數(shù)字邏輯課件第十章

數(shù)字邏輯課件第十章第1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六

圖10.1.1(b)組成積分電路，當(dāng)RC<<TK時(shí)，在電容上可得矩形波；而RC>>TK時(shí)，在電容上又可得線性掃描的波形。由上可看出脈沖形成電路的組成應(yīng)有兩大部分，惰性電路和開關(guān)。開關(guān)是用來破壞穩(wěn)態(tài)，使惰性電路產(chǎn)生暫態(tài)的。開關(guān)可用不同的電子器件來完成，如可用運(yùn)算放大器，可用分立器件晶體三極管或場效應(yīng)管，也可以用邏輯門。目前用得較多的是555定時(shí)電路。第2頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六圖10.1.1RC暫態(tài)電路波形第3頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六

惰性電路產(chǎn)生的暫態(tài)過程，對(duì)一階問題而言，可用三要素法來描述，獲得電壓或電流隨時(shí)間變化的方程，該方程是脈沖波形計(jì)算的重要依據(jù)。三要素即起始值X(0+)、趨向值X(∞)和時(shí)間常數(shù)τ，若三要素已知，則得方程或第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六10.2555定時(shí)電路

555定時(shí)電路是目前應(yīng)用十分廣泛的一種器件，本章僅介紹它在脈沖形成方面的基本電路。555定時(shí)電路有TTL集成定時(shí)電路和CMOS集成定時(shí)電路，功能完全一樣，不同之處是前者驅(qū)動(dòng)能力大于后者，我們以CMOS集成定時(shí)器CC7555為例進(jìn)行介紹。第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六10.2.1基本組成

555集成電路主要由3個(gè)5kΩ電阻組成的分壓器、兩個(gè)高精度電壓比較器、一個(gè)基本RS觸發(fā)器、一個(gè)作為放電通路的管子及輸出驅(qū)動(dòng)電路組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖10.2.1所示。第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六圖10.2.1CC7555集成定時(shí)電路第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六1.分壓器

由3個(gè)5kΩ電阻組成，它為兩個(gè)比較器提供基準(zhǔn)電平。如5腳懸空，則比較器A的基準(zhǔn)電平為，比較器B的基準(zhǔn)電平為，改變5腳的接法可改變A、B的基準(zhǔn)電平。第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六

3.基本RS觸發(fā)器RS觸發(fā)器由兩個(gè)或非門組成，它的狀態(tài)由兩個(gè)比較器輸出控制，根據(jù)基本RS觸發(fā)器的工作原理，就可以決定觸發(fā)器輸出端的狀態(tài)。是專門設(shè)置的可從外部進(jìn)行置“0”的復(fù)位端，當(dāng)時(shí)，經(jīng)反相后將或非門封鎖輸出為0。4.開關(guān)放電管和輸出緩沖級(jí)放電管V，它是N溝道增強(qiáng)型的MOS管，其控制柵為0電平時(shí)截止；當(dāng)為1電平時(shí)導(dǎo)通。第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六兩級(jí)反相器構(gòu)成輸出緩沖級(jí)，反相器的設(shè)計(jì)考慮了有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，一般可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)TTL門電路。同時(shí)，輸出級(jí)還起隔離負(fù)載對(duì)定時(shí)器影響的作用。第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六10.2.2工作原理及特點(diǎn)綜上所述，我們根據(jù)圖10.2.1所示電路結(jié)構(gòu)圖可以很容易得到CC7555定時(shí)器的功能表，如表10.2.1所示。表10.2.1555定時(shí)器功能表第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六

CC7555定時(shí)器電路具有靜態(tài)電流較小(80μA左右)，輸入阻抗極高(輸入電流僅為0.1μA左右)，電源電壓范圍較寬(在3V~18V內(nèi)均正常工作)等特點(diǎn)。最大功耗為300mW，和所有CMOS集成電路一樣，在使用時(shí)輸入電壓uI應(yīng)確保在安全范圍之內(nèi)，即滿足下式條件：

USS-0.5V≤UI≤UDD+0.5V

555定時(shí)電路除了CMOS型之外，還有TTL型如5G555(NE555)，它的工作原理與CC7555沒有本質(zhì)區(qū)別，但其驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)200mA。第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六10.3單穩(wěn)態(tài)電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在外界觸發(fā)脈沖的作用下，電路從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫態(tài)，然后在暫穩(wěn)態(tài)停留一段時(shí)間TW后又自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)，并在輸出端產(chǎn)生一個(gè)寬度為TW的矩形脈沖。TW只與電路本身的參數(shù)有關(guān)，而與觸發(fā)脈沖無關(guān)。通常把TW稱為脈沖寬度。第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六10.3.1電路組成圖10.3.1(a)是用CC7555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路，圖10.3.1(b)是其工作波形。圖中R、C為外接定時(shí)元件，輸入觸發(fā)信號(hào)uI加至低觸發(fā)端，由OUT端給出輸出信號(hào)，控制端CO不用時(shí)一般均通過0.01μF接地，以防干擾。第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六圖10.3.1CC7555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第16頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六

