在數(shù)字系統(tǒng)中

1、5.1 概述概述在數(shù)字系統(tǒng)中， 獲得脈沖波形的方法主要有兩種：一種是利用多諧振蕩器直接產(chǎn)生；一種是利用施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成的整形電路對已有波形進行整形、變換得到。 555定時器是一種多用途的集成電路。555定時器只要其外部配接少量阻容元件就可構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。5.2.1 由門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器由門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種能夠把輸入波形整形成為適合于數(shù)字電路需要的矩形脈沖的電路。1&DuiuoRS(a) 電路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G30011(二極管導(dǎo)通壓降0.7V)1&Duiu

2、oRS(a) 電路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G30111（2）uiUD=0.7V 時，R1，S1，RS 觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)，uo仍為高電平，電路仍維持在第一種穩(wěn)態(tài)。1&DuiuoRS(a) 電路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G31100（2）ui上升到 UD=0.7V 時，R1，S1，RS 觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)，uo仍為高電平，電路仍維持在第一種穩(wěn)態(tài)。（3）ui繼續(xù)上升到 UT+=UT=1.4V 時，R0，S1，RS 觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，uo為低電平，這是第二種穩(wěn)態(tài)。電路翻轉(zhuǎn)后 ui再上升，電路狀態(tài)不變。（1）ui0時，R1，S

3、0，uo為高電平，這是第一種穩(wěn)態(tài)。1&DuiuoRS(a) 電路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G30110（2）ui上升到 UD=0.7V 時，R1，S1，RS 觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)，uo仍為高電平，電路仍維持在第一種穩(wěn)態(tài)。（3）ui繼續(xù)上升到 UT+=UT=1.4V 時，R0，S1，RS 觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，uo為低電平，這是第二種穩(wěn)態(tài)。電路翻轉(zhuǎn)后 ui再上升，電路狀態(tài)不變。（4）ui上升到最大值后下降時，若 ui下降到 UT，R1。S=1，RS 觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)，電路仍維持在第二種穩(wěn)態(tài)。（1）ui0時，R1，S0，uo為高電平，這是第一種穩(wěn)態(tài)。1&Duiu

4、oRS(a) 電路(b) 工作波形uoui(V)UT+UTtt001.40.7G1G2G3（1）ui0時，R1，S0，uo為高電平，這是第一種穩(wěn)態(tài)。0011（2）ui上升到 UD=0.7V 時，R1，S1，RS 觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)，uo仍為高電平，電路仍維持在第一種穩(wěn)態(tài)。（3）ui繼續(xù)上升到 UT+=UT=1.4V 時，R0，S1，RS 觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，uo為低電平，這是第二種穩(wěn)態(tài)。電路翻轉(zhuǎn)后 ui再上升，電路狀態(tài)不變。（4）ui上升到最大值后下降時，若 ui下降到 UT，R1。S=1，RS 觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)，電路仍維持在第二種穩(wěn)態(tài)。（5）ui繼續(xù)下降到 UT-=UT-UD=0.7V時，R1，S0，RS 觸

5、發(fā)器翻轉(zhuǎn)，uo為高電平，電路返回到第一種穩(wěn)態(tài)。uoui(b) 邏輯符號(a) 傳輸特性uiuoUTUT+0下限閾值電壓上限閾值電壓回差電壓（滯后電壓）：UT UTUT前面介紹的施密特觸發(fā)器的回差電壓為：UTUTUTUT(UTUD)UD 0.7V缺點是回差太小，且不能調(diào)整。(a) 40106 的引腳排列圖 14 13 12 11 10 9 840106 1 2 3 4 5 6 7VDD 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y VSS 14 13 12 11 10 9 84093 1 2 3 4 5 6 7(b) 4093 的引腳排列圖VDD 3A 3B 3Y 4Y

6、 4B 4A 1A 1B 1Y 2Y 2B 2A VSS(a) 7414 的引腳排列圖 14 13 12 11 10 9 87414 1 2 3 4 5 6 7VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND 14 13 12 11 10 9 874132 1 2 3 4 5 6 7(b) 74132 的引腳排列圖VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND5.2.2 集成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器的應(yīng)用舉例施密特觸發(fā)器的應(yīng)用舉例1、脈沖的整形、脈沖的整形CMOSMOC等正弦波振蕩器11(a) 慢輸入

