1G2RuIuO1uO2uI2&CttttW1UOHUOL1.4vtW
22、uI2 1 2 tOOOOuIuO2uO1UOHUOLUT工作波形图工作波形图uI2从从UOHR/(R+Ro)下降到下降到UT的时间的时间 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回1.4VtuI2OUOHUTtW&G1G2RUOHuI2CRO根据一阶根据一阶RC电路的三要素法电路的三要素法)()()0()(lntuuuuRCt 得得TOH00wln)(UURRRCRRt 实际常用经验公式实际常用经验公式 tw 0.8RC ( R tw则应通过则应通过微分电路微分电路RPCP再输入到与非门再输入到与非门1。为保证稳态时为保证稳态时uO1 = 0，要求，要求:RP CPtwIRPR
23、on门门3改善输出波形，起反改善输出波形，起反相和整形的作用。相和整形的作用。 MOS门输入阻抗高，外接电阻门输入阻抗高，外接电阻R和和RP的大小不会影响其的大小不会影响其稳态，它们不再受稳态，它们不再受ROFF和和RON的限制。的限制。 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回【例例】 由由CMOS集成门电路的组成的微分型单稳态触发器如图所集成门电路的组成的微分型单稳态触发器如图所示，已知示，已知R=50kW W，C0.01m0.01mF，电源电压电源电压VDD=10V，试求在触，试求在触发信号作用下输出脉冲的宽度和幅度。发信号作用下输出脉冲的宽度和幅度。【解】【解】 由由C
24、MOS集成门的特性可知，输出高电平集成门的特性可知，输出高电平输出低电平输出低电平， UOH=VDDUOL=0阈值电平阈值电平UT=VDD/2 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回若忽略门电路的输出电阻，由图可知：若忽略门电路的输出电阻，由图可知： 0)0(C uDDC)(Vu RC 2/)(DDTWCVUtu 根据一阶电路的三要素法，得输出脉冲宽度根据一阶电路的三要素法，得输出脉冲宽度 )()()0()(lnWWtuuuutCCCC 2lnRC ms035. 0 输出脉冲幅度输出脉冲幅度V10DDOLOHm VUUU数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回
25、6.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 这些器件只要外接很少的电阻和电容，就这些器件只要外接很少的电阻和电容，就可构成单稳态触发电路，使用起来非常方便。可构成单稳态触发电路，使用起来非常方便。 TTL系列的有系列的有74121、74122、74123等；等；CMOS系列的有系列的有4098、4528、4538等。等。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回1. TTL集成单稳态触发器（集成单稳态触发器（74121）(1) 74121 的电路结构的电路结构数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回(2) 74121 的电路符号的电路符号 0 1 0 1 0 1
26、 1 1 1 1 1 1 0 0 输出输出输输 入入QB1A2A0 000(3) 74121 的的功能表的的功能表数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回(1) 稳态稳态 Q=0。(2) 当需要上升沿触发时，触发脉冲从当需要上升沿触发时，触发脉冲从B端输入，同时端输入，同时 、 当中至少应有一当中至少应有一个为个为0状态；状态；1A2A(3) 当需要下降沿触发时，则触发脉冲应该从当需要下降沿触发时，则触发脉冲应该从 或或 输入输入(另另一个接一个接1状态状态)，同时保持，同时保持B端状态为端状态为1。1A2A由表可见：由表可见： 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1
27、0 0 输出输出输输 入入QB1A2A0 000数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回ttWOtWtWQB1A2AtOtOtO(4) 74121 的工作波形的工作波形数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回(5) 输出脉冲宽度输出脉冲宽度tw tw RextCext ln2 = 0.7 RextCext 可用内部电阻可用内部电阻Rint(2k)代替代替Rext 。 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回2. CMOS集成单稳态触发器（集成单稳态触发器（4538）BCRACXCX/ RX(1) 4538的符号图的符号图(2) 4538的功能表的