10.3.2工作原理靜止期：觸發(fā)信號(hào)uI處于高電平，電路處于穩(wěn)態(tài)，根據(jù)555工作原理知道uO為低電平，放電管V導(dǎo)通，定時(shí)電容C兩端電壓uC=0。工作期：外界觸發(fā)信號(hào)uI加進(jìn)來，要求為負(fù)脈沖且低電平應(yīng)比較器輸出UB為高電平，UA為低電平，使uO為高電平，且放電管截止，電源UDD通過定時(shí)電阻R對(duì)定時(shí)電容充電，這是一個(gè)暫態(tài)問題，只要寫出三要素即可。第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六

由于比較器A、B的存在，uC不可能充至UDD。當(dāng)uC充至大于，但小于時(shí)，UA=UB均為低電平，RS觸發(fā)器處于保持態(tài)，即Q=1、,電路仍處于uO=高電平，放電管仍處于截止，電容繼續(xù)充電；當(dāng)時(shí)UA=1,UB=0,則Q=0,,則uO=0,放電管導(dǎo)通，電容通過放電管很快放電，進(jìn)入恢復(fù)期。由于外界觸發(fā)脈沖加進(jìn)來，電路uO由低電平變?yōu)楦唠娖降皆俅巫優(yōu)榈碗娖竭@段時(shí)間就是暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間，其暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間TW計(jì)算如下：第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六第19頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六

顯然改變定時(shí)元件R或C即可改變延遲時(shí)間TW；通過改變比較器的參考電壓也可改變TW。一般是在5腳CO端外接電源或電阻即可改變比較器A、B的參考電壓。為了使電路能正常工作，要求外加觸發(fā)脈沖的寬度τCP小于TW。且負(fù)脈沖的數(shù)值一定要低于。為此常在輸入信號(hào)uI和觸發(fā)電路之間加一微分電路，如圖10.3.2所示。第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六圖10.3.2具有微分環(huán)節(jié)的單穩(wěn)態(tài)電路第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六

恢復(fù)期：當(dāng)放電管V導(dǎo)通時(shí)，定時(shí)電容C通過放電管迅速放電，即進(jìn)入恢復(fù)期，恢復(fù)到靜止期狀態(tài)。恢復(fù)期TR由下式?jīng)Q定

TR=(3~5)rd·C其中rd為放電管導(dǎo)通時(shí)呈現(xiàn)的電阻，一般R>>rd,所以恢復(fù)期很短。利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器我們也可以獲得線性鋸齒波。由上述工作原理和輸出波形可看出，在電容C兩端可得到按指數(shù)規(guī)律上升的電壓，為獲得線性鋸齒波，只要對(duì)電容C恒流充電即可。故用恒流源代替R即可組成線性鋸齒波電路。第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六圖10.3.3線性鋸齒波電路第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六

圖10.3.3為線性鋸齒波電路，其中晶體三極管V及電阻Re、Rb1、Rb2組成恒流源，給定時(shí)電容提供恒定的充電電流。電容兩端電壓隨時(shí)間線性增長I0為恒定電流。其工作波形如圖7.3.3(b)所示。實(shí)際中為了防止負(fù)載對(duì)定時(shí)電路影響，uC輸出常常通過射極輸出器輸出。第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六外接電阻R的范圍為2kΩ~20MΩ，定時(shí)電容C為100pF~1000μF，因此其單穩(wěn)態(tài)電路的延遲時(shí)間TW可由幾微秒到幾小時(shí)。精度可達(dá)0.1%。當(dāng)然還可以增大R、C值使延時(shí)增大，但將導(dǎo)致精度變低。單穩(wěn)態(tài)電路的主要應(yīng)用是定時(shí)、延時(shí)(對(duì)輸入uI的下降沿而言)和波形變換。第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六10.4多諧振蕩器多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)電路，它在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號(hào)，電路狀態(tài)能夠自動(dòng)地不斷變換，產(chǎn)生矩形波的輸出。由于矩形波中的諧波分量很多，因此又常稱為多諧振蕩器。在數(shù)字電路中，為了定量地描述多諧振蕩器所產(chǎn)生的矩形脈沖波形的特性，經(jīng)常使用如圖10.4.1所示的幾個(gè)指標(biāo)，即第26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六脈沖周期：周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個(gè)相鄰脈沖的時(shí)間間隔。有時(shí)也用頻率f=1/T表示，f表示單位時(shí)間里脈沖重復(fù)的次數(shù)。脈沖幅度Um:脈沖電壓的最大變化幅度。脈沖寬度TW：從脈沖前沿上升到0.5Um起，到脈沖后沿下降到0.5Um止的一段時(shí)間。