7、波形的TTL系統(tǒng)接口(b) 整形電路的輸入、輸出波形輸入輸出UT+UT2、慢輸入波形的、慢輸入波形的TTL接口接口3、脈沖幅度的鑒別、脈沖幅度的鑒別4、組成多諧振蕩器、組成多諧振蕩器本次課主要內(nèi)容 同步時序邏輯電路的設(shè)計方法 施密特觸發(fā)器的工作原理 施密特觸發(fā)器的典型應(yīng)用 多諧振蕩器5-2 多諧振蕩器多諧振蕩器 又稱無穩(wěn)態(tài)電路。又稱無穩(wěn)態(tài)電路。 主要產(chǎn)生各種方波或時鐘信號。主要產(chǎn)生各種方波或時鐘信號。ui1 uo1 ui2 uo0(a) 電路圖& RCuoui1ttt(b) 波形圖00G1G2 ui2(uo1)UTt1t2t35.3.2 5.3.2 不對稱不對稱( (CMOS)多諧振蕩

8、器多諧振蕩器在t1時刻， uo由0變?yōu)?，由于電容電壓不能躍變，故ui1必定跟隨uo發(fā)生正跳變，于是ui2（uo1）由1變?yōu)?。這個低電平保持uo為1，以維持已進入的這個暫穩(wěn)態(tài)。在這個暫穩(wěn)態(tài)期間，電容C通過電阻R放電，使ui1逐漸下降。在t2時刻，ui1上升到門電路的開啟電壓UT，使uo1（ui2）由0變?yōu)?，uo由1變?yōu)?。同樣由于電容電壓不能躍變，故ui1跟隨uo發(fā)生負跳變，于是ui2（uo1）由0變?yōu)?。這個高電平保持uo為0。至此，第一個暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路進入第二個暫穩(wěn)態(tài)。第一暫穩(wěn)態(tài)及其自動翻轉(zhuǎn)的工作過程ui1 uo1 ui2 uo0(a) 電路圖& RCuoui1ttt(b)

9、波形圖00G1G2 ui2(uo1)UTt1t2t3第二暫穩(wěn)態(tài)及其自動翻轉(zhuǎn)的工作過程在t2時刻，uo1變?yōu)楦唠娖剑@個高電平通過電阻R對電容C充電。隨著放電的進行，ui1逐漸上升。在t3時刻，ui1上升到UT，使uo（ui1）又由0變?yōu)?，第二個暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路返回到第一個暫穩(wěn)態(tài)，又開始重復(fù)前面的過程。若 UT0.5VDD，振蕩周期為：T1.4RCRCRC環(huán)形多諧振蕩器環(huán)形多諧振蕩器R R較小時，振蕩周期較小時，振蕩周期T=2.2RCT=2.2RC電路中各點電路中各點的電壓波形的電壓波形& R1 C2 R2C1uof(a) 石英晶體多諧振蕩器(b) 石英晶體阻抗頻率特性0Xf0電容性電

10、感性5.3.4 5.3.4 石英晶體石英晶體多諧振蕩器多諧振蕩器電阻R1、R2的作用是保證兩個反相器在靜態(tài)時都能工作在線性放大區(qū)。對TTL反相器，常取R1R2R0.7 k2k，而對于CMOS門，則常取R1R2R10k100k；C1C2C是耦合電容，它們的容抗在石英晶體諧振頻率f0時可以忽略不計；石英晶體構(gòu)成選頻環(huán)節(jié)。振蕩頻率等于石英晶體的諧振頻率f0單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中一般用于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中一般用于（產(chǎn)生一定寬度的矩形波）、（產(chǎn)生一定寬度的矩形波）、（把不規(guī)則（把不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換成寬度、幅度都相等的波形）以及的波形轉(zhuǎn)換成寬度、幅度都相等的波形）以及（把輸入信號延遲一定時間后輸出）

11、等。（把輸入信號延遲一定時間后輸出）等。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有下列特點：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有下列特點：（1）電路有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。）電路有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。（2）在外來觸發(fā)脈沖作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻）在外來觸發(fā)脈沖作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長久保持的狀態(tài)，經(jīng)）暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長久保持的狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)過一段時間后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間與觸發(fā)脈沖無關(guān)，僅決定于電路態(tài)的持續(xù)時間與觸發(fā)脈沖無關(guān)，僅決定于電路本身的參數(shù)。本身的參數(shù)。5.4.1 5.4.1 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器uiCuA1(a) 電路