28、功能表 1 1 0 1 1 1 0 1 0输出输出输输 入入QCRAB0 00为清零输入端。为清零输入端。 CRA为上升沿触发输入端为上升沿触发输入端B为下降沿触发输入端为下降沿触发输入端数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回由表可见：由表可见： BCRACXCX/ RXa. 当选择上升沿触发时，应将输入脉冲加入当选择上升沿触发时，应将输入脉冲加入A输入端，同时输入端，同时输入端接高电平；输入端接高电平； Bb. 若选择下降沿触发时，可将输入脉冲引入输入端若选择下降沿触发时，可将输入脉冲引入输入端 ，A输入输入端接低电平端接低电平; Bc. 其它情况时，其它情况时，Q状态不变
29、。状态不变。 1 1 0 1 1 1 0 1 0输出输出输输 入入QCRAB0 00数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回tw=RextCextBCRACXCX/ RX(3) 4538输出脉冲宽度输出脉冲宽度Rext和和Cext可在较大范围内选择；可在较大范围内选择；tw的范围可达的范围可达10s 。3. 单稳态触发器的类型单稳态触发器的类型集成单稳态触发器可分为单触发和重触发触发器。集成单稳态触发器可分为单触发和重触发触发器。单触发的触发器有单触发的触发器有74121、74221、74LS221等等重触发的触发器有重触发的触发器有74122、74123、74LS123、45
30、28、4538等。等。 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回 单触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态以后，再单触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，直到暂稳态结束后，加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，直到暂稳态结束后，才能接收触发脉冲而转入下一个暂稳态。才能接收触发脉冲而转入下一个暂稳态。(1) 单触发的单稳态触发器单触发的单稳态触发器a. 单触发的单稳态触发器特点单触发的单稳态触发器特点b. 单触发的单稳态触发器工作波形图单触发的单稳态触发器工作波形图uIuOtWtW数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回
31、(2) 重触发的单稳态触发器重触发的单稳态触发器a. 重触发的单稳态触发器特点重触发的单稳态触发器特点 重触发的单稳态触发器在电路被触发进入暂稳态以后，重触发的单稳态触发器在电路被触发进入暂稳态以后，如果再次输入触发脉冲，电路将被重新触发，电路的输出如果再次输入触发脉冲，电路将被重新触发，电路的输出脉冲再持续一个脉冲再持续一个tW脉宽。脉宽。b. 重触发的单稳态触发器工作波形图重触发的单稳态触发器工作波形图uIuOtWtWt1数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回6.3.3 单稳态触发器的应用举例单稳态触发器的应用举例 整形电路可以把这些脉冲信号变换成具有一定幅度和宽整形电路
32、可以把这些脉冲信号变换成具有一定幅度和宽度的矩形波形。度的矩形波形。1. 脉冲的整形脉冲的整形 在实际的数字系统中，由于脉冲的来源不同，波形也相差较大。在实际的数字系统中，由于脉冲的来源不同，波形也相差较大。例如，从光电检测设备送来的脉冲波形一般不太规则；脉冲信例如，从光电检测设备送来的脉冲波形一般不太规则；脉冲信号在线路中远距离传送，常会导致波形变化或叠加上干扰；号在线路中远距离传送，常会导致波形变化或叠加上干扰；数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回(a) 电路电路 (b) 波形图波形图 脉冲整形电路脉冲整形电路数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回塑料