第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六上升時(shí)間tr：脈沖前沿從0.1Um上升到0.9Um所需的時(shí)間。下降時(shí)間tf:脈沖后沿從0.9Um下降到0.1Um所需的時(shí)間。利用上述指標(biāo)，就可以把一個(gè)矩形脈沖的基本特性大體上表示清楚了。第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六圖10.4.1描述矩形脈沖特性的指標(biāo)第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六10.4.1電路組成圖10.4.2(a)給出用CC7555構(gòu)成的多諧振蕩器。由圖可見，除將高電平觸發(fā)端TH和低電平觸發(fā)端短接外，在放電回路中還串接一個(gè)電阻R2。電路中R1、R2、C均是定時(shí)元件。圖10.4.2(b)為工作波形。第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六圖10.4.2自由多諧電路第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六

10.4.2工作原理自由多諧振蕩器不具有穩(wěn)態(tài)，只具有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間長短由電路的定時(shí)元件確定，電路工作就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，具體工作過程如下：由于接通電源前，電容器兩端電壓uC=0,電源剛接通時(shí)UB=1,UA=0,所以Q=1，，經(jīng)輸出緩沖級(jí)后uO為高電平，放電管V處于截止。電源電壓通過R1R2對(duì)C充電，其暫態(tài)過程為第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六充

由于比較器A、B的存在，電容C不可能充至UDD。過程如下：當(dāng)時(shí)，UB、UA均為低電平，RS觸發(fā)器狀態(tài)不變；但當(dāng)時(shí)，UA=1,UB=0，則RS觸發(fā)器狀態(tài)變?yōu)镼=0、,輸出uO為低電平，放電管V導(dǎo)通，這段時(shí)間我們稱為第一暫穩(wěn)態(tài)。放電管V導(dǎo)通時(shí)，電容C通過電阻R2和放電管放電，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)期，放電過程為第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六放電管V導(dǎo)通時(shí)，電容C通過電阻R2和放電管放電，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)期，放電過程為放第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六

由于比較器A、B的存在，電容器不可能放電至0。當(dāng)電容放電時(shí)，UA=UB=0,RS觸發(fā)器處于維持狀態(tài)，輸出也不變；但當(dāng)C繼續(xù)放電時(shí)，UB=1、UA=0,則Q=1、，輸出uO為高電平，放電管截止，UDD再次對(duì)電容充電，如此反復(fù)，則輸出可得矩形波形。該電路的振蕩周期計(jì)算如下：T=T1+T2而T1和T2分別為第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六所以第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六輸出矩形的頻率。顯然改變R1、R2和C值即可改變振蕩頻率。我們也可通過改變5腿電壓U5來改變比較器A、B的參考電壓，從而達(dá)到改變振蕩頻率的目的。在實(shí)際中常常需要調(diào)節(jié)T1和T2，引進(jìn)占空比概念第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六

在圖10.4.2中調(diào)占空比時(shí)將同時(shí)改變振蕩周期，為此將電路略加改進(jìn)就得占空比可變的多諧振蕩器，如圖10.4.3所示，它將充放電回路分開了，充電回路為R1、D1、C,放電回路為C、D2、R2和放電管。改變RW不改變R1+R2值。所以該電路振蕩周期為T=(τ充+τ放)ln2=(R1+R2)C×0.7

占空比D為第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六圖10.4.3占空比可調(diào)振蕩器第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六可利用自由多諧振蕩器組成模擬聲響電路，如圖7.4.4所示，A、B兩個(gè)555電路均為多諧振蕩器。如調(diào)節(jié)振蕩器A振蕩頻率fA=1Hz，振蕩器B振蕩頻率fB=1kHz,由于A輸出接至B的端，故只有uO1輸出為高電平時(shí)，B振蕩器才振蕩，uO1輸出為0時(shí)，B停止振蕩，使揚(yáng)聲器發(fā)出1kHz的間歇聲響。第40頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六圖10.4.4模擬聲響發(fā)生器第41頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六10.5施密特電路10.5.1電路組成將555時(shí)基電路2、6端連接，即構(gòu)成施密特電路，如圖10.5.1所示。第42頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六圖10.5.1施密特電路第43頁，共47頁，2023年，2月20日，星期六

10.5.2工作原理當(dāng)時(shí)，UA=0,UB=1,輸出uO為高電平；uI增加，滿足時(shí)，UA=UB=0，電路維持不變，即uO=1;uI繼續(xù)增加，滿足時(shí)，UA=1,UB=0,輸出uO由高電平變?yōu)榈碗娖?；之后uI再增加，只要滿足，電路不變，如uI下降只要滿足