12、(b) 波形uo2RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVDD0000tP1（1）沒有觸發(fā)信號時電路工作在穩(wěn)態(tài)當沒有觸發(fā)信號時，ui為低電平。因為門G2的輸入端經(jīng)電阻R接至VDD，VA為高電平，因此uo2為低電平；門G1的兩個輸入均為0，其輸出uo1為高電平，電容C兩端的電壓接近為0。這是電路的穩(wěn)態(tài)，在觸發(fā)信號到來之前，電路一直處于這個狀態(tài)：uo11，uo20。0011uiCuA1(a) 電路(b) 波形uo2RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVDD0000tP1110（2）外加觸發(fā)信號使電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)當正觸發(fā)脈沖ui到來時，門G1輸出uo1由1

13、變?yōu)?。由于電容電壓不能躍變，uA也隨之跳變到低電平，使門G2的輸出uO2變?yōu)?。這個高電平反饋到門G1的輸入端，此時即使ui的觸發(fā)信號撤除，仍能維持門G1的低電平輸出。但是電路的這種狀態(tài)是不能長久保持的，所以稱為暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時，uo10，uo21。uiCuA1(a) 電路(b) 波形uo2RG1G2uo1VDDuiuo1uAuo2ttttVDDVDD0000tP10011（3）電容充電使電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返回到穩(wěn)態(tài)在暫穩(wěn)態(tài)期間，VDD經(jīng)R和G1的導(dǎo)通工作管對C充電，隨著充電的進行，C上的電荷逐漸增多，使uA升高。當uA上升到閾值電壓UT時，G2的輸出uo2由1變?yōu)?。由于這時G1輸入觸發(fā)信號

14、已經(jīng)過去，G1的輸出狀態(tài)只由uo2決定，所以G1又返回到穩(wěn)定的高電平輸出。uA隨之向正方向跳變，加速了G2的輸出向低電平變化。最后使電路退出暫穩(wěn)態(tài)而進入穩(wěn)態(tài)，此時uo11，uo20。脈沖寬度：tp=0.7RCuiCuA11uo2RG1G2uo1VDDC1R1電路的改進電路的改進當ui的寬度很寬時，可在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端加一個RC微分電路，否則，在電路由暫穩(wěn)態(tài)返回到穩(wěn)態(tài)時，由于門G1被ui封住了，會使uo2的下降沿變緩。 (a) 74121 的引腳排列圖 14 13 12 11 10 9 874121 1 2 3 4 5 6 7 Rext/CextVCC NC NC Cext Rin NC Q

15、 NC TR- TR-B TR+ Q GNDTR-A、TR-B是兩個下降沿有效的觸發(fā)信號輸入端，TR+是上升沿有效的觸發(fā)信號輸入端。Q和是兩個狀態(tài)互補的輸出端。Rext/Cext、Cext是外接定時電阻和電容的連接端，外接定時電阻R（R=1.4k40k）接在VCC和Rext/Cext之間，外接定時電容C（C=10pF10F）接在Cext（正）和Rext/Cext之間。74121內(nèi)部已設(shè)置了一個2k的定時電阻，Rin是其引出端，使用時只需將Rin與VCC連接起來即可，不用時則應(yīng)將Rin開路。74121的輸出脈沖寬度：tp0.7RC5.4.2 5.4.2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器uo&am

16、p;uiuAuo(a) 電路示意圖(b) 波形圖單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器uououiuAtpuiuotp5.4.4 5.4.4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用5.5 555定時器定時器及其應(yīng)用及其應(yīng)用5.5.1 555定時器定時器結(jié)構(gòu)及功能結(jié)構(gòu)及功能1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G2G3T+2658437RQQ電平觸發(fā)端電平觸發(fā)端電壓控制端復(fù)位端電平有效放電端4.516V1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G2G3T+2658437RQQ001R=0時，Q=1，uo=0，T導(dǎo)通。1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G

17、2G3T+2658437RQQR=0時，時，Q=1，uo=0，T飽和導(dǎo)通。飽和導(dǎo)通。R=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3時，時，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T飽和導(dǎo)通。飽和導(dǎo)通。2VCC/3VCC/3000111&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G2G3T+2658437RQQR=0時，時，Q=1，uo=0，T飽和導(dǎo)通。飽和導(dǎo)通。2VCC/3VCC/310011R=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3時，時，C1=1、C2=1，Q、Q不變，不變，uo不變，不變，T狀態(tài)不變。狀態(tài)不變。110R=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3時，時