33、成型顺序加工控制系统可用单稳态触发器来实现。塑料成型顺序加工控制系统可用单稳态触发器来实现。 2. 脉冲的定时脉冲的定时 由于单稳态电路能产生一定宽度由于单稳态电路能产生一定宽度t tw w的矩形脉冲，利用这一的矩形脉冲，利用这一脉冲去控制某个系统，就能使其在脉冲去控制某个系统，就能使其在t tw w时间内动作（或不动作），时间内动作（或不动作），起到定时控制的作用。起到定时控制的作用。定时控制的典型例子定时控制的典型例子塑料成型控制系统。塑料成型控制系统。塑料成型一般经历预热、加压、保温、冷却四道工序。塑料成型一般经历预热、加压、保温、冷却四道工序。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下
34、页下页返回返回T1T2T3T4u1u2u3u4定时控制工作波形定时控制工作波形数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回 在数字控制和测量系统中，有时为了完成时序配合，在数字控制和测量系统中，有时为了完成时序配合，需将脉冲信号延迟需将脉冲信号延迟t t1 1时间后输出。时间后输出。3. 脉冲的延迟脉冲的延迟这一过程这一过程可用双单稳集成电路外接可用双单稳集成电路外接R、C元件实现。元件实现。脉冲信号的延迟脉冲信号的延迟t1tWuIuO数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回【例【例2】由双集成单稳态触发器】由双集成单稳态触发器4538构成的电路如图所示，要求构成的
35、电路如图所示，要求(1) 说明电路在说明电路在S2断开和闭合时的工作原理；断开和闭合时的工作原理；(2) 求出求出S1断开断开S2闭合时电路的主要指标，并画出电路的输出波形。闭合时电路的主要指标，并画出电路的输出波形。【解【解】(1) S2断开时，断开时， 电路是两个串接的单稳态触发器。电路是两个串接的单稳态触发器。 S1断开时，单稳态触发器处于稳态。断开时，单稳态触发器处于稳态。 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回 按下按下S1，由于，由于A1=0，单稳态触发器，单稳态触发器(I)被触发而进入暂稳态，被触发而进入暂稳态，Q1由由0跃变为跃变为1，而，而Q2保持不变。保持
36、不变。 当单稳态触发器当单稳态触发器(I)暂态结束时，暂态结束时，Q1由由1回到回到0，单稳态触发，单稳态触发器器(II)被触发进入暂态，被触发进入暂态，Q2由由0跃变为跃变为1。 此时段，单稳态触发器此时段，单稳态触发器(I)保持稳态，直到单稳态触发器保持稳态，直到单稳态触发器(II)暂态结束时。暂态结束时。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回 如此周而复始，该电路通过互触发，维持输出状态不断变化，如此周而复始，该电路通过互触发，维持输出状态不断变化，在在Q1与与Q2产生矩形脉冲输出。因此，该电路构成了多谐振荡电路。产生矩形脉冲输出。因此，该电路构成了多谐振荡电路。 如果
37、在单稳态电路处于稳态时，使如果在单稳态电路处于稳态时，使S2闭合，单稳态触发器闭合，单稳态触发器(I)获获得有效触发脉冲，单稳态触发器得有效触发脉冲，单稳态触发器(I)被触发进入暂稳态。被触发进入暂稳态。单稳态触发器单稳态触发器(I)暂稳态结束时，暂稳态结束时，Q1的负跃变又触发单稳态触发器的负跃变又触发单稳态触发器(II)；单稳态触发器单稳态触发器(II)暂稳态结束时，又触发单稳态触发器暂稳态结束时，又触发单稳态触发器(I)。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回(2) 多谐振荡电路的周期、电路脉宽及占空比多谐振荡电路的周期、电路脉宽及占空比 周期周期T（两个单稳暂稳时间之
38、和为振荡周期）（两个单稳暂稳时间之和为振荡周期） 脉冲宽度（若由脉冲宽度（若由Q2输出），则输出），则 占空比占空比2211w2w1CRCRttT 22w2wCRtt 221122ww2CRCRCRttq 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回 画电路波形图画电路波形图tW1tW2T2Q1Q数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回6.4 施密特触发器施密特触发器 UT= UT+- UT-称为回差电压称为回差电压 施密特触发器是一种重要的脉冲整形电路施密特触发器是一种重要的脉冲整形电路，施密特触发器施密特触发器能把变化缓慢的波形变换成矩形脉冲。能把变化缓慢的波形
