电子工艺脉冲产生电路和定时电路

主讲郭世香课件可登陆以下邮箱下载：[e-mail]登录密码：000000培训内容重点掌握各种典型电子电路的功能、工作原理、性能指标和分析方法。1、掌握典型组合逻辑电路的分析和设计方法2、掌握典型时序逻辑电路的分析与设计方法3、集成555定时器应用与电路设计第二节施密特触发器第四节多谐振荡器第五节555定时器及其应用退出第三节单稳态触发器第一节概述第4章脉冲产生电路和定时电路第一节概述在数字电路中，常常需要各种脉冲波形，这些脉冲波形的获取方法主要有两种：一种是通过整形电路对已有的非脉冲波形进行变换获取；另一种则是利用脉冲信号产生器（即多谐振荡器）直接获取。施密特触发器和单稳态触发器是两种不同用途的脉冲波形的整形、变换电路。施密特触发器主要用以将变化缓慢的或快速变化的非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲，而单稳态触发器则是主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。555定时器是一种多用途集成电路，只要其外部配接少量阻容元件就可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便、灵活。因此，在波形变换与产生、测量控制、家用电器等方面都有广泛的应用。第二节施密特触发器主要用途：把变化缓慢的信号波形变换为边沿陡峭的矩形波。特点：⑴电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持和转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平触发。⑵电压传输特性特殊，电路有两个转换电平（上限触发转换电平UT+和下限触发转换电平UT－）。⑶状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。一、由门电路构成的施密特触发器二、集成施密特触发器三、施密特触发器的应用举例退出一、由门电路组成的施密特触发器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。1.电路结构两个CMOS反相器，两个分压电阻。（a）电路（b）逻辑符号同相输出反相输出2.工作原理设CMOS反相器的阈值电压UTH≈VDD/2，输入信号uI为三角波，。21RR02211212'uRRRuRRRuII施密特触发器的工作波形（1）初始状态VuI0DDOHVUu01VUuOL002当输入电压时，G1，G2开通，输出关闭，输出（2）电路状态的第一次翻转IIuRRRu212''Iu输入电压uI增大时,增大，由于u02=0V,所以也随着THIUu'当输入电压uI上升，使时,G1工作在电压传输特性的转折区(放大区),VUuOL001DDOHVUu02正反馈使电路状态在极短的时间内发生翻转：G2关闭。G1开通'Iu的微小增大就会使电路产生正反馈过程:这时,TTHIURRRUu212'THTHTURRURRRU)1(21221输入电压uI上升到使电路状态发生翻转时的值,称为正向阈值电压,用UT+表示.可得'Iu此后输入电压U继续增大时,由于UTH,电路状态保持不变。02211212'uRRRuRRRuII则根据（3）电路状态的第二次翻转IIDDIuuVRRRu)(211'当输入电压uI由高电平下降时,'Iu也随之下降这时u02=UOH=VDD所以当输入电压uI下降到使'Iu＝UTH时电路又产生另一个正反馈过程DDOHVUu01VUuOL002正反馈又使电路状态在极短的时间内产生另一次翻转：G2开通。G1关闭输入电压uI下降到使电路状态发生翻转时的值,称为负向阈值电压,用TU表示.根据THTHTURRURRRU)1(21221可得TTDDTHIUUVRRRUu)(211'THTURRU)1(21将VDD=2UTH代入上式则施密特触发器的两个稳定状态的维持和转换完全取决于输入电压的大小.只要输入电压uI上TUTU或下降到略小于时,施密特触升到略大于峭的矩形脉冲。发器的输出状态就会发生翻转,从而输出边沿陡3.回差电压THTTTURRUUU212电压传输特性反相输出同向输出上限触发转换电平UT+下限触发转换电平UT－二、集成施密特触发器1.CMOS集成施密特触发器12345678910111213141A1Y2A2Y3A3Y4A4Y5A5Y6A6YVVDDSS2Y2A16251YGND73Y1A343AV912CC136Y11106A4A85Y5A4Y14(a)(b)CC4010674LS14集成施密特触发器CC40106和外引线功能图2.TTL集成施密特触发器12345678910111213141A1Y2A2Y3A3Y4A4Y5A5Y6A6YVVDDSS2Y2A16251YGND73Y1A343AV912CC136Y11106A4A85Y5A4Y14(a)(b)CC4010674LS14集成施密特触发器74LS14外引线功能图TTL集成施密特触发器几个主要参数的典型值器件型号延迟时间（ns）每门功耗（mW）UT+（U）UT－（U）ΔUT（U）74LS14156.61.60.60.674LS132156.61.60.60.674LS1316.56.751.60.60.6TTL施密特触发与非门和缓冲器具有以下特点：（1）输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作。（2）对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿。（3）带负载能力和抗干扰能力都很强。三、施密特触发器的应用举例1.用于波形变换将三角波、正弦波及其它不规则信号变换成矩形脉冲。三角波矩形波正弦波矩形波2.用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，或者边沿产生振荡等。可利用施密特触发器的回差特性，将受到干扰的信号整形较好的矩形脉冲。脉冲整形波形畸变边沿振荡3.