18、，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T飽和導(dǎo)通。飽和導(dǎo)通。1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G2G3T+2658437RQQR=0時，時，Q=1，uo=0，T飽和導(dǎo)通。飽和導(dǎo)通。2VCC/3VCC/311100R=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3時，時，C1=1、C2=0，Q=0、Q=1，uo=1，T截止。截止。R=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3時，時，C1=1、C2=1，Q、Q不變，不變，uo不變，不變，T狀態(tài)不變。狀態(tài)不變。R=1、UTH2VCC/3、UTRVCC/3時，時，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T飽和導(dǎo)通。

19、飽和導(dǎo)通。5.5.2 5.5.2 用用555555定時器組成施密特觸發(fā)器定時器組成施密特觸發(fā)器Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+VCCuiuott00(a) 電路(b) 工作波形+VCC1uouCOUT+UT2VCC/3VCC/3控制電壓調(diào)節(jié)回差（1）當 ui0 時，由于比較器 C1=1、C2=0，觸發(fā)器置 1，即 Q1、0Q，uo1uo1。ui升高時，在未到達 2VCC/3 以前，uo1uo1 的狀態(tài)不會改變。Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+VCCuiuott00(a) 電路(b) 工作波形+VCC1uouCOUT+UT2VCC/3VCC/3控制電壓調(diào)節(jié)回差（1

20、）當 ui0 時，由于比較器 C1=1、C2=0，觸發(fā)器置 1，即 Q1、0Q，uo1uo1。ui升高時，在未到達 2VCC/3 以前，uo1uo1 的狀態(tài)不會改變。（2）ui升高到 2VCC/3 時，比較器 C1輸出為 0、C2輸出為 1，觸發(fā)器置 0，即Q0、1Q，uo1=uo=0。此后，ui上升到 VCC，然后再降低，但在未到達VCC/3 以前，uo1uo0 的狀態(tài)不會改變。Rui8 46 7 555 32 5 1uo1+VCCuiuott00(a) 電路(b) 工作波形+VCC1uouCOUT+UT2VCC/3VCC/3控制電壓調(diào)節(jié)回差（1）當 ui0 時，由于比較器 C1=1、C2=

21、0，觸發(fā)器置 1，即 Q1、0Q，uo1uo1。ui升高時，在未到達 2VCC/3 以前，uo1uo1 的狀態(tài)不會改變。（2）ui升高到 2VCC/3 時，比較器 C1輸出為 0、C2輸出為 1，觸發(fā)器置 0，即Q0、1Q，uo1=uo=0。此后，ui上升到 VCC，然后再降低，但在未到達VCC/3 以前，uo1uo0 的狀態(tài)不會改變。（3）ui下降到 2VCC/3 時，比較器 C1輸出為 1、C2輸出為 0，觸發(fā)器置 1，即 Q1、0Q，uo1=uo=1。此后，ui繼續(xù)下降到 0，但 uo1uo1 的狀態(tài)不會改變。CRui8 47 3 6 5552 5 10.01FuoVCCuiuotttP

22、00(a) 電路(b) 工作波形uct02VCC/3輸出脈沖寬度 tp。 tp1.1RC5.5.3 用用555定時器定時器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G2G3T+2658437RQQ001CRui8 47 3 6 5552 5 10.01FuoVCCuiuotttP00uct02VCC/3接通VCC后瞬間，VCC通過R對C充電，當uc上升到2VCC/3時，比較器C1輸出為0，將觸發(fā)器置0，uo0。這時Q=1，放電管T導(dǎo)通，C通過T放電，電路進入穩(wěn)態(tài)。ui到來時，因為uiVCC/3，使C20，觸發(fā)器置1，uo又由0變?yōu)?，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。由于此時Q=0，放電管T截止，VCC經(jīng)R對C充電。雖然此時觸發(fā)脈沖已消失，比較器C2的輸出變?yōu)?，但充電繼續(xù)進行，直到uc上升到2VCC/3時，比較器C1輸出為0，將觸發(fā)器置0，電路輸出uo0，T導(dǎo)通，C放電，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。CR1uc8 47 3 6 5552 5 10.01FuoVCCR2ucuotttP1tP20VCC/32VCC/30(