39、变换成矩形脉冲。输入电压上升的翻转电平为上限阀值电平输入电压上升的翻转电平为上限阀值电平UT+输入电压下降的翻转电平为下限阀值电平输入电压下降的翻转电平为下限阀值电平UT-1. 基本概念基本概念 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回输入和输出为同相关系的称为同相施密特触发器输入和输出为同相关系的称为同相施密特触发器 输入和输出为反相关系的称为反相施密特触发器输入和输出为反相关系的称为反相施密特触发器2. 施密特触发器的传输特性施密特触发器的传输特性 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回6.4.1 门电路构成的施密特触发器门电路构成的施密特触发器设设UTU
40、DD/2，且，且R1R2。11G1G2R2R1uIuOOuIuOu1. CMOS非门电路构成的施密特触发器非门电路构成的施密特触发器数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回2. 施密特触发器的工作原理施密特触发器的工作原理UT+UT tuI的波形图的波形图uI(1) 当当uI = 0时，有时，有uO VDD，uO 0。随着随着uI上升，上升，uI也上升，且有也上升，且有uI uI R2 /(R1+R2)。当当uI增加到使增加到使uI = UT时，产生如下正反馈过程时，产生如下正反馈过程:uIuOuO11G1G2R2R1uIuOOuIuOu数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页
41、下页下页返回返回在极短时间内，电路翻转为在极短时间内，电路翻转为uO VDD。此时由。此时由uI = UT+R2 /( R1+R2)= UT可求得电路的上限阈值电压可求得电路的上限阈值电压:UT+= (1+R1/R2) UTUT+UT tuI的波形图的波形图uI11G1G2R2R1uIuOOuIuOu同理，同理，uI = VDD时，时，uO VDD。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回(2) 当当uI从高电平下降达到使从高电平下降达到使uI = UT时，可求得电路的下时，可求得电路的下限阈值电压限阈值电压:UT- = (1-R1/R2) UTUT+UT tuI的波形图的波形
42、图uI11G1G2R2R1uIuOOuIuOu(3) 触发器的回差电压触发器的回差电压 UT = UT+UT- = 2 UT R1/R2数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回UT+UT tuI的波形图的波形图uI11G1G2R2R1uIuOOuIuOu UT = UT+UT- = 2 UT R1/R2 可见，电路输出的状态由输入电压的大小决定，可见，电路输出的状态由输入电压的大小决定，改变改变R1和和R2就可调节回差电压就可调节回差电压 UT的大小。的大小。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回11G1G2R2R1uIuOOuIuOuUT+UT t tuO波
43、形图波形图uI(4) 波形图波形图数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回6.4.2 集成施密特触发器集成施密特触发器TTL集成施密特触发器有：集成施密特触发器有：74LS14，74132，7413等。等。 CMOS集成施密特触发器有：集成施密特触发器有：CD40106，CD4093和和CD4584等。等。TTL集成施密特触发器性能表集成施密特触发器性能表型号型号741474LS1327413tpd/ns151516.5Pm/mW25.58.88.75UT/V0.80.80.8数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回6.4.3 施密特触发器应用举例施密特触发器应
44、用举例1. 脉冲整形电路脉冲整形电路 在数字测量和控制系在数字测量和控制系统中，由传感器送来的信统中，由传感器送来的信号波形边沿较差，利用施号波形边沿较差，利用施密特电路可以对这些信号密特电路可以对这些信号进行整形。进行整形。脉冲整形波形图脉冲整形波形图ttuIuOUT+UTuIttuOUT+UT数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回2. 脉冲变换电路脉冲变换电路 利用这一特点，施密利用这一特点，施密特电路可以把变化比较缓特电路可以把变化比较缓慢的正弦波、三角波等变慢的正弦波、三角波等变换成矩形脉冲信号换成矩形脉冲信号 。一种变换波形图一种变换波形图uIuOUDDUT+UTU