用于脉冲鉴幅——将幅值大于UT+的脉冲选出将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些幅度大于UT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。可见，施密特触发器具有脉冲鉴幅能力。脉冲鉴幅本节小结在数字电路中，施密特触发器实质上是具有滞后特性的逻辑门，它有两个阈值电压。电路状态与输入电压有关，不具备记忆功能。除施密特反相器外还有施密特与非门、或非门等。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。而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。特点:1.只有两种状态:稳态和暂稳态；2.外来触发脉冲使:稳态暂稳态稳态；3.暂稳态持续时间仅取决于电路参数,与触发脉冲无关。用途：定时：产生一定宽度的方波。延时：将输入信号延迟一定时间后输出。整形：把不规则波形变为宽度、幅度都相等的脉冲。第三节单稳态触发器一、由门电路构成的单稳态触发器退出二、单稳态触发器的应用1.电路组成及工作原理暂稳态是靠RC电路的充放电过程来维持的。由于图示电路的RC电路接成微分电路形式，故该电路又称为微分型单稳态触发器。集成门电路构成的单稳态触发器一、由门电路构成的单稳态触发器（1）输入信号uI为0时，电路处于稳态。uI2=VDD，uO=UOL=0，uO1＝UOH=VDD。（2）外加触发信号，电路翻转到暂稳态。当uI产生正跳变时，uO1产生负跳变，经过电容C耦合，使uI2产生负跳变，G2输出uO产生正跳变；uO的正跳变反馈到G1输入端，从而导致如下正反馈过程：工作原理使电路迅速变为G1导通、G2截止的状态，此时，电路处于uO1=UOL、uO=uO2=UOH的状态。然而这一状态是不能长久保持的，故称为暂稳态。（3）电容C充电，电路由暂稳态自动返回稳态。在暂稳态期间，VDD经R对C充电，使uI2上升。当uI2上升达到G2的UTH时，电路会发生如下正反馈过程：使电路迅速由暂稳态返回稳态，uO1=UOH、uO=uO2=UOL。从暂稳态自动返回稳态之后，电容C将通过电阻R放电，使电容上的电压恢复到稳态时的初始值。单稳态触发器工作波形2.主要参数（2）输出脉冲宽度tw输出脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间。根据uI2的波形可以计算出：tw≈0.7RC（1）恢复时间tre暂稳态结束后，电路需要一段时间恢复到初始状态。一般，恢复时间tre为（3~5）放电时间常数（通常放电时间常数远小于RC）。设触发信号的时间间隔为T，为了使单稳态触发器能够正常工作，应当满足T＞tw+tre的条件，即Tmin=tw+tre。因此，单稳态触发器的最高工作频率为fmax=1/Tmin=1/（tw+tre）在使用微分型单稳态触发器时，输入触发脉冲uI的宽度tw1应小于输出脉冲的宽度tw，即tw1＜tw，否则电路不能正常工作。如出现tw1＞tw的情况时，可在触发信号源uI和G1输入端之间接入一个RC微分电路。3.对输入触发脉冲宽度的要求（3）最高工作频率fmax（或最小工作周期Tmin）1.脉冲延时单稳态触发器的主要应用是整形、定时和延时。单稳电路的延时作用如果需要延迟脉冲的触发时间，可利用单稳电路来实现。uO的下降沿比uI的下降沿延迟了tw的时间。二、单稳态触发器的应用2.脉冲定时单稳态触发器能够产生一定宽度tw的矩形脉冲，利用这个脉冲去控制某一电路，则可使它在tw时间内动作(或者不动作)。脉冲定时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。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。多谐振荡器是一种在接通电源后，就能产生一定频率和一定幅值矩形脉冲波的自激振荡，常用来做脉冲信号源。多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此它又称作无稳态电路。第四节多谐振荡器多谐振荡器的逻辑符号1.电路结构由两个TTL反相器经电容交叉耦合而成。通常令C1=C2=C，R1=R2=RF。为了使静态时反相器工作在转折区，具有较强的放大能力，应满足ROFF＜RF＜RON的条件。对称式多谐振荡器2.工作原理假定接通电源后，由于某种原因使uI1有微小正跳变，则必然会引起如下的正反馈过程：使uO1迅速跳变为低电平、uO2迅速跳变为高电平，电路进入第一暂稳态。此后，uO2的高电平对C1电容充电使uI2升高，电容C2放电使uI1降低。由于充电时间常数小于放电时间常数，所以充电速度较快，uI2首先上升到G2的阈值电压UTH，并引起如下的正反馈过程：使uO2迅速跳变为低电平、uO1迅速跳变为高电平，电路进入第二暂稳态。此后，C1放电、C2充电，C2充电使uI1上升，会引起又一次正反馈过程，电路又回到第一暂稳态。这样，周而复始，电路不停地在两个暂稳态之间振荡，输出端产生了矩形脉冲。对称式多谐振荡器的工作波形3.主要参数矩形脉冲的振荡周期为T≈1.4RFC当取RF＝1kΩ、C＝I00pF～100μF时，则该电路的振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内变化。本节小结多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。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。第五节555定时器及其应用555定时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5kΩ的电阻而得名。此电路后来竟风靡世界。555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。两个比较器C1和C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接RS触发器。此外还有输出级和放电管。无论是用555做单稳电路（也就是定时电路），还是无稳电路（也就是振荡器），都是靠其外部所接电容的充放