45、DDtt 由于施密特电路状态由于施密特电路状态转换速度极快，输出矩形转换速度极快，输出矩形波的前后沿总是很陡峭。波的前后沿总是很陡峭。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回3. 鉴幅电路鉴幅电路 在一串幅度不相等的在一串幅度不相等的脉冲信号中，如果要剔除脉冲信号中，如果要剔除幅度不够大的脉冲幅度不够大的脉冲, 此时此时可利用施密特触发器。可利用施密特触发器。uIuOUT+UT鉴幅电路鉴幅电路数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回4. 构成多谐振荡器构成多谐振荡器利用利用CMOS集成施密特触集成施密特触发器组成的多谐振荡器发器组成的多谐振荡器 1）设电容上的初
46、始电压）设电容上的初始电压uC=0V，施密特触发器的输出电压为高，施密特触发器的输出电压为高电平，即电平，即uO=VDD 工作原理：工作原理：2）uO通过电阻通过电阻R给电容充电，电容电压给电容充电，电容电压uC按指数规律增加，按指数规律增加，当当uC到达到达UT+时，触发器翻转，使时，触发器翻转，使uO=0 V。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回如此周而复始，电路构成了多谐振荡器。如此周而复始，电路构成了多谐振荡器。uC和和uO的工作波形的工作波形 3）当）当uO=0 V时，电容又通过电时，电容又通过电阻阻R放电。当放电。当uC下降到下降到UT-时，触时，触发器再次翻转
47、，发器再次翻转，uO= VDD。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回5. 构成单稳态触发器构成单稳态触发器 利用利用CMOS施密特触发施密特触发器构成的单稳态触发器器构成的单稳态触发器 工作原理：工作原理：当输入电压当输入电压uI=0时，输出电压时，输出电压uO=UOL=0V，这是稳定状态。，这是稳定状态。 当当uI的正触发脉冲加到输入端时，由于电容上的电压不能突变，的正触发脉冲加到输入端时，由于电容上的电压不能突变，uA也随着上跳，只要上跳的幅值大于也随着上跳，只要上跳的幅值大于UT+ ，则输出，则输出uO=VDD。触。触发器发生一次翻转，由稳定状态进入到暂稳态。发器发生
48、一次翻转，由稳定状态进入到暂稳态。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回此后，随着电容此后，随着电容C充电，充电，uA按指数规律下降，当按指数规律下降，当uA下降至下降至UT-时，时，触发器再次发生翻转，触发器再次发生翻转，uO=UOL=0V，由暂稳态返回至稳定状态。，由暂稳态返回至稳定状态。暂稳态持续时间：暂稳态持续时间： TIHWlnUURCt工作波形工作波形 数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回6.5 555定时器及其应用定时器及其应用 555定时器是一种中规模集成电路，目前在仪器、定时器是一种中规模集成电路，目前在仪器、仪表和自动化控制装置中应用很
49、广。仪表和自动化控制装置中应用很广。 555定时器可以组成定时、延时和脉冲调制等定时器可以组成定时、延时和脉冲调制等各种电路。各种电路。数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回6.5.1 555定时器定时器(1) TTL集成定时器集成定时器NE555的电路结构和的电路结构和符号。符号。THRDTRGNDOUTCUVCCDIS数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回接地端接地端 正电源端正电源端 复位端复位端 高触发端高触发端低触发端低触发端 放电端放电端 输出端输出端 电压控制端电压控制端8个引出端：个引出端：THRDTRGNDOUTCUVCCDIS数字电子技术
50、基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回电路组成：电路组成： 电阻分压器电阻分压器 电压比较器（电压比较器（A1和和A2） 基本基本RS触发器触发器 放电管放电管T 输出缓冲级输出缓冲级THRDTRGNDOUTCUVCCDIS数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回A1的同相输入端接参考电压的同相输入端接参考电压VREF1=2VCC/3A2的反相输入端接参考电压的反相输入端接参考电压VREF2 = VCC/3THRDTRGNDOUTCUVCCDIS数字电子技术基础数字电子技术基础上页上页下页下页返回返回 在高、低触发端输入电压的作用下，在高、低触发端输入电压的作用下，